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        淺析高壓細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)在海上升壓站的應(yīng)用

        2017-02-05 02:32:40宋慧慧杭兆峰
        風(fēng)能 2017年11期
        關(guān)鍵詞:電動閥水霧穩(wěn)壓

        文 | 宋慧慧,杭兆峰

        隨著我國的海上風(fēng)電事業(yè)從灘涂走向近海,從近海走向深藍(lán),海上升壓站越來越成為每一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目的標(biāo)配。作為整個(gè)海上風(fēng)電場的電能匯集地,海上升壓站不僅需要配備常規(guī)的一、二次設(shè)備,還需要為抵抗海洋高鹽腐氣候的侵蝕配備站內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)并建立微正壓環(huán)境以確保各系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)越復(fù)雜,消防安全就越難得到保障。從國內(nèi)第一座海上升壓站選擇高壓細(xì)水霧作為其消防方式開始,目前為止幾乎所有的海上升壓站都采用了這種方式。然而據(jù)了解,有些項(xiàng)目一直沒有將這套高壓細(xì)水霧系統(tǒng)真正投入使用或者沒有設(shè)置在自動模式。究其原因,無非是擔(dān)心其可靠性,怕發(fā)生誤動影響海上升壓站的正常運(yùn)行。本文以具有較高代表性的丹佛斯高壓細(xì)水霧系統(tǒng)為例,論述了它的組成、原理、特點(diǎn)以及防止其誤動發(fā)生的兩種方法,以期為該系統(tǒng)在海上升壓站的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

        工程概況

        華能如東300MW海上風(fēng)電場工程位于江蘇省如東縣近海八仙角海域,離岸23km,海底地形變化較大,存在較深潮溝,場區(qū)高程在-18.6-0.6m之間,風(fēng)電場形狀呈不規(guī)則四邊形,海域東西長約10km,南北寬約8km,規(guī)劃面積約為82km2(詳見圖1:風(fēng)電場布置圖)。

        圖1 風(fēng)電場布置圖

        本工程總裝機(jī)容量為300MW,配套設(shè)置2座110kV海上升壓站、1座220kV陸上升壓站及1個(gè)如東現(xiàn)場生產(chǎn)管理中心,所有的電能通過海上升壓站升壓匯集后通過110kV海底電纜送到陸上升壓站升壓到220kV后送到外部電網(wǎng)。

        兩座110kV海上升壓站(分別設(shè)于南區(qū)和北區(qū))采用包括上部組塊和下部結(jié)構(gòu)的布置模式。下部結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管架型式,上部組塊完成建造與安裝調(diào)試后,整體運(yùn)輸至海上完成安裝工作。

        南區(qū)和北區(qū)110kV海上升壓站上部組塊布置基本相同,共三層布置。

        一層布置工具間、備品備件間、救生裝置、事故油罐等設(shè)備并兼為電纜層,35kV和110kV海纜通過J型管穿過本層甲板,然后采用電纜橋架敷設(shè)。根據(jù)甲板層的設(shè)備高度以及本層作為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的功能要求,層高為6.5m。

        南區(qū)和北區(qū)二層中間布置主變室和GIS室,主變散熱裝置和本體分開布置,南區(qū)和北區(qū)還都布置有40.5kV開關(guān)室、接地變室、配電室和暖通機(jī)房;南區(qū)GIS室左側(cè)布置水泵房,對側(cè)布置低壓配電室;北區(qū)GIS室左側(cè)設(shè)置蓄電池室、電抗器室和柴油機(jī)變壓器室,對側(cè)布置避難室;二層層高5.0m。

        南區(qū)和北區(qū)三層中間為主變室和GIS室區(qū)域上空,另外還布置有通信繼保室、中控室、暖通機(jī)房、柴油機(jī)房和油柜等。南區(qū)GIS室上空左側(cè)布置有蓄電池室;北區(qū)GIS室上空左側(cè)布置油柜室,水泵房布置在暖通機(jī)房對面;三層層高4.5m。

        所有房間或區(qū)域被分割成不同的防火分區(qū),采用煙感及溫感一體的探測傳感器進(jìn)行布防,如果探測到火情則立即由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)該防火分區(qū)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的區(qū)域閥箱,打開該閥箱內(nèi)電動閥,高壓細(xì)水霧系統(tǒng)隨即啟動并滅火。

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的組成及工作原理

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)是由高壓泵組(包括高壓主泵、高壓備泵、穩(wěn)壓泵、控制柜)、補(bǔ)水增壓裝置(進(jìn)水電磁閥、過濾器、調(diào)節(jié)水箱等)、區(qū)域閥組、不銹鋼管路、高壓噴頭(包括開式、閉式噴頭及微型噴嘴)、噴槍及其配件等組成(詳見圖2:高壓細(xì)水霧系統(tǒng)示意圖、圖3:高壓細(xì)水霧系統(tǒng)圖)。

        圖2 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)示意圖

        圖3 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)圖

        將海上升壓站內(nèi)的設(shè)備按照布置或功能劃分成若干獨(dú)立的防火分區(qū),每個(gè)防火分區(qū)配置一套區(qū)域控制閥組,該閥組由系統(tǒng)控制閥、電動閥、系統(tǒng)供水出水高壓球閥、壓力開關(guān)、壓力表及連接管道等組成。如圖4所示,①進(jìn)水閥與細(xì)水霧主管網(wǎng)相連,正常情況下處于開啟狀態(tài),高壓細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)在工作狀態(tài)下,從泵組出口至每個(gè)區(qū)域控制閥箱內(nèi)電動閥前的管網(wǎng)內(nèi)壓力一直維持在1.0MPa至1.2MPa之間,當(dāng)管網(wǎng)壓力低于系統(tǒng)設(shè)定的啟動壓力1.0MPa時(shí),穩(wěn)壓泵啟動,維持壓力的穩(wěn)定。當(dāng)某個(gè)防火分區(qū)的區(qū)域閥箱內(nèi)電動閥接收到來自火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的火警信號后會自動打開,此時(shí)管網(wǎng)壓力下降。當(dāng)壓力低于系統(tǒng)設(shè)定的啟動壓力1.0MPa時(shí),穩(wěn)壓泵啟動,穩(wěn)壓泵運(yùn)行超過10s后如果壓力仍然達(dá)不到1.2MPa,則高壓主泵啟動,同時(shí)穩(wěn)壓泵停止運(yùn)行(注意:這里在高壓主泵啟動之前,主管網(wǎng)水流已經(jīng)通過①進(jìn)水閥、③電動閥和⑦出水閥到達(dá)火災(zāi)發(fā)生區(qū)域,只是由于壓力、流量都較小而沒有形成細(xì)水霧效果。此時(shí)的⑥壓力開關(guān)已經(jīng)感知到水壓并將開關(guān)量信號反饋給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))。高壓泵組啟動后,管網(wǎng)壓力將達(dá)到10MPa以上,水流通過不銹鋼管路輸送至著火區(qū)域噴頭后經(jīng)霧化形成高壓細(xì)水霧,將著火區(qū)域快速、完全地覆蓋在細(xì)水霧環(huán)境中,通過快速降溫及隔絕空氣的手段,達(dá)到滅火的目的。

        圖4 區(qū)域閥箱內(nèi)開關(guān)、閥門布置圖

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的特點(diǎn)

        安裝簡便——系統(tǒng)管路管徑不超過DN50;

        節(jié)省空間——只需要很小的空間來安裝泵組;

        安全、環(huán)保——以水作為滅火劑,對環(huán)境友好;

        高效——迅速降溫、窒息滅火;

        即時(shí)噴放——無須預(yù)警時(shí)間;

        凈化作用——有效除掉煙霧中的顆粒及腐蝕性物質(zhì);

        水漬損失小——用水量只有傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的5%-10%;

        免維護(hù)——不用定期更換或檢測藥劑。

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        一、設(shè)計(jì)參數(shù)

        見表1。

        表1 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

        二、高壓細(xì)水霧系統(tǒng)主要設(shè)備選型

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)主要由制造細(xì)水霧的噴頭、中間控制的區(qū)域閥箱以及產(chǎn)生動力的高壓泵組組成。

        (一)噴頭選型

        根據(jù)保護(hù)對象的火災(zāi)危險(xiǎn)性及空間尺寸選用高壓細(xì)水霧噴頭,噴頭的安裝間距不大于3.0m,不小于1.5m,距墻不大于1.5m。

        (二)泵組選型

        根據(jù)流量需求和壓力需求的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合高壓細(xì)水霧泵組的自身性能參數(shù),選配適當(dāng)型號及數(shù)量的主泵作為高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的動力源。

        1.流量需求

        海上升壓站劃分為若干防火分區(qū)后,分別按照實(shí)際情況與已取得型式試驗(yàn)報(bào)告的模型進(jìn)行對比,計(jì)算出每個(gè)防火分區(qū)滿足高壓細(xì)水霧滅火所需的流量需求。例如本海上升壓站最大防火分區(qū)為主變室,根據(jù)J10872-2006細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范的要求,滿足主變室滅火時(shí)的流量需求即滿足了本海上升壓站所有防火分區(qū)滅火的流量需求。為安全起見,該數(shù)值的選取還要把最大防火分區(qū)的流量需求乘以安全系數(shù)1.05(1.05倍是根據(jù)J10872-2006細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范3.4.1第3條的要求),最終的計(jì)算結(jié)果即作為本海上升壓站消防系統(tǒng)所需流量的設(shè)計(jì)依據(jù)。

        2. 壓力需求

        系統(tǒng)工作壓力按照最不利點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式采用Darcy-Weisbach(達(dá)西-魏斯巴赫)公式。根據(jù)達(dá)西公式,當(dāng)不可壓縮粘性流體在粗糙管內(nèi)定常流動時(shí),沿管的壓強(qiáng)降表達(dá)式:

        公式中:l為管長;d為管徑;l/d稱為幾何因子;V為管內(nèi)平均速度;V2/2g為速度水頭;λ為沿程摩阻系數(shù),λ并不是一個(gè)確定的常數(shù),一般由實(shí)驗(yàn)確定。一般情況下,λ與雷諾數(shù)Re以及管壁相對粗糙度△/d有關(guān),即λ=f(Re,△/d),但對于圓管層流運(yùn)動,λ僅與流態(tài)有關(guān),λ=f(Re)=64/Re。該式適用于在任何截面形狀的光滑或粗糙管內(nèi)充分發(fā)展的層流和湍流流動,在工程上具有重要意義。其計(jì)算結(jié)果即作為海上升壓站消防系統(tǒng)所需壓力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

        高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的可靠性分析

        按照原廠的設(shè)計(jì)思路,為保證高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的動作可靠性,高壓泵組啟動的判據(jù)為:管網(wǎng)壓力低于1.0MPa后穩(wěn)壓泵啟動10s,管路壓力仍然達(dá)不到1.2MPa,則啟動高壓泵組將管網(wǎng)壓力加壓至不低于10MPa,壓力達(dá)不到則繼續(xù)啟動后續(xù)泵組。在沒有人為干預(yù)的情況下,直至水箱消防水耗盡,泵組才停止工作。

        有兩種情況會導(dǎo)致高壓細(xì)水霧泵組誤動:

        一、泵組出口至區(qū)域控制閥組之間的管網(wǎng)(主管網(wǎng))漏水

        這種管網(wǎng)分布錯綜復(fù)雜,且接口采用焊接形式,施焊水平的高低將直接影響管網(wǎng)質(zhì)量,且圓形鋼管利用超聲波檢測探傷的準(zhǔn)確性并不高,雖然在出運(yùn)前都已做過保壓試驗(yàn)且合格,但在整個(gè)海上升壓站發(fā)運(yùn)及吊裝過程中管路不可避免會產(chǎn)生變形,且焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力需要較長時(shí)間才能得到有效釋放。所以在海上升壓站就位固定后,高壓細(xì)水霧管網(wǎng)并不是完全可靠的。一旦漏水,壓力降低后,穩(wěn)壓泵啟動10s后主管網(wǎng)仍然達(dá)不到1.2MPa壓力則啟動主泵,壓力越大漏水越猛烈,而泵組將持續(xù)啟動直至水箱中的水噴完為止。這將很可能造成次生災(zāi)害,嚴(yán)重影響海上升壓站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        二、管網(wǎng)壓力檢測裝置故障

        整個(gè)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的動作完全取決于此管網(wǎng)壓力檢測裝置反饋的數(shù)據(jù)(圖3中的壓力變送器),如果此壓力檢測裝置發(fā)生故障,在管網(wǎng)正常壓力的時(shí)候顯示為壓力低,穩(wěn)壓泵就會啟動,啟動10s之后如果反饋的壓力仍然低就會使高壓泵組發(fā)生誤動。雖然高壓泵組啟動后安全泄壓閥會動作,但高壓泵組會持續(xù)工作直到獲得人為干預(yù)信號為止。長時(shí)間運(yùn)行很可能導(dǎo)致泵組絕緣損壞。

        防誤動改進(jìn)方法

        針對高壓細(xì)水霧系統(tǒng)發(fā)生誤動的兩種情況,為消除或降低其發(fā)生的可能性,提出兩種改進(jìn)思路。

        一、與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行信號關(guān)聯(lián)

        火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在檢測到火災(zāi)發(fā)生后,除了發(fā)出信號打開相應(yīng)區(qū)域閥箱電動閥之外,增加一個(gè)火災(zāi)觸發(fā)信號給高壓細(xì)水霧主控制器(PLC)。PLC觸發(fā)主泵啟動的必要條件除了“管網(wǎng)壓力低于1.0MPa后啟動穩(wěn)壓泵運(yùn)行超過10s仍然達(dá)不到1.2MPa”這一條件外,增加火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出的火災(zāi)觸發(fā)信號,可以避免在沒有火災(zāi)的情況下因?yàn)楣芫W(wǎng)漏水或壓力變送器故障導(dǎo)致系統(tǒng)誤動。另外,如果沒有火災(zāi)報(bào)警信號,在穩(wěn)壓泵啟動10s后管網(wǎng)壓力仍然達(dá)不到1.2MPa的情況下,應(yīng)停止穩(wěn)壓泵的運(yùn)行,并向控制系統(tǒng)發(fā)出錯誤報(bào)警信號等待運(yùn)維人員到場解決。

        二、與區(qū)域閥箱內(nèi)的壓力開關(guān)反饋信號關(guān)聯(lián)

        高壓細(xì)水霧區(qū)域閥箱內(nèi)電動閥后面的壓力開關(guān)(流量開關(guān))會在電動閥動作后接收到水流壓力并發(fā)出開關(guān)量信號,這個(gè)信號會反饋給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(僅作為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)動作反饋),但并不反饋給高壓細(xì)水霧系統(tǒng)自帶的主控系統(tǒng)。如果將此壓力開關(guān)動作信號同時(shí)反饋給高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的主控制器(PLC),并將其作為觸發(fā)主泵運(yùn)行的必要條件,將能排除泵組誤動的兩種可能。另外,在沒有收到壓力開關(guān)反饋信號的情況下,在穩(wěn)壓泵啟動10s后管網(wǎng)壓力仍然達(dá)不到1.2MPa時(shí),應(yīng)停止穩(wěn)壓泵運(yùn)行,并向控制系統(tǒng)發(fā)出錯誤報(bào)警信號,等待運(yùn)維人員到場解決。

        三、兩種改進(jìn)方法的比較

        見表2。

        表2 防誤動兩種方法對比

        總結(jié)

        高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是目前比較適合海上升壓站使用的高效滅火系統(tǒng),其不但滿足了海上升壓站體積小的要求,且該系統(tǒng)具有免維護(hù)、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。如再將其可靠性進(jìn)行一定提升,消除可能發(fā)生誤動的機(jī)會,必將使高壓細(xì)水霧系統(tǒng)更適合未來海上升壓站對消防系統(tǒng)的要求。本文從華能如東300MW海上風(fēng)電工程入手,結(jié)合工程實(shí)際情況,闡述了高壓細(xì)水霧系統(tǒng)在海上升壓站的應(yīng)用、組成及其工作原理,也創(chuàng)新性地提出能夠有效杜絕因管網(wǎng)破裂和壓力傳感器故障而導(dǎo)致的高壓細(xì)水霧系統(tǒng)誤動的兩種解決方案,希望能對相關(guān)從業(yè)人員起到一定的借鑒作用。

        攝影:劉富卿

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