文 | 宋慧慧，杭兆峰

隨著我國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)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(guó)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(dòng)模式。究其原因，無(wú)非是擔(dān)心其可靠性，怕發(fā)生誤動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)高程在-18.6-0.6m之間，風(fēng)電場(chǎng)形狀呈不規(guī)則四邊形，海域東西長(zhǎng)約10km，南北寬約8km，規(guī)劃面積約為82km2（詳見圖1：風(fēng)電場(chǎng)布置圖）。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)傳感器進(jìn)行布防，如果探測(cè)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(dòng)閥，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)隨即啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)壓力1.0MPa時(shí)，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，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(dòng)閥接收到來自火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的火警信號(hào)后會(huì)自動(dòng)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(dòng)壓力1.0MPa時(shí)，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，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(dòng)，同時(shí)穩(wěn)壓泵停止運(yùn)行（注意：這里在高壓主泵啟動(dòng)之前，主管網(wǎng)水流已經(jīng)通過①進(jìn)水閥、③電動(dòng)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(hào)反饋給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)）。高壓泵組啟動(dòng)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(jiǎn)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)?！运鳛闇缁饎瑢?duì)環(huán)境友好；

高效——迅速降溫、窒息滅火；

即時(shí)噴放——無(wú)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(cè)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(dòng)力的高壓泵組組成。

（一）噴頭選型

根據(jù)保護(hù)對(duì)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(hào)及數(shù)量的主泵作為高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)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(dòng)時(shí)，沿管的壓強(qiáng)降表達(dá)式：

公式中：l為管長(zhǎng)；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(duì)粗糙度△/d有關(guān)，即λ＝f（Re,△/d），但對(duì)于圓管層流運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)作可靠性，高壓泵組啟動(dòng)的判據(jù)為：管網(wǎng)壓力低于1.0MPa后穩(wěn)壓泵啟動(dòng)10s，管路壓力仍然達(dá)不到1.2MPa，則啟動(dòng)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致高壓細(xì)水霧泵組誤動(dòng)：

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(cuò)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(cè)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(huì)產(chǎn)生變形，且焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力需要較長(zhǎng)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(dòng)10s后主管網(wǎng)仍然達(dá)不到1.2MPa壓力則啟動(dòng)主泵，壓力越大漏水越猛烈，而泵組將持續(xù)啟動(dòng)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(cè)裝置故障

整個(gè)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的動(dòng)作完全取決于此管網(wǎng)壓力檢測(cè)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(cè)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(huì)啟動(dòng)，啟動(dòng)10s之后如果反饋的壓力仍然低就會(huì)使高壓泵組發(fā)生誤動(dòng)。雖然高壓泵組啟動(dòng)后安全泄壓閥會(huì)動(dòng)作，但高壓泵組會(huì)持續(xù)工作直到獲得人為干預(yù)信號(hào)為止。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行很可能導(dǎo)致泵組絕緣損壞。

防誤動(dòng)改進(jìn)方法

針對(duì)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)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(hào)關(guān)聯(lián)

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生后，除了發(fā)出信號(hào)打開相應(yīng)區(qū)域閥箱電動(dòng)閥之外，增加一個(gè)火災(zāi)觸發(fā)信號(hào)給高壓細(xì)水霧主控制器（PLC）。PLC觸發(fā)主泵啟動(dòng)的必要條件除了“管網(wǎng)壓力低于1.0MPa后啟動(dòng)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(hào)，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(dòng)。另外，如果沒有火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，在穩(wěn)壓泵啟動(dòng)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(cuò)誤報(bào)警信號(hào)等待運(yùn)維人員到場(chǎng)解決。

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

高壓細(xì)水霧區(qū)域閥箱內(nèi)電動(dòng)閥后面的壓力開關(guān)（流量開關(guān)）會(huì)在電動(dòng)閥動(dòng)作后接收到水流壓力并發(fā)出開關(guān)量信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)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(dòng)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(dòng)作信號(hào)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(dòng)的兩種可能。另外，在沒有收到壓力開關(guān)反饋信號(hào)的情況下，在穩(wěn)壓泵啟動(dòng)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(cuò)誤報(bào)警信號(hào)，等待運(yùn)維人員到場(chǎng)解決。

三、兩種改進(jìn)方法的比較

見表2。

表2 防誤動(dòng)兩種方法對(duì)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(dòng)的機(jī)會(huì)，必將使高壓細(xì)水霧系統(tǒng)更適合未來海上升壓站對(duì)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(dòng)的兩種解決方案，希望能對(duì)相關(guān)從業(yè)人員起到一定的借鑒作用。

攝影：劉富卿