許 鋼，許 崢，袁金霖，駱育真

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 海上風(fēng)電發(fā)展概況

1.1 全球海上風(fēng)電現(xiàn)狀及展望

近年來，海上風(fēng)電增長勢頭良好，根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.1×106kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.914×107kW，比2018年增長了35.5%。2015～2019年，全球海上風(fēng)電市場年均增長近16%。[1]

全球海上風(fēng)電發(fā)展前景及趨勢：全球風(fēng)能理事會（GWEC）近日發(fā)布的《2021全球海上風(fēng)電報(bào)告》中指出，在過去一年中，全球海上風(fēng)電裝機(jī)保持穩(wěn)定增長勢頭，2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.1GW，比2019年的6.24GW略有降低，但GWEC預(yù)計(jì)2021年將是全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量創(chuàng)紀(jì)錄的一年。GWEC預(yù)測，到2030年，全球海上風(fēng)電將新增裝機(jī)容量205GW。

1.2 我國海上風(fēng)電現(xiàn)狀及展望

中國海上風(fēng)能資源豐富，5～25m水深、50m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力具備2億kW的開發(fā)潛力，5～50m水深、70m高度具備5億kW的開發(fā)潛力，另外，近岸潮間帶、深遠(yuǎn)海也具備較為豐富的風(fēng)能資源。根據(jù)《2021全球海上風(fēng)電報(bào)告》，我國在2020年實(shí)現(xiàn)了3GW以上的海上風(fēng)電新增并網(wǎng)，連續(xù)第三年成為全球最大的海上風(fēng)電市場。

我國海上風(fēng)電發(fā)展前景：“十三五”以來，我國海上風(fēng)電快速發(fā)展，截至2019年底，累計(jì)并網(wǎng)容量593萬kW，提前一年完成規(guī)劃目標(biāo)。

“十四五”是實(shí)現(xiàn)2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重20%目標(biāo)的關(guān)鍵期，在此期間，我國海上風(fēng)電仍將繼續(xù)保持快速發(fā)展，成為新能源發(fā)電新的增長極。[2]

2 海上升壓變電站火災(zāi)特點(diǎn)

（1）海上升壓變電站（見圖1）位于海上，環(huán)境惡劣，電氣設(shè)備易受鹽霧腐蝕，容易發(fā)生短路事故從而引發(fā)火災(zāi)；場地狹窄布置緊湊，熱量容易聚集；可燃物密度高，火災(zāi)容易發(fā)生蔓延。

圖1 國內(nèi)某已建成海上升壓站效果圖Figure 1 Effect diagram of one offshore substation of wind farms

（2）離岸距離遠(yuǎn)，撲救困難。海上升壓變電站一般距岸十幾公里甚至是幾十公里，遠(yuǎn)離陸地，無人值守。一旦發(fā)生火災(zāi)，沒有工作人員第一時間展開撲救，消防船及專業(yè)人員也無法在短時間內(nèi)抵達(dá)火場展開救援。火災(zāi)借助風(fēng)勢迅速蔓延，火災(zāi)很快就進(jìn)入失控的局面。且撲救困難，對其只能是望洋興嘆。

（3） 海上升壓變電站面積雖小，但精密儀器、貴重設(shè)備多，施工成本高。單個升壓站造價動轍過億元，火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上升壓站。運(yùn)維船出海成本非常高且按日計(jì)算，火災(zāi)后維修費(fèi)用遠(yuǎn)高于陸上。海上風(fēng)電場裝機(jī)容量大，因火災(zāi)造成停發(fā)的間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。

3 消防滅火系統(tǒng)選擇分析

基于海上升壓變電站的火災(zāi)特點(diǎn)分析，要選擇一種或者幾種有效滅火系統(tǒng)對海上升壓變電站進(jìn)行有效、迅速、全方位的保護(hù)。

3.1 消防滅火系統(tǒng)的選擇要遵循的思路

（1）無人值守，離岸距離遠(yuǎn)，因此要選擇自動滅火系統(tǒng)。

（2）施工船租賃費(fèi)用高，海上施工不便，因此要選擇更換方便、使用周期長的滅火劑。

（3）必須選擇對環(huán)境友好、對人員安全、對設(shè)備無干擾的滅火系統(tǒng)和滅火劑。

（4）海上平臺面積狹小，寸土寸金。所選擇的滅火系統(tǒng)必須占地面積小，使用效率高，不能占用太多設(shè)備用房，因此不能選用太多滅火系統(tǒng)，選擇的滅火系統(tǒng)一定要有廣泛的適用性，以便于維護(hù)管理。

系統(tǒng)必須能及時有效撲滅火災(zāi)，把相關(guān)的火災(zāi)損失降到最低。

3.2 消防滅火系統(tǒng)選擇參考的設(shè)計(jì)規(guī)范

（1）《風(fēng)電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 31175—2017）已發(fā)布，并于2018年3月1日起實(shí)施。

（2）《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51308—2019）已發(fā)布，并于2019年10月1日起實(shí)施。

（3）挪威船級社編制的《Offshore substations》（DNVGLST-0145），歐洲的海上風(fēng)電研究與實(shí)踐開展得比較早，已有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范供參考。

（4）各系統(tǒng)設(shè)計(jì)（例如細(xì)水霧、氣體）國內(nèi)均有系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，對國內(nèi)規(guī)范有詳細(xì)規(guī)定的，從其規(guī)定；對國內(nèi)規(guī)范沒有詳細(xì)規(guī)定的，參考NFPA（美國）規(guī)范執(zhí)行。

4 主要滅火系統(tǒng)的選擇

基于對消防滅火系統(tǒng)選擇的分析，針對變電站內(nèi)的危險(xiǎn)源，大致分為以下幾類：以主變壓器為代表的充油設(shè)備；以開關(guān)柜、繼電保護(hù)器為代表的柜式電氣設(shè)備；直升機(jī)平臺（如有）；避難室、空調(diào)機(jī)房和內(nèi)走廊等其他用房。

4.1 含油設(shè)備消防保護(hù)分析

針對主變壓器等含油設(shè)備，根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50229—2019）11.5.4條規(guī)定：推薦采用水噴霧滅火系統(tǒng)或其他固定式滅火裝置。[3]

對于海上升壓變電站主變壓器，如果利用泡沫滅火系統(tǒng)對其進(jìn)行滅火，會取得比較好的滅火效果。但是泡沫更換周期短，不符合維保方便、使用周期長的原則，而且對平臺上第三類場所消防的兼容性較差。同時，主變壓器室為層高遠(yuǎn)超過6.5m的高大空間，不適合用氣體滅火系統(tǒng)保護(hù)。[4]因此，只能選擇水作為滅火劑的選項(xiàng)。

考慮到海水的腐蝕性，國內(nèi)的主流電氣設(shè)備供貨商都反對使用海水作為滅火劑對電氣火災(zāi)進(jìn)行滅火。因此，雖然身處汪洋大海之中，也不能使用便捷的海水作為消防水源，只能選擇淡水作為滅火劑，而升壓站空間狹小，不能儲備大量淡水。雨淋、水噴霧、水噴淋、細(xì)水霧等各個水系統(tǒng)中又以細(xì)水霧滅火系統(tǒng)一次滅火用水量最小。因此，推薦采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。

4.2 柜式電氣設(shè)備消防保護(hù)分析

海上升壓變電站中的高壓開關(guān)柜、低壓配電柜、應(yīng)急配電盤、接地變壓器及電阻柜、GIS柜、二次繼保柜等電氣盤柜設(shè)備是升壓站正常運(yùn)行的重要保證，一旦發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)電場停發(fā)，將造成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此，要求所有主要電氣用房均設(shè)固定式滅火裝置。

根據(jù)《Offshore substations》（DNVGL-ST-0145）及《風(fēng)電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 31175—2017）要求，以上設(shè)備及設(shè)置場所推薦采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。目前的海上石油平臺電氣類房間也是采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前存在兩種方式：一是采用全淹沒氣體滅火方式；二是采用新興的火探管式氣體滅火方式?；诤Ｉ仙龎鹤冸娬镜奶攸c(diǎn)，對以上兩種方式進(jìn)行比較。

4.2.1 滅火針對性、有效性

全淹沒氣體滅火方式保護(hù)的是整個設(shè)備用房，而火探管式氣體滅火方式保護(hù)的是相對封閉的電氣盤柜。

電氣設(shè)備一般均有防護(hù)等級較高的外殼保護(hù)，尤其是充氣柜防護(hù)和密封等級更高，當(dāng)柜體內(nèi)部元件發(fā)生過熱（過載、短路、接觸電阻大引起的發(fā)熱）進(jìn)而引起燃燒時，由于有柜體的保護(hù)且電氣室空間較大，設(shè)在電氣室內(nèi)的煙感和溫感探測器不會很快探測到火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)柜內(nèi)的火燃燒到較大程度時，電氣室內(nèi)的煙感和溫感才會動作，但此時現(xiàn)場的熱容值已經(jīng)很高。此時啟動電氣室內(nèi)的氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，其效果均不理想，如果室內(nèi)密封不嚴(yán)或通風(fēng)系統(tǒng)未能及時關(guān)閉，往往造成滅火失敗。即使將火災(zāi)撲滅，其造成的損失（設(shè)備損失、停機(jī)損失、環(huán)境影響）將是巨大的。

而利用火探管式氣體滅火方式對電氣設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，情況將完全不一樣，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，其火焰預(yù)警管可以伸進(jìn)狹小的電氣設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部元件發(fā)生溫度異?；蚧馂?zāi)時，系統(tǒng)可在第一時間感知到火災(zāi)的發(fā)生（溫度異常）并快速啟動將火災(zāi)撲滅，現(xiàn)場無須清理，只需更換少量的元件即可恢復(fù)工作。

可見，選用火探管式氣體滅火方式針對性強(qiáng)，滅火時間快，過火面積小，損失低，設(shè)備可快速恢復(fù)工作。

4.2.2 系統(tǒng)可靠性

全淹沒氣體滅火方式依賴的是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)探頭探測而后判斷啟動；而火探管式氣體滅火方式依靠的是自身火焰預(yù)警管具有靈敏的熱源探測功能。

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)會因鹽霧、灰塵、電磁干擾等影響而導(dǎo)致誤報(bào)誤噴，甚至是不動作。而火焰預(yù)警管是一種專利復(fù)合材料，沒有任何電氣元器件，在異常溫度達(dá)到火焰預(yù)警管設(shè)定值，其火焰預(yù)警管會快速動作并形成噴口，不受任何空間和使用環(huán)境的限制且絕無誤報(bào)和誤動。

可見，選用火探管式氣體滅火方式在海上氣象條件下系統(tǒng)可靠性要高許多。

4.2.3 維保

采用全淹沒氣體滅火方式根據(jù)藥劑類型的不同，存儲壓力從4.5MPa到15MPa不等，近幾年已發(fā)生多起爆瓶的事故。其本身屬于壓力容器，根據(jù)國家《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定》的要求，業(yè)主每3～5年要送到指定地點(diǎn)測試壓力容器安全性能，重新充裝藥劑。[5]在管理上給業(yè)主帶來很大麻煩，還需要在后續(xù)持續(xù)投入維保費(fèi)用。

火探管式滅火方式，選用Novec 1230作為藥劑，存儲壓力為1.3MPa，系統(tǒng)安全性有較大提高。規(guī)避了壓力容器管理上麻煩，藥劑壽命10～15年，升壓站全壽命周期更換一次即可。

可見，維保方面無論從方便程度、費(fèi)用來看，火探管式氣體滅火方式都更具優(yōu)勢。

4.2.4 系統(tǒng)造價

電氣設(shè)備空間大，采用全淹沒氣體滅火方式需要的藥劑量較大，需要單獨(dú)設(shè)置氣瓶間，且壓力鋼瓶荷載較大。海上平臺寸土寸金，氣瓶間的設(shè)置將增加土建的成本。

火探管式滅火方式因采用貼近式火源且均為初期火災(zāi)，故系統(tǒng)所需的藥劑量很少，進(jìn)而可以節(jié)省藥劑的存儲空間，無須單獨(dú)的氣瓶間。

可見，在選用相同藥劑的前提下，火探管式氣體滅火方式系統(tǒng)造價更低。

綜合以上幾點(diǎn)分析，推薦火探管式氣體滅火方式。

4.3 直升機(jī)停機(jī)坪

直升機(jī)停機(jī)坪為室外露天平臺，可能發(fā)生火災(zāi)的成因主要是航空煤油發(fā)生泄漏或直升機(jī)降落發(fā)生事故引發(fā)火災(zāi)。根據(jù)《海上固定平臺安全規(guī)則》14.4.2.4條，應(yīng)配置一套固定式泡沫滅火系統(tǒng)。[6]水成膜泡沫由于具有良好的流動及覆蓋等特性，可以快速降低油面溫度和隔絕空氣，撲滅油火及有機(jī)物火災(zāi)，因此，推薦采用設(shè)置一套水成膜泡沫滅火裝置。

4.4 其他設(shè)備用消防保護(hù)分析

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)有廣泛的適用性，對于相對封閉空間內(nèi)的可燃固體表面火災(zāi)、可燃液體火災(zāi)和帶電設(shè)備的火災(zāi)都有良好的效果。因此，適用于升壓站平臺上的應(yīng)急避難室、暖通用房、工具間、備品備件間等場所。由于已有高壓泵組、水箱等主要核心設(shè)備，增加一些防護(hù)區(qū)不會大幅增加投資，卻可以大幅度降低火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。同時，根據(jù)火災(zāi)模擬試驗(yàn)證明，設(shè)置了高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的房間，頂棚溫度低于200℃，不會對鋼結(jié)構(gòu)的安全造成較大影響。因此，建議電氣盤柜室也布置了高壓細(xì)水霧噴頭，保證最不利工況下主體結(jié)構(gòu)的安全。

《風(fēng)電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 31175—2017）對滅火系統(tǒng)的選擇要求見表1[7]。與本文的分析及設(shè)計(jì)理念十分契合。

表1 海上升壓站變電站滅火系統(tǒng)選擇Table 1 Selection of fire extinguishing system in offshore substation

5 典型站主要消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由高壓泵組（包括主/備泵、穩(wěn)壓泵、調(diào)節(jié)水箱、補(bǔ)水裝置、泵控制柜）、開式區(qū)域閥組（高壓進(jìn)/出水球閥、電動球閥、壓力開關(guān)、壓力表、接線盒、手動啟動按鈕、調(diào)試放水閥等）、開式噴頭、不銹鋼管及配件、火災(zāi)自動報(bào)警聯(lián)動控制系統(tǒng)等組成。在海上變電站水泵房內(nèi)設(shè)置一套高壓細(xì)水霧泵組，采用組合分配方式對多個防護(hù)區(qū)進(jìn)行細(xì)水霧保護(hù)，每個防護(hù)區(qū)設(shè)置一套區(qū)域閥組，區(qū)域閥組設(shè)置在防護(hù)區(qū)外的附近便于觀察及操作的地方。海上升壓站細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用三維效果圖如圖2所示。

圖2 海上升壓站細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用三維效果圖Figure 2 3D diagram of water mist extinguishing system in offshore substation of wind farms

變壓器防護(hù)區(qū)采用高壓細(xì)水霧開式局部保護(hù)方式，噴頭分三層布置在圍繞變壓器的矩形環(huán)管上。噴頭側(cè)向安裝噴口方向使水霧直接噴射并能覆蓋變壓器的外表面。

其他設(shè)備用房僅在房間頂部設(shè)開式噴頭，設(shè)計(jì)為全淹沒系統(tǒng)保護(hù)，噴頭布置間距小于3.0m。高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)供水水質(zhì)應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749）的規(guī)定。由消防水箱儲存，為了水質(zhì)（主要是濁度和電導(dǎo)率）能滿足要求，消防用水定期從陸上運(yùn)輸進(jìn)行更換。為方便供水，在甲板層配備一個符合《國際海上人命安全公約》規(guī)定的國際通岸接頭。水箱放空用水排入大海。系統(tǒng)持續(xù)噴霧時間30min，系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算采用Darcy-Weisbach（達(dá)西—魏斯巴赫）公式。[8]

5.2 火探管式氣體滅火系統(tǒng)

火探管式氣體滅火系統(tǒng)由裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組、無源報(bào)警器以及能自動釋放滅火劑的火焰檢測管等組成。將火焰檢測管置于靠近或在火源最可能發(fā)生處的上方，同時火焰檢測管上諸多靈敏的線性溫度檢測點(diǎn)對周圍情況進(jìn)行檢測，其火焰檢測管材料具有靈敏的熱源探測功能。一旦著火時，火焰檢測管在受熱溫度最高處會自動爆裂并形成噴口，將滅火介質(zhì)通過火焰檢測管本身（直接系統(tǒng)）或噴嘴（間接系統(tǒng)）釋放到被保護(hù)區(qū)域完成滅火，同時給主控發(fā)報(bào)警信號。

火焰檢測管布置在盤柜內(nèi)側(cè)，結(jié)合電氣盤柜具體設(shè)計(jì)分層繞行，裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組放置在柜子側(cè)面或是頂部。火探管電氣盤柜應(yīng)用原理圖如圖3所示。

圖3 火探管電氣盤柜應(yīng)用原理圖Figure 3 Schematic diagram of fire trace automatic fire suppression system in electrical cabinet

5.3 直升機(jī)停機(jī)坪

直升機(jī)平臺設(shè)置一套固定泡沫滅火系統(tǒng)。其中，消防水源單獨(dú)考慮，在平臺上設(shè)置水箱及消防泵組供水與泡沫發(fā)生器混合。直升機(jī)平臺設(shè)置45kg干粉滅火劑、18kg二氧化碳滅火器各一具。系統(tǒng)采用固定式泡沫滅火裝置作為主要滅火方式，在直升夾板兩側(cè)各設(shè)置一個泡沫消火栓。泡沫混合液供給強(qiáng)度為6L/（min·m2），連續(xù)供應(yīng)時間5min。

5.4 滅火器材

所有設(shè)備用房配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器。主變壓器室、散熱器平臺、柴油機(jī)房加配一具45kg的推車式泡沫滅火器。

在各層外走廊、屋頂層甲板配便攜式手提式滅火器，每處配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器（無電氣設(shè)備處配置兩具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器），使從甲板任何一點(diǎn)到達(dá)滅火器的步行距離不大于10m。

6 結(jié)束語

目前，海上風(fēng)電已進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段，海上風(fēng)電場離岸越來越遠(yuǎn)，規(guī)模也越來越大。在能源轉(zhuǎn)型背景下，“十四五”期間，中國海上風(fēng)電仍將延續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢。[9]消防滅火系統(tǒng)作為海上風(fēng)電安全運(yùn)行的基本保證顯得越來越重要。然而目前還受到幾個方面的制約和困擾：

（1）海上風(fēng)電消防的行政管理體系，仍需要進(jìn)一步明確和完善。

（2）我國是海上風(fēng)電發(fā)展的大國，但還不是標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)國，包括設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)仍十分欠缺。僅拿設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31175—2017來講，其僅適用于110～220kV，隨著更高電壓等級以及深遠(yuǎn)海柔性直流輸變電的開展，相關(guān)消防滅火系統(tǒng)適宜性還有待驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要不斷創(chuàng)新、力保安全。

（3）在快速的建設(shè)同時，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用效果還需要等待時間的檢驗(yàn)。目前暴露出來的問題，例如露天電纜夾層、蓄電池室等區(qū)域的消防滅火措施的提升及優(yōu)化，都已超出了現(xiàn)有國內(nèi)外規(guī)范的條文規(guī)定，成為擺在面前亟待解決的課題。