鄭樹偉

（安徽績(jī)溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245341）

0 引言

抽水蓄能電站作為一種綠色能源的提供設(shè)施，在電網(wǎng)應(yīng)急備用、調(diào)峰填谷等方面扮演著重要角色。安徽績(jī)溪抽水蓄能有限公司所建設(shè)的績(jī)溪抽水蓄能電站，憑借其獨(dú)特的地理?xiàng)l件，有效地實(shí)現(xiàn)了能量的高效轉(zhuǎn)換。然而，電力站的關(guān)鍵發(fā)電設(shè)備主要位于地下的洞穴室內(nèi)，這種密閉式空間對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)作提出了更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。電力設(shè)施的火災(zāi)往往具有突發(fā)性和隱蔽性，加之位于地下的機(jī)房環(huán)境復(fù)雜、空間封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，將極大地增加救援難度，并可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的損失和影響。針對(duì)這一問題，本文以績(jī)溪抽水蓄能電站為研究對(duì)象，引入“熱解離子”探測(cè)技術(shù)，對(duì)典型場(chǎng)景的超前期火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行深入分析與研究，以期提高抽水蓄能電站火災(zāi)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1 采樣管網(wǎng)敷設(shè)

在績(jī)溪抽水蓄能電站的超前期火災(zāi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，由于電力設(shè)備在操作過程中可能產(chǎn)生火災(zāi)隱患，此類隱患通常局限于特定區(qū)域，如某一點(diǎn)、某條線路或特定設(shè)備。有效監(jiān)測(cè)超前期火災(zāi)，關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)的空氣樣本，這些樣本將成為火災(zāi)原因分析的根本數(shù)據(jù)。

首先需要對(duì)績(jī)溪抽水蓄能水電站現(xiàn)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)、環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，包括但不限于現(xiàn)場(chǎng)的地形、地貌、建筑分布、通風(fēng)條件等，根據(jù)分析結(jié)果確定采樣點(diǎn)位置，這些采樣點(diǎn)應(yīng)覆蓋所有關(guān)鍵區(qū)域，如主變洞、電纜溝、主變壓器室、電纜井道、電纜層以及開關(guān)柜等[1]。

繼而，設(shè)計(jì)采樣管網(wǎng)的敷設(shè)路徑及空間布局。為保證氣流通暢，在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中采用大弧度拐彎形式，這種設(shè)計(jì)方式可以有效避免氣流在轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生渦流，從而保證氣流通暢，提高采樣效果。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，制定出最優(yōu)的采樣管網(wǎng)的敷設(shè)方案。具體來說，大弧度拐彎形式的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

1）拐彎半徑。在設(shè)計(jì)采樣管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮增大拐彎半徑，以降低氣流在轉(zhuǎn)彎處的速度，減少渦流的產(chǎn)生。渦流不僅會(huì)增加流體的湍流程度，還可能導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)的失真。因此，拐彎半徑應(yīng)不小于管道直徑的2 倍。

2）拐彎角度。拐彎角度的控制同樣重要，過大的角度會(huì)增加氣流的阻力，影響采樣效率。因此，拐彎角度應(yīng)控制在45°以內(nèi)。

3）拐彎方式。為進(jìn)一步減小氣流在轉(zhuǎn)彎處的湍流程度，采用圓滑的曲線形式來設(shè)計(jì)拐彎，以提供平滑的氣流過渡，減少氣流分離和渦流的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)人員可以使用CAD 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件模擬和優(yōu)化拐彎的曲線形狀，確保其在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到最佳效果。

4）支撐結(jié)構(gòu)。由于氣流在轉(zhuǎn)彎處的壓力分布不均勻，管道可能會(huì)受到不均勻的力，導(dǎo)致變形或損壞。因此，在拐彎處應(yīng)設(shè)計(jì)金屬支架支撐結(jié)構(gòu)，確保管道在受到氣流作用時(shí)保持原有的形狀和結(jié)構(gòu)完整性。同時(shí)，精確控制分支數(shù)量，以保證氣流效果，過多的分支可能會(huì)導(dǎo)致氣流分散，影響采樣效果。

在采樣管網(wǎng)敷設(shè)方式上，采用管網(wǎng)吸氣的方式，將采樣管直接布設(shè)到主變洞、電纜溝、主變壓器室、電纜廊道、電纜層以及開關(guān)柜等火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)偵測(cè)由傳統(tǒng)的被動(dòng)式煙霧感應(yīng)向主動(dòng)式氣體檢測(cè)轉(zhuǎn)變，以更快地采集到現(xiàn)場(chǎng)空氣樣品。為實(shí)現(xiàn)這種吸氣方式，布置GQQ5 型煙霧傳感器精確檢測(cè)空氣中的煙霧，當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)吸氣泵，將空氣樣品吸入采樣管中[2]。此外，每15 天定期清洗采樣管網(wǎng)，以保證其暢通無阻，避免因管網(wǎng)堵塞而影響采樣效果。同時(shí)，建立完善的采樣管網(wǎng)檔案，詳細(xì)記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的位置、采樣時(shí)間等信息，以便在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能迅速找到相關(guān)采樣點(diǎn)。

2 熱解離子探測(cè)識(shí)別

2.1 云霧室處理

云霧室處理的具體過程涉及增壓、增濕、降壓一系列化學(xué)、物理變化，具體流程如圖1 所示。核心在于利用水蒸氣凝結(jié)原理，將空氣中的熱解離子轉(zhuǎn)換為可見的水滴，以便于使用光學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)和分析。

圖1 云霧室處理過程

在云霧室處理過程中，首先將待檢測(cè)空氣樣本引入密閉云霧室中，利用水蒸氣發(fā)生器將該室內(nèi)部相對(duì)濕度維持在90%以上，以便提供一個(gè)熱解離子易于凝結(jié)的環(huán)境。增濕過程是云霧室處理的第一步，它通過將空氣樣本與水蒸氣混合，以提高空氣中的水汽含量，為隨后熱解離子的凝結(jié)創(chuàng)造條件?？刂圃旗F室內(nèi)部的溫度，使其逐漸降低至3 ～10℃，使空氣中的水汽凝結(jié)成直徑在1 ～10μm 之間的微小水滴。繼而，通過云霧室的壓力控制系統(tǒng)，逐漸增加室內(nèi)壓力，直至達(dá)到大約1 個(gè)大氣壓（約101.3 kPa）水平，在高壓環(huán)境下，空氣樣本中的熱解離子和水滴會(huì)被壓縮，增加它們之間的碰撞概率，促進(jìn)熱解離子被水滴捕獲。利用理想氣體狀態(tài)方程 計(jì)算云霧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)，具體計(jì)算公式如式（1）所示；

其中，P代表氣體的壓強(qiáng)，其單位是Pa，v為氣體體積，單位為m3；t表示熱力學(xué)溫度，單位為K；r為摩爾氣體常數(shù)，單位為J/（mol·K）；n表示物質(zhì)的量，其單位是mol。從式（1）分析得知，位于云霧室內(nèi)的空氣，其質(zhì)量、體積和摩爾數(shù)保持恒定。壓強(qiáng)和溫度之間存在正比關(guān)系，其中壓強(qiáng)的增加會(huì)導(dǎo)致溫度的升高。同時(shí)，在高壓和高溫條件下，熱解離子與水滴表面發(fā)生物理吸附作用，使得熱解離子附著在水滴表面。當(dāng)云霧室內(nèi)的壓力達(dá)到一定程度后，會(huì)突然降低，這種快速的壓力變化導(dǎo)致熱解離子與水滴之間的吸附作用減弱，從而使熱解離子從水滴表面吸解出來。由于熱離子的釋放，水滴的表面張力會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致水滴之間的相互作用力增強(qiáng)，從而促進(jìn)水滴聚集和合并。隨著水滴的不斷聚集和合并，它們的直徑逐漸增大，最終形成可用于分析的20μm 大直徑霧狀水滴。這些水滴的形成，使得原本不可見的氣態(tài)污染物變得可見，便于后續(xù)的檢測(cè)和分析。

2.2 激光照射

經(jīng)過云霧室處理后的霧狀水滴被送入散射室。在散射室中，使用波長(zhǎng)在700 nm ～1 mm 之間的紅外激光（IR）進(jìn)行照射。當(dāng)激光照射到這些統(tǒng)一直徑的水滴上時(shí)，會(huì)因?yàn)楣獠ㄩL(zhǎng)的不同而發(fā)生不同程度的折射和反射，這種光波在不同介質(zhì)中的傳播會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化與空氣中的熱解離子濃度有關(guān)。熱解離子是空氣中的一種離子，其產(chǎn)生主要是由于空氣中的氣體分子在受到外界能量（如熱能）的作用下發(fā)生解離，這些熱解離子會(huì)導(dǎo)致空氣折射率發(fā)生變化，影響到激光的傳播路徑和光強(qiáng)分布，當(dāng)空氣中的熱解離子濃度越高時(shí)，散射效果越明顯。然后，通過測(cè)量散射光的光強(qiáng)，并將其與未經(jīng)散射的激光光強(qiáng)進(jìn)行比較。設(shè)未經(jīng)散射的激光光強(qiáng)為I0，則光強(qiáng)變化量ΔI通過公式（2）計(jì)算：

其中，I表示散射后的激光光強(qiáng)。這個(gè)變化量是由于激光在通過含有熱解離子的空氣時(shí)發(fā)生散射造成的，當(dāng)空氣中的熱解離子濃度增加時(shí)，激光散射效果增強(qiáng)，導(dǎo)致散射后的光強(qiáng)I增加，因此ΔI也會(huì)增大。通過測(cè)量散射光的光強(qiáng)并與未經(jīng)散射的激光光強(qiáng)進(jìn)行比較，可以定量得出空氣中熱解離子的濃度。熱解離子濃度c通過式（3）計(jì)算：

式中，k為比例常數(shù)，取值范圍0.2 ～0.5。式（3）表明，熱解離子濃度c與光強(qiáng)變化量ΔI成正比，比例系數(shù)k反映空氣對(duì)激光散射敏感度，k值越大，空氣對(duì)激光散射的敏感度越高，即單位濃度的熱解離子引起的散射光強(qiáng)變化越明顯。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用“熱解離子”探測(cè)技術(shù)，對(duì)績(jī)溪抽水蓄能水電站中主變洞、電纜溝、主變壓器室、電纜廊道、電纜層以及開關(guān)柜等關(guān)鍵區(qū)域，進(jìn)行深入、詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)這些場(chǎng)景火險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并預(yù)警，確保電站的安全運(yùn)行。下文將以績(jī)溪抽水蓄能水電站主變壓器室和電纜廊道為例，解析利用熱解離子探測(cè)技術(shù)采集的大量現(xiàn)場(chǎng)火險(xiǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1）績(jī)溪抽水蓄能水電站主變壓器室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 主變壓器室火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于績(jī)溪抽水蓄能水電站主變壓器室一段時(shí)間內(nèi)的熱解離子監(jiān)測(cè)變化。通過分析發(fā)現(xiàn)，這段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)值保持在四級(jí)預(yù)警閾值以下。

在10月3日11∶06至10月4 日08 ∶03 的時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的四級(jí)預(yù)警閾值及持續(xù)時(shí)間（超過30 s）成功激活一次預(yù)警。進(jìn)一步的實(shí)地調(diào)查揭示，此次預(yù)警事件是由現(xiàn)場(chǎng)施工活動(dòng)觸發(fā)的，歸類為人為誤操作。盡管預(yù)警系統(tǒng)展現(xiàn)了其迅速響應(yīng)的能力，但此類情況突顯了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)和有效過濾的必要性，以減少誤報(bào)的發(fā)生。實(shí)際應(yīng)用表明，熱解離子檢測(cè)技術(shù)在抽水蓄能電站早期火災(zāi)監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)其準(zhǔn)確性和適用性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確地反映了現(xiàn)場(chǎng)離子濃度的動(dòng)態(tài)變化，這進(jìn)一步證實(shí)了該監(jiān)測(cè)技術(shù)在抽水蓄能電站早期火災(zāi)探測(cè)中的有效性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2）績(jī)溪抽水蓄能水電站電纜廊道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電纜井道火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)績(jī)溪抽水蓄能電站電纜廊道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，熱解離子濃度在一定時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)較小，且所有監(jiān)測(cè)數(shù)值均未超過一級(jí)預(yù)警閾值，遠(yuǎn)未觸及四級(jí)閾值，據(jù)此未觸發(fā)任何預(yù)警信號(hào)。這些數(shù)據(jù)反映了現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)安全狀況處于良好水平，確保了電站的穩(wěn)定運(yùn)行和工作人員的人身安全。

4 小結(jié)

綜上所述，本研究圍繞采樣管網(wǎng)敷設(shè)、云霧室處理、激光照射、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析四大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立了一套針對(duì)性適用于績(jī)溪抽水蓄能電站特定環(huán)境的早期火災(zāi)偵測(cè)與預(yù)警方案。該方案為電站在防火安全管理方面帶來了革命性的技術(shù)支持，預(yù)期將顯著提升電站的安全管理能力，并在抽水蓄能電站火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒。