风力发电机组火灾分析

一、国内外风电火灾事故情况
根据有关资料,瑞典曾对1487台风电机组运行一年中发生事故进行统计分析。其中,雷电事故有86次,年故障率为5.8%;控制系统3次,年故障率为2.6%;动力系统25次,年故障率为1.7%。德国和丹麦风力发电机的总事故率分别为3%和8%,其中,控制系统的事故率分别占30%和52%,电气系统的事故分别占27%和12%。而雷电事故、控制系统和电气设备事故往往引发火灾。据报道,全球每年约有2%的风力发电机发生火灾,其中很大一部分是毁灭性火灾。
英国某风能机构发表的截止到2013年6月30日的全球风电安全事故的统计报告显示,在1405起风电机组安全事故中,毁灭性的火灾事故202起,占风机总事故的14.4%,位列第二,仅次于风机叶片损坏事故(265起,18.9%),其导致的损失则是最大的,几乎都导致整个机组全部烧毁。风力发电机逐年火灾事故统计见表1所示(2013年截止到6月30日)。然而,正如该报告所述,由于事故单位保密等各种原因,能够收集到并经证实的事故数量往往很少,很可能只是冰山一角。事实上,在2006-2010年的5年中,仅英国的风力发电机事故就可能超过1500起(《每日电讯报》报道),但大部分都无法得到可靠证实,在该统计报告中仅仅列出了142起,只有实际发生数量的10%左右。
2009年7月14日,内蒙古锡林浩特市某风电场一台1.5MW的风力发电机组发生火灾,机舱和叶片全部烧毁。起火原因是在维修过程中,维修工在机舱内电焊,不慎引燃机舱内泄漏积存的油脂而引发火灾。
2010年1月24日,内蒙古通辽宝龙山某风电场发生火灾事故和机组倒塌事故,损毁1.5MW机组一台,火灾原因是由于机械或电气设备故障,无法制动刹车,风机严重超速飞车,摩擦产生大量热量导致轮毂着火,火势在大风中迅速蔓延。随后超速飞车产生剧烈震动引起机舱和塔筒共振,机舱和塔筒轰燃倒塌。
2011年7月初,某集团公司下属的江苏南通某风电场,烧毁1.5MW进口机组一台。笔者曾前往协助调查分析事故原因。经分析查明,由于机舱内照明线路和照明灯具设置安装存在严重问题,事故中灯具故障过热(镇流器)引燃导线和机舱顶部的隔热吸音棉而引发火灾,且火灾发展异常迅速,舱内温度在40s内急速上升了近400℃。据悉,该集团同型号机组在国内已安装500余台,经排查,所有机组大多存在类似问题。
2008年以来,我国共发生风力发电机组毁灭性的火灾事故40余起,造成直接经济损失5亿元和伤亡10余人的惨痛代价。由于发生事故的风机生产厂家和运营单位出于自身利益考虑,往往对发生事故严格保密,而且风力发电机组大多安装在人员稀少的地区,导致对风力发电事故很难全面统计。据估计,我国实际发生的风电火灾事故已达数百起之多,比国外的火灾事故率还要高,且主要发生在近几年研制生产的兆瓦级以上风机,损失相当惨重,已引起国家能源局的高度重视。
二、风电火灾特性分析
经过对国内外风力发电机组火灾事故案例的调查分析以及开展的大量试验研究,概括起来,风电火灾原因主要包括以下几个方面。
(1)雷击,这是引起风力发电机组火灾的主要原因之一。近年来,国内外大量火灾数据显示,由雷击导致风机火灾的风险率呈上升趋势。当风力发电机组遭受雷击时,强大的雷电流通常是从机组的叶片叶尖或机舱顶端注入,雷电流会沿机组的叶片、滑环、电刷,流过主轴承,进入塔体顶部,然后经塔体导入接地装置散入大地。如果机组没有避雷设施或避雷设施安装和维护不当、避雷针接触不良或接地电阻过大等,任一环节出现问题都可能引发火灾。对于处于野外的风力发电机组来说,雷击几乎是无法避免的,因此雷击导致的火灾风险特别高。
(2)电气设备安装不当,也是引起风机火灾的主要原因之一。由于技术错误和安装不当,出现连接件接触不良、电路短路、接地故障、绝缘强度不够、过载保护装置选用错误或装置失效、电子元器件和控制部件选用或安装错误等,都可能导致火灾发生。
(3)正常运行温度较高的装置表面和高温飞溅物,具有较高的火灾风险。变速箱和机械制动装置产生大量的热量导致装置表面温度显著升高,可引燃靠近的可燃物,机械制动装置紧急制动时产生的大量飞溅火花也可能引燃附近积存的渗出油品等易燃物,液压油管爆裂,高温油品喷溅遇静电自燃而引发火灾。
(4)失控状态下的高速飞车,具有很高的火灾风险和机组倒塌风险。由于变桨电机故障、变桨控制柜蓄电池严重亏电或其他机械故障导致顺浆不成功,空气制动失效,引起机组高速飞车。轮毂高速运转摩擦产生的大量热量可引燃轮毂内的可燃物,变速箱高速运转可损毁发电机滑环引起发电机内部短路起火,若此时采取机械制动,制动装置可能产生大量飞溅火花引燃周围的油污和其他可燃物。甚至于高速飞车还有可能引起机舱和塔筒产生剧烈共振,导致机舱和塔筒的倒塌事故。
(5)泄漏油品和其他易燃废弃物,具有较高的火灾风险。液压油、润滑油长期泄漏积存,如不及时清理,积存越来越多且容易污染附近的其他物品,如电线电缆、吸音棉和维护用的棉纱纸张等,不但使火灾风险显著增加,而且增加火灾荷载、加快火焰蔓延速度。
(6)装置和设备故障,如电机润滑故障、齿轮箱故障、发电机滑环故障、变桨电机故障、设备过负荷运转、液压油管爆裂等,都可能引发火灾,具有较高的火灾风险。
(7)设备维护、维修和安装、拆卸工作也有较高的火灾风险,尤其是在机舱的狭窄空间中进行电气焊、切割、磨削等热工作业,火灾风险更高。在维修施工中,一旦维修人员麻痹大意,不按规定操作,未采取必要的防火保护措施,未及时清理高温碎屑、润滑油品及其他易燃废弃物等,都极易导致火灾事故的发生。