CN109781771A - 风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法 - Google Patents

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许继翔
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Abstract

本发明涉及一种风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法，用热重分析仪获取风机油品在空气气氛中不同升温速率下关键热解特性参数，用锥形量热仪获取不同辐射强度下的对火反应特性参数及其衍生参数，将风电机舱火灾演化历程划分为起火、增长、轰燃、充分发展和衰减等5个阶段，构建油品在分阶段对应着火和热解特性、热和烟气释放能力、热和烟气危险特性等三层火灾危险性评估结构体系。优点：对主要火灾荷载进行热解和对火反应特性表征，将热解和燃烧多尺度关联和一体化分析，实现对风电机舱全过程潜在火灾危险性多元化评估，操作简单、理论基础明确、实验结果可靠、可重复性强，为风电机舱火灾的应用基础研究及本质安全防治提供依据。

Description

风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法
技术领域
本发明是一种风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法，属于风力发电安全技术领域。
背景技术
在各类新能源中，风力发电技术相对成熟、最具大规模商业开发条件、成本相对较低，具有巨大的优越性，受到世界各国普遍重视。我国的风电产业虽然起步较晚，但近年来却发展迅速。截止到2017年底，中国新增和累计风电装机容量分别为19.66GW和 188.39GW，均位居世界第一。
风力发电机组主要由底部基础、塔架、风电机舱和叶片等部分构成，其中风电机舱作为风力发电机核心部件，内部相对封闭狭小、结构复杂，内置发电机、变频柜、控制柜、制动系统、偏航系统、齿轮箱、液压系统等各种价格高昂的电气设备以及变压器油、齿轮箱油、液压油、润滑脂、隔音泡沫等多种多相态易燃可燃材料，火灾危险性较大，一旦发生火灾，火焰蔓延迅速，且风电机舱高度一般可达几十米甚至上百米，由于目前尚无有效防灭火技术，灭火和救援工作难以有效开展，往往导致风力发电机组或其他重要部件严重损坏甚至整体烧毁，过火后修复成本基本会和原有风机价值持平。多种相态油品构成风电机舱中最明显的火灾荷载，成为风电机舱火灾中最常见的初始可燃物和后续延烧燃料。这是因为风电机舱中使用了过多的易燃油品，例如，通常单台1.5MW风机可容纳900L冷却和清洁用润滑油脂；单台8MW风机可容纳200L润滑脂、1100L液压油、2000L齿轮箱油和3000kg变压器油。另据英国Caithness Windfarm Information Forum不完全统计(Caithness WindfarmInformation Forum.Summary of wind turbine accidents data to 31December2017.Available online:<http://www.caithnesswindfarms.co.uk/AccidentStatistics.htm>)，截止到2017年底，在世界范围内公开报道并经证实的2191起风机安全事故中，火灾有318起，占事故总起数的 14.51％，是仅次于叶片损坏事故(17.16％)的第二大最常见意外事故。可见，伴随风电产业迅猛发展，投运风电机组数量高速增加，风力发电机火灾事故的发生数量也越来越多，因此风电机舱的火灾防范，是当前亟需解决的首要问题，而根据机舱内火灾发生发展过程中材料燃烧性能参数的变化，预测其潜在火灾危险性是有效预防和扑灭火灾的关键。
物理实体实验和计算机数值模拟是火灾研究中最重要的两种方法。当前，针对风电机舱火灾这样的火灾载荷大、火灾种类多以及复杂通风情况和空间结构问题，采用全尺度试验研究相对困难，存在诸多不足。例如，公安部天津消防所和台湾警察专科学校分别采用实体机舱和全尺寸试验模型，对风机火灾特性及消防系统进行试验性研究，但机舱内部布置和火源设计较为简单，与实际火灾场景相差较大，且费用较高、不易开展；而采用计算机技术模拟火灾发展，具有节省时间和费用，获取物理参数细节的独特优点，受到越来越多的研究机构和人员的重视，但由于真实火灾过程的复杂性、非线性和随机性，在目前技术水平条件下，尚难以完全实现火灾燃烧过程的精确模拟。
发明内容
本发明提出的是一种风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法，其目的在于针对多种相态油品的燃烧作为风电机舱火灾中发生概率最高、危害最大的火灾种类，却没有有效的模拟、预警以及防灭火技术的缺陷，提出一种利用热重分析仪和锥形量热仪测试参数发展综合评价风电机舱内典型相态油品火灾危险性的方法。
本发明的技术解决方案：
风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统，包括热失重特性评估单元和对火反应特性评估单元，所述热失重特性评估单元包括热重分析仪，利用热重分析仪获取测试样品在不同升温速率下的热解重要参数，如初始失重温度Tonset、最大失重速率MLRmax以及对应温度Tmax和不同热解终温下残余物质量分数；所述对火反应特性评估单元包括锥形量热仪，利用锥形量热仪获取测试样品在不同辐射强度下的燃烧特性参数，如点燃时间tig、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA、烟释放速率SRR；根据所测得的数据对比分析，综合评价风电机舱内典型相态油品火灾危险性。
其评价方法，包括以下步骤：
(a)油品准备：配备风电机舱内不同相态和种类的油品，分别在不同升温速率和不同外加热辐射强度下模拟风电机舱火灾演化历程。
(b)热失重行为和特性测试分析：利用热重分析仪对四种测试样品在空气气氛中不同升温速率下热失重行为和特性进行测试，通过对TG-DTG曲线进行分析，记录不同升温速率下四种测试油品样品的初始失重温度Tonset、最大失重速率MLRmax、对应温度Tmax和不同热解终温下残余物质量分数、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA 和烟释放速率HRR；
(c)对火反应行为和特性测试分析：利用锥形量热仪按照ISO 5660-1标准对四种测试样品在不同外加热辐射强度下对火反应行为和特性进行测试，获取不同辐射强度下四种测试油品样品点燃时间tig、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA、烟释放速率SRR；
(d)综合分析：对模拟风电机舱火灾演化历程进行阶段划分，并针对每个阶段火灾发展的原理和特点建立科学有效的火灾危险性评价指标体系，据此得出风电机舱内典型油品火灾危险性综合评价结果，包括以下步骤：
(1)火灾阶段划分；
(2)构建防火功能评价指标体系；
(3)火灾危险性评价。
所述步骤(b)热失重行为和特性测试，还包括：对比不同升温速率下的TG曲线及其对应一次微分曲线(DTG曲线)，观察DTG曲线上最大热失重速率对应峰形位置是否重合，若峰形顶点错开则说明热解历程区分明显，并选择最高升温速率下的初始失重温度 Tonset、最大失重速率MLRmax以及对应温度Tmax和不同热解终温下残余物质量分数作为进一步发展评价指标体系的待关联参数。
所述步骤(c)对火反应行为和特性测试，还包括：获取不同辐射强度下四种测试样品的点燃时间，通过
得出测试样品临界热辐射通量热惯量λρC和着火温度Tig；
式中，为外加热辐射通量，hig为点燃表面换热系数，Hc为对流换热系数， Ta为环境温度，σ为斯忒芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-11kW/m2·K4。
所述步骤(c)对火反应行为和特性测试，还包括：画出不同辐射强度下四种测试样品热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA和烟释放速率HRR参数随时间变化曲线图，通过积分平均法获取参数平均值，并引入方程(3)～(6)，可进一步得出测试样品有效燃烧热ΔHc,eff、平均烟产率ys和烟点高度SPH对火反应特性衍生参数；方程 (3)～(6)形式如下：
式中，Q为总热释放速率；Δm为样品总质量损失；SEAavg为平均比消光面积；S为化学计量空燃比。
所述步骤(1)火灾阶段划分：依据火灾动力学和风电机舱火灾发展过程中不同阶段的特点，通过对火灾场景的设定，从消防对策的角度，在舱体材料达到耐火极限前后，依据受限机舱着火空间内平均温度和热释放速率随时间变化将风电机舱火灾定性划分为五个阶段，依次为起火阶段(总体热释放速率较低，机舱内平均温度较低，着火物体附近存在局部高温)、增长阶段(火灾扩大，引燃周围可燃物，机舱内平均温度从环境温度开始迅速上升至数百℃)、轰燃阶段(机舱内所有可燃物表面发生燃烧，平均温度通常会升高到600℃以上，火焰基本充满全局空间)、充分发展阶段(机舱内热释放速率逐渐达到某一最大值，平均温度通常上升到800℃以上，燃烧受通风控制，机舱结构整体承载能力急剧下降，舱体可能会被烧穿，内外同时燃烧和蔓延，严重时可导致坍塌)和衰减阶段(总体热释放速率逐渐降低，舱体内外可供燃烧物质减少直至消耗殆尽，温度开始下降至环境温度，此阶段一般认为是从舱内平均温度降到其峰值的80％左右开始)。
所述步骤(2)构建防火功能评价指标体系：
针对风电机舱火灾全过程，构建如下风电机舱防火功能评价指标体系：
1)油品着火和热性能指标：包括临界热辐射通量热惯量λρC、着火温度Tig，有效燃烧热ΔHc,eff和化学计量空燃比S；
2)油品热释放和烟气释放能力指标：包括热熔HRC、平均烟产率以及烟点高度SPH；其中热熔HRC的计算公式如下：
式中，M0为热重实验中测试样品的初始质量；为热重实验中测试样品的最大质量损失速率；β为热重实验中测试样品的升温速率；
3)火焰蔓延过程中热和烟气危害复合参数指标：包括热参数FHP和烟参数SP，计算公式具体表述为：
将上述计算出的各评价指标制表或绘图，作为风电机舱内典型相态油品火灾危险性综合评价结果。
本发明的有益效果：
1)克服试验模拟和计算机模拟等传统火灾研究方法成本偏高、工作量大、周期较长、精度较低等缺点，依托材料表征手段通过对主要火灾荷载进行热解和对火反应特性表征，即可实现对风电机舱全过程潜在火灾危险性进行评估，成本较低、方法快速、操作简单、理论基础明确、实验结果可靠、可重复性强；
2)针对传统聚合物材料进行火灾性评价时，存在仅依靠对火反应特性单一指标如热释放速率峰值(PkHRR)或少量复合指标如火灾性能指数(FPI)的问题，扩展了临界热辐射通量、热惯量，着火温度，有效燃烧热、平均烟产率和烟点高度等对火反应特性衍生参数，并兼容热解特性指标，将热解和燃烧通过多尺度关联的风电火灾全过程一体化分析，使得评价指标体系更加立体化和多元化；
3)为风电机舱火灾的应用基础研究及本质安全防治提供依据，增强风电新能源长效健康发展的安全保障。
附图说明
附图1是风电机舱内典型油品火灾危险性评价方法流程图。
附图2是风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统结构单元示意图。
附图3是风电机舱火灾发展阶段划分以及相应火灾预防和处置中涉及的主要火灾特性参数。
附图4是四种测试油品在不同升温速率下TG-DTG曲线。
附图5是四种测试油品与辐射强度之间的拟合关系。
附图6是热和烟气危害复合参数指标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明。
如图1和图2所示，提供一种基于热重分析仪和锥形量热仪所得热解特性参数和对火反应特性参数发展综合评价风电机舱内典型相态油品火灾危险性的方法及系统，具体包括：
通过实地调研，现场采集某风电场850kW风力发电机机舱内变压器油、液压油、齿轮箱油、润滑脂四种油品，作为代表性测试样品，其基本物理性质如表2所示。
表2四种测试油品的物理性质
利用热失重特性评估单元，即Q5000IR型热重分析仪(TA公司，美国)对四种测试样品在空气气氛下进行热解特性实验，实验前用电子天平称取10.0～30.0mg的测试样品，通过移液管滴入铝坩埚中，实验中升温速率设定为5℃/min、10℃/min、20℃/min和40℃ /min，加热温度范围为室温至800℃。
通过对比分析，发现不同TG曲线上邻近失重平台均可明显区分，因此选择升温速率为40℃/min条件下的热解特性数据作为发展评价指标体系的待关联参数，四种测试样品在 40℃/min升温速率下的TG-DTG曲线如图4所示。
通过对升温速率为40℃/min条件下的TG-DTG曲线进行分析，获取四种测试样品初始失重温度(Tonset)、最大失重速率(MLRmax)以及对应温度(Tmax)和500℃热解温度下残余物质量分数等热解重要参数列于表3。
表3四种测试油品的热解特性数据汇总
利用对火反应特性评估单元，即锥形量热仪(Fire Testing Technology公司，英国) 对四种测试样品进行燃烧特性试验，实验前用量筒量取40ml测试样品，倒入双层油盘中，实验中辐射强度依次设定为15kW/m2、25kW/m2、35kW/m2、50kW/m2和75kW/m2。为了考虑安全性，先在较低辐射强度范围内(15～35kW/m2)所有油品进行测试，再采用较高的辐射强度(50kW/m2和75kW/m2)对耐高温辐射的样品进行测试。
测试后发现，变压器油、液压油和齿轮箱油适宜的实验辐射强度范围为 15～35kW/m2，润滑脂为耐高温辐射油品适宜的实验辐射强度范围为25～75kW/m2。
基于点燃时间(tig)对火反应特性参数，通过公式(1)和(2)，可进一步得出测试样品临界热辐射通量热惯量(λρC)和着火温度(Tig)等对火反应特性衍生参数，列于表4。
表4基于公式(1)和(2)获取的四种测试油品对火反应特性衍生参数
其中，临界热辐射通量是通过将与外加的辐射强度作图并进行线性拟合，将拟合直线外推获得，如图5所示。
基于热释放速率(HRR)、质量损失速率(MLR)和比消光面积(SEA)等对火反应特性参数，通过公式(3)～(6)，可进一步得出测试样品有效燃烧热(ΔHc,eff)、平均烟产率和烟点高度(SPH)等对火反应特性衍生参数，列于表5。
表5基于公式(3)～(6)获取的四种测试油品对火反应特性衍生参数
将风电机舱火灾划分为起火阶段、增长阶段、轰然阶段、充分发展阶段和衰减阶段五个阶段，提取风电机舱火灾预防和处置时应重点关注的火灾特性，包括着火性、可燃性、火焰蔓延和热释放。
基于上述四种测试油品热解特性参数、对火反应特性参数及其衍生参数，结合公式 (7)～(9)，构建风电机舱防火功能评价指标体系，包含风电机舱火灾全过程，即1)油品着火和热性能指标、2)油品热和烟气释放能力指标、3)火焰蔓延过程中，热和烟气危害复合参数指标，分别如表6、表7和图6所示。
表6油品着火和热性能指标
表7油品热和烟气释放能力指标
所述评价结果均是将原始数据导入评估指标各项数据获取单元，即通过Origin或MATLAB商业软件，运用一阶导数、积分平均法以及公式(1)～(9)等，来获取并展示各测试样品对应每一评估指标项的实际数据。据图6可知，变压器油热参数(FHP)最高、润滑脂烟参数(SP)最高，齿轮箱油和液压油两种参数居中，在实际火灾发展过程中，变压器油和润滑脂火灾危险性相对偏高，需重点防范。

Claims (10)

1.风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统，其特征是包括热失重特性评估单元和对火反应特性评估单元，所述热失重特性评估单元包括热重分析仪，利用热重分析仪获取测试样品在不同升温速率下的热解重要参数，如初始失重温度T onset 、最大失重速率MLRmax以及对应温度T max 和不同热解终温下残余物质量分数；所述对火反应特性评估单元包括锥形量热仪，利用锥形量热仪获取测试样品在不同辐射强度下的燃烧特性参数，如点燃时间t ig 、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA、烟释放速率SRR；根据所测得的数据对比分析，综合评价风电机舱内典型相态油品火灾危险性。
2.如权利要求1所述风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是包括以下步骤：
（a）油品准备：配备风电机舱内不同相态和种类的油品，分别在不同升温速率和不同外加热辐射强度下模拟风电机舱火灾演化历程；
（b）热失重行为和特性测试分析：利用热重分析仪对四种测试样品在空气气氛中不同升温速率下热失重行为和特性进行测试，通过对TG-DTG曲线进行分析，记录不同升温速率下四种测试油品样品的初始失重温度T onset 、最大失重速率MLRmax、对应温度T max 和不同热解终温下残余物质量分数、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA和烟释放速率HRR；
（c）对火反应行为和特性测试分析：利用锥形量热仪按照ISO 5660-1标准对四种测试样品在不同外加热辐射强度下对火反应行为和特性进行测试，获取不同辐射强度下四种测试油品样品点燃时间t ig 、热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA、烟释放速率SRR；
（d）综合分析：对模拟风电机舱火灾演化历程进行阶段划分，并针对每个阶段火灾发展的原理和特点建立科学有效的火灾危险性评价指标体系，据此得出风电机舱内典型油品火灾危险性综合评价结果，包括以下步骤：
（1）火灾阶段划分；
（2）构建防火功能评价指标体系；
（3）火灾危险性评价。
3.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是所述步骤（b）热失重行为和特性测试，还包括：对比不同升温速率下的TG曲线及其对应一次微分DTG曲线，观察DTG曲线上最大热失重速率对应峰形位置是否重合，若峰形顶点错开则说明热解历程区分明显，并选择最高升温速率下的初始失重温度T onset 、最大失重速率MLRmax以及对应温度T max 和不同热解终温下残余物质量分数作为进一步发展评价指标体系的待关联参数。
4.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是所述步骤（c）对火反应行为和特性测试，还包括：获取不同辐射强度下四种测试样品的点燃时间，通过
（1）
（2）
得出测试样品临界热辐射通量、热惯量和着火温度；
式中，为外加热辐射通量，为点燃表面换热系数，为对流换热系数，为环境温度，为斯忒芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-11kW/m2·K4。
5.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是所述步骤（c）对火反应行为和特性测试，还包括：画出不同辐射强度下四种测试样品热释放速率HRR、质量损失速率MLR、比消光面积SEA和烟释放速率HRR参数随时间变化曲线图，通过积分平均法获取参数平均值，并引入方程（3）~（6），可进一步得出测试样品有效燃烧热、平均烟产率和烟点高度SPH对火反应特性衍生参数；方程（3）~（6）形式如下：
（3）
（4）
（5）
（6）
式中，为总热释放速率；为样品总质量损失；为平均比消光面积；为化学计量空燃比。
6.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是所述步骤（1）火灾阶段划分：依据火灾动力学和风电机舱火灾发展过程中不同阶段的特点，通过对火灾场景的设定，从消防对策的角度，在舱体材料达到耐火极限前后，依据受限机舱着火空间内平均温度和热释放速率随时间变化将风电机舱火灾定性划分为起火阶段、增长阶段、轰然阶段、充分发展阶段和衰减阶段五个阶段；所述起火阶段为总体热释放速率较低，机舱内平均温度较低，着火物体附近存在局部高温；增长阶段为火灾扩大，引燃周围可燃物，机舱内平均温度从环境温度开始迅速上升至数百℃；轰燃阶段为机舱内所有可燃物表面发生燃烧，平均温度升高到600℃以上，火焰基本充满全局空间；充分发展阶段为机舱内热释放速率逐渐达到最大值，平均温度上升到800℃以上，燃烧受通风控制，机舱结构整体承载能力急剧下降，舱体可能会被烧穿，内外同时燃烧和蔓延，严重时可导致坍塌；衰减阶段为总体热释放速率逐渐降低，舱体内外可供燃烧物质减少直至消耗殆尽，温度开始下降至环境温度，舱内平均温度降到低于其峰值的80%。
7.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是所述步骤（2）构建防火功能评价指标体系：
针对风电机舱火灾全过程，构建如下风电机舱防火功能评价指标体系：
1）油品着火和热性能指标：包括临界热辐射通量、热惯量、着火温度，有效燃烧热和化学计量空燃比；
2）油品热释放和烟气释放能力指标：包括热熔HRC、平均烟产率以及烟点高度SPH；其中热熔HRC的计算公式如下：
（7）
式中，为热重实验中测试样品的初始质量；为热重实验中测试样品的最大质量损失速率；为热重实验中测试样品的升温速率；
3）火焰蔓延过程中热和烟气危害复合参数指标：包括热参数FHP和烟参数SP，计算公式具体表述为：
（8）
（9）
将上述计算出的各评价指标制表或绘图，作为风电机舱内典型相态油品火灾危险性综合评价结果。
8.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是步骤（b）热失重行为和特性测试分析中，所述不同升温速率为5℃/min、10℃/min、20℃/min和40℃/min。
9.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是步骤（c）对火反应行为和特性测试分析中，所述不同外加热辐射强度为15kW/m2、25kW/m2、35kW/m2、50kW/m2和75kW/m2。
10.根据权利要求2所述的风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统的评价方法，其特征是步骤（d）综合分析中，借鉴火灾风险矩阵概念，基于风电行业可接受风险基准对风电机舱内典型油品火灾危险性进行等级划分，以便在实际风电机舱火灾发展过程中采取有针对性的综合安全管理措施；具体划分等级如表1所示：
表1 基于可接受风险准则的风电机舱内典型油品火灾危险性等级划分
Ⅰ级，表示火灾危险性很高，在不可接受范围之内，应立即采取措施改进；
Ⅱ级，表示火灾危险性高，应采取措施加以控制；
Ⅲ级，表示火灾危险性较高，应采取措施预防；
Ⅳ级，表示火灾危险性较低，在可接受范围之内；
以上措施涉及热量和烟气控制部分,前者包括防热、隔热、散热、耐热、阻燃、防火等；后者包括抑烟、消烟、挡烟、隔烟、排烟等。
CN201910118829.4A 2019-02-15 2019-02-15 风电机舱内典型油品火灾危险性评价系统及其评价方法 Pending CN109781771A (zh)

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