周 焱

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

歐洲從上世紀(jì)80~90年代開始了海上風(fēng)能資源利用的研究，并于1990在瑞典安裝了世界上第一臺(tái)海上風(fēng)機(jī)。但直到2000年前，歐洲各國(guó)的海上風(fēng)電項(xiàng)目仍帶有研究和示范的性質(zhì)，普遍具有規(guī)模小、離岸近、水深淺的特點(diǎn)。該階段的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目因?yàn)殡娔茌斔瓦^(guò)程中的損耗不大，所以不需要通過(guò)海上升壓變電站升壓后送出，而是直接采用海底電纜與陸上的變電站或是其他儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行連接。到了2001年，以丹麥哥本哈根附近海域的Middelgrunden海上風(fēng)電場(chǎng)的建成為標(biāo)志，歐洲海上風(fēng)電市場(chǎng)全面進(jìn)入了商業(yè)化示范階段，該階段的特點(diǎn)是單機(jī)容量和總裝機(jī)規(guī)模變大，部分項(xiàng)目離岸距離超過(guò)10km。此種情況下，繼續(xù)采用海底電纜直接連接海上風(fēng)電機(jī)組與陸上變電站，會(huì)導(dǎo)致線路壓降大、電能損耗和投資變大。因此，海上升壓變電站逐漸成為裝機(jī)容量較大且離岸較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)配置。

在國(guó)家政策支持和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，我國(guó)的海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。截至到2021年9月底，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量已達(dá)1318萬(wàn)千瓦，裝機(jī)規(guī)模世界第一。隨著近海資源逐漸消耗殆盡，風(fēng)電場(chǎng)逐步向遠(yuǎn)海場(chǎng)址發(fā)展，海上升壓變電站也成為我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)不可或缺的一部分。

1 電纜層防火設(shè)計(jì)的意義

海上升壓變電站作為海上風(fēng)電場(chǎng)的樞紐建筑，具有匯集和輸送電能的重要作用。它的正常運(yùn)作確保了整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的有效運(yùn)行，確保了風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的電能可以有效地輸送到陸地。海上升壓變電站受限于其在海上的工作面積，往往人員、油氣、電氣設(shè)備等高度集中，若沒(méi)有一定的防范措施，容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等一系列安全事故。目前已建和在建的海上升壓變電站均為鋼結(jié)構(gòu)建筑，一旦火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度超過(guò)540℃，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)迅速失去承載力，在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的形變，甚至整體坍塌?？紤]到海上升壓變電站距陸地較遠(yuǎn)，因此發(fā)生安全事故后的救援工作十分困難，且無(wú)法原地維修，必須拆除后運(yùn)回陸上基地大修，不僅施工維修費(fèi)用高昂，而且會(huì)造成海上風(fēng)電場(chǎng)一段時(shí)間生產(chǎn)的電力無(wú)法輸出，損失難以估計(jì)。為了保證變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，變電站電纜層的鋼結(jié)構(gòu)防火應(yīng)該引起設(shè)計(jì)及運(yùn)維人員的重視。

2 電纜層防火設(shè)計(jì)存在的難點(diǎn)

2.1 電纜層防火設(shè)計(jì)要點(diǎn)

海上升壓變電站經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)升級(jí)迭代，其上部組塊在豎向布局上已形成了較為固定的模式，一般自下而上分為三層。底層作為電纜層，同時(shí)布置逃生場(chǎng)地及事故油罐等，一層甲板一般布置變壓器室和高壓配電室等，二層甲板可布置二次設(shè)備室和蓄電池室等。

海上升壓變電站上兩層的設(shè)備房間層考慮到電氣設(shè)備比較精細(xì)，為防止海上鹽霧的腐蝕，一般采用全封閉結(jié)構(gòu)，并且配備微增壓系統(tǒng)，保證室內(nèi)的氣壓高于室外，可有效避免室外空氣的滲入。如確實(shí)需要和室外進(jìn)行空氣交換的房間，則在通風(fēng)口安裝鹽霧過(guò)濾器，以避免鹽霧的侵蝕。而電纜層則無(wú)需考慮對(duì)鹽霧腐蝕的防護(hù)，且為了電纜能高效的散熱，在電纜層平臺(tái)四周不設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為四面開敞布局，電纜均暴露于室外，而電纜之上就是上一層的梁板等鋼構(gòu)件，二者近在咫尺。

因?yàn)殡娎|層不是一個(gè)圍合的密閉空間，現(xiàn)有的常規(guī)消防設(shè)施難以對(duì)其起到有效的防護(hù)作用，水噴淋系統(tǒng)不能用于電氣設(shè)備，高壓細(xì)水噴霧系統(tǒng)可以用于電氣設(shè)備，但使用條件必須為封閉空間，故電纜層只能依靠鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火。

2.2 電纜層設(shè)計(jì)規(guī)范

現(xiàn)有的涉及到海上升壓變電站防火的國(guó)內(nèi)外規(guī)范主要有:《風(fēng)電場(chǎng)工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 31115-2017）、《海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51308-2019）、中國(guó)船級(jí)社的《海上升壓變電站平臺(tái)指南》、《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）、DNV船級(jí)社的《Off-shore Substation for Wind Farms》（DNV-OS-J201）等。

以《風(fēng)電場(chǎng)工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》為例，海上升壓變電站防火設(shè)計(jì)的主要流程為：

（1）根據(jù)海上升壓變電站的各個(gè)艙室的性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，共計(jì)6大類。

（2）根據(jù)不同艙室的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別，來(lái)判定艙室與艙室之間的艙壁或甲板的耐火分隔要求，分為A-0級(jí)、A-15級(jí)、A-60級(jí)。

（3）根據(jù)耐火分隔要求，選擇相應(yīng)的防火措施。

2.3 設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性問(wèn)題

針對(duì)海上升壓變電站電纜層這一場(chǎng)景，以上規(guī)范的適用性存在兩個(gè)主要問(wèn)題：

（1）對(duì)于電纜層區(qū)域的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類不明確。業(yè)內(nèi)一直對(duì)電纜層區(qū)域的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類有爭(zhēng)議。有認(rèn)為電纜易燃，屬于升壓站中的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)該歸類為火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的處所；也有認(rèn)為電纜層四面開敞，應(yīng)歸類為開敞甲板。持后一觀點(diǎn)的，往往是因?yàn)閷?duì)電纜層的危險(xiǎn)性認(rèn)知不足。

關(guān)于“開敞甲板”的定義，《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》中的描述為：“系指露天甲板處所,但不包括危險(xiǎn)區(qū)?！薄稖\海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》中的描述為：“沒(méi)有失火危險(xiǎn)的開敞甲板處所、露天處所?！薄逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》中的描述為：“‘開敞甲板’是指不包括危險(xiǎn)區(qū)在內(nèi)的開敞甲板空間”“‘半圍蔽或其他類似開口處所’是指由于具有諸如頂板、風(fēng)障和甲板等結(jié)構(gòu)，以致其自然通風(fēng)條件與在開敞甲板上者有顯著的差異，且其布置使氣體不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散的處所。”《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）中“露天甲板系指在上方且至少有兩側(cè)完全暴露于露天的甲板。”綜上所述，“開敞甲板”一般需滿足兩點(diǎn)要求：①露天甲板，上方應(yīng)無(wú)遮擋；②無(wú)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。電纜層既非露天甲板，本身又有較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，電纜上方的甲板與梁形成了一個(gè)半圍蔽的空間，一旦發(fā)生火災(zāi)后，高溫?zé)煔饧墼诩装逑路诫y以擴(kuò)散，故認(rèn)為其不具有風(fēng)險(xiǎn)性，歸類為開敞甲板是不合理的。

（2）海上升壓變電站相關(guān)的規(guī)范里，耐火分隔只針對(duì)艙壁和甲板，而對(duì)梁柱之類的鋼構(gòu)件卻未提及。在《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》中提到“凡暴露在火災(zāi)中，一旦垮塌斷裂使火災(zāi)危險(xiǎn)性升級(jí)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)防火措施。”《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992年版）中提到“平臺(tái)框架支承結(jié)構(gòu)的構(gòu)件如橫梁、立柱、拉撐等構(gòu)件應(yīng)為A-60耐火級(jí)”。這兩部規(guī)范明確提出了應(yīng)該對(duì)海洋平臺(tái)上的梁柱、斜撐等構(gòu)件采取防火措施，但這兩部規(guī)范所述場(chǎng)景主要針對(duì)石油平臺(tái)，并非專門針對(duì)海上升壓變電站，該要求是否適用于海上升壓變電站，目前也存在爭(zhēng)議。

規(guī)范上的缺失，給電纜層的鋼結(jié)構(gòu)防火帶來(lái)了難題，但在實(shí)際項(xiàng)目中，也制定出了不同的防火策略。

3 現(xiàn)有的防火策略

目前針對(duì)海上升壓變電站的電纜層鋼結(jié)構(gòu)防火措施主要有三種典型做法：采用絕緣材料，耐火甲板敷料，防火涂料與耐火敷料結(jié)合使用。

3.1 絕緣材料防火

國(guó)內(nèi)早期的海上升壓變電站電纜層的結(jié)構(gòu)防火主要采用絕緣材料防火，其做法一般為：

（1）在電纜層上方的甲板下方焊接碰釘。

（2）將絕緣材料安裝于甲板下方，以碰釘固定。

（3）在絕緣材料外側(cè)加設(shè)一層不銹鋼板保護(hù)層。

防火絕緣材料主要采用的是礦物棉及其制品，礦物棉是用熔融狀無(wú)機(jī)非金屬礦物制成的纖維材料，目前主要使用巖棉和陶瓷棉，其中巖棉隔熱性能較好，而陶瓷棉能抵御更高的溫度。故海上升壓變電站常用二者來(lái)作為防火絕緣材料的主力。一般40mm厚的陶瓷棉，可滿足A-60級(jí)的耐火等級(jí)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：防火性能好，價(jià)格相對(duì)低廉，自重較輕。缺點(diǎn)在于：施工相對(duì)復(fù)雜，耐久性差易損壞。在變電站使用過(guò)程中，保護(hù)層在連接點(diǎn)會(huì)很快產(chǎn)生腐蝕，極強(qiáng)的風(fēng)速使不銹鋼板容易脫落，失去保護(hù)層的絕緣材料暴露在外極易損壞。

采用該方案的海上升壓變電站有：江蘇響水近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目、河北樂(lè)亭菩提島海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。

3.2 敷設(shè)耐火甲板敷料

該典型做法常見(jiàn)于廣東一帶的海上升壓變電站，其做法為：在電纜層上方的甲板上表面敷設(shè)A-60級(jí)的耐火甲板敷料，使甲板達(dá)到A-60級(jí)的耐火等級(jí)。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：施工便利，耐久性好，價(jià)格低廉，自重適中。

耐火甲板基層敷料一般分為兩種：一種是復(fù)合結(jié)構(gòu)型敷料，由下層的輕質(zhì)耐火絕熱材料及上層的乳膠敷料構(gòu)成，下層負(fù)責(zé)隔熱，上層負(fù)責(zé)防水，具有良好的綜合性能；一種是單層結(jié)構(gòu)敷料，是利用水泥和一定級(jí)配的輕質(zhì)骨料配制而成的水硬性膠凝材料，輕質(zhì)骨料有效地改善了水泥混凝土易高溫爆裂的不良性能，所以該甲板敷料具有較好的耐水性、良好的抗水滲性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又有極好的耐火性、簡(jiǎn)便的施工工藝和經(jīng)濟(jì)性。

甲板敷料敷設(shè)于甲板之上，位于電纜層上方支撐上部結(jié)構(gòu)的梁與柱均暴露于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)中，沒(méi)有任何防護(hù)，一旦電纜層失火，甲板上層的耐火敷料無(wú)法對(duì)甲板下方梁柱形成保護(hù)。更有甚者，連A-60級(jí)的耐火甲板敷料都不用，設(shè)計(jì)者認(rèn)為該層甲板僅為A-0級(jí)耐火分隔，這將電纜層錯(cuò)誤歸類為開敞甲板或是對(duì)《海上升壓變電站平臺(tái)指南》相關(guān)規(guī)范理解錯(cuò)誤所致。

采用該方案的海上升壓變電站有：中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目、廣東湛江外羅海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。

3.3 防火涂料與耐火敷料結(jié)合使用

在認(rèn)識(shí)到上述方案的缺陷后，后期的海上升壓變電站進(jìn)行了如下改良：

（1）在電纜層上方的甲板上表面敷設(shè)A-60級(jí)的耐火甲板敷料。

（2）電纜層的梁與柱涂刷防火涂料，目前實(shí)際項(xiàng)目中一般采用耐火等級(jí)要求為H-60級(jí)的膨脹型防火涂料。

膨脹型防火涂料主要成分有基料樹脂、膨脹型阻燃劑、協(xié)效劑以及顏料和助劑等。基料樹脂可以起到將其他的組分粘合在一起的作用，并最終粘覆在底材上。一般海上使用環(huán)氧樹脂來(lái)作為基料。環(huán)氧樹脂具有很好的耐海洋環(huán)境、耐久性和耐候性，并且能很好地附著于鋼材之上。膨脹型阻燃劑是膨脹型防火涂料的核心成分，它主要有碳源（成碳劑）、酸源（脫水劑）、氣源（發(fā)泡劑）三部分組成。協(xié)效劑配合膨脹型阻燃劑可以形成協(xié)效阻燃體系，達(dá)到更好的阻燃效果。顏料主要為涂料提供著色力。其他助劑會(huì)根據(jù)場(chǎng)景的配合使用，但用量均不多。

一旦發(fā)生火災(zāi)，膨脹型防火涂料在高溫作用下，涂層熔融形成黏性液體，并釋放大量氣體，最終固化形成一個(gè)不易燃、導(dǎo)熱系數(shù)低的蜂窩狀炭質(zhì)層，厚度可以達(dá)到原來(lái)涂層的幾十倍。炭質(zhì)層在火源和基材之間形成一道屏障，從而減緩了鋼結(jié)構(gòu)表面溫度的上升和強(qiáng)度的下降，起到防火阻燃的作用。

該方案優(yōu)點(diǎn)如下：防火性能好，耐久性好，施工難度適中。缺點(diǎn)在于：自重較重，費(fèi)用較高。

雖然會(huì)增加部分造價(jià)，但是方案三極大地提高了海上升壓變電站的安全性，故目前廣泛用于全國(guó)各地新建的海上升壓變電站。

采用該方案的海上升壓變電站有：江蘇大豐H8-2#海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目、上海奉賢海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在2020年提出了“30.60”雙碳目標(biāo)。到2030年為止，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，并加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。海上風(fēng)電面臨國(guó)家補(bǔ)貼退出，2022年后全面進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)階段，急需產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新和技術(shù)迭代來(lái)起到降本增效的效果。對(duì)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的時(shí)代。

規(guī)范中存在的缺失，導(dǎo)致多種防火策略的出現(xiàn)，這種矛盾給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了極大的困擾，也對(duì)海上升壓變電站的施工、驗(yàn)收帶來(lái)了重重障礙。這無(wú)疑是增加了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的內(nèi)耗，也給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理帶來(lái)了安全隱患。

為解決這一問(wèn)題，應(yīng)盡快組織有關(guān)人員對(duì)海上升壓變電站的鋼構(gòu)件防火情況進(jìn)行調(diào)查研究，在結(jié)合國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定切實(shí)有效措施，盡快出臺(tái)相關(guān)規(guī)范，對(duì)海上升壓變電站的鋼構(gòu)件防火設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，為海上升壓變電站的安全加一把鎖，也為早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。