CC BY
41
mgr inz. Mariusz CIESLAK
Jednostka Certyfikjca CNBOP-PIB
KONCEPCJA OCHRONY PRZECIWPOZAROWEJ ORAZ CERTYFIKACJI SYSTEMOW PRZECIWPOZAROWYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH
Idea of fire protection and certification of fire fighting systems for wind turbines
Streszczenie.
Celem artykulu jest przedstawienie przegl^du wytycznych dotycz^cych systemow przeciwpozarowych stosowanych w turbinach wiatrowych. Ze wzgl?du na zwi?kszaj^c^. si? liczb? instalacji turbin wiatrowych, ochrona przeciwpozarowa zwi^zana z t^. gal?zi^. energetyki zajmuje coraz wi?ksz^. uwag? nie tylko z punktu widzenia strat materialnych powodowanych przez ogien, lecz takze z powodu przerw w dostawie energii elektrycznej. Turbiny wiatrowe, ze wzgl?du na swoj^. budow? oraz umiejscowienie, rozni^. si? od typowych zastosowan urz^dzen gasniczych takich jak centra danych, muzea, magazyny itp. Ze wzgl?du na male doswiadczenie producentow w zastosowaniu urz^dzen gasniczych w turbinach, szczegolnie wazne wydaje si? bye opracowanie wytycznych pozwalaj^cych na prawidlowe zaprojektowanie, wykonanie oraz serwisowanie takich systemow.
Summary
The purpose of this article is to review guidelines concerning fire protection systems for wind turbines. Since there is increasing number of installed wind turbines, fire protection connected with this energy branch takes more attention not only because of material losses caused by fire, but also because of interruptions in energy supply. Wind turbines, because of their construction and work location, differ from typical applications of firefighting systems such as data centers, museums, warehouses etc. Because of little experience of manufacturers in application of firefighting systems in wind turbines, especially important seems to be development of standards and guidelines which can help in their designing, assembling and servicing.
Slowa kluczowe: Stale urzqdzenia gasnicze, turbiny wiatrowe, energia odnawialna, certyfikacja, ochrona przeciwpozarowa;
Keywords: Fixed firefighting systems, wind turbines, renewable energy, certification, fire protection;
Wst^p
Dyrektywa Unii Europejskiej w sprawie wspierania produkcji energii elektrycznej wytwarzanej ze zrodel odnawialnych (ZEO) wymaga osiqgni?cia 20% wskaznika udzialu energii elektrycznej pochodzqcej z ZEO w zuzyciu energii elektrycznej w calej Wspolnocie Europejskiej do 2020 r [1].
W Polsce najwi?kszq dynamik? wzrostu wykorzystania zrodel odnawialnych wykazuje energetyka wiatrowa. Do konca 2011 r. zainstalowanych zostalo w Polsce okolo 526 koncesjonowanych wiatrakow o calkowitej mocy 1616 MW [2].
Ceny paliw kopalnych, w zwiqzku z wyczerpujqcymi si? ich zasobami, odnotowujq ciqgly wzrost podczas, gdy koszty wytwarzania energii wiatrowej malejq. Szacuje si?, ze obecnie koszt pozyskania 1kW energii wiatrowej jest konkurencyjny w stosunku do pozyskania takiej samej ilosci energii z paliw tradycyjnych (po uwzgl?dnieniu szkod ekologicznych oraz zdrowotnych zwiqzanych ze spalaniem tradycyjnych paliw).
Dodajqc do powyzszych informacji fakt, ze istniejq. w Polsce miejsca, gdzie umieszczanie elektrowni wiatrowych jest szczegolnie korzystne, uwaza si?, ze energetyka wiatrowa ma w naszym kraju sprzyjajqce warunki rozwoju.
Budowa i dzialanie elektrowni wiatrowych
Glownymi modulami elektrowni wiatrowej sq: wirnik, gondola, wieza oraz fundament. Najwazniejszym oraz najbardziej widocznym jej elementem jest wirnik. Najpopularniejszym obecnie rozwiqzaniem sq wirniki skladajqce si? z trzech lopat, dla ktorych os obrotu jest pozioma (turbiny wiatrowe z poziomq osiq obrotu: Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT). Istniejq, takze konstrukcje turbin z pionowq osiq obrotu (Vertical Axis Wind Turbine -VAWT). Poprzez wirnik energia wiatru zamieniana jest na energi? mechanicznq nap?dzajqcq. pozostale elementy turbiny. W obecnych elektrowniach wiatrowych smigla osiqgajq srednic? ponad 120 m, a pr?dkose liniowa ich koncowek przekracza 300 km/h.
Materialami uzywanymi do budowy smigiel sq m.in. wlokna szklane wzmacniane poliestrem. Lopaty wirnika wraz z piastq tworzq wirnik elektrowni wiatrowej.
Kolejnym zespolem skladowym turbiny wiatrowej jest system transmisyjny. Jego zadaniem jest przekazanie energii z lopat wirnika do generatora, gdzie jest ona przeksztalcana w energi? elektrycznq.
W sklad systemu transmisyjnego wchodzq:
• piasta - sluzy polqczeniu wirnika z walem glownym,
• lozysko glowne - lozysko toczne przenoszqce obciqzenia osiowe od wirnika oraz promieniowe (waga walu, napor cisnienia wiatru etc.). Do smarowania uzywane sq specjalne smary zachowujqce swoje wlasciwosci nawet w czasie silnych mrozow. W przypadku uszkodzenia lozyska moze nastqpie wzrost temperatury w miejscu jego zamontowania co z kolei moze prowadzie do powstania pozaru. Lozyska, oprocz lozyska glownego, umieszczane sq w roznych cz?sciach elektrowni np. przekladnia, generator, pompy hydrauliczne,
• wal glowny - wal wolnoobrotowy przenoszqcy moment obrotowy z piasty do przekladni,
• przekladnia - rolq przekladni jest zwi?kszanie pr?dkosci walu glownego do wartosci odpowiednich dla prqdnicy tj. do okolo 100-150 obr./min. Wal posiadajqcy zwi?kszonq pr?dkose obrotowq nosi nazw? walu szybkoobrotowego,
• hamulec - jego zadaniem jest zatrzymanie walu wolnoobrotowego oraz lopat wirnika. W przypadku zbyt duzej pr?dkosci obrotowej walu, dzialanie hamulca moze powodowae wytwarzanie wysokich temperatur oraz iskier ktore stanowiq potencjalne zrodlo pozaru,
• prqdnica - zadaniem prqdnicy jest zamiana energii ruchu obrotowego walu szybkoobrotowego na energi? elektrycznq.
Powyzsze elementy systemu transmisyjnego wraz z dodatkowymi modulami, np. ukladem kierunkowania lopat wirnika sluzqcego do zmiany kierunku ustawienie gondoli w celu bardziej efektywnego wykorzystania energii wiatru, znajdujq si? w gondoli elektrowni wiatrowej.
Budow? wirnika oraz gondoli elektrowni wiatrowej przedstawiono na ryc. 1:
Ryc. 1 Schemat budowy turbiny wiatrowej [3]
I. Kolpak wirnika 2. Lopaty wirnika 3. Lozysko lopaty 4. Piasta wirnika 5. Lozysko
glowne 6. Wal glowny 7. Przekladnia 8. Dzwig dla obslugi 9. Hamulec 10. Sprz?glo
II. Prqdnica 12. Uklad ustawiania kierunku 13. Wieza 14. Pierscien ukladu kierunkowania
15. Wentylacja prqdnicy 16. Obudowa gondoli Fig. 1 Nacelle arrangement [3]
1. Spinner 2. Blades 3. Pitch bearing 4. Rotor hub 5. Main bearing 6. Main shaft
7. Gearbox 8. Service crane 9. Break disc 10. Coupling 11. Generator 12. Yaw gear 13. Tower 14. Yaw ring 15. Generator fan 16. Canopy
Profil mocy uzyskiwanej w czasie pracy turbiny wiatrowej (silowni) przedstawiony zostal ponizej.
Ryc. 2 Profil mocy turbiny wiatrowej Fig. 2 Wind turbine power curve
Mozemy wyroznie nast?pujqce parametry charakterystyczne:
• pr?dkose uruchomienia: minimalna pr?dkose srednia wiatru przy ktorej silownia wiatrowa wytwarza moc uzytecznq,
• pr?dkose znamionowa: pr?dkose wiatru przy ktorej elektrownia wiatrowa moze oddawae moc znamionowq. Moc znamionowa silowni rowna mocy znamionowej prqdnicy,
• pr?dkose zatrzymania: pr?dkose srednia wiatru po przekroczeniu ktorej silownia wiatrowa jest zatrzymywana.
Zagrozenia pozarowe wyst^puj^ce w turbinach wiatrowych
Turbiny wiatrowe ze wzgl?du na swojq konstrukcj? oraz ryzyko calkowitego ich zniszczenia, rozniq si? od typowych instalacji wytwarzajqcych energi? elektrycznq, np. elektrowni w?glowych.
Na ryzyko to skladajq si? nast?pujqce czynniki:
• duza koncentracja urzqdzen w gondoli turbiny,
• wyst?powanie duzej liczby zrodel mozliwego powstania pozaru oraz ryzyko uderzen pioruna,
• odlegle, cz?sto trudno dost?pne lokalizacje farm wiatrowych, wydluzajqce czas przybycia na miejsce zdarzenia odpowiednich sluzb.
Pozar turbiny wiatrowej moze wystqpie w nast?pujqcych jej cz?sciach:
• gondoli
• wiezy
oraz w podstacji elektrycznej do ktorej podlqczona jest turbina.
Duze zag?szczenie urzqdzen takich jak: aparatura rozdzielcza, falownik, szafa sterownicza, transformator oraz palne materialy (izolacje dzwi?kochlonne w gondoli turbiny, obudowy z tworzyw sztucznych, olej w systemach hydraulicznych, olej oraz smary w skrzyni biegow oraz pozostalych elementach mechanicznych, olej transformatorowy, kable elektryczne o duzym przekroju) umieszczone w gondoli powodujq, ze jest to miejsce najbardziej narazone na ryzyko powstania pozaru.
Mozemy wyroznie nast?pujqce przyczyny powstawania pozarow:
• uderzenie pioruna,
• pozary powstale od urzqdzen elektrycznych
• uszkodzenie obwodow elektrycznych,
• powstanie duzych rezystancji spowodowanych zlym polqczeniem mi?dzy wspolpracujqcymi elementami,
• przepi?cia w uzwojeniach transformatora,
• powstawanie rezonansow w obwodach RC,
• pozary powstale od urzqdzen mechanicznych
• mechaniczne uszkodzenie prqdnic,
• wysokie temperatury powierzchni spowodowane pracq hamulca mechanicznego,
• wysokie temperatury spowodowane brakiem lub niedostatecznym smarowaniem
elementow mechanicznych,
• nieprawidlowo przeprowadzone prace serwisowe.
Ryzyko powstania pozaru w elektrowniach wiatrowych moze bye zminimalizowane poprzez:
• zastosowanie niepalnych oraz trudnopalnych materialow,
• zastosowanie systemow wczesnego wykrywania pozarow,
• odpowiedni nadzor oraz utrzymanie elektrowni,
• szkolenia osob wykonujqcych obslug? elektrowni w zakresie reagowania na sytuacje niebezpieczne oraz ustanowienie odpowiednich wewn?trznych przepisow dotyczqcych prac montazowych/serwisowych mogqcych bye zrodlem pozaru (np. spawanie, ci?cie).
Koszty zwi^zane z pozarami turbin wiatrowych
Liczb? pozarow turbin wiatrowych pokazano na ryc. З [5].
25
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Rok
Ryc. 3 Liczba pozarow turbin wiatrowych w latach 2000-2011 Fig. 3 Number of fires in wind turbines in 2000-2011
Ogolem stwierdzono 175 pozarow. Straty pojedynczego zdarzenia wyniosly od 750,000 do 2 milionow dolarow. Oprocz kosztow zwiqzanych z pozarem turbin wiatrowych takich jak zakup nowych podzespolow oraz ich montaz, dochodzq takze koszty zwiqzane z przestojem turbiny, ktore sq tym wi?ksze im wi?kszq moc miala uszkodzona turbina. Turbina wiatrowa o mocy 2MW oraz rocznym uzysku 4 mln kWh generuje tygodniowo 5.000 euro taryfy „feed-in” (tzw. taryfy gwarantowanej) [6]. Uszkodzenie turbiny wiatrowej moze si? takze wiqzac z koniecznosciq wzniesienia nowej turbiny, a wi?c przejscia przez calq drog? administracyjnq, poczqwszy od uzyskania pozwolenia na budow? co znaczqco wydluza czas oddania urzqdzenia do uzytkowania.
Zmniejszajqca si? liczba pozarow turbin wiatrowych, pomimo wzrastajqcej liczby instalacji, wynika nie tylko z rozwoju technologicznego podzespolow uzywanych do ich budowy, lecz takze z przykladania coraz wi?kszej wagi do ochrony przeciwpozarowej turbin wiatrowych.
W 2008 r. opublikowane zostaly wytyczne VdS 3523 [9] odnoszqce si? do ochrony przeciwpozarowej turbin wiatrowych, ktore wywarly znaczny wplyw na popraw? ich bezpieczenstwa pozarowego.
Cele oraz projekt ochrony przeciwpozarowej
Wymagany zakres ochrony ppoz. turbiny wiatrowej moze zalezec od wielu czynnikow. Mi^dzy innymi mozemy wyroznic:
• doswiadczenie ubezpieczyciela z roznymi rodzajami materialow oraz komponentow uzytych w konstrukcji turbiny,
• mocy turbiny,
• budowy turbiny wiatrowej oraz elementow ryzyka,
• lokalizacji turbiny - turbiny umieszczane na lqdzie typu „onshore” lub umieszczane na wodzie typu „offshore”,
• wartosci ubezpieczanej.
Ponizsza tabela przedstawia przyklad klasyfikacji poziomow ochrony elektrowni wiatrowej wg wytycznych VdS 3523. Poziomy ochrony przedstawiono w ponizszej tabeli jedynie w celach informacyjnych.
Tabela 1.
Przyklady poziomow ochrony
Table 1.
Examples of protection levels
Srodki ochrony jako moduly 0 Poz och 1 iomy rony 2 J 3
Urzqdzenia wykrywania pozaru instalacji oraz monitorowanie pomieszczen * * * *
Urzqdzenia gasnicze - ochrona instalacji
Pomieszczenie sterownicze, falownik, rozdzielnica (LV/MV) * * *
Transformator * *
System hydrauliczny *
Pierscien generatora *
Urzqdzenia gaszenia - ochrona pomieszczen
Podlogi podniesione wraz z miskq olejowq, przewodami oraz instalacjami elektrycznymi * *
Gondola wraz z generatorem, transformatorem, systemem hydraulicznym, *
przekladniq hamulcem, nap?dem ukladu kierunkowania
Piasta wraz z nap?dem nastawienia kqta lopat oraz generatorem (jezeli ma zastosowanie) *
Podstawa wiezy wraz z istniejqcymi instalacjami (jezeli ma zastosowanie) *
Z powyzszej tabeli widzimy, ze podstawowy, zerowy poziom ochrony uzyskiwany jest poprzez wyposazenie turbiny wiatrowej w systemy wykrywania pozaru instalacji oraz monitorowania pomieszczen. Poczqwszy od poziomu 1 zastosowanie majq systemy gasnicze. Wraz ze wzrostem poziomu ochrony wzrasta liczba instalacji oraz pomieszczen, w ktorych umieszcza si? systemy gasnicze. W przypadku poziomu pierwszego systemem gasniczym chronione sq instalacje (podzespoly), w przypadku poziomu drugiego rowniez pomieszczenia. Biorqc pod uwag? doswiadczenie odpowiednich instytucji zajmujqcych si? ochronq przeciwpozarowq mozliwe jest ustalenie odpowiedniego poziomu ochrony uwzgl?dniajqcego zarowno ryzyko wystqpienia pozaru, jak rowniez koszty zwiqzane z implementacjq takiego systemu w turbinie wiatrowej.
Dobor odpowiedniego poziomu, a co za tym idzie liczby chronionych instalacji lub pomieszczen powinien byc uzgodniony pomi?dzy stronami zainteresowanymi tj. producentem turbiny, jej uzytkownikiem oraz instytucjq ubezpieczajqcq.
Srodki ochrony
Srodki minimalizujqce prawdopodobienstwo wystqpienia pozaru.
Ochron? przeciwpozarowq turbin wiatrowych mozemy podzielic na srodki ochrony technicznej oraz budowlanej. Ponizsza tablica przedstawia przyporzqdkowanie srodkow ochrony do konkretnych obszarow ochrony ppoz. [7].
Ochrona przeciwpozarowa turbin wiatrowych
Ochrona techniczna: • Procedury • Systemy ostrzegawcze • Systemy alarmowe • Urzqdzenia ochrony przeciwpozarowej uruchamiane r?cznie • Urzqdzenia ochrony przeciwpozarowej Ochrona budowlana: • Materialy oraz podzespoly • Wyznaczone strefy pozarowe ( np. wieza, gondola, lopaty wirnika) • Drogi ewakuacyjne
uruchamiane automatycznie
• Srodki dodatkowe
• Informacje dla uzytkownika
Ochrona budowlana.
Ochrona budowlana turbiny wiatrowej ma za zadanie utrzymanie drog ewakuacyjnych w stanie uzytecznosci w przypadku wystqpienia pozaru, zmniejszenie obszaru rozprzestrzeniania si? pozaru poprzez zastosowanie niepalnych materialow oraz zapobieganiu jego wystqpieniu poprzez odpowiednie rozwiqzania konstrukcyjne np. zastosowanie oslon.
• Ochrona odgromowa i przeciwprzepigciowa.
Turbina wiatrowa powinna byc wyposazona w odpowiednie srodki ochrony odgromowej oraz przeciwprzepi?ciowej, dopasowane do danego jej typu. W celu zaprojektowania systemu ochrony odgromowej turbiny wiatrowej nalezy dokonac oceny ryzyka lub przyjqc najwyzszy jego poziom zgodnie z normq IEC 62305 (poziom ochrony odgromowej I). Podczas oceny ryzyka, nalezy wziqc pod uwag? wszystkie mozliwe drogi pioruna, poczynajqc od lopat wirnika poprzez piast? wirnika, gondol?, wiez? az do fundamentow wiatraka. Odpowiedni poziom ryzyka powinien takze byc zakladany podczas projektowania elementow sluzqcych do ochrony odgromowej elektrowni wiatrowych (nie mniejszy jednak niz poziom II wg IEC 62305).Obszary ochrony mogq byc zidentyfikowane przy zastosowaniu metod pomocniczych np.: metody „toczqcej si? kuli” (ang. rolling sphere method).
• Minimalizowanie ryzyka systemow elektrycznych.
Ochrona systemow elektrycznych ma na celu identyfikacj? wad pojawiajqcych si? w czasie eksploatacji turbiny wiatrowej oraz wylqczenia z pracy poszczegolnych jej elementow np. transformatorow, prqdownic, podczas wystqpienia zagrozen w ich dzialaniu. Ochrona ta dotyczy zarowno systemu elektrowni wiatrowej (parku) projektowanego przez dewelopera, jak rowniez elementow turbiny wiatrowej (podzespolow), ktore sq projektowane przez projektanta wedlug wytycznych dewelopera. System bezpieczenstwa powinien zapewniac natychmiastowe oraz kontrolowane wylqczenie poszczegolnych elementow turbiny. Powinien on takze umozliwic przeslanie sygnalu o awarii do stanowiska stale nadzorowanego przez czlowieka.
• Minimalizowanie ilosci materialow palnych.
Materialy uzyte do budowy elektrowni wiatrowych powinny byc materialami niepalnymi, w miar? mozliwosci o komorkach zamkni?tych z latwo zmywalnq powierzchniq. Nalezy unikac uzywania materialow takich, jak tworzywa piankowe, polistyren, tworzywa sztuczne wzmacniane wloknami szklanymi. Uzyte materialy powinny miec klas? palnosci B1 wg DIN 4102 (klasa C-B wg PN-EN 13501-1), w przypadku, gdy nie mozna ich zastqpic materialami niepalnymi.
Kable oraz przewody uzyte w budowie elektrowni powinny charakteryzowac si? nast?pujqcymi cechami:
• nie powinny podtrzymywac rozprzestrzeniania si? pozaru,
• nie powinny wydzielac duzych ilosci dymu oraz powinny powodowac minimalne ilosci zanieczyszczen w pomieszczeniu w przypadku pozaru.
Oleje hydrauliczne oraz smary powinny byc wybrane sposrod materialow niepalnych lub posiadac wysoki punkt zaplonu, ktory znacznie przewyzsza temperatur? mogqcq powstac w systemach, w ktorych sq uzywane.
Podczas pracy z plynami powinna byc mozliwosc ich natychmiastowego zbierania np. poprzez odpowiednio rozmieszczone tace lub przy uzyciu niepalnych materialow wiqzqcych oleje. Jakikolwiek wyciek powinien byc natychmiast neutralizowany.
• Unikanie potencjalnych zrode! zaplonu.
Zrodlami zaplonu mogq byc m.in.:
• prqdy piorunowe,
• iskry oraz wysoka temperatura pojawiajqca si? w czasie pracy hamulca mechanicznego,
• zwarcia, luki elektryczne oraz rezonanse w obwodach elektrycznych,
• gorqce powierzchnie (np. hamulce, lozyska),
• samozaplon materialu np. brudne scierki do czyszczenia pozostawione przez ekipy serwisowe.
Wszystkie materialy oraz zrodla potencjalnego zaplonu powinny byc odizolowane od reszty elementow turbiny. Mozna to uzyskac poprzez zastosowanie np. niepalnych oslon.
• Prace zwiqzane z ryzykiem powstania pozaru.
Nalezy unikac wszystkich prac serwisowych zwiqzanych z ryzykiem powstania pozaru. Jezeli nie jest to mozliwe, tzw. metody zimne (ci?cie, przykr?canie, klejenie) powinny byc stosowane. Jezeli nie ma mozliwosci zastosowania metod zimnych podczas prac serwisowych, powinny zostac podj?te odpowiednie srodki ograniczajqce mozliwosc powstania oraz rozprzestrzeniania si? pozaru.
Powinny zostac opracowane instrukcje dotyczqce przeprowadzania prac serwisowych, uwzgl?dniajqce potencjalne ryzyka powstania pozaru.
Ochrona techniczna.
• Warunki atmosferyczne.
Jednym z glownych czynnikow wplywajqcych na dzialanie systemow ochrony przeciwpozarowej turbin wiatrowych sq warunki atmosferyczne.
Szczegolnie wazne sq:
• dzialanie atmosfery slonej,
• znaczne zmiany temperatury w czasie dnia oraz nocy,
• drgania,
• przeplyw powietrza w gondoli,
• wilgotnosc powietrza.
Wszystkie powyzsze czynniki, majqce wplyw na efektywnosc oraz niezawodnosc systemow przeciwpozarowych, powinny byc brane pod uwag? juz podczas procesu projektowania turbiny wiatrowej.
• Systemy wykrywania pozaru.
System detekcji pozaru w turbinach wiatrowych ma za zadanie spelnic nast?pujqce funkcje:
• informowanie jednostki sterujqcej o wystqpieniu zagrozenia wraz z powiadamianiem do miejsca stale nadzorowanego przez czlowieka,
• uruchomienie systemu gasniczego,
• odlqczenie turbiny wiatrowej od sieci energetycznej.
Urzqdzenia wykrywajqce pozar powinny zapewniac latwosc ich obslugi (biorqc pod uwag? ograniczonq przestrzen w gondoli turbiny).
Wyroznia si? systemy monitorujqce pomieszczenia oraz systemy monitorujqce instalacje.
• Monitorowanie przestrzeni.
Gondola oraz cz?sci wiezy, ktore zawierajq instalacje do wytwarzania energii elektrycznej, jak rowniez zewn?trzny transformator oraz elektryczna podstacja powinny byc monitorowane przez automatyczny system wykrywania pozaru.
Przestrzenie podpodlogowe oraz puste przestrzenie mi?dzy stropami i sufitem podwieszanym, jak rowniez przestrzenie o duzym obciqzeniu ogniowym np. przewody energetyczne powinny byc takze poddane monitoringowi.
Systemy detekcyjne powinny byc dobierane z uwzgl?dnieniem ich zastosowania w obr?bie turbiny wiatrowej. Pod uwag? powinny byc brane nie tylko warunki srodowiskowe, lecz rowniez specyfika pozaru, ktory moze powstac w danym obszarze turbiny.
• Monitorowanie instalacji.
Urzqdzenia, ktore w czasie pracy sq zamkni?te, zachodzi w nich wymuszony obieg powietrza lub wyst?puje wysoka wymiana powietrza np.: rozdzielnice oraz falowniki, wymagajq oprocz monitorowania przestrzeni, w ktorych si? znajdujq takze monitorowania instalacji. Dobor odpowiednich elementow systemow detekcji pozaru w takim przypadku powinien odbywac si? po przeanalizowaniu warunkow pracy dla kazdej turbiny osobno oraz po konsultacjach z producentem systemu detekcji.
Transformatory zawierajqce olej mineralny powinny byc chronione przy pomocy np. przekaznika Buchholza jako srodka dodatkowego do urzqdzen monitorujqcych temperatur? transformatora oraz przestrzen, w ktorej transformator si? znajduje.
Jak przestawiono w tablicy 2, najwi?kszy obszar zastosowania jako czujki monitorujqce pomieszczenia lub instalacje, majq zasysajqce czujki dymu. Zaletq takich urzqdzen jest ich wysoka czulosc pozwalajqca na wykrycie pozaru w jego wczesnym stadium i przez to ograniczajqce straty nim spowodowane. Czynnikiem ograniczajqcym zastosowanie takich czujek sq zanieczyszczenia pojawiajqce si? w gondoli turbiny, mogqce wplywac na wywolanie falszywych alarmow oraz uszkodzenie czujki. W przypadku wykrycia takiego zdarzenia konieczna b?dzie podroz osob zajmujqcych si? serwisem do cz?sto odleglych lokacji turbin w celu naprawy lub sprawdzenia falszywych sygnalow generowanych przez czujki. Konieczne moze byc takze usuni?cie skutkow uruchomienia systemu gasniczego spowodowanego odebraniem falszywego sygnalu o pozarze. Nalezy wi?c zwrocic szczegolnq
uwag? na odpowiedniq instalacje takich czujek minimalizujqcq wyst?powanie powyzszych niedogodnosci.
Tabela 2.
Przyklad doboru czujek do pomieszczen monitorujqcych oraz instalacji [9]
Table 2.
Information on the selection of fire detectors for monitoring rooms
and installations [9]
Rodzaj czujki Pomieszczenie/ instalacja Czujka dymu Czujka ciepla (z indeksem R zgodna z EN 54-5) Czujka plomienia Czujka dymu wielodetektorowa
Punktowa Wielopunktowa Liniowa Punktowa Liniowa IR UV Dymu oraz ciepla Dymu oraz CO
Swiatlo rozproszone Zasysaj^ce Wi^zka swiatla przechodz^cego
Gondola wraz z transformatorem, zwieraj^ca piast? oraz podniesione podlogi - + - - - - - - -
Centrala podstacja elektryczna, pomieszczenie przel^cznikow (switch cabinet) + + + + + - - + +
Podstawa wiezy/platforma wraz z istniej^cymi instalacjami (jezeli ma zastosowanie) - + - + - - - - -
Pomieszczenie przekladni + + - - - - - + -
System hydrauliczny - + - + - - - - -
Transformator - + - Przekaznik Buchholza - - - -
Interesujqcym rozwiqzaniem sq takze systemy, ktorych zadzialanie nast^puje w przypadku przerwania ciqglosci przewodu elastycznego. Urzqdzenia takie nie wymagajq zrodla zasilania zewn^trznego oraz pracujq zarowno jako czujniki pozaru jak i urzqdzenia gasnicze. Wyplyw srodka gasniczego nast^puje w miejscu przerwania ciqglosci przewodu, ktory dziala takze jako czujka pozarowa. Urzqdzenia takie dzialajq bez zewn^trznego zrodla zasilania, co dodatkowo zwi^ksza ich niezawodnosc.
Stale urzqdzenia gasnicze stosowane w turbinach wiatrowych.
W celu skutecznej ochrony przeciwpozarowej turbin wiatrowych, wraz z systemem sygnalizacji pozarowej powinien byc takze zainstalowany automatyczny system gasniczy. Ze wzgl^du na znaczne odleglosci od posterunkow nadzorowanych przez czlowieka, jak rowniez trudnosci z dotarciem do miejsca pozaru (gondoli) jednostek strazy pozarnej po przybyciu na miejsce, ugaszenie rozwijajqcego si? pozaru moze nastqpic wylqcznie w wyniku dzialania stalego urzqdzenia gasniczego.
W ponizszej tablicy przedstawiono przyklad zastosowania typowych systemow gasniczych w aplikacjach turbiny wiatrowej.
Tabela 3.
Przykladowe zastosowanie systemow gasniczych do ochrony przestrzeni
oraz instalacji [9]
Table 3.
Information on the selection of fire extinguishing systems for room and installation protection [9]
Urzqdzenie gasnicze (srodek gasniczy) Urzqdzenia gasnicze gazowe Urzqdzenia gasnicze wodne Inne urzqdzenia gasnicze
CO2 (wysokocisnieniowy) Gazy oboj?tne Tryskaczowe Zraszaczowe Mgla wodna Piana Proszek Aerozole
Ochrona pomieszczen
Gondola wraz z generatorem, transformatorem, + + + + + - - -
systemem hydraulicznym, przekladni^, hamulcem, nap^dem azymutu
Piasta wraz z nap^dem nastawienia k^ta lopat oraz generatorem (jesli ma zastosowanie) + + + + + - - -
Podlogi podniesione wraz z misk^. olejow^, przewodami oraz instalacjami elektrycznymi + - + + + + - -
Centrala podstacja elektryczna, pomieszczenie przekladni (bez transformatora) + + - - + - - -
Podstawa wiezy wraz z istniej^cymi instalacjami (jezeli ma zastosowanie) + + + + + - - -
Ochrona instalacji
Pomieszczenie sterownicze, falownik, rozdzielnica (LV/MV), pomieszczenie zamkni^te + + - - + - - -
Transformator + - - + + - - -
Pomieszczenie sterownicze, falownika, rozdzielnica (LV/MV), pomieszczenie otwarte + - - - + - - -
System hydrauliczny, otwarty + - + + + + - -
W przypadku stosowania stalych urzqdzen gasniczych, nalezy wziqc pod uwag? nast?pujqce czynniki:
• efektywnosc akcji gasniczej;
• wymagane st?zenie gazu gasniczego lub odpowiednia ilosc wody;
• czas utrzymania st?zenia gazu gasniczego;
• czas dzialania wodnego srodka gasniczego;
• odciqzenia/przepuszczalnosc pomieszczenia;
• skladowanie srodka gasniczego (biorqc pod uwag? jego obj?tosc, wag? itp.);
• miejsce zajmowane przez instalacj? gasniczq w gondoli turbiny;
• montaz instalacji;
• serwis;
• niezawodnosc;
• koszt.
Powyzsze czynniki, nalezy brac pod uwag? wybierajqc oraz projektujqc stalq instalacj? gasniczq z systemem sygnalizacji pozarowej.
Wady oraz zalety SUG przy zastosowaniu w turbinach wiatrowych
Ponizej przedstawiono krotkq charakterystyk? stalych urzqdzen gasniczych z uwzgl?dnieniem ich zastosowania w turbinach wiatrowych.
• Stale urzqdzenia gasnicze gazowe.
W ich sklad, w zaleznosci od stopnia rozbudowania, wchodzq butle ze srodkiem gasniczym (gazem w postaci skroplonej lub lotnej), uklady rurociqgow, zawory kierunkowe, zawory zwrotne, wyzwalacze pneumatyczne lub elektromagnetyczne, dysze.
Urzqdzenia te mogq byc stosowane zarowno do gaszenie miejscowego, jak rowniez przez calkowite wypelnienie. W przypadku systemow gasniczych gazowych dla ktorych akcja gasnicza odbywa si? poprzez wypelnienie calej obj?tosci przestrzeni gaszonej, szczegolnym problemem moze byc takze okreslenie integralnosci pomieszczenia (tzw. „door fan test”).
Ze wzgl?du na stopien skomplikowania podzespolow uzywanych do budowy SUG gazowych (zawory, wyzwalacze), nalezy zwrocic szczegolnq uwag? na ich przydatnosc przy zastosowaniu w specyficznym srodowisku pracy wyst?pujqcym w gondoli turbiny.
• Stale urzqdzenia gasnicze wodne.
W przypadku SUG wodnych medium gasniczym jest woda, ktora podawana zostaje z zbiornikow lub sieci wodociqgowej. W przypadku zastosowaniu SUG wodnych w elektrowniach wiatrowych szczegolnq uwag?, nalezy zwrocic na sposob dostarczenia wody do przestrzeni gaszenia. Ze wzgl?du na znacznq wysokosc gondoli przy pobieraniu wody z sieci wodociqgowej, nalezy stosowac pompy dostarczajqce wod? do gondoli, co zwi?ksza koszt realizacji inwestycji.
Odmienne rozwiqzanie stosowane jest w stalych urzqdzeniach gasniczych mglowych. W tych urzqdzeniach medium gasniczym jest woda rozproszona do stanu mgly. Podawana jest ona pod wysokim lub niskim cisnieniem na dysz? ktora rozprasza jej strumien. Wg normy NFPA 750 za mgl? wodnq uznaje si? strumien wody, gdzie srednice kropel w 99% jej masy sq mniejsze od 1 mm. Specyfikacja techniczna CEN/TS 14972 naklada mniejsze wymagania: 90% calkowitej masy kropel mniejsza od 1mm.
Charakterystyka gasnicza mgly wodnej, ze wzgl?du na rodzaj jej rozdrobienia jest podobna bardziej do SUG gazowych niz do SUG tryskaczowych. Akcja gasnicza polega glownie na wypieraniu tlenu ze strefy gasniczej (podobnie, jak w SUG gazowych) oraz na szybkim schladzaniu palqcego si? materialu.
Nalezy pami?tac, ze SUG mglowe powinny byc wczesniej przebadane w skali naturalnej pod wzgl?dem skutecznosci gaszenia oraz niezawodnosci dzialania. Szczegolna uwaga powinna byc zwrocona na kwestie stosowania powyzszych urzqdzen w temperaturach ujemnych (problem zamarzania wody w czasie zimy).
• Stale urzqdzenia gasnicze pianowe.
Stale urzqdzenia gasnicze pianowe dzialajq na zasadzie dostarczania roztworu srodka pianotworczego do strumienia wody, a nast?pnie wyladowanie tego srodka przez odpowiednio uksztaltowanq dysz?, co powoduje generowanie piany gasniczej. Piana gasnicza powoduje efekt chlodzenia pozaru oraz zabezpiecza materialy palne znajdujqce si? w poblizu pozaru przed nagrzewaniem przez promieniowanie cieplne pozaru.
W zaleznosci od liczby spienienia rozrozniamy piany: lekkie, srednie oraz ci?zkie.
Urzqdzenia te nadajq si? do gaszenia cieczy palnych (piana ci?zka), wypelniania przestrzeni zamkni?tych (piany srednie oraz piany lekkie)
Piany gasnicze (podobnie jak urzqdzenia gasnicze wodne), ze wzgl?du na przewodnosc elektrycznq, nie powinny byc stosowane w urzqdzeniach, w ktorych istnieje ladunek elektryczny, nawet gdy nie sq one podlqczone bezposrednio do napi?cia np. kondensatorow o wysokich pojemnosciach.
Zwi?kszenie szybkosci generowania piany gasniczej, a co za tym idzie takze gaszenia pozaru moze zostac osiqgni?te poprzez dodanie spr?zonego powietrza do roztworu pianotworczego.
• Urzqdzenia gasnicze proszkowe.
Ze wzgl?du na skutki jakie moze spowodowac zastosowanie proszkow gasniczych, szczegolnie w stosunku do elektroniki, nie jest zalecane stosowanie tego typu urzqdzen do gaszenia turbin wiatrowych [9].
• Urzqdzenia gasnicze aerozolowe.
Ze wzgl?du na brak dokladnych danych dotyczqcych niezawodnosci oraz skutecznosci gasniczej jak rowniez skutkow gaszenia generatorami aerozolu gasniczego ich stosowanie nie jest zalecane [9].
Ze wzgl?du na specyficzne warunki pracy stalych urzqdzen gasniczych w turbinach wiatrowych, firmy zajmujqce si? ochronq przeciwpozarowq opracowujq wlasne wytyczne dotyczqce badan tych urzqdzen. Pod uwag? powinny byc brane warunki nie wyst?pujqce w powszechnych miejscach zastosowania SUG, np.: wibracje, wysokie zapylenie, duze roznice temperatur wyst?pujqce w czasie eksploatacji turbin, znaczna wilgotnosc (nawet powyzej 95%). Rowniez projektowanie SUG powinno brac pod uwag? specyfikacj? turbin np. nieszczelnosci, nasycenie materialami dla ktorych, nalezy stosowac rozne metody gaszenia.
Powyzsze czynniki mogq spowodowac wzrost wspolczynnika bezpieczenstwa uzywanego przy projektowaniu st?zenia gasniczego dla instalacji gazowych do poziomu nie okreslonego przez zaden standard projektowania.
Certyfikacja systemow ochrony przeciwpozarowej uzywanych w turbinach wiatrowych
Zaprojektowany oraz zamontowany system ochrony przeciwpozarowej turbiny wiatrowej powinien zostac zaaprobowany (certyfikowany) przez tzw. stron? trzeciq. Proces certyfikacji zapewnia, ze instalacja zostala zaprojektowana zgodnie z wymaganiami odpowiednich dokumentow odniesienia, a jej montaz jest zgodny z dokumentacjq projektowq oraz regulami sztuki inzynierskiej.
Proponowany schemat procesu certyfikacji systemow ochrony przeciwpozarowej przedstawiono na rycinie 3.
Certyfikowane Certyfikowane Przeszkoleni
podzespoty/ systemy/ instalatorzy
certyfikacja dopuszczenie systemu
Ocena stopnia Test systemu Montaz systemu
ochrony turbiny gasniczego ppoz. w turbinie
Dopuszczenie systemu ochrony przeciwpozarowej
Ryc. з Schemat certyfikacji systemu ochrony przeciwpozarowej [7]
Fig. 3 Structure of the certification of the fire protection system [7]
Proces certyfikacji systemow ochrony ppoz. stosowanych w turbinach wiatrowych sklada si? z nast?pujqcych elementow:
• Certyfikowanych podzespolow.
Podzespoly uzywane w systemach ppoz. turbin wiatrowych powinny byc dopuszczone (certyfikowane) przez stron? trzeciq, tj. instytucje certyfikujqce.
• Certyfikowanych systemow.
Systemy ppoz., skladajqce si? z certyfikowanych podzespolow/elementow powinny zostac dopuszczone do zastosowania w turbinach wiatrowych z wyszczegolnieniem ich aplikacji np. stale urzqdzenie gasnicze gazowe do zastosowania w pomieszczeniach sterowania. Systemy gasnicze dopuszczone do zastosowania w innych obiektach np. muzeach, serwerowniach, mogq nie spelnic warunkow niezawodnosci dzialania oraz skutecznosci gasniczej przy zastosowaniu dla turbin wiatrowych.
Wraz z systemem ppoz. producent powinien dostarczyc wytyczne projektowania, montazu, obslugi oraz serwisowania instalacji.
• Przeszkolonych instalatorow.
Instalatorem jest firma swiadczqca nast?pujqce uslugi w nawiqzaniu do ochrony ppoz. turbin wiatrowych:
o Projektowanie instalacji;
o Montaz;
o Przekazanie uzytkownikowi wraz z odpowiednimi szkoleniami;
o Serwisowanie instalacji.
• Oceny stopnia ochrony ppoz. turbiny.
Instalatorzy sytemu oraz system ochrony ppoz. turbiny powinni byc oceniani przez stron? trzeciq pod wzgl?dem mozliwosci spelnienia przez nich wymagan ustanowionych przez producenta elektrowni wiatrowej. Weryfikacja ta powinna uwzgl?dniac takze wplyw instalacji na turbin? wiatrowq.
• Montazu systemu ppoz. w turbinie
Systemy ochrony ppoz., zarowno budowlanej, jak rowniez technicznej, powinny byc tak zamontowane w turbinie wiatrowej, aby ograniczenia dla systemu gasniczego narzucone przez producenta byly przestrzegane, cele ochrony osiqgni?te oraz systemy te nie wplywaly negatywnie na konstrukcj? oraz dzialanie turbiny wiatrowej.
• Testu systemu gasniczego
Pierwsza instalacja systemu danego typu powinna zostac przetestowana w warunkach rzeczywistych przy udziale przedstawicieli strony trzeciej. Celem testu jest sprawdzenie wspoldzialania systemu z turbinq wiatrowq, funkcjonalnosci systemu, jak rowniez porownanie systemu zamontowanego w turbinie z dokumentacjq dostarczonq przez producenta.
• Certyfikacji systemu ochrony ppoz.
Przed przystqpieniem do procesu certyfikacji systemu ochrony ppoz., okreslone powinny zostac nast?pujqce obszary: o Cele ochrony; o Ogolny projekt ochrony;
o Srodki ochrony (strukturalnej oraz technicznej).
Certyfikacja ta obejmuje zarowno srodki zapobiegawcze, jak rowniez wykrywanie pozaru oraz jego gaszenie. Tlumienie pozaru, ze wzgl?du na dlugi czas dotarcia jednostek ratowniczych nie moze byc skutecznym srodkiem uzywanym w projekcie ochrony ppoz. Certyfikat jest wydawany tylko dla danego typu turbiny wiatrowej (dotyczy to rowniez wysokosci wiezy oraz srednicy lopat wirnika). W przypadku zmiany aranzacji urzqdzen wewnqtrz gondoli konieczne jest przeprowadzenie ponownego procesu certyfikacji.
Oprocz procesu certyfikacji kolejnym elementem wplywajqcym na niezawodnosc urzqdzen gasniczych jest ich prawidlowy serwis z nadzorem nad funkcjonowaniem urzqdzen. Przeglqdy instalacji powinny odbywac si? w okresach przewidzianych przez producenta systemu gasniczego. Przeglqdy te, ze wzgl?du na prace wysokosciowe, powinny byc dokonywane przez specjalnie przeszkolony do tego celu personel.
Zasadne zdaje si? takze przeszkolenie jednostek strazy pozarnej rozlokowanych w poblizu istniejqcych parkow wiatrowych, w celu wlasciwego podejmowania dzialan w razie wystqpienia pozaru turbiny. Jednostki te powinny byc swiadome zagrozen wynikajqcych z pozaru gondoli turbiny oraz powinny byc przygotowane to odpowiedniej ochrony terenow przylegajqcych.
Podsumowanie
Pomimo znacznego rozwoju energetyki wiatrowej, ochrona przeciwpozarowa obiektow z niq zwiqzanych, w szczegolnosci turbin wiatrowych, nie byla rozwijana
rownolegle. Seria pozarow, ktore wystqpily w ostatnich latach zmusza ubezpieczycieli oraz producentow turbin wiatrowych do przyjrzenia si? problemom wynikajqcym z wymagan ochrony przeciwpozarowej. Prace instytucji zajmujqcych si? badaniem oraz certyfikacjq systemow przeciwpozarowych spowodowaly wzrost jakosci urzqdzen, jednak wraz ze wzrostem mocy pojedynczych elektrowni wiatrowych, jak rowniez coraz wi?kszym rozwojem parkow wiatrowych typu „offshore” koszty powodowane przez pojedyncze pozary stale rosnq.
Systemy ochrony ppoz., ze wzgl?du na ich wysokie koszty nie sq obecnie powszechnie stosowanym rozwiqzaniem w turbinach wiatrowych. Zachodzenie firmy ubezpieczajqce oferujq jednak znizki w kwocie ubezpieczenia, co skutkuje zwroceniem si? takiej inwestycji po okresie okolo 5 lat. Biorqc pod uwag? sredni czas uzytkowania elektrowni jako 20 lat, inwestycja ta jest oplacalna. Bez uzyskania takich znizek, zalezy od ubezpieczycieli inwestycja w systemy ochrony przeciwpozarowej jest malo atrakcyjna dla uzytkownika [8]. Rowniez w Polsce dynamiczny rozwoj energetyki wiatrowej wymusi koniecznosc stosowania w elektrowniach automatycznych ukladow wykrywania oraz gaszenia pozarow.
Literatura.
1. Dyrektywa parlamentu europejskiego i rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze zrodel odnawialnych zmieniajqca i w nast^pstwie uchylajqca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE];
2. www.ure.gov.pl;
3. www.energy.siemens.com;
4. Intelligent fire detection in wind power plants manual Pelazas, S+S report international 2/2010;
5. www.caithnesswindfarms.co.uk;
6. BWE Market Survey 2006, German Wind Energy Association;
7. GL Wind Technical Note Certification of Fire Protection Systems for Wind Turbines, Certification Procedures, Revision 2, Edition 2009;
8. Ujikawa H., Preventing fires in wind turbines, Munich RE Schadenspiegel 1/2011;
9. VdS guideline no. 3523 :2008-07: Wind turbines. Fire protection guideline;
10. CFPA Europe guideline no. 22:2010 F: Wind turbines fire protection guideline.
mgr inz. Mariusz Cieslak w 2010 r. ukonczyl studia na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. Obecnie pracuje w Centrum Naukowo - Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej - PIB w Jednostce Certyfikujqcej.
Recenzenci
bryg. dr inz. Waldemar Wn^k ml. bryg. mgr inz. Jacek Zboina
