«مهندسی حریق در نیروگاه‌های تجدید پذیر» عنوان مقاله جویشگر همکیش فرهاد اردشیری مبارکه است که در ماهنامه مهندسی حفاظت از حریق تیرماه 1405 منتشرشده است.
در پایین متن این نوشته که در اختیار تارنمای دادار 101 قرارگرفته است را می‌خوانیم:
نیروگاه‌های تجدید پذیر، باوجود مزایـای زیست‌محیطی، بـا سـناریوهای پیچیـده حریـق (از فـرار حرارتـی باتری‌ها تـا قـوس الکتریکـی در سیستم‌های فتوولتائیـک) روبـرو هسـتند کـه مدیریـت آن‌ها نیازمنـد دانـش فراتـر از روش‌های سـنتی اسـت.
ایـن نوشـتار بـا بررسـی دقیـق ایـن تهدیـدات، از مرحلـه طراحـی مفهومـی تـا واکنـش اضطـراری، راهکارهـای مهندسی‌شده و پایـش هوشـمند را بـرای تضمیـن ایمنـی و تاب‌آوری ایـن زیرساخت‌های حیاتـی ارائـه می‌دهد.
توســعه ســریع نیروگاه‌های تجدید پذیر، ازجمله سامانه‌های فتوولتائیــک، توربین‌های بــادی، ذخیره‌سازهای باتــری، سامانه‌های هیدروژنــی، تأسیســات بیــوگاز و نیروگاه‌های هیبریــدی، الگوهــای جدیـدی از خطـرات حریـق و انفجـار ایجـاد کـرده اسـت. ایـن خطـرات بـه دلیــل ماهیــت الکتریکــی، شــیمیایی، مکانیکــی و فراینــدی تجهیــزات، بــا رویکردهــای ســنتی ایمنــی حریــق به‌طور کامــل کنتــرل نمی‌شوند.
در سامانه‌های خورشــیدی، قــوس الکتریکــی DC، نقــاط داغ، خرابــی اینورتــر و ترانســفورماتور از ســناریوهای شــاخص هســتند. در توربین‌های بــادی، تمرکــز تجهیــزات الکتریکــی و مکانیکــی در ناســل، وجــود روغن‌های روان کار، صاعقــه و محدودیــت دسترســی، کنتــرل حادثــه را دشــوار می‌کند. در ذخیره‌سازهای باتــری، فــرار حرارتــی، آزادســازی گازهــای قابــل اشــتعال، گســترش ســلول بــه ســلول و شعله‌وری مجـدد، چالـش اصلـی اسـت. در سامانه‌های هیدروژنـی و بیـوگاز، نشـت گاز، تشـکیل اتمسـفر قابل‌انفجار، سـمیت، خوردگـی و Backfire اهمیــت دارد.
ایــن مقالــه بــا رویکــردی سناریو محور، اصــول طراحــی ایمــن، الزامــات اسـتاندارد، پایـش هوشـمند، ایزولاسیون، اطفـا، بهره‌برداری، نگهداری و واکنـش اضطـراری را بـرای نیروگاه‌های تجدید پذیر بررسـی می‌کند.
پیــام اصلــی آن اســت کــه ایمنــی حریــق بایــد از مرحلــه مکان‌یابی و طراحـی مفهومـی تـا بهره‌برداری، آمـوزش، مانـور اضطـراری و بازنگـری پـس از حادثـه، به‌صورت یکپارچـه و چندلایه مدیریـت شـود.
گــذار انــرژی و توســعه نیروگاه‌های تجدید پذیر، نقــش مهمــی در کاهش انتشـار آلاینده‌ها و افزایـش تاب‌آوری شـبکه بـرق دارد. بااین‌حال، ورود فناوری‌هایی ماننـد سامانه‌های فتوولتائیـک، توربین‌های بــادی، ذخیره‌سازهای انــرژی، هیــدروژن ســبز، بیــوگاز و سامانه‌های هیبریــدی، ترکیــب تازه‌ای از خطــرات حریــق و انفجــار را وارد صنعــت انـرژی کـرده اسـت.
در سامانه‌های فتوولتائیـک، مدارهـای DC حتـی پـس از قطـع بخـش AC ممکـن اسـت همچنـان برقرار باقـی بماننـد. در نیروگاه‌های بـادی، بخــش عمــده تجهیــزات پرخطــر در ارتفــاع و داخــل ناســل قــرار دارد.
در ذخیره‌سازهای باتــری، انــرژی شــیمیایی ذخیره‌شده می‌تواند در شــرایط خرابــی بــه فــرار حرارتــی و حریــق شــدید منجــر شــود. در سامانه‌های هیدروژنــی و بیــوگاز نیــز نشــت گاز و تشــکیل اتمســفر قابــل اشــتعال یــا انفجــار، چالــش اصلــی اســت.
ازاین‌رو، مدیریــت ایمنــی حریــق در نیروگاه‌های تجدید پذیر بایــد بــر پایــه شــناخت ســناریوهای واقعــی، طراحــی پیشــگیرانه، پایــش زودهنـگام، ایزولاسیون سـریع، اطفـای متناسـب بـا فنـاوری و واکنـش اضطــراری سناریو محور انجــام شــود.
سناریوهای شاخص حریق در نیروگاه‌های تجدید پذیر
در نیروگاه‌های تجدید پذیر، سـناریوی حریـق بـه نـوع فنـاوری وابسـته اسـت و نمی‌توان یـک نسـخه واحـد بـرای همـه سامانه‌ها ارائـه کـرد. در سامانه‌های فتوولتائیــک، قــوس الکتریکــی DC، اتصــال نامناســب کانکتورهــا، آســیب کابل‌ها، نفــوذ رطوبــت، نقــاط داغ ناشــی از ســایه یـا آلودگـی و خرابـی اینورترهـا و ترانسـفورماتورها از مهم‌ترین عوامـل شــروع حریــق هســتند. ویژگــی مهــم ایــن سامانه‌ها، تــداوم خطــر برقراری DC در روز و پیچیدگــی ایمن‌سازی کامــل هنــگام عملیــات اضطــراری اســت.
در نیروگاه‌های بــادی، حریــق معمولاً در ناســل و به دلیل خرابــی تجهیــزات الکتریکــی، افزایــش دمــای یاتاقــان یــا گیربکــس، نشــت روغــن، خطــای سیســتم ترمــز، یــا صاعقــه آغــاز می‌شود. محدودیــت دسترســی بــه ارتفــاع، وزش بــاد و احتمــال ســقوط قطعــات مشــتعل، مدیریــت حادثــه را دشــوارتر می‌کند.
در سامانه‌های ذخیره‌ساز باتــری، مهم‌ترین ســناریو، فــرار حرارتــی در سلول‌های لیتیوم یونــی اســت. ایــن فراینــد می‌تواند در اثــر اضافه شــارژ، اتصــال کوتــاه داخلــی، آســیب مکانیکــی، خرابــی ســامانه مدیریـت باتـری یـا نقـص خنک کاری آغـاز شـود. پس‌ازآن، آزادسـازی گازهــای قابــل اشــتعال، افزایــش فشــار، انفجــار، گســترش حریــق بــه ماژول‌های مجــاور و شعله‌وری مجــدد ممکــن اســت رخ دهــد.
در سامانه‌های هیدروژنـی، نشـت از اتصالت، شـیرها، کمپرسـورها یـا مخـازن فشـار می‌تواند منجـر بـه Fire Flash، Fire Jet یـا انفجـار در فضـای محصـور شـود. هیـدروژن دامنـه اشـتعال وسـیع، انـرژی اشـتعال بســیار پاییــن و شــعله کمدیــد دارد؛ بنابرایــن کشــف ســریع نشــت و ایزولاسیون منبـع، حیاتـی اسـت.
در تأسیســات بیــوگاز، متــان و ســولفید هیــدروژن، دو عامــل اصلــی ریســک هســتند. تجمــع متــان در فضاهــای بســته می‌تواند اتمســفر انفجــاری ایجــاد کنــد و H₂S عـلاوه بــر ســمیت، موجــب خوردگــی تجهیـزات و افزایـش احتمـال نشـتی می‌شود. Backfire در مشعل‌ها یــا موتورهــای گازســوز نیــز یکــی از ســناریوهای مهــم اســت.
در نیروگاه‌های هیبریـدی، خطـر اصلـی فقـط مجمـوع ریسک‌های هـر فنـاوری نیسـت، بلکـه برهمکنـش میـان زیرسامانه‌ها اسـت. بـرای مثـال، حریـق در تابلـو بـرق می‌تواند تهویـه BESS را مختـل کنـد، یـا حریـق پوشـش گیاهـی می‌تواند بـه کانتینـر باتـری، ترانسـفورماتور یا مخـزن هیـدروژن گسـترش یابـد. بنابرایـن تحلیـل سـناریوهای آبشـاری در ایـن سـایت‌ها ضـروری اسـت.
اصول طراحی ایمن و کنترل‌های پیشگیرانه
راهبــرد مؤثــر در مهندســی حریــق، «دفــاع در عمــق» اســت؛ یعنــی ریسـک نبایـد بـه یـک تجهیـز یـا یـک روش اطفـا وابسـته باشـد. طراحـی ایمـن بایـد هـم احتمـال وقـوع حادثـه را کاهـش دهـد و هـم در صـورت وقــوع، پیامــد آن را محــدود کنــد. در مرحلــه مکان‌یابی و جانمایــی، فاصلــه مناســب میــان تجهیــزات پرخطــر ماننــد ترانســفورماتورها، اینورترهــا، کانتینرهــای باتــری، مخــازن هیــدروژن، واحدهــای بیــوگاز و ســاختمان کنتــرل بایــد لحــاظ شــود. مســیر دسترســی خودروهــای آتش‌نشانی، منابــع آب، جهــت بــاد غالــب، ریســک صاعقــه، سیلاب، پوشـش گیاهـی و مجـاورت بـا مناطـق حسـاس نیـز بایـد بررسـی شـود.
در بخـش حفاظـت الکتریکـی، اسـتفاده از کابـل و کانکتـور اسـتاندارد، حفاظـت اضافه جریان، اتصـال زمیـن، تشـخیص قوس DC، جداسـازی مناسـب مدارهـا، مدیریـت کابـل، برچسب‌گذاری نقـاط قطـع و کنتـرل خطــر Flash Arc اهمیــت دارد. در سامانه‌های PV، کیفیــت نصــب و کاهـش خطاهـای اتصـال نقـش ویـژه‌ای در کاهـش قـوس DC دارد.
در BESS، طراحی حرارتی، تهویه، فاصله‌گذاری واحدها، انتخاب سـامانه باتـری معتبـر، پایـش وضعیـت سلول‌ها، Interlock هـای ایمنـی، تخلیـه فشـار و محدودسـازی Propagation اهمیت اساسـی دارد.
در سامانه‌های هیدروژنی و بیوگاز، باید طراحی ضد نشت، تهـویه مؤثر، آشکارسـازی گـــاز، طبقه‌بندی منـاطـق خطــرناک، تجهیـــزات ضد جرقه، Relief، Grounding/bonding و کنترل خوردگی در طراحی لحاظ شود.
پایش هوشمند، آشکارسازی و هشدار زودهنگام
یکــی از تفاوت‌های مهــم نیروگاه‌های تجدید پذیر بــا تأسیســات سـنتی، قابلیـت بالای آن‌ها بـرای داده‌برداری و پایـش پیوسـته اسـت. معمــاری پایــش هوشــمند می‌تواند از ترکیــب داده‌های الکتریکــی، حرارتـی، مکانیکـی، گازی و محیطـی بـرای شناسـایی زودهنـگام شـرایط غیرعــادی اســتفاده کنــد.
در سامانه‌های PV، پایــش جریــان و ولتــاژ رشته‌ها، تشــخیص قــوس، ترموگرافــی دورهای، تحلیــل کاهــش عملکــرد و آشکارســازی نقـاط داغ می‌تواند از گسـترش خرابـی جلوگیـری کنـد. در توربین‌های بــادی، مانیتورینــگ دمــا، ارتعــاش، کیفیــت روغــن، وضعیــت سیســتم صاعقه گیر و آلارم‌های ناسـل اهمیت دارد. در BESS، داده‌های BMS شـامل دمـا، ولتـاژ، جریـان، عدم تعادل سـلولی، وضعیـت خنک کاری و آلارم‌های گازی بایـد بـا منطـق Shutdown و تهویـه اضطـراری یکپارچه شـود.
در سامانه‌های هیدروژنـی و بیـوگاز، آشکارسـازهای گاز بایـد در محـل مناسـب نصـب، کالیبـره و بـه سیسـتم تهویـه، قطـع اضطـراری و هشـدار متصـل شـوند. اتصــال ایــن داده‌ها بــه SCADA، تعریــف ســطح هشــدار و اقــدام، اســتفاده از تحلیل‌های مبتنــی بــر هــوش مصنوعــی، ترموگرافــی پهپــادی و دوقلــوی دیجیتــال می‌تواند امــکان نگهــداری پیش‌بینانــه و کاهــش ریســک حادثــه را فراهــم کنــد.
اطفا، ایزولاسیون و راهبرد عملیاتی
در نیروگاه‌های تجدید پذیر، اطفــای حریــق بایــد متناســب بــا فنــاوری انجام شـود. در PV، باید فرض شـود بخش‌هایی از مدار DC همچنان برقرار هسـتند؛ بنابرایـن عملیـات بایـد بـا شـناخت نقـاط قطـع، فاصلـه ایمـن و رویه‌های ویـژه انجـام شـود. در توربین‌های بـادی، بـا توجـه بـه محدودیـت دسترسـی بـه ناسـل، اطفـای داخلـی، ایزوله سازی و کنتـرل محیـط پیرامونـی اهمیـت بیشـتری از مداخلـه مسـتقیم دارد.
در BESS، خامـوش شـدن شـعله الزاماً بـه معنـای پایـان خطـر نیسـت؛ زیــرا سلول‌ها ممکــن اســت همچنــان داغ یــا ناپایــدار باشــند. راهبــرد اصلــی شــامل خنک‌سازی، جلوگیــری از گســترش، پایــش پســاحریق، کنتـرل گازهـای آزادشـده، تخلیـه فشـار و مدیریـت روانـاب آلوده اسـت.
در سامانه‌های هیدروژنــی، اولویــت بــا قطــع نشــت، ایزولاسیون، تخلیــه فشــار و کنتــرل محــدوده اســت؛ خامــوش کــردن شــعله بــدون قطــع منبــع نشــت می‌تواند خطــر انفجــار را افزایــش دهــد. در بیــوگاز نیــز قطــع ســوخت، تهویــه، کنتــرل Backfire، پایــش H₂S و رعایــت رویـه ورود بـه فضـای بسـته ضـروری اسـت.
بهره‌برداری، نگهداری و مدیریت خطای انسانی
بخــش قابل‌توجهی از حــوادث در مرحلــه بهره‌برداری و نگهــداری رخ می‌دهد؛ جایــی کــه خطاهــای نصــب، تعویــق تعمیــرات، قطعــات غیراســتاندارد، Bypass کــردن Interlock هــا، ضعــف آمــوزش، نبــود مجـوز کار گـرم یـا بی‌توجهی بـه هشـدارهای اولیـه می‌تواند بـه حادثـه
منجــر شــود.
برنامــه PM و CBM بایــد بــرای هــر فنــاوری اختصاصــی باشـد. در PV، ترموگرافی، تسـت عایقی، بازبینی کانکتورها و مدیریت پوشــش گیاهــی ضــروری اســت. در توربیــن بــادی، پایــش روغــن، یاتاقــان، ترمــز، صاعقه گیر و ســامانه اطفــای داخلــی اهمیــت دارد.
در BESS، سـامت BMS، تهویه، آشکارسـاز گاز، سـامانه اطفا و وضعیت سلول‌ها بایــد دورهای ارزیابــی شــود. در هیــدروژن و بیــوگاز، تســت نشـتی، کالیبراسـیون آشکارسـازها، کنتـرل خوردگـی، بررسـی Relief و رعایـت الزامـات مناطـق خطرنـاک ضـروری اسـت. مدیریـت تغییـر نیـز یـک اصـل حیاتـی اسـت. هـر تغییـر در باتـری، اینورتـر، منطـق کنترلـی، مســیر کابــل، تهویــه، نــوع گاز، نرم‌افزار BMS یــا چیدمــان تجهیــزات بایـد ازنظر اثـر بـر ریسـک حریـق و انفجـار ارزیابـی شـود.
استانداردها و الزامات مرجع
اســتانداردها حداقــل چارچــوب قابل‌قبول بــرای طراحــی، نصــب، بهره‌برداری و نگهـداری ایمـن را فراهـم می‌کنند، امـا جایگزیـن تحلیـل ریسـک اختصاصـی سـایت نیسـتند. بـرای تجهیـزات الکتریکـی و ایمنـی کار، 70 NFPA و 70E NFPA اهمیــت دارنــد. بــرای سامانه‌های ذخیره‌ساز انرژی 9540A UL، 9540 UL، 855 NFPA و 62933 IEC از مراجــع اصلــی هستنــد و در سامانه‌های PVاستــــانـداردهــــــــای 61730 IEC، 62548 IEC، 1-62446 IEC و همچنیــن 1699B UL و 3741 UL کاربــرد دارنــد.
بــرای هیــدروژن نیــز 2 NFPA و الزامــات IECEx/ATEX و بــــرای مدیـــــریت ریســـک و سیستم‌های مدیـریتـــی، 45001 ISO، 31000 ISO و 14001 ISO قابل‌استفاده‌اند. انطبــاق بــا ایــن اســناد بایــد بــا الزامــات قانونــی محلــی، نظــر مرجــع آتش‌نشانی، شــرایط اقلیمــی و نتایــج ارزیابــی ریســک تکمیــل شــود.
واکنش اضطراری و یادگیری پس از حادثه
برنامه واکنش اضطراری باید سناریو محور و متناسـب با فناوری باشـد. نقشــه ســایت، محــل تجهیــزات پرخطــر، مســیرهای دسترســی، منابــع آب، نقــاط قطــع اضطــراری، محــل شــیرهای ایزولاسیون، شعاع‌های ایمــن و اطلاعات تمــاس بایــد بــهروز و در اختیــار تیــم بهره‌بردار و آتش‌نشانی محلــی باشــد.
مانورهــای دورهای بایــد ســناریوهایی ماننــد حریــق آرایــه PV، حریــق ناســل، Runaway Thermal در کانتینــر باتــری، نشــت هیــدروژن، تجمـع بیـوگاز و حریـق آبشـاری در سـایت هیبریـدی را پوشـش دهـد.
پـس از هـر حادثـه یـا شبه حادثه، تحلیـل ریشه‌ای، بازنگـری طراحـی، اصلاح رویه‌ها، آمــوزش مجــدد، به‌روزرسانی نرم‌افزارهای کنترلــی و ارزیابــی عملکــرد سامانه‌های آشکارســازی و اطفــا ضــروری اســت.
نتیجه‌گیری
نیروگاه‌های تجدید پذیر اگرچــه از منظــر پایــداری انــرژی و کاهــش انتشــار اهمیــت بالایی دارنــد، امــا از دیــدگاه مهندســی حریــق دارای مجموعه‌ای متنــوع و فناوری محور از مخاطــرات هســتند.
در سامانه‌های PV، قــوس DC، نقــاط داغ و برقرار مانــدن مدارهــا چالــش اصلــی اســت. در نیروگاه‌های بــادی، تمرکــز تجهیــزات در ارتفــاع، صاعقــه و وجــود روغن‌های قابــل اشــتعال مدیریــت حادثــه را پیچیــده می‌کند.
در BESS، فــرار حرارتــی و انتشــار گازهــای قابــل اشــتعال می‌تواند بــه گســترش ســریع حریــق، انفجــار و شعله‌وری مجــدد منجــر شــود. در هیدروژن، نشـت سـریع، دامنه اشـتعال وسـیع و انرژی اشـتعال پایین ایجــاب می‌کند کــه آشکارســازی و ایزولاسیون در اولویــت باشــد.
در بیــوگاز، خطــر متــان، H₂S، خوردگــی، Backfire و فضــای بســته بایــد هم‌زمان مدیریــت شــود. در نیروگاه‌های هیبریــدی نیــز ســناریوهای آبشــاری و وابســتگی متقابــل زیرسامانه‌ها، ســطح پیچیدگــی ریســک را افزایــش می‌دهد.
بــر ایــن اســاس، ایمنــی حریــق در نیروگاه‌های تجدید پذیر نبایــد بــه نصـب چنـد تجهیـز اطفـا یـا تهیـه یـک دسـتورالعمل عمومـی اضطـراری محـدود شـود. رویکـرد مؤثـر باید از مرحلـه مکان‌یابی، طراحی مفهومی، انتخــاب فنــاوری، جانمایــی تجهیــزات، طراحــی الکتریکــی و فراینــدی، تهویــه، فاصله‌گذاری، انتخــاب سامانه‌های پایــش و تعریــف منطــق ایزولاسیون آغـاز شـود و در دوره بهره‌برداری بـا نگهـداری پیشـگیرانه، پایـش هوشـمند، مدیریـت تغییـر، آمـوزش، مانـور اضطـراری و بازنگـری پـس از حادثـه ادامـه یابـد.
معمــاری پایــش هوشــمند، به‌ویژه در سایت‌های بــزرگ و هیبریــدی، می‌تواند حلقــه اتصــال میــان داده، تصمیــم و اقــدام باشــد. ترکیــب داده‌های SCADA، BMS، حســگرهای حرارتــی، آشکارســازهای گاز، ترموگرافــی، پایــش ارتعــاش، تحلیــل جریــان و ولتــاژ و الگوریتم‌های پیش‌بینی کننــده، امــکان شناســایی زودهنــگام خرابــی و جلوگیــری از تبدیــل یــک نقــص کوچــک بــه حادثــه بــزرگ را فراهــم می‌کند.
بااین‌حال، فنــاوری پایــش زمانــی مؤثــر اســت کــه بــا رویه‌های عملیاتـی روشـن، Interlock هـای قابل‌اعتماد، آمـوزش نیروی انسـانی و هماهنگــی بــا آتش‌نشانی محلــی همــراه شــود.
درنهایت، ایمنــی حریــق در انرژی‌های تجدید پذیر بایــد به‌عنوان بخشــی از طراحــی و مدیریــت چرخــه عمــر پــروژه دیــده شــود. اجــرای رویکــرد سناریو محور، دفــاع در عمــق، انطبــاق اســتانداردی، پایــش هوشــمند و یادگیــری مســتمر می‌تواند تاب‌آوری نیروگاه‌های تجدید پذیر را افزایـش داده و از تبدیـل رخدادهـای محـدود بـه حـوادث پر پیامد جلوگیــری کنــد.
زیرنویس اختصارات و مخفف‌ها
PV: سامانه فتوولتائیک خورشیدی؛ Photovoltaic
BESS: سامانه ذخیره‌ساز انرژی باتری؛ Battery Energy Storage System
BMS: سامانه مدیریت باتری؛ Battery Management System
SCADA: سامانه کنترل نظارتی و گردآوری داده
DC: جریان مستقیم؛ Direct Current
AC: جریان متناوب؛ Alternating Current
AI: هوش مصنوعی؛ Artificial Intelligence
PM: نگهداری پیشگیرانه؛ Preventive Maintenance
CBM: نگهداری مبتنی بر وضعیت؛ Cond -Based Maintenance
ERP: برنامه واکنش اضطراری؛ Emergency Response Plan
H₂S: سولفید هیدروژن؛ Hydrogen Sulfide
NFPA: انجمن ملی حفاظت در برابر حریق آمریکا
IEC: کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک
UL: آزمایشگاه‌های ایمنی آندررایترز؛ Underwriters Laboratories
ATEX: الزامات اروپایی تجهیزات در اتمسفرهای انفجاری؛
IECEx: نظام جهانی تأیید تجهیزات مورداستفاده در محیط‌های انفجاری
ISO: سازمان بین‌المللی استانداردسازی
LPS: سامانه حفاظت در برابر صاعقه؛ Lightning Protection System
MOC: مدیریت تغییر؛ Management of Change
نسخه پی دی اف این مقاله را که شامل عکس و توضیحات است بخوانید.
