气膜封闭储煤场中水消防设施选择及应用

赵保华 苏瑞杰 王剑利

摘要：以北方某2×135MW城市热电厂气膜封闭储煤场消防系统的设计为例，对现有水灭火手段进行综述，最终选择适用于气膜封闭储煤场消防的电控消防炮灭火系统，详细介绍了电控消防炮灭火系统在该工程中的应用，指出电控消防炮灭火系统是气膜封闭储煤场理想的灭火设施，总结了电控消防炮在此类工程应用中的特点。

关键词：气膜封闭储煤场；大空间建筑；水灭火系统；电控消防炮

引言

膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，它是由高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱、钢索或空气）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并且能承受一定的外荷载作用的空间建筑结构。它与砖混结构、钢混结构、钢结构、木结构一样，是目前主流的建筑结构形式，膜结构体系不断演变进化，形成骨架膜、张拉膜、充气膜等多种膜结构体系，并已成为永久性建筑结构形式的一种。

气膜封闭储煤场，是充气膜建筑工业化应用到煤炭行业的一种专门的建筑结构形式。既用膜材料做成封闭空间，加以锚固，充气后，配以恰当的钢缆系统，成为能抵御风、霜、雨、雪的封闭式煤炭储运建筑。

气膜封闭储煤场在国外已有大量应用，仅在北美就有多个储煤棚采用了充气膜结构，并正常运行了数十年。在国内目前已有数个气膜封闭储煤场的工程在实际运行，且运行状态十分稳定。并有多个项目正在开展前期工作，有遍地开花之势。

近几年，由于气膜封闭储煤场内部无梁、无板、无柱的结构优点，可满足煤炭储运、输送等工艺要求，且具有自动化程度高、对环境无污染、可抵抗恶劣天气等诸多优点，目前已越来越多地被国内煤炭储运、封闭燃煤电厂储煤场所采用。但由于这种气膜封闭储煤场建筑面积超大，室内净空高度基本在30m以上，且内部空间不易分隔，其建筑型式与现行的防火设计规范矛盾，目前国家规范对气膜封闭储煤场的消防设计尚无明确规定。气膜封闭储煤场内部储存的煤炭存在危险等级高、煤炭易自燃、火灾难以扑救等特点，笔者在现行规范规定的基础上论述电控消防炮在气膜封闭储煤场中成功应用，为解决气膜封闭储煤场水消防设计提供新思路。

1 工程概况

本工程是全国最早的坑口电厂，在城市建成区内，现有2×135MW循环流化床热电联产机组，目前储煤场为露天煤场，位于电厂西北角，随着国内空气质量的不断恶化，国家对环境保护要求越来越高，目前储煤场无法满足现有环保要求，需要对煤场进行全封闭改造。

本工程全封闭改造结构方案采用气膜封闭型式，气膜封闭储煤场平面尺寸180m（长）×60m（宽），投影面积10800m2，气膜弧顶距地面28m，存煤约4.5万t。四周新建2.5m高钢筋混凝土挡墙，并在煤场两个短边边角设置一进一出两个汽车进出通道。煤堆距离四周挡煤墙留出3.5m宽消防通道。运煤车从一端汽车通道进入煤场，在煤场完成卸煤作业后从另一端汽车通道驶出煤场。两端汽车通道采用互锁双道门。气膜封闭储煤场外形图及剖面图见图1。

图1 封闭圆形煤场剖面

2 封闭储煤场危险因素分析

封闭储煤场中，煤炭在转运、存储过程中会产生瓦斯、煤尘的积聚，煤炭在空气中会氧化升温，温度达到一定时会发生煤炭的自燃，因此，封闭煤场中存在瓦斯爆炸、粉尘爆炸以及火灾等危险因素。煤场火灾主要是由其储存的煤炭自燃引起的。

煤炭自燃是有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触，发生氧化产生的热量使其温度升高，当温度升高至着火温度时，出现发火和冒烟的现象。煤场中易自燃区域包括：1）煤堆底层周边；2）煤堆交汇处；3）过水区域；4）断面疏松区等。

3 灭火系统的选择

《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB 50229）等现行消防设计规范规定：储煤場消防用水量不应小于20L/s，并规定室内储煤场应设置室内消火栓，但关于消火栓用水量规定不明确；由于气膜封闭储煤场面积大、净空高，普通室内消火栓压力无法满足灭火要求。

水消防系统选择：

3.1 闭式喷淋系统

《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084）规定，采用闭式喷淋系统的非仓库类高大净空场所的最大净空高度为12m，采用早期抑制快速响应喷头的仓库最大净空为13.5m。本气膜封闭储煤场工程弧顶距地面高度为28m，其净空高度远大于GB50084的要求，依据大空间间建筑定义其属于大空间建筑，因此闭式喷淋系统不适合气膜封闭储煤场工程。

3.2 开式雨淋系统

雨淋系统在室内净空高度大于12m的大空间项目中利用，目前在国内有不少实例，符合规范规程要求。但在气膜封闭储煤场中设置开式雨淋系统非常困难：

a）作为开式系统，火灾时雨淋阀动作，则保护区内所有喷头将全部喷水，这对于建筑面积、尤其是煤堆面积、建筑体积等均较大的气膜封闭储煤场，消防系统用水量和水力损失均非常大，在系统设计中存在困难；

b）为防止误喷，雨淋系统的启动，须经确认后才能开启，增加了确认环节；

c）根据本工程占地面积及布置需要，需设置多套雨淋阀组，消防管道布置非常复杂，施工安装及维护管理非常不便；

d）因气膜建筑结构型式，其结构依靠内外压差进行维护，布置消防管道后每平米重量增加非常大，为确保结构安全势必增加内压，此时膜材将长期处于高张力模式下工作，造成膜材使用寿命下降。

因此，开式雨淋系统对本气膜封闭储煤场项目来说不是合适的水消防系统。

3.3 大空间智能主动喷水灭火系统

大空间智能型主动喷水灭火系统与闭式喷淋系统、雨淋系统相比，具有以下优点：可自动探测及判定火源、自动启动系统、自动定位喷水、反应快速、火灾扑救效率高；局部定点扑救，消耗水量少。

《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》（CESC 263）中的大空间灭火装置包括：大空间智能灭火装置、自动扫描射水灭火装置和自动扫描射水高空水炮灭火装置3种形式。其最大安装高度分别为：大空间智能灭火装置安装高度6～25m，自动扫描射水灭火装置安装高度2.5～6m，和自动扫描射水高空水炮灭火装置安装高度6～20m，其安装高度适用范围均小于本工程实际高度。且该系统喷头及高空水炮均为吊顶式安装，本工程结构型式不满足其安装需求；因此大空间智能型主动喷水灭火系统不适合气膜封闭储煤场工程。

3.4 固定式消防炮灭火系统

固定式消防炮灭火系统是由固定消防炮和相应配置的系统组件组成的固定灭火系统。消防炮系统按喷射介质可分为水炮系统、泡沫炮系统和干粉炮系统等。

固定式消防炮一种喷水强度大、射程远的灭火系统，分为：手动消防炮灭火系统和远控消防炮系统。

手动消防炮灭火系统为：现场或值班人员发现火情后，手动启动消防报警按钮，远程启动消防水泵，并操作消防炮对准着火点，进行喷射灭火。

远控消防炮分为：液控消防炮、气控消防炮、电控消防炮，本工程拟采用自动寻电控消防炮，其与红外双波段图像型火灾探测技术相结合，当探测到火情后，向消控中心报警同时，自动寻电控消防炮的火焰定位器带动水炮喷头进行水平和俯仰方向搜索定位，自动指向火源，定位后通过炮带红外摄像机将火警区域图像传至消控主机，经进一步确认并精确定位后，自动开启消防水泵，自动打开电控消防炮电磁阀，进行喷水灭火，直至火焰被扑灭、报警信号消除为止。

本工程煤场面积为10800m2，占地面积较大，固定式电控消防炮保护半径大，且射程远，流量根据既有消防水泵供水能力确定为30L/s，喷水强度大，抑制火灾效果较好。与其他3种固定形式的水灭火系统相比：电控消防炮具有系统简单、管线沿四周挡煤墙布置对工艺无影响、施工及维护方便、喷射无干扰、能确保煤场全覆盖、无死角等优点，因而更能满足气膜封闭储煤场的消防要求。

4 固定消防炮灭火系统的设计

4.1 消防炮形式的选择

（1）本气膜封闭储煤场的挡料墙采用钢筋混凝土结构、顶部采用气承式膜结构围护、外加钢索进行结构固定。相对钢结构来讲，本工程即便发生火灾造成膜结构出现破洞，也不会像钢筋混凝土结构或钢结构一样出现急速坍塌现象，根据本工程FLUENT模拟结果，在出现10×10m破洞的情况下，风机全开，可保证结构稳定，失稳后也不会快速坍塌，而是缓慢塌落，为人员紧急疏散争取了宝贵的时间。

（2）本工程在四周挡煤墙上设置有自动回转式喷洒抑尘喷枪，单个喷枪的覆盖半径为35m，并确保喷水能覆盖整个煤堆，喷枪采用电磁阀进行控制，可实现就地、远程控制。通过定时及卸煤大量起尘时进行喷洒抑尘，可有效控制煤棚内部煤尘飞扬，降低煤尘浓度。本工程并设置有煤尘探测装置，当煤尘浓度高于设定值时进行报警并开启喷枪进行喷洒抑尘，通过各措施综合实施确保将煤尘浓度控制在爆炸极限以下。

（3）关于气膜封闭储煤场的消防设计，目前国家及国外相关规范均无明确要求，但是考虑封闭储煤场火灾时将产生大量的CO等有害气体，且结构型式随时有塌落风险，此时如果采用近距离操作消防器材，则对操作的消防员来说存在极大安全隐患。

综上所述，设计认为采用自动寻电控消防炮是气膜封闭储煤场最佳选择。

4.2 系统的设计

4.2.1 水炮设计射程计算

根据《固定消防炮灭火系统设计规范》（GB50338），消防炮的设计射程按照下式计算：

式中Ds——水炮的设计射程（m）；

Ds0——水炮在额定工作压力时的射程（m）；

Pe——水炮的设计工作压力（MPa）；

P0——水炮的额定工作压力（MPa）。

4.2.2 水炮设计流量计算

根据《固定消防炮灭火系统设计规范》（GB50338），水炮设计流量按照下式计算：

式中Qs——水炮的设计流量（L/s）；

qs0——水炮的额定流量（L/s）；

Pe——水炮的设计工作压力（MPa）；

P0——水炮的额定工作压力（MPa）。

根据5.2.1及5.2.2的计算公式计算出的为单台水炮设计流量，系统总用水量按照2门消防炮的射流同时到达保护区域内任一部位进行确定，并保证总消防用水量不小于60L/s

4.2.3 消防炮布置间距确定

参照《给水排水设计手册》第二册关于室内消火栓的布置间距公式确定消防炮布置间距：

式中S2——消防炮最大布置间距（m）；

R——消防炮保护半径（m）；

b——消防炮最大保护宽度（m）。

根据本工程中间堆煤的特点，消防炮沿四周挡煤墙布置，经计算，本气膜封闭储煤场设置6门待自动泄水防冻装置的自动寻电控消防炮即可确保堆场全覆盖，确定的消防炮参数如下：额定工作压力0.60MPa，额定压力下射程55m，额定流量30L/s，工作压力范围O.5～1.0MPa，俯仰角60°～70°，水平回转角0～360°，外形尺寸335×335×525mm。

为确保供水的安全性及可靠性，本工程消防水管道沿四周挡煤墙成环状布置，并设置两个接口与厂区消防供水主管网连接。

设计后经过与现行消防规范比对，确认消防炮射程、俯仰角、水平旋转范围均符合《固定消防炮灭火系统设计规范》（GB50338）的规定。消防给水管道布置及接口均符合《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974的要求。

5 设计体会及问题

气膜封闭储煤场虽说在国外已经有很多应用实例，且国内目前在民用行业如体育场馆等应用也非常广泛，但在工业应用领域目前实际运行项目较少，尤其是煤炭和电力行业应用刚刚起步，属于新技术，气膜类建筑物消防设计相应规范规程，且目前火力发电厂封闭储煤场也无明确的消防设计规定，通过笔者对国内气膜储煤棚消防设计调查及本工程的消防设计，笔者认为在气膜封闭储煤场自动寻电控消防炮设计过程中，应充分考虑下述情形：

a）因本工程煤堆为中间布置，设计时应充分考虑煤堆高度及消防炮安装高度，及煤堆底脚与消防炮安装高度及水平距离的关系，一选择合适的消防炮俯仰角、水平旋转角度等水炮參数，以期确保消防全覆盖，避免因设备选型及安装造成消防死角。

b）由于消防炮喷水量及所需工作水压均较大，故此类项目应统筹考虑电厂现有消防水泵流量及扬程等参数是否满足设计需求，消防水池储水量及厂区管道布置造成的水头损失等基础数据是否满足设计需求。

c）当封闭储煤场发生火灾，人员进入储煤场操作时，可能存在CO中毒危险及受爆炸威胁的风险。因此，本工程设计采用自动寻电控消防炮，火灾时应尽量较少人员进入，确需进入时应做好必要的防护措施。若受工程投资限制，采用手动消防炮式，更应注意瓦斯、CO的威胁，及早做好防范措施。

6 结语

对于气膜封闭储煤场等占地面积大、净空高、内部空间不易分隔、危险等级较高、火灾蔓延速度较快、火灾时产生大量威胁人身安全的有毒气体的火力发电厂大型气膜封闭储煤场，自动寻电控消防炮是目前最为理想的灭火设施。但由于我国目前缺少此方面的消防设计规程规范，气膜封闭储煤场应用实例较少，需对现有运行项目进行跟踪调研，总结设计经验，并在今后工程设计中不断积累消防设计经验，以期实现消防设施设计确保有效、且经济的愿景。

参考文献

[1]GB 50338---2003固定消防炮灭火系统设计规范.

[2]GB 50229---2006火力发电厂与变电站设计防火规范.

[3]GB 50084---2001自动喷水灭火系统设计规范（2005版）.

[4]GB 50016---2014建筑设计防火规范.

[5]给水排水设计手册（第二版第02册）.

华电郑州机械设计研究院有限公司科技项目（HDMDI-KJ-2015-17）

作者简介赵保华，男，工程师，从事火力发电厂水工工艺及消防设计、咨询工作。