塔式光熱電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建筑部分編制思路

劉宏民，羅旭堃

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075）

塔式太陽能光熱發(fā)電站（以下簡(jiǎn)稱“塔式光熱電站”）是一種新的能源站形式，是未來光熱電站發(fā)展的重要方向。塔式光熱電站內(nèi)的建筑設(shè)計(jì)涉及到一些具有特殊功能的建筑物，如吸熱塔、熔融鹽儲(chǔ)存間（熔融鹽工質(zhì)電站）等，由于生產(chǎn)的特殊性或缺少相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員難以借助權(quán)威的專業(yè)規(guī)范解決關(guān)鍵技術(shù)問題，直接影響電站的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量和運(yùn)維。另外，有些地方管理者與設(shè)計(jì)人員對(duì)塔式光熱電站的認(rèn)識(shí)存在爭(zhēng)議，導(dǎo)致審批困難，也亟待國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)予以明確。

本文基于筆者近年從事多個(gè)塔式光熱電站的設(shè)計(jì)實(shí)踐積累，結(jié)合參與編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《塔式太陽能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51307－2018，以下簡(jiǎn)稱“《塔標(biāo)》”）建筑部分的具體工作，從標(biāo)準(zhǔn)參編者的角度解讀建筑設(shè)計(jì)部分關(guān)鍵條文的編制思路，以便于設(shè)計(jì)人員及相關(guān)單位在今后的塔式光熱電站建筑設(shè)計(jì)及研究工作中，快速掌握標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，準(zhǔn)確理解標(biāo)準(zhǔn)意圖，正確運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)要求，從而更好地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

1 建筑設(shè)計(jì)的一般性要求

《塔標(biāo)》結(jié)合建筑技術(shù)發(fā)展及環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生等要求提出建筑設(shè)計(jì)的一條原則及四點(diǎn)規(guī)定，不再論述建筑設(shè)計(jì)的手法類要求（如“利用地形、地貌”等），僅強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的合規(guī)性，減少推薦性引導(dǎo)，增加建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新的可能性，例如：并沒有引用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的類似要求，如“電氣、辦公建筑的屋面宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面”等，而是從建筑設(shè)計(jì)的角度提出“輕型種植屋面、玻璃蓄水屋面”等新形式?？梢哉雇?，屋頂花園、光伏玻璃頂?shù)刃路f建筑形式將出現(xiàn)在塔式光熱電站中，有利于提高塔式光熱電站的建筑設(shè)計(jì)水平。

2 建筑條文涉及的主要原則問題

吸熱塔是塔式光熱電站最重要的建筑物之一，是電站的標(biāo)志性建筑，一般布置在站區(qū)中心，是整個(gè)站區(qū)的視覺焦點(diǎn)，見圖1。充分理解塔式光熱電站吸熱塔的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（19.3.13條）是《塔標(biāo)》中的關(guān)鍵內(nèi)容。這在傳統(tǒng)化石能源發(fā)電站中沒有設(shè)計(jì)先例，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中也鮮有提及，對(duì)電站設(shè)計(jì)人員有一定挑戰(zhàn)性，在建筑設(shè)計(jì)過程中容易產(chǎn)生無規(guī)范可依的困惑，主要原則問題包括以下四個(gè)方面。

圖1 塔式光熱電站示意圖

2.1 吸熱塔屬于建筑物還是構(gòu)筑物之爭(zhēng)

要區(qū)分構(gòu)筑物與建筑物的性質(zhì)，使建筑設(shè)計(jì)準(zhǔn)確對(duì)接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50504－2009），不封閉的吸熱塔沒有圍合的空間，具有構(gòu)筑物的典型特征，屬于構(gòu)筑物，塔身消防主要針對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)的安全性；封閉式吸熱塔有圍合空間，具有建筑物和構(gòu)筑物雙重特性，屬于建（構(gòu)）筑物，不能用塔是“設(shè)備”或構(gòu)筑物的觀點(diǎn)規(guī)避《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016－2014，以下簡(jiǎn)稱“《建規(guī)》”）的相關(guān)要求。封閉式吸熱塔設(shè)計(jì)要以人為本，兼顧建筑物特征，降低火災(zāi)隱患，同時(shí)要考慮吸熱塔的“高層”特性，將樓梯間封閉。設(shè)計(jì)還應(yīng)結(jié)合《建規(guī)》要求、協(xié)調(diào)NFPA（美國(guó)消防協(xié)會(huì)，National Fire Protection Association）的有關(guān)規(guī)定，消除消防主管部門的顧慮，助推項(xiàng)目順利實(shí)施。

2.2 吸熱塔消防電梯與普通電梯之爭(zhēng)

《塔標(biāo)》第8章規(guī)定“吸熱塔內(nèi)宜設(shè)置電梯，電梯的布置應(yīng)滿足維護(hù)檢修的要求”。在建筑結(jié)構(gòu)篇章沒有有關(guān)電梯的說明，原因是水工布置專業(yè)認(rèn)為消防電梯前室消火栓設(shè)計(jì)有困難?！督ㄒ?guī)》（7.3.3條）規(guī)定“建筑高度大于32 m且設(shè)置電梯，任一層工作平臺(tái)的人數(shù)不超過2人的高層塔架”可不設(shè)置消防電梯。根據(jù)上述依據(jù)，吸熱塔內(nèi)的電梯是否為消防電梯應(yīng)根據(jù)工藝需求的人數(shù)確定。然而，考慮到吸熱塔具有超高層建筑的特點(diǎn)及維修階段人員可能超過2人，在消防人員幫助下電梯與疏散樓梯相結(jié)合能夠較快地將高層建筑內(nèi)部人員疏散到室外，這種情況下選擇消防電梯是較好的設(shè)計(jì)方案。

2.3 吸熱塔封閉樓梯間與防煙樓梯間之爭(zhēng)

《塔標(biāo)》規(guī)定封閉式吸熱塔應(yīng)至少設(shè)一部封閉樓梯間。這與《建規(guī)》（3.7.6條）規(guī)定“高層廠房和甲、乙、丙類多層廠房的疏散樓梯應(yīng)采用封閉樓梯間或室外樓梯”的要求一致。當(dāng)封閉樓梯間不能自然通風(fēng)或自然通風(fēng)不能滿足要求（即每5層內(nèi)可開啟外窗或開口有效面積不小于2 m2）時(shí)，應(yīng)設(shè)機(jī)械加壓系統(tǒng)或采用防煙樓梯間。設(shè)防煙樓梯間還是封閉樓梯間，需根據(jù)樓梯的布置及防排煙設(shè)計(jì)的具體情況確定。

2.4 吸熱塔樓梯間封閉材料之爭(zhēng)

某涉外塔式光熱電站項(xiàng)目試圖采用輕質(zhì)隔墻封閉，被外方咨詢工程師否定，與外方溝通后得知，只有鋼筋混凝土墻體封閉才被接受。鑒于此，設(shè)計(jì)時(shí)要充分認(rèn)識(shí)鋼筋混凝土圍護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊性好，耐火極限也滿足規(guī)范要求，盲目“減配”會(huì)提高設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

另外，樓梯間圍護(hù)結(jié)構(gòu)要與塔本身結(jié)構(gòu)的耐火極限匹配，按照《建規(guī)》要求，二級(jí)耐火等級(jí)的構(gòu)件耐火極限不小于2 h，考慮到周邊布置有高溫高壓熔融鹽管道，以及樓梯本身的抗震性能，樓梯間采用鋼筋混凝土墻體圍護(hù)是最優(yōu)選擇。

3 建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

3.1 生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性

火災(zāi)危險(xiǎn)性一般由火災(zāi)發(fā)生的可能性與預(yù)期發(fā)生火災(zāi)后果的嚴(yán)重程度等因素確定?；馂?zāi)危險(xiǎn)性直接影響生產(chǎn)及人員的所處環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)程度，《建規(guī)》將生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)類別分為甲、乙、丙、丁、戊五類，其中，甲類危險(xiǎn)程度最嚴(yán)重，其余類別危險(xiǎn)程度依次降低。在設(shè)計(jì)中火災(zāi)危險(xiǎn)性一般根據(jù)生產(chǎn)工藝使用或產(chǎn)生的物質(zhì)的特性確定。

3.2 熔融鹽泵房及熔融鹽固態(tài)儲(chǔ)存間火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

熔融鹽固體（NaNO3、KNO3）屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，是極易引起著火或爆炸的強(qiáng)氧化劑，所以熔融鹽泵房、熔融鹽固態(tài)儲(chǔ)存間的火災(zāi)危險(xiǎn)性定為甲類，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《建規(guī)》和《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160－2008）的有關(guān)規(guī)定：

（1）泵房應(yīng)有防止檢修期間液體漫流的措施，即設(shè)置不低于150 mm的圍堰和導(dǎo)液設(shè)施；

（2）泵房安全疏散門不少于2個(gè)；

（3）泵房地面采取防腐措施，防止污染土壤；

（4）儲(chǔ)存間采取泄爆及遮光措施；

（5）儲(chǔ)存間采用不發(fā)火花地面。

3.3 吸熱塔的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

吸熱塔（熔融鹽工質(zhì)）內(nèi)的第一危險(xiǎn)源為管道中的熔融鹽，其中一種熔融鹽組分為60%的NaNO3和40%的KNO3混合物。根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》（2012年版），60% NaNO3和40%KNO3混合物在固態(tài)時(shí)屬于“助燃”物品，危險(xiǎn)源級(jí)別為“重大危險(xiǎn)源”，但熔融鹽熱載體不是易燃物質(zhì)，只有接觸到火源時(shí)才起到助燃作用，當(dāng)接觸到硫、磷等物質(zhì)時(shí)才會(huì)發(fā)生火災(zāi)。吸熱器、熔融鹽管道內(nèi)均為流動(dòng)狀態(tài)的液體，根據(jù)有關(guān)研究，熔融鹽熱載體不爆炸、不燃燒、耐熱穩(wěn)定性好，泄漏后無毒。吸熱塔內(nèi)的第二危險(xiǎn)源為就地控制與配電用房，一般布置在塔身2/3高度以上，由于有電纜、機(jī)柜等可燃物體的存在，具有一定的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)上述分析，《塔標(biāo)》將吸熱塔的火災(zāi)危險(xiǎn)性確定為丁類。如果管道熔融鹽泄漏，這時(shí)應(yīng)該停止生產(chǎn)，將泄漏熔融鹽泄入熔融鹽儲(chǔ)罐。現(xiàn)場(chǎng)人員一般不會(huì)靠近熔融鹽，所以在吸熱塔內(nèi)工作的受傷風(fēng)險(xiǎn)較低。

4 吸熱塔的疏散設(shè)計(jì)

4.1 疏散需求分析

吸熱塔生產(chǎn)期間人員較少，一般情況巡檢時(shí)有2～3人，人員最多集中在吸熱器所在部位、配電室層及各閥門管道檢修平臺(tái)處。建設(shè)調(diào)試期間人員最多達(dá)到8～10人左右，檢修區(qū)域主要位于吸熱器所在標(biāo)高的平臺(tái)，吸熱塔疏散設(shè)計(jì)主要針對(duì)檢修運(yùn)行期間的人員進(jìn)行。

4.2 安全區(qū)域的確定

疏散一般指人員在火災(zāi)發(fā)展到人身安全受到威脅前到達(dá)安全區(qū)域的過程。疏散設(shè)計(jì)就是確保人員疏散時(shí)間比危險(xiǎn)擴(kuò)散開來的時(shí)間短。火災(zāi)造成危害的因素主要有高溫、有毒煙氣等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)環(huán)境100℃時(shí)，人能忍受十幾分鐘，室內(nèi)環(huán)境200℃時(shí)人在幾分鐘之后就可能死亡。有毒煙氣主要有一氧化碳、二氧化碳、甲醛、乙醛等。另外，能見度也影響室內(nèi)疏散。

安全疏散時(shí)間由反應(yīng)時(shí)間、下意識(shí)撲救時(shí)間和實(shí)際疏散時(shí)間這三段組成。在吸熱塔疏散時(shí)，通過技術(shù)手段和訓(xùn)練可以縮短反應(yīng)時(shí)間?；馂?zāi)撲救一般由自動(dòng)滅火系統(tǒng)完成，不會(huì)人為現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。因此，實(shí)際疏散時(shí)間主要取決于疏散路徑上耗費(fèi)的時(shí)間。影響疏散路徑耗費(fèi)時(shí)間的主要因素有平臺(tái)寬度、樓梯形式及坡度、疏散距離、疏散標(biāo)志等。一般高層建筑疏散時(shí)間為5～7 min。塔內(nèi)疏散通道曲折，參考較為擁擠情況下人員水平運(yùn)動(dòng)的速度1 m/s，垂直運(yùn)動(dòng)速度按較高踏步樓梯情況下0.85 m/s計(jì)算疏散時(shí)間。

吸熱塔疏散時(shí)間可分為兩段：（1）第一段為吸熱器鋼結(jié)構(gòu)部分，此部分可按水平弧形段30 m（吸熱器直徑20 m）、垂直疏散30 m考慮?？紤]鋼梯因素，速度取正常樓梯疏散速度的一半，即按0.4 m/s。吸熱器段疏散時(shí)間 為 （30/1）+（30/0.4）=105s；（2）第 二 段 為 樓 梯段，樓梯段可計(jì)算至塔中配電室層以下高度（按吸熱塔高度的一半100 m計(jì)），疏散時(shí)間為100/0.85≈117.6 s。人員反應(yīng)時(shí)間按60 s考慮，即總體疏散時(shí)間為105+117.6+60=282.6 s，約為4.7 min。在塔中下部，樓梯間外窗一般為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，由于煙囪效應(yīng)，煙氣一般不會(huì)從門進(jìn)入樓梯間內(nèi)，因此，可以認(rèn)為到達(dá)塔中部以下，樓梯間內(nèi)不會(huì)有煙氣進(jìn)入，即可認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)安全區(qū)域。

4.3 塔內(nèi)樓梯設(shè)計(jì)要求

樓梯設(shè)計(jì)主要是針對(duì)架構(gòu)式吸熱塔樓梯和封閉式吸熱塔樓梯，本節(jié)分述兩種樓梯的設(shè)計(jì)要求、樓梯數(shù)量的確定及樓梯間的加壓送風(fēng)要求。

4.3.1 架構(gòu)式吸熱塔樓梯設(shè)計(jì)要求

《塔標(biāo)》規(guī)定敞開式吸熱塔應(yīng)至少設(shè)置一部?jī)魧挷恍∮?.90 m的樓梯，梯段角度不應(yīng)大于60°，欄桿高度不小于1.1 m。因樓梯處于室外環(huán)境中，本規(guī)定參考了《建規(guī)》對(duì)建筑第二疏散口可采用室外鋼梯的要求。吸熱塔中的斜梯見圖2。

4.3.2 封閉式吸熱塔樓梯設(shè)計(jì)要求

封閉式吸熱塔至少設(shè)一部封閉樓梯間，梯段凈寬不小于1.1 m，傾斜角度不大于35°。確定按35°設(shè)計(jì)的原因是考慮吸熱塔僅設(shè)置一部樓梯，在發(fā)生火災(zāi)情況下應(yīng)保證疏散效率和人員的體力需求，同時(shí)滿足《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB 50352－2005）規(guī)定“專用樓梯踏步寬度不小于25 cm，高度不大于18 cm”的要求。摩洛哥某塔式光熱電站吸熱塔樓梯布置見圖3，該樓梯踏步寬度28 cm、高度17 cm。

圖2 敞開式吸熱塔樓梯

圖3 摩洛哥某塔式光熱電站吸熱塔的樓梯布置

4.3.3 樓梯數(shù)量的確定

在《塔標(biāo)》編制過程中對(duì)吸熱塔樓梯數(shù)量進(jìn)行了調(diào)研。與類似高度的塔進(jìn)行類比，吸熱塔更接近廣播電視塔的形式，即設(shè)備機(jī)房大多布置在塔頂，接近上部天線，塔身下部使用功能少，同屬“頭重腳輕”的高聳建（構(gòu)）筑物。兩者的區(qū)別在于廣播電視塔有人值班，經(jīng)常賦予參觀的功能，而吸熱塔一般沒有參觀的功能，正常工作狀態(tài)無人值守。參考《廣播電視建筑設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GY 5067－2003）：無游覽業(yè)務(wù)僅有電視、調(diào)頻廣播或微波發(fā)射設(shè)備值班人員的發(fā)射塔應(yīng)設(shè)一座消防電梯，一座疏散樓梯。另外，按照《建規(guī)》對(duì)于高層建筑丁、戊類廠房每層建筑面積不大于400 m2，且同一時(shí)間作業(yè)人數(shù)不超過30人，則可設(shè)一個(gè)安全出口的要求，吸熱塔設(shè)置一部樓梯是合適的。

4.3.4 樓梯間的加壓送風(fēng)要求

吸熱塔上部外表面工藝經(jīng)常用作聚光校靶區(qū)（由控制專業(yè)提出具體高度及位置），為防止強(qiáng)光、強(qiáng)熱對(duì)塔內(nèi)的影響，這個(gè)區(qū)域限制樓梯間開窗，造成樓梯間不能自然通風(fēng)。按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251－2017）的要求，樓梯間應(yīng)設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。如果結(jié)合電梯布置設(shè)計(jì)為防煙樓梯間，則應(yīng)對(duì)防煙前室和樓梯間分別進(jìn)行加壓送風(fēng)，前室的送風(fēng)口宜設(shè)置在頂部或正對(duì)前室入口，樓梯間應(yīng)設(shè)置常開風(fēng)口，前室應(yīng)設(shè)置常閉風(fēng)口，并采取消防聯(lián)動(dòng)的開啟方式。對(duì)于高度大于100 m的吸熱塔，加壓送風(fēng)系統(tǒng)還應(yīng)分段設(shè)置。

5 結(jié)語

基于以上分析，《塔標(biāo)》最終按：塔式光熱電站火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類、乙類的，而且涉及儲(chǔ)存、加熱、輸送工藝的建筑物要有防爆、泄爆措施，封閉式吸熱塔要按“建（構(gòu)）筑物”設(shè)計(jì)。另外，在執(zhí)行《塔標(biāo)》過程中，還需要注意三點(diǎn)：

（1）不能機(jī)械理解“吸熱塔至少設(shè)置一個(gè)封閉樓梯間”。這條規(guī)定是滿足標(biāo)準(zhǔn)最低要求，此要求與國(guó)外在建工程的設(shè)計(jì)基本吻合，便于與國(guó)際接軌，有利于標(biāo)準(zhǔn)走出去。如結(jié)合校靶區(qū)設(shè)置消防電梯的布置，采用防煙樓梯間更符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的出發(fā)點(diǎn)。

（2）如果吸熱塔內(nèi)布置樓層數(shù)較多，或者有參觀等其它社會(huì)功能，吸熱塔可能從建（構(gòu)）筑物轉(zhuǎn)化為建筑物。為保證人員安全疏散，樓梯應(yīng)按防煙樓梯間設(shè)計(jì)，樓梯數(shù)量應(yīng)為兩個(gè)。

（3）建議在離危險(xiǎn)源最近的吸熱器層結(jié)合工藝布置設(shè)置避難間。當(dāng)吸熱器檢修層發(fā)生火災(zāi)或熔融鹽泄漏時(shí)可就近進(jìn)入避難間。

《塔標(biāo)》已獲正式發(fā)布，據(jù)我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布公告，該標(biāo)準(zhǔn)自2018年12月1日起正式實(shí)施。此標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將為我國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目以及后續(xù)光熱電站的建筑設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供指導(dǎo)。筆者期待設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、消防及審圖機(jī)構(gòu)等相關(guān)單位在執(zhí)行過程中能夠認(rèn)真總結(jié)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)反饋完善《塔標(biāo)》的意見和建議，為《塔標(biāo)》修訂工作提供參考。