李 偉,尹海燕
(1. 中機國能電力工程有限公司,河北 邯鄲 056002;2. 華電重工股份有限公司,北京 100070)
自2016年版《中華人民共和國大氣污染防治法》實施以來,國內新建燃煤電廠多數采用封閉煤場,現有的露天煤場和半露天煤場迫于環(huán)保壓力也紛紛實施封閉改造。相對于露天煤場和半露天煤場而言,特別是儲存易自燃煤時,封閉煤場對安全防護的要求更高。如何防止封閉煤場發(fā)生火災和煤粉爆炸事故是設計從業(yè)者必須要考慮的問題。針對國內封閉煤場設計的現狀,結合相關規(guī)程規(guī)范和以往設計的經驗教訓,提出了儲存易自燃煤封閉煤場在總體布置和具體設計時應注意的問題,并給出了相關建議。
儲煤時間不宜過長。儲煤時間過長是燃煤發(fā)生自燃的主要原因之一,而且儲存時間越長,煤的氧化程度越高,煤的利用價值也會隨之降低。
DL/T 1668—2016[1]給出了不同煤種的存煤期和定期測溫周期,見表1。
表1 不同煤種的存煤期和測溫周期
GB 50660—2011[2]規(guī)定,在無有效措施防止自燃措施的情況下,褐煤的最大儲量不應超過15 d。但是對于水路來煤和水路鐵路聯(lián)運的電廠來說,15 d的儲存時間顯然無法保證電廠的燃煤供應安全,建議結合表1和水運條件綜合考慮儲煤時間。
儲煤場宜布置在全年最小頻率風向的上風側,煤堆長度方向應與全年主導風向平行。
GB 50016—2014[3]規(guī)定,占地面積大于30 000 m2的可燃材料堆場,應設置與環(huán)形消防車道相通的中間消防車道,消防車道的間距不宜大于 150 m。
筆者在印尼某項目設計時,因煤場寬度較大導致煤場兩側消防車道間距大于150 m,于是在斗輪機基礎平臺側面增加了消防車道。消防車道凈寬不應小于4 m,凈高不宜小于5 m,在困難地段不應小于4.5 m。坡度不宜大于8%。
確定封閉煤場與四周消防車道之間的距離時,應考慮推煤機、裝載機和消防車的轉彎半徑,普通消防車轉彎半徑一般為9 m。如運煤汽車需進入煤場卸煤,還應考慮運煤汽車的轉彎半徑。
GB 50229—2019[4]規(guī)定,每座室內貯煤場最大允許占地面積不應大于50 000 m2。每個防火分區(qū)面積不宜大于12 000 m2,當防火分區(qū)面積大于12 000 m2時,防火分區(qū)之間應采用寬度不小于10 m的通道或高度大于煤堆表面高度3 m的防火墻進行分隔。
新標準的頒布解決了困擾電力行業(yè)多年的面積大于12 000 m2的條形封閉煤場消防驗收難以通過的問題。圓形煤場的特點決定其防火分區(qū)之間不可能設置寬度不小于10 m的通道且難于設置高度大于煤堆表面3 m的防火墻,建議選擇直徑不大于120 m的圓形煤場。
不同煤種混堆時更容易自燃,應分類堆放。相鄰煤堆底邊之間應留有不小于10 m的距離[4]。貯存褐煤和高揮發(fā)分煙煤的貯煤場,其面積在計算時可加大5%~10%[5]。
常見的封閉煤場形式包括:圓形封閉煤場、條形封閉煤場和球型薄殼混凝土煤場等,其中條形煤場根據圍護結構材料不同又分為空間網格結構形式(網架、立體桁架和張弦結構)和氣膜結構形式。
據了解,球型薄殼混凝土煤場在國內電力行業(yè)的應用僅有大唐清苑電廠。該電廠煤場沒有堆取料設備,靠燃煤自然堆積儲存并自流至底部的卸煤溝運出煤場。據了解,卸煤溝經常堵塞導致排料困難,需借助高壓水槍排料。
近年來,氣膜結構煤場因施工周期短、造型美觀、造價較低、可輕松實現大跨度等優(yōu)點在國內逐步得到應用。氣膜材料燃燒性能等級為B1級(難燃材料)。據了解,國內最早投入運行的巴彥淖爾洗煤廠氣膜煤場曾因大風吹落煤場周圍建筑物的壓型鋼板并飄落至煤場上方導致漏氣坍塌。目前氣膜煤場在電力行業(yè)的運行業(yè)績較少。據了解,河北建投已投運的幾個氣膜煤場至今尚未通過消防驗收。目前國內關于氣膜建筑的設計標準僅有CECS 158∶2015《膜結構技術規(guī)程》,尚無相關的驗收規(guī)范。
綜上所述,建議慎重選用球型薄殼混凝土煤場和氣膜結構條形煤場。
按儲存物品的火災危險性分類,封閉煤場屬于丙類建筑物,耐火等級為二級[4]。
封閉煤場采用鋼結構時,應符合下列規(guī)定:①煤堆表面距離鋼結構構件小于或等于3 m范圍內的鋼結構稱重件應采取防火保護措施,且耐火極限不應小于2.50 h。②煤堆表面下與煤接觸的混凝土擋墻應采取隔熱措施[4]。
建議網格結構煤場內部檁條宜采用方鋼,以減少煤塵的附積。
對于易自燃的煤種,如果儲煤時間已達到表1規(guī)定的時間,建議不宜再考慮直通功能。工藝流程要盡可能實現燃煤的先進先出。如條件允許,建議條形煤場的煤場設備選用回取率高的刮板取料機和門式斗輪堆取料機。即使選擇懸臂斗輪堆取料機,也宜選擇較長的懸臂,以提高回取率。無人值守堆取料機在國內已有運行業(yè)績,如條件允許,建議選用。
從儲煤設施取煤的第一條皮帶機應設置明火煤檢測設施。當檢測到明火時,可緊急停機并采取相應的滅火措施。封閉煤場內的皮帶機應選用阻燃膠帶。
GB26164.1—2010[6]規(guī)定,儲煤場不得超設計能力存儲。儲煤場內煤堆底部與靠近煤堆的鐵軌、非承重擋風墻、干煤棚、立柱支架等之間至少應有1.5 m的距離,如有裝煤或卸煤的機械(如坦克抓煤機、推煤機等)需要在其間進行工作時,還應適當放寬。
對于儲存時間較長的條形煤場,需利用推煤機將煤堆分層壓實,煤堆頂部寬度不宜小于6 m。當采用懸臂斗輪堆取料機時,因其回取率不高,需推煤機輔助作業(yè),建議煤堆邊緣與煤場擋墻之間考慮寬度為4~5 m的推煤機作業(yè)通道。當煤場擋墻上部設置消防炮和射霧炮時,建議采用懸挑平臺并保證其下部凈空不小于5 m。
圓形煤場刮板取料機回取率較高,只是在取料機或中心料斗下部的給料機故障時才需推煤機入場應急作業(yè)。圓形煤場的特點決定其無法滿足煤堆底部與側墻之間至少有1.5 m距離的要求。在煤場地面(地下通廊上部的旁邊)需考慮從大門去堆取料機中心柱區(qū)域5 m寬的通道,作為取料機操作人員進出和推煤機應急作業(yè)的通道。
封閉煤場的安全出口不應少于2個,矩形煤場的安全出口的數量尚與防火分區(qū)相對應[4]。
對于圓形煤場,若在側墻設2個安全出口,會大大影響其儲量,是很不經濟的,一般在側墻只能設1個安全出口。因此,建議優(yōu)先選用門架式堆取料機,門架—側墻—側墻外的鋼梯可作為第2個安全出口。若采用懸臂堆取料機則無法保證2個安全出口的要求,消防驗收很難通過。
對于采用懸臂斗輪堆取料機的條形煤場,因推煤機輔助作業(yè)工作量大,建議在煤場四周適當多留車輛出口。車輛出口可以和安全出口一并考慮。
國際工程應按NFPA 101的要求設置安全出口。
1)通風
圓形煤場一般采用自然通風方式,進風口在側墻頂部和網殼之間,排風口在網殼頂部。據了解,大多數煤場通風效果較好,未出現過粉塵濃度過高的情況,個別項目出現過局部(在進煤場棧橋下部)粉塵濃度過高并導致增加排風設備的情況。
條形煤場一般采用自燃通風方式,進風口在擋墻頂部和網架之間,通過屋頂的避風天窗或屋頂通風器排風。據了解,個別項目出現過粉塵濃度超標的情況。
封閉煤場自然通風進風口、排風口面積和位置的確定,目前尚無有效的常規(guī)計算方法,可采用數值模擬方法 (computational fluid dynamics,CFD)對多種通風方案比選后確定最佳通風方案。
DL/T 5187.2—2019[7]規(guī)定,條形封閉煤場的通風換氣次數,可按1~1.5次/h設計。
2)除塵
GBZ 2.1—2019[8]規(guī)定,當煤塵中游離二氧化硅含量小于10%時,工作場所空氣中總塵濃度不應大于 4 mg/m3,呼塵濃度不應大于 2.5 mg/m3。
封閉煤場采用噴槍或射霧炮對煤堆定期噴灑降塵,需覆蓋整個煤堆表面。每次累計噴淋時間過長時,供水泵最大流量可大于150 m3/h[7]。
為減少堆取料機作業(yè)時的粉塵污染,需在懸臂皮帶機卸料處設水霧或微霧抑塵設施。微霧抑塵設施可按照DL/T 1521—2016《火力發(fā)電廠微米級干霧除塵裝置》的要求設置。
DL/T 5187.3—2012[9]規(guī)定,筒倉和封閉式煤場應設置安全檢測系統(tǒng)。安全檢測系統(tǒng)應具備溫度、可燃氣體(包括CH4和CO)、煙氣、粉塵濃度檢測報警等功能。DL 5027—2015[10]也要求考慮測溫設施。2017年中國電力規(guī)劃設計協(xié)會在成都召開封閉式儲煤系統(tǒng)專題研討會并形成紀要(部分內容):“封閉式圓形煤場和封閉式條形煤場內部空間較大,當煤場通風條件較好時,CO和CH4等有害氣體聚集濃度較小,是否需要設置CO和CH4的安全檢測裝置還有待探討;在此條件下,煤場內電氣設備是否必須按防爆標準配置及有關防爆設計標準的合理性也有待探討?!彪娏π袠I(yè)標準《封閉式貯煤設施安全防護設計規(guī)程》已開始征求意見,期望盡快頒布實施。
1)測溫裝置
燃煤自燃前一般都伴有溫度升高,因此對溫度的測量和控制是必需的。設溫度檢測裝置對煤堆進行定期測溫,測溫周期見表1。潛伏期臨界溫度為70℃。檢測報警溫度通常設為60℃。當溫度達到60℃警戒溫度時,應立即采取倒堆散熱措施。
目前感溫探測主要有3種:①人工手持移動式溫度探測器,有效距離有限;②紅外自動跟蹤掃描裝置;③埋在墻內探測與墻體接觸的煤的探測裝置。
圓形煤場一般在側墻下部區(qū)域設3層光纖測溫電纜。條形煤場因煤堆與擋墻之間設有推煤機作業(yè)通道,一般在網架步道附近設紅外溫度掃描儀。
據了解,對于煤場溫度檢測裝置,無論是預埋的插桿式、線纜式,或是移動插桿式,還是非接觸式遠紅外線測溫方式,均存在測溫覆蓋面不全、使用效果不佳的問題。目前尚無更好的辦法。
2)粉塵濃度和可燃氣體(CH4和CO)濃度檢測裝置
監(jiān)側裝置可對煤場內粉塵濃度和可燃氣體濃度進行實時監(jiān)控并將數據傳送至控制系統(tǒng),一旦發(fā)現濃度超標即自動啟動事故排風裝置。
因可燃氣體比空氣輕,檢測裝置需設置在煤場上部區(qū)域。圓形煤場一般在馬道附近每隔25 m設1組可燃氣體濃度檢測裝置和粉塵濃度檢測裝置。條形煤場一般在馬道附近沿煤場方向每隔50~60 m設1組煤塵濃度檢測裝置,每隔15~30m設1組可燃氣體檢測裝置。
可燃氣體探測器通過可燃氣體控制器將報警信號送至火災自動報警系統(tǒng)。通過設定可燃氣體探測器的探測報警值可提前預警引起燃燒的可燃氣體濃度。據了解,受檢測裝置在煤場安裝位置的限制及傳感器技術性能的影響,CO和CH4安全檢測裝置的使用效果并不理想。
燃煤堆取作業(yè)時,封閉煤場內會產生大量煤塵。當煤塵溶度達到爆炸極限,若再遇明火就會發(fā)生爆炸造成人員傷亡和財產損失。據了解,目前國內多數電力設計院尚未對輸煤系統(tǒng)進行防爆設計,這無疑給電廠的安全運行帶來隱患。國內項目應按照GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、DL/T 5203—2005《火火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設計技術規(guī)程》、GB 15577—2018《粉塵防爆安全規(guī)程》、GB/T 29304—2012《爆炸危險場所防爆安全導則》的要求進行粉塵防爆設計,建議不考慮氣體防爆設計。筆者在外企工作期間,電氣專業(yè)需根據IEC 60079—10—2的要求對輸煤系統(tǒng)劃分防爆分區(qū),并將分區(qū)圖分發(fā)至相關專業(yè),據此進行設備采購和相關設計工作。筆者作為設總曾主持了幾個大型煤化工項目的物料輸送系統(tǒng)設計,總體院均要求對物料輸送系統(tǒng)劃分防爆分區(qū)。
封閉煤場應選擇感溫型火災探測器。探測器的信號可傳送至輸煤控制室并發(fā)出聲光報警。在煤場出入口附近設手動報警按鈕及聲光報警器,用于快速報警?;馂淖詣訄缶到y(tǒng)需滿足GB 50116—2017《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》和GB 50166—2019《火災自動報警系統(tǒng)施工及驗收標準》的要求。
應保證至少1門消防炮的水柱達到煤場任一點[4]。一般采用固定消防炮。條形煤場的消防炮一般布置在馬道附近,其高度應保證消防炮的射流不受上部網架構件影響。消防炮數量需計算后確定。圓形煤場在側墻頂部懸挑平臺周圈均布6套消防炮,堆取料機中心柱走道板周圈均布3套消防炮。以環(huán)錐形煤堆的頂部為界,其兩側分別由相側墻處或中心柱處的消防炮保護。
消防炮即可遠程自動控制和遠程手動控制,還可就地控制,作為應急時使用。無論系統(tǒng)處于何種狀態(tài),當工作人員發(fā)現火災發(fā)生,可就地啟動消防炮實施滅火。
建議選用自動跟蹤定位消防炮系統(tǒng)。消防炮采用紅外影像探測裝置對著火點實施空間定位,當火災發(fā)生時可自動指向火源點定點撲救??砂凑誈B 25204—2010《自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)》的要求設計。
國際工程應按照NFPA 850的要求進行消防設計。
電纜防火設計應遵守DLGJ 154—2000《電纜防火措施設計和施工驗收標準》和GB 50217—2018《電力工程電纜設計規(guī)范》。
煤堆下面禁止敷設電纜、蒸汽管道、可燃氣體管道和可燃液體管道。
建議在施工圖說明中增加“定期清理建筑內壁附塵和架空電纜上部積塵”的運行要求。
文章提出了儲存易自燃煤封閉煤場設計時應注意的問題,給出如下建議:1)根據燃煤特性和運輸條件確定儲煤時間;2)合理進行總圖布置;3)合理確定煤場占地面積和防火分區(qū);4)合理選擇煤場結構形式并進行結構防火設計;5)合理擬定工藝工程,盡可能實現燃煤先進先出;6)選擇合適的煤場設備,考慮移動機械作業(yè)通道;7)合理設置安全出口和車輛出口;8)優(yōu)化通風除塵設計,合理設置安監(jiān)系統(tǒng);9)應進行防爆設計,重視消防設計;10)施工圖說明增加相關運行要求。