某兆瓦級氫能綜合利用站消防水系統(tǒng)設(shè)計

畢麗敏

（安徽省建筑設(shè)計研究院總院股份有限公司， 合肥 230092）

1 工程概況

某兆瓦級氫能綜合利用站采用純水電解制氫（PEM）制備氫氣經(jīng)氫燃料電池發(fā)電。 建有純水電解制氫車間、 燃料電池發(fā)電車間、 配電綜合樓等子項。 目前項目首臺燃料電池發(fā)電機組成功并網(wǎng)發(fā)電， 標志著國內(nèi)首座兆瓦級PEM、 儲氫及氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)首次實現(xiàn)全鏈條貫通［1］。 通過PEM技術(shù)將波谷時過剩的電力轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來， 在用電高峰時再經(jīng)氫燃料電池發(fā)電將氫能轉(zhuǎn)變成電能并入電網(wǎng)使用， 將氫能技術(shù)用于儲能技術(shù)來替代火力發(fā)電調(diào)峰措施， 助力碳達峰碳中和， 具有典型示范價值［2］。

本項目制氫及發(fā)電系統(tǒng)主要由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)（制氫系統(tǒng)和壓縮儲氫系統(tǒng)）、 燃料電池電堆和配套的空氣供應(yīng)系統(tǒng)、 冷卻塔（水熱管理系統(tǒng)）和電氣及自動控制系統(tǒng)等組成。 水電解制氫系統(tǒng)產(chǎn)生的氧氣不做回收直接排入大氣。

2 消防設(shè)計主要原則

本項目是國內(nèi)第1 個兆瓦級氫能源儲能電站，在本站內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)制氫、 儲氫、 售氫、 氫能發(fā)電等多種功能［2］， 對于此類項目既無針對性的消防設(shè)計規(guī)范， 又無可借鑒工程設(shè)計案例， 采用何種規(guī)范、如何把握成了關(guān)鍵的問題。 依據(jù)“以水滅火為主，化學(xué)滅火為輔及其他方式滅火相結(jié)合”制定了本項目消防設(shè)計遵循的規(guī)范及基本原則， 確定本項目參照GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、 DL 5027—2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》、 GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》、 GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018 年版）等現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程進行設(shè)計、 施工圖審查。

3 消防技術(shù)措施

本工程主要危險介質(zhì)為氫氣， 主要工藝為制氫、儲氫、 發(fā)電， 結(jié)合工程特點， 應(yīng)重點防范氫氣在生產(chǎn)、 輸送和儲存過程中發(fā)生泄漏后遇到點火源產(chǎn)生火災(zāi)爆炸的事故， 以及電氣設(shè)備系統(tǒng)中人身傷害和設(shè)備事故造成人員傷亡及系統(tǒng)火災(zāi)事故的發(fā)生。

3.1 防火防爆設(shè)計

氫氣與空氣混合能形成爆炸性混合物， 遇熱或明火即會發(fā)生爆炸， 因此在工程設(shè)計及運行中應(yīng)采取“預(yù)防為主， 防消結(jié)合”的消防設(shè)計原則， 從設(shè)計源頭做到本質(zhì)安全， 工程設(shè)計中從總圖布置、 工藝設(shè)計、 電氣電信、 建筑等專業(yè)均采用防火防爆的設(shè)計， 防止運行中發(fā)生火災(zāi)及爆炸的事故。

3.1.1 總平面布置

站區(qū)新建生產(chǎn)車間、 高壓氫氣罐區(qū)、 冷卻塔、配電綜合樓等。 生產(chǎn)車間內(nèi)布置有PEM 單元（制氫裝置、 制氫輔助車間）、 燃料電池發(fā)電單元（燃料電池堆、 發(fā)電輔助系統(tǒng)）、 變配電系統(tǒng)等單元。 總平面布置嚴格按照GB 50177—2005、 GB 50016—2014（2018 年版）等相關(guān)條款執(zhí)行。

高壓氫氣儲罐區(qū)及生產(chǎn)車間布置在站區(qū)的西北側(cè)， 配電綜合樓布置在站區(qū)的南側(cè)， 高壓氫氣儲罐區(qū)到圍墻的最小距離5.5 m。 主生產(chǎn)車間、 罐區(qū)四周建有寬4 m， 轉(zhuǎn)彎半徑9 m 的環(huán)形消防通道， 主要生產(chǎn)區(qū)域四周建有2.5 m 高的實體圍墻與配電綜合樓進行分隔。 配電綜合樓前寬6 m 的道路， 樓的其他3 面建有2.3 m 高的柵欄圍墻。 總平面布置如圖1 所示。

圖1 總平面布置Fig. 1 General layout

3.1.2 工藝設(shè)計

本項目配套1 套氮氣吹掃系統(tǒng)， 用以保護氫氣安全使用和儲存。 氫氣儲罐上或其進氣／出氣管第1 個切斷閥前設(shè)置泄壓用安全閥。 氫氣壓縮機分級設(shè)置安全閥， 且安全閥設(shè)有防護罩， 排出的氫氣接至室外。 氫氣壓縮機的進氣管設(shè)有低壓超限報警裝置、 停機聯(lián)鎖。

水電解制氫系統(tǒng)的氫氣排空口前設(shè)有阻火器，防止雷擊等外部火源返回引起氫氣著火。 阻火器安裝在靠近氫氣排空口處。 阻火器后的氫氣管道采用不銹鋼管材。 冷卻水管路設(shè)有斷水保護裝置， 并設(shè)置報警和停機聯(lián)鎖。 水電解制氫系統(tǒng)設(shè)置必要的自控及監(jiān)測裝置： 壓力傳感器、 溫度傳感器、 氣體濃度探測器。 同時能滿足報警后自動停車。

3.1.3 建（構(gòu)）筑物消防設(shè)計

站內(nèi)主要建筑物中， 生產(chǎn)車間為耐火等級為二級的甲類建筑物， 配電綜合樓為耐火等級為二級的丙類建筑物。 各建（構(gòu)）筑物構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限均按GB 50016—2014（2018 年版）的要求進行設(shè)計。 配電綜合樓的室內(nèi)裝修均采用不燃和難燃材料。 生產(chǎn)車間內(nèi)有爆炸危險性房間設(shè)置防爆墻。 對于有氫氣存在的爆炸危險性房間， 如制氫車間及燃料電池發(fā)電車間等設(shè)置了防爆泄壓設(shè)施。 生產(chǎn)車間內(nèi)的控制室， 采用耐火極限不低于3.0 h 的防火隔墻與其他部位分隔。 站內(nèi)的電解純化間、 工藝集裝間、 電源電氣間等房間的門均朝疏散方向開啟或朝向公共走道， 采用防火門。 室內(nèi)裝修均采用不燃和難燃材料。

3.1.4 電氣的防雷及防靜電設(shè)計

站內(nèi)設(shè)置2 根獨立避雷針， 建筑物四周埋設(shè)環(huán)形接地網(wǎng)。 氫氣儲罐設(shè)置2 處防雷接地［3］， 使用鍍鋅扁鐵與接地極相連。 氫氣管道的每對法蘭間設(shè)置導(dǎo)線跨接。 氫氣儲罐區(qū)和生產(chǎn)車間入口處設(shè)置防爆型人體靜電導(dǎo)除裝置。 在防爆區(qū)域的電氣設(shè)備及燈具采用防爆電機， 制氫車間及發(fā)電車間采用防爆燈具。

3.1.5 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

本工程設(shè)置1 套火災(zāi)自動報警系統(tǒng)， 系統(tǒng)由智能光電煙感探測器、 智能紅外對射煙感探測器、線形定溫電纜， 手動報警按鈕、 聲光訊響器等部分組成。 氫燃料電池發(fā)電車間、 制氫車間設(shè)置氫氣濃度探測裝置， 事故風(fēng)機與氫氣濃度探測裝置聯(lián)鎖［3］， 當探測的氫氣濃度達到0.4% 時， 開啟事故通風(fēng)機。 各建筑物、 電纜設(shè)施均布置了火災(zāi)探測報警系統(tǒng)。

電解變壓器間布置有變壓器等電器設(shè)備， 配電、 逆變室布置有逆變器、 配電柜等電器設(shè)備， 電容器間布置有電容器等電器設(shè)備， 散熱量較大， 室內(nèi)設(shè)計自然進風(fēng)機械排風(fēng)系統(tǒng)排除室內(nèi)余熱， 進風(fēng)采用雙層鋁合金百葉窗， 排風(fēng)采用屋頂風(fēng)機， 通風(fēng)量按排除室內(nèi)余熱所需的風(fēng)量確定， 同時不小于12 次／時的換氣次數(shù)。 風(fēng)機與消防報警系統(tǒng)聯(lián)鎖，火災(zāi)時自動停機。 發(fā)電、 制氫電子設(shè)備間室內(nèi)的設(shè)備對室內(nèi)溫度有一定要求， 室內(nèi)設(shè)置空調(diào)， 空調(diào)采用風(fēng)冷熱泵型柜式空調(diào)機。 空調(diào)機與消防報警系統(tǒng)聯(lián)鎖， 火災(zāi)時自動停機。

3.2 總體消防水設(shè)計

3.2.1 室內(nèi)外消防水設(shè)計

本項目消防水源采用市政供水， 供水水壓為0.25 MPa， 從市政給水管網(wǎng)上引入2 根DN 150 給水管。 本項目室外消防設(shè)計流量為25 L／s， 所需壓力不大于0.25 MPa， 室內(nèi)消防設(shè)計流量為10 L／s，所需壓力大于0.25 MPa。 市政供水壓力能滿足站區(qū)室外消防水量及消防壓力的要求， 但不能滿足室內(nèi)消防壓力的要求， 因此本項目水消防系統(tǒng)分為室內(nèi)、 室外2 個系統(tǒng)。

室外消防水系統(tǒng)由市政管網(wǎng)直接供給， 引入的2 根DN 150 給水管在站區(qū)內(nèi)形成環(huán)狀消防給水管網(wǎng)， 環(huán)狀管網(wǎng)上設(shè)置SQS150－1.0 室外地上式消火栓， 間距不超過60 m， 距道路邊不大于2.0 m， 距建筑物不小于5.0 m。

室內(nèi)消防設(shè)置獨立的消火栓給水系統(tǒng)， 室內(nèi)消火栓設(shè)計流量為10 L／s， 火災(zāi)持續(xù)時間為3.0 h，一次滅火最大消防水量為108 m3， 1 套地上式箱泵一體化消防泵站和1 套屋頂消防水箱（含穩(wěn)壓設(shè)備）供給室內(nèi)消火栓用水。 箱泵一體化消防泵站參數(shù)：有效容積108 m3不銹鋼水箱； 2 臺消火栓泵（1 用1備）， 單泵參數(shù)Q ＝10 L／s， H ＝50 m， N ＝15 kW。屋頂消防水箱（含穩(wěn)壓設(shè)備）設(shè)備： 有效容積12 m3不銹鋼水箱； 2 臺消防穩(wěn)壓泵（1 用1 備）， 單泵參數(shù)Q ＝2.0 L／s， H ＝25 m， N ＝1.5 kW； 1 只穩(wěn)壓罐， 調(diào)節(jié)容積300 L。

站內(nèi)的建（構(gòu)）筑物主要有配電綜合樓、 生產(chǎn)車間、 高壓氫氣儲罐。 根據(jù)GB 50016—2014（2018年版）和GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定， 配電綜合樓和生產(chǎn)車間內(nèi)設(shè)置室內(nèi)消火栓滅火系統(tǒng)。 生產(chǎn)車間的氫氣壓縮機房、 燃料電池間、 發(fā)電制氫電子設(shè)備間等位置的消火栓均設(shè)置水霧兩用槍。

3.2.2 高壓氫氣儲罐區(qū)消防水設(shè)計

儲罐區(qū)設(shè)有高壓氫氣儲罐4 個， 每個氣瓶容積2.25 m3， 儲氫量為1 800 Nm3， 儲罐壓力為20 MPa， 溫度為－40 ～60 ℃。 氫氣與空氣混合能形成爆炸性混合物， 遇熱或明火即會發(fā)生爆炸， 因此氫氣的滅火方法首先是切斷氣源。 在發(fā)生火災(zāi)初期，及時切斷氣源的同時對儲罐進行水霧冷卻， 建議室外的高壓氫氣罐區(qū)設(shè)置冷卻用的移動式水霧槍。 因此在高壓氫氣儲罐周圍加密增設(shè)了室外消火栓， 同時配置水霧槍用以火災(zāi)發(fā)生初期對儲罐冷卻降溫，防止溫度升高引起爆炸。

3.3 建筑滅火器配置

為及時有效撲救初期火災(zāi)， 站內(nèi)各建筑物按DL 5027—2015 和GB 50140—2005《建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求配置移動式滅火器。

磷酸銨鹽干粉滅火劑由無機鹽和粉碎干燥的添加劑組成， 滅火后干粉顆粒會附著在電氣設(shè)備及各類精細元件上， 導(dǎo)致設(shè)施難以繼續(xù)使用， 故選用二氧化碳滅火器。

電解純化間和工藝集裝間按E（A）類嚴重危險級配置， 電源電氣間、 電解控制間等房間按E（A）類中危險級配置。

4 結(jié)語

根據(jù)國家發(fā)改委、 國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》， 到2025年會形成較為完善的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度政策環(huán)境，有序推進氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)， 強化氫能基礎(chǔ)設(shè)施安全管理， 構(gòu)建安全、 穩(wěn)定、 高效的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。氫能產(chǎn)業(yè)會蓬勃發(fā)展， 越來越多的氫能綜合利用項目會投入建設(shè)， 期望本項目消防系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗?zāi)転楣こ淘O(shè)計人員提供借鑒。

根據(jù)消防設(shè)計咨詢會專家組意見， 確定了設(shè)計參照的消防規(guī)范規(guī)程， 在PEM 單元、 制氫裝置、 制氫輔助車間配置二氧化碳滅火器， 消火栓配置了水霧兩用槍。 對室外的高壓氫氣罐區(qū)采用移動式水霧槍冷卻方式。 同時， 從射程和使用便捷性角度考慮，建議氫氣儲罐區(qū)在有條件情況下采用水霧兩用遙控水炮。