水電工程主廠房防火防煙分區(qū)劃分的探討

王繼琳 林志勇

(1.中國(guó)電建集團(tuán)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京;2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州)

1 研究背景

鑒于水電工程的特殊性,GB 50872—2014《水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《水規(guī)》)修編過(guò)程中,防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如套用GB 55037—2022《建筑防火通用規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《建通規(guī)》)、GB 55036—2022《消防設(shè)施通用規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《消通規(guī)》)、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)(以下簡(jiǎn)稱《建規(guī)》)和GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《煙規(guī)》)中的相關(guān)條款,不能滿足水電工程的特殊布置、消防效果、工藝要求和運(yùn)維特點(diǎn)的需要。

為此,本文通過(guò)對(duì)地下主廠房發(fā)電機(jī)層的火災(zāi)危險(xiǎn)性、火災(zāi)場(chǎng)景、煙氣的流動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行分析,探討影響安全疏散的因素,以區(qū)分水電工程與一般公共建筑的本質(zhì)差別,以及需要在防火分區(qū)、防煙分區(qū)和疏散距離方面采取不同的規(guī)定,以滿足水電工程設(shè)計(jì)的防火要求和生產(chǎn)運(yùn)行要求。利用火災(zāi)性能化設(shè)計(jì)的思維方式和火災(zāi)模擬軟件(FDS),得到支撐規(guī)范條款的理論依據(jù),為《水規(guī)》的修編提供技術(shù)支撐,提高規(guī)范的適用性和科學(xué)性。

2 主廠房火災(zāi)的特點(diǎn)

水電站是特殊的工業(yè)建筑,主要以水能為動(dòng)力生產(chǎn)電力,主廠房布置水輪發(fā)電機(jī)及輔助生產(chǎn)設(shè)備,運(yùn)行全過(guò)程無(wú)需生產(chǎn)人員干預(yù),自動(dòng)化程度高,平時(shí)廠房?jī)?nèi)只有一定的維護(hù)、巡視及檢修人員。隨著大型水電站智能運(yùn)維技術(shù)的進(jìn)一步提高,主廠房將全面推廣“無(wú)人值班,少人值守”[1]。

從水電站火災(zāi)的既有案例和水電站布置可以看出,水電站火災(zāi)具有以下特點(diǎn):除個(gè)別高壓設(shè)備產(chǎn)生瞬時(shí)絕緣短路、局部高壓放電爆炸外,火災(zāi)基本能早期發(fā)現(xiàn),火勢(shì)蔓延緩慢;但地下廠房隔絕火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行撲救后,煙氣難以排出,易在水電站洞室群內(nèi)局部積累。水電站的防火特點(diǎn)與普通民用建筑有以下不同:

1) 危險(xiǎn)源不同:水電站雖然各種發(fā)電設(shè)備較多、布置擁擠,但設(shè)備和電纜本身采取了嚴(yán)格、可靠的絕緣和防火措施,火災(zāi)危險(xiǎn)性高的丙類設(shè)備集中布置、單獨(dú)分隔,盡可能從源頭上杜絕了火災(zāi)的發(fā)生和蔓延;

2) 人員消防素質(zhì)不同:水電站內(nèi)工作人員均經(jīng)過(guò)上崗前消防培訓(xùn),在廠房?jī)?nèi)時(shí)處于值守的工作狀態(tài),精力集中,對(duì)火災(zāi)反應(yīng)迅速,人員消防素質(zhì)較高;

3) 消防設(shè)施配置不同:水電站廠房?jī)?nèi)各危險(xiǎn)場(chǎng)所均具有完善的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng),主要設(shè)備場(chǎng)所配置有固定式滅火裝置,消防設(shè)施完善,火災(zāi)初期立足于自救,預(yù)案齊全、完善,主要保護(hù)發(fā)電設(shè)備,與民用建筑主要側(cè)重人員疏散、避免重大傷亡不同。

3 相關(guān)規(guī)范的要求

《水規(guī)》第3.0.1條規(guī)定,主廠房、主變洞的火災(zāi)危險(xiǎn)類別為丁類。

關(guān)于防火分區(qū),《建規(guī)》第3.3.1條規(guī)定,丁類廠房的耐火等級(jí)為一、二級(jí)時(shí),單層、多層廠房的最大防火分區(qū)面積不限,地下(含半地下)廠房的最大防火分區(qū)面積為1 000 m2;第3.4.1條規(guī)定,丁類廠房的耐火等級(jí)為一、二級(jí)時(shí),最小防火間距不小于10 m[2]。

關(guān)于防煙分區(qū),《煙規(guī)》第4.2.4條規(guī)定,空間凈高大于6 m時(shí),最大防煙分區(qū)面積為2 000 m2[3];《消通規(guī)》第11.3.2條規(guī)定,設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)的場(chǎng)所應(yīng)結(jié)合該場(chǎng)所的空間特性和功能分區(qū)劃分防煙分區(qū),防煙分區(qū)及其分隔應(yīng)滿足有效蓄積煙氣和阻止煙氣向相鄰防煙分區(qū)蔓延的要求[4]。

關(guān)于疏散距離,《建規(guī)》第3.7.4條規(guī)定,耐火等級(jí)為一、二級(jí)的丁類地面廠房,到最近安全出口的距離不限,地下或半地下廠房到最近安全出口的距離不大于45 m[2]。

4 主廠房防火分區(qū)的劃分

建筑物內(nèi)劃分防火分區(qū),是為了在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí),有效地把火勢(shì)控制在一定的范圍內(nèi),減少損失,同時(shí)可以為人員安全疏散、消防撲救提供有利條件。防火分區(qū)面積的確定應(yīng)考慮建筑的功能、使用性質(zhì)、重要性、火災(zāi)危險(xiǎn)性、消防撲救能力及火災(zāi)蔓延的速度等因素。

水力發(fā)電廠主廠房的防火分區(qū),是根據(jù)水力發(fā)電廠的設(shè)備布置,在廠房?jī)?nèi)部采取必要的防火墻、樓板及其他等效的防火分隔措施進(jìn)行分隔,用以控制和防止火災(zāi)向其他臨近區(qū)域蔓延。

《水規(guī)》第5.1.4條規(guī)定,水力發(fā)電廠主廠房火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為丁類,其防火分區(qū)面積不限,是以《建規(guī)》“丁類建筑防火分區(qū)面積不限,一、二級(jí)耐火等級(jí)的建筑防火分區(qū)間距不應(yīng)小于10 m”為依據(jù)。同時(shí)水力發(fā)電廠的中、大型水輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)組段間距一般都大于10 m。發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)上是豎向安裝,1臺(tái)機(jī)組跨越4層,同時(shí)發(fā)電機(jī)整體安裝在混凝土風(fēng)洞內(nèi),且風(fēng)洞內(nèi)布置固定式滅火裝置。目前國(guó)內(nèi)的發(fā)電機(jī)組主要采用風(fēng)洞內(nèi)水噴淋或氣體滅火方式,發(fā)生事故時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置,機(jī)組間的距離滿足火災(zāi)隔離要求,對(duì)相鄰機(jī)組的影響較小。在水電工程項(xiàng)目中,尚未發(fā)生過(guò)機(jī)組火災(zāi)擴(kuò)散、危害到相鄰機(jī)組的事故案例。部分穿越機(jī)組段的電纜橋架,也在機(jī)組段間采取了防火隔離措施。因此,目前水電工程主廠房防火分區(qū)面積不限,是滿足實(shí)際工程安全需求、與相關(guān)規(guī)范要求一致的。

另外需要說(shuō)明的是,水電站地下廠房往往位于山體下數(shù)百米,甚至上千米,廠房?jī)?nèi)的布置與地面廠房沒(méi)有本質(zhì)的差別,結(jié)構(gòu)上均達(dá)到一級(jí)耐火等級(jí)。因此防火分區(qū)的劃分原則也與地面廠房一致,可以滿足水電工程的運(yùn)維安全。

此外,地下廠房主變洞中的油浸式變壓器由防火墻封閉在變壓器室內(nèi),同時(shí)主變洞周圍也設(shè)置了固定式水噴霧滅火設(shè)施。主變洞其他電氣設(shè)備的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別均為丁類。因此主變洞的防火分區(qū)面積也不限。

5 主廠房防煙分區(qū)的劃分

防煙分區(qū)利用擋煙垂壁、擋煙隔墻等來(lái)劃分,把火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的煙氣控制在一定的區(qū)域內(nèi)。防煙分區(qū)不得跨越防火分區(qū)。設(shè)置防煙分區(qū)可以使煙氣集中在一定的區(qū)域,通過(guò)排煙設(shè)備將煙氣排放至室外,從而為建筑內(nèi)人員的疏散和消防隊(duì)員撲救贏得更多時(shí)間。

《煙規(guī)》第4.1.3條的條文說(shuō)明明確指出,當(dāng)產(chǎn)生的煙氣在廠房中出現(xiàn)“層化”現(xiàn)象時(shí)(即煙層與周圍空氣溫差小于15 ℃時(shí)),應(yīng)采用機(jī)械排煙方式排煙。

水電工程發(fā)電機(jī)層的火災(zāi)荷載低、空間大,發(fā)電機(jī)層失火可能產(chǎn)生煙氣的主要設(shè)備是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子的絕緣材料及發(fā)電機(jī)控制盤(pán),失火位置低、面積明顯小于發(fā)電機(jī)層面積。以往的科研及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)都顯示,火災(zāi)煙氣以自由熱射流形式上升,在一定高度聚集形成煙氣層并向廠房?jī)啥肆鲃?dòng)[5]。

發(fā)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi)時(shí),機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)的滅火裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行滅火降溫,同時(shí)發(fā)電機(jī)組封閉在風(fēng)洞內(nèi),多數(shù)煙氣熱量擴(kuò)散不到發(fā)電機(jī)層?？蒲谐晒砻?火災(zāi)煙氣到橋機(jī)軌道高程就開(kāi)始層化、擴(kuò)散,變成“孤云”狀態(tài)[6],與按照煙氣計(jì)算理論得出的溫差達(dá)到15 ℃后煙氣不再上升也是相符的。

廠房頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)啟、熱空氣層的去除將消除分層的條件,使得煙氣能夠到達(dá)頂部,即進(jìn)入儲(chǔ)煙倉(cāng)。煙氣分層現(xiàn)象是在“沒(méi)有氣流擾動(dòng)的情況下”出現(xiàn)的,所以按設(shè)定火災(zāi)條件設(shè)計(jì)的機(jī)械排煙系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)廠房?jī)?nèi)不會(huì)出現(xiàn)煙氣分層[7]。

因此,發(fā)電機(jī)層劃分防煙分區(qū)意義不大,最有效的排煙是采用大風(fēng)量機(jī)械排煙,把懸浮的“孤云”煙氣排出。

因此,《水規(guī)》修編時(shí)相關(guān)條款修訂為:封閉廠房及非地面廠房發(fā)電機(jī)層應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng),排煙量可按1臺(tái)機(jī)組段面積計(jì)算,不小于120 m2/(m2·h),防煙分區(qū)不得跨越防火分區(qū),面積不限。

根據(jù)以上分析,如果主廠房劃分為1個(gè)防火分區(qū),則主廠房發(fā)電機(jī)層可作為1個(gè)防煙分區(qū)。

6 主廠房疏散距離的確定

廠房?jī)?nèi)人員能否安全疏散及疏散的距離長(zhǎng)度,取決于可用安全疏散時(shí)間(available safe evacuation time,ASET)和需要安全疏散時(shí)間(requires safe evacuation time,RSET)之間的關(guān)系,在ASET大于RSET的情況下,人員的安全疏散才能得以保證。

ASET即為煙氣下降到危險(xiǎn)高度處對(duì)人員安全疏散造成負(fù)面影響的時(shí)間。

主廠房火災(zāi)載荷小,可控制在1.5 MW以下。發(fā)電機(jī)層高度高,一般為18～20 m,空間大,容煙量也大,設(shè)有機(jī)械排煙系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(見(jiàn)圖1),在機(jī)械排煙條件下,煙氣沉降到距地12.5 m高度處的時(shí)間約為500 s,沉降到距地8.5 m高度處的時(shí)間約為2 000 s(約30 min)。

圖1 主廠房火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果

發(fā)電機(jī)層以下的母線層、水輪機(jī)層、蝸殼層,按發(fā)生1處火災(zāi)考慮,最低的母線層高度通常在6 m左右,經(jīng)計(jì)算,煙氣下降到距地2 m高度處至少需要480 s(8 min)。

對(duì)于發(fā)電機(jī)層以下各層,RSET由火警探測(cè)時(shí)間、人員反應(yīng)時(shí)間和疏散行動(dòng)時(shí)間組成,見(jiàn)圖2。疏散距離和人員密度、疏散通道、人員素質(zhì)、疏散標(biāo)識(shí)、疏散組織等都有關(guān)系,水電站設(shè)置有完善的火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(工業(yè)電視系統(tǒng)),廣播、警報(bào)系統(tǒng)齊全,廠房?jī)?nèi)工作人員較少、疏散指示明確、應(yīng)急照明完善,同時(shí)人員消防訓(xùn)練有素,立足火災(zāi)初期自救。查閱文獻(xiàn)資料及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)得知,超快速火災(zāi)從發(fā)展到被探測(cè)的時(shí)間約為0.6 min;在廣播條件下人員反應(yīng)時(shí)間短于0.4 min,按主廠房?jī)?nèi)最不利條件下人員反應(yīng)時(shí)間為0.4 min計(jì)算;疏散行動(dòng)時(shí)間由疏散距離和人員疏散速度決定,廠房?jī)?nèi)部人員較少,疏散線路寬大、平坦,人員疏散速度按水平1 m/s、樓梯0.6 m/s計(jì)算,可以得出以下結(jié)論:

圖2 火災(zāi)發(fā)展與人員疏散過(guò)程關(guān)系

1)發(fā)電機(jī)層設(shè)有機(jī)械排煙系統(tǒng),在30 min內(nèi)能夠保持清晰高度在8.5 m以上。因此,發(fā)電機(jī)層能夠保證不被煙氣干擾、安全疏散,同時(shí)也可為消防撲救人員建立一個(gè)火場(chǎng)中間安全地帶。

2)對(duì)于人員在蝸殼層的最不利條件,疏散需要橫穿主廠房各層到達(dá)發(fā)電機(jī)層,即疏散距離為水平長(zhǎng)度80 m、豎直高度24 m,疏散行動(dòng)時(shí)間約為120 s(2.0 min)。因此,RSET約為0.6 min+0.4 min+2.0 min=3.0 min。

發(fā)電機(jī)層以下各層到最近的可疏散的2部樓梯的最小距離不大于30 m。人員的疏散距離和火災(zāi)煙氣蔓延的速度成反比,按照疏散原則,在煙氣擴(kuò)散至清晰高度前,人員應(yīng)疏散到安全區(qū)域。同時(shí)經(jīng)過(guò)定量分析和計(jì)算,發(fā)電機(jī)層以下的蝸殼層最不利點(diǎn),疏散至發(fā)電機(jī)層的最長(zhǎng)時(shí)間不長(zhǎng)于180 s(3.0 min),而最不利情況下母線層煙氣擴(kuò)散至清晰高度的時(shí)間約為480 s(8.0 min),即使有1部樓梯被煙氣侵?jǐn)_,通過(guò)其他樓梯疏散到發(fā)電機(jī)層的時(shí)間也是充足的。因此,主廠房采用敞開(kāi)樓梯也滿足疏散安全的要求。

7 《水規(guī)》的應(yīng)用

《水規(guī)》適用于新建、改建和擴(kuò)建的大中型水電站和抽水蓄能電站工程(以下統(tǒng)稱水電工程)的防火設(shè)計(jì)。

根據(jù)國(guó)務(wù)院和有關(guān)部委《深化工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案》(國(guó)發(fā)〔2015〕13號(hào))、《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕89號(hào))、《強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)整合精簡(jiǎn)工作方案》(國(guó)辦發(fā)〔2016〕3號(hào))的精神,《水規(guī)》修編時(shí)取消了強(qiáng)制性條款,由全文強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范取代現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中分散的強(qiáng)制性條文。

強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范體系覆蓋工程建設(shè)領(lǐng)域各類建設(shè)工程項(xiàng)目,分為工程項(xiàng)目類規(guī)范(簡(jiǎn)稱項(xiàng)目規(guī)范)和通用技術(shù)類規(guī)范(簡(jiǎn)稱通用規(guī)范)2種類型。執(zhí)行規(guī)范體系時(shí),應(yīng)以項(xiàng)目規(guī)范為主干,通用規(guī)范是對(duì)各類項(xiàng)目共性的、通用的專業(yè)性關(guān)鍵技術(shù)措施的規(guī)定。

根據(jù)上述精神,在水電工程項(xiàng)目規(guī)范中沒(méi)有要求的內(nèi)容,用通用規(guī)范中的條款來(lái)要求,屬于提高工程標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)根據(jù)具體工程的實(shí)際情況慎重對(duì)待?！督ㄍㄒ?guī)》和《消通規(guī)》均屬于通用規(guī)范,在水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范尚未頒布實(shí)施的過(guò)渡階段,水電工程設(shè)計(jì)中的規(guī)模、布局、功能性能和關(guān)鍵技術(shù)措施,還是應(yīng)執(zhí)行現(xiàn)行的水電行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范條款,各專業(yè)具體的通用技術(shù)措施應(yīng)執(zhí)行相關(guān)的通用規(guī)范條款。

8 結(jié)論

《水規(guī)》修編過(guò)程中進(jìn)行了深入調(diào)查研究,認(rèn)真總結(jié)了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),參考了有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)水電領(lǐng)域30年相關(guān)科研成果進(jìn)行了梳理、歸納和總結(jié),并廣泛征求了有關(guān)方面的意見(jiàn),最后經(jīng)審查確定:

1) 水電工程主廠房的防火分區(qū)建筑面積不限。

2) 廠房?jī)?nèi)防煙分區(qū)不應(yīng)跨越防火分區(qū),其面積不超過(guò)防火分區(qū)面積。

3) 主廠房發(fā)電機(jī)層、主變洞安全疏散距離不限。發(fā)電機(jī)層以下各層,室內(nèi)最遠(yuǎn)工作地點(diǎn)到最近安全出口的最大允許安全距離應(yīng)通過(guò)可用疏散時(shí)間和人員疏散速度計(jì)算確定?？捎檬枭r(shí)間應(yīng)結(jié)合廠房具體情況進(jìn)行分析,也可采用火災(zāi)數(shù)值模擬分析確定。

4) 主廠房發(fā)電機(jī)層以下各層,2個(gè)機(jī)組段之間至少設(shè)置1部工作樓梯,供疏散使用;工作樓梯應(yīng)為開(kāi)敞樓梯。