煤礦瓦斯發(fā)電站消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

張?jiān)匆?，楊俊輝，薛春雷，劉艷輝，程 龍，李 丹

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

煤礦瓦斯通常伴隨煤炭開(kāi)采涌出，很多煤炭生產(chǎn)企業(yè)配套建設(shè)了瓦斯電站。煤礦瓦斯發(fā)電站消防系統(tǒng)是比較重要的安全保障系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)瓦斯發(fā)電技術(shù)和綜合利用技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面做了較多研究，但對(duì)瓦斯電站消防系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)研究較少，僅羅申國(guó)、梁麟、楊楠等人對(duì)瓦斯電站的消防系統(tǒng)做過(guò)一些設(shè)計(jì)[1-3]。因相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、手冊(cè)關(guān)于消防系統(tǒng)的規(guī)定和說(shuō)法不盡相同，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院對(duì)煤礦瓦斯電站消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做法不一。對(duì)比與瓦斯電站特點(diǎn)類似的燃?xì)怆姀S和燃?xì)忮仩t房消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)學(xué)者劉鵬飛[4]、王穎[5]等主要研究了燃?xì)鈾C(jī)本體和配套消防技術(shù)，付濤[6]、游素珍[7]等從防爆、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、結(jié)構(gòu)、電纜防火、室內(nèi)外消火栓、通風(fēng)等多方面對(duì)燃?xì)怆姀S消防系統(tǒng)進(jìn)行了探討，邴守啟[8]、劉刃虹[9]對(duì)燃?xì)忮仩t房消防設(shè)施設(shè)置進(jìn)行了較為深入的研究，李向軍[10]、張磊[11]等對(duì)鍋爐房和水噴霧自動(dòng)噴水系統(tǒng)進(jìn)行了論述。鑒于目前針對(duì)煤礦瓦斯電站消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)明確和一致的思路，筆者根據(jù)煤礦瓦斯發(fā)電站特點(diǎn)，貫通各相關(guān)規(guī)范和手冊(cè)，梳理總結(jié)煤礦瓦斯電站消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為煤礦瓦斯電站消防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 危險(xiǎn)性分析

1.1 瓦斯成分

煤礦井下瓦斯成分復(fù)雜，主要成分是甲烷，其次是二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)夂脱鯕?，還有少量和微量重?zé)N類氣體。由于甲烷是礦井瓦斯中的主要成分，通常人們習(xí)慣上所說(shuō)的瓦斯，主要是指甲烷。

1.2 瓦斯危險(xiǎn)性

瓦斯具有燃燒性和爆炸性，當(dāng)瓦斯與空氣混合到體積比為5%～16%，遇到引爆熱源，就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸，嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)安全，給集體財(cái)產(chǎn)和職工生命健康造成重大損失。

1.3 瓦斯電廠建(構(gòu))筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性

瓦斯電站作為煤礦瓦斯安全利用的一種形式，一般由瓦斯發(fā)電主廠房(或瓦斯發(fā)電機(jī)組集裝箱)、瓦斯預(yù)處理間(或瓦斯預(yù)處理集裝箱)、主控室及控制設(shè)備間、輔助車間、配電裝置間及室外配電設(shè)施等建筑組成。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)(GB 50016—2014)表3.1.1和《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51134—2015)表4.2.1，瓦斯電站主要建(構(gòu))筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分匯總見(jiàn)表1[12,13]。

表1 瓦斯電站主要建(構(gòu))筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性

2 現(xiàn)行規(guī)范消防要求及討論

瓦斯電站消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由總平面布置消防道路、室外消防、室內(nèi)消防、消防泵房水池及電氣裝置消防組成。

2.1 總平面布置消防道路

《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.5.1條，瓦斯電站宜有2個(gè)出口，并應(yīng)利于消防車出入，發(fā)電機(jī)房(含發(fā)電機(jī)組集裝箱)區(qū)、瓦斯儲(chǔ)罐區(qū)應(yīng)形成環(huán)形消防通道[13]。

煤炭行業(yè)各大設(shè)計(jì)院均按照此條要求在瓦斯電站廠區(qū)內(nèi)設(shè)置了環(huán)形消防通道。瓦斯電站一般位于比較偏僻的山區(qū)，占地受限、且地形地勢(shì)比較復(fù)雜，征地困難，設(shè)置兩個(gè)出入口和環(huán)形消防道路存在較大困難，在一定程度上限制了瓦斯電站的建設(shè)。筆者認(rèn)為根據(jù)瓦斯電站的規(guī)模、瓦斯發(fā)電廠房或集裝箱的體量(一般體量比較小，單側(cè)消防車也能覆蓋范圍)，可采取技術(shù)措施在保障安全的前提下，且滿足大件運(yùn)輸、安裝、檢修要求，適當(dāng)對(duì)規(guī)范條文進(jìn)行靈活掌握。例如具備環(huán)形消防通道(也可借助外部道路)，可設(shè)置1個(gè)出入口；場(chǎng)地條件確實(shí)有限時(shí)采取場(chǎng)內(nèi)回轉(zhuǎn)車道或者廠區(qū)貫穿通道等措施可滿足實(shí)際使用要求。

2.2 室外消防

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第8·1·2條，民用建筑、廠房、倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)罐(區(qū))和堆場(chǎng)周圍應(yīng)設(shè)置室外消火栓系統(tǒng)?！断澜o水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第7·3·7條，工藝裝置區(qū)采用臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)的場(chǎng)所，四周應(yīng)設(shè)室外消火栓，間距不大于60m。消防設(shè)計(jì)人員根據(jù)以上兩條規(guī)范條文在瓦斯電站廠區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)室外消火栓系統(tǒng)[12]。

2.3 室內(nèi)消防

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第5·4·12條第8款以及條文解釋，附屬設(shè)計(jì)在民用建筑內(nèi)部的燃油、燃?xì)忮仩t房應(yīng)設(shè)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，對(duì)未設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的，可設(shè)置推車式ABC干粉滅火器、氣體滅火器，如規(guī)模較大，可設(shè)置水噴霧、細(xì)水霧和氣體滅火系統(tǒng)等；第8·1·10條，廠房、倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)罐(區(qū))和堆場(chǎng)應(yīng)設(shè)置滅火器；第8·2·1條第1款，建筑占地面積大于300m2的廠房和倉(cāng)庫(kù)應(yīng)設(shè)置室內(nèi)消火栓[12]?！睹旱V瓦斯發(fā)電工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第14·5·4條，建筑占地面積大于300m2的瓦斯發(fā)電機(jī)房應(yīng)設(shè)置室內(nèi)消火栓[13]。

根據(jù)以上規(guī)范條文，在瓦斯預(yù)處理間、瓦斯發(fā)電主廠房、輔助車間、配電裝置間、水泵房等建筑按規(guī)范規(guī)定，達(dá)到相應(yīng)的限定條件設(shè)計(jì)室內(nèi)消火栓、推車式磷酸銨鹽干粉滅火器、手提式磷酸銨鹽干粉滅火器即可滿足要求。但也有部分設(shè)計(jì)院和專家認(rèn)為，瓦斯發(fā)電主廠房?jī)?nèi)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)四周應(yīng)設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)或氣體滅火系統(tǒng)。筆者認(rèn)為不妥，首先是依據(jù)不足，根據(jù)《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《煤礦瓦斯往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)發(fā)電站安全要求》(AQ 1077—2009)、《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50041—2020)、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(2020年版)(GB 50028—2006)、《燃油燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)手冊(cè)》，均沒(méi)有要求在獨(dú)立設(shè)置的瓦斯(燃?xì)?發(fā)電主廠房?jī)?nèi)設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)[14-17]。部分設(shè)計(jì)院和專家按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第5.4.12條中對(duì)附設(shè)在民用建筑的燃油燃?xì)忮仩t房需設(shè)置自動(dòng)噴水系統(tǒng)或水噴霧系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)不妥。其次，民用建筑內(nèi)人員較多，人流分散，發(fā)生危險(xiǎn)危害性和社會(huì)影響較大，首要考慮人員生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和消防措施等級(jí)較高，故而多設(shè)計(jì)直通室外的疏散門(mén)、自動(dòng)噴水、水噴霧、細(xì)水霧或氣體滅火系統(tǒng)等消防措施。再者，瓦斯電站一般建設(shè)在山區(qū)，征地困難，廠址占地有限，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組四周設(shè)計(jì)了水噴霧，勢(shì)必增加內(nèi)燃機(jī)組布置間距，增加主廠房跨度，造成投資增加。瓦斯電站處于人煙稀少的山區(qū)，且位于獨(dú)立的、和外界完全隔離的廠區(qū)內(nèi)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組全自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行，瓦斯電站整體自控標(biāo)準(zhǔn)高，勞動(dòng)定員少，因此附設(shè)在民用建筑內(nèi)的燃油燃?xì)獍l(fā)電廠房和獨(dú)立設(shè)置的瓦斯發(fā)電廠房消防設(shè)計(jì)不能相提并論。最后，主廠房?jī)?nèi)平時(shí)僅在檢修維護(hù)時(shí)需要人員進(jìn)出，不在主廠房?jī)?nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留。故而主廠房建筑設(shè)計(jì)首先要考慮瓦斯爆炸時(shí)的泄爆措施，在發(fā)生瓦斯爆炸后及時(shí)泄爆，將爆炸產(chǎn)生的沖擊壓力通過(guò)泄爆屋面、泄爆安全玻璃等措施安全地釋放出去，以確保主廠房結(jié)構(gòu)安全。

瓦斯發(fā)電廠房易引發(fā)火災(zāi)的主要因素是廠房?jī)?nèi)堆放其他可燃物質(zhì)，管理松懈導(dǎo)致的其他可燃物火災(zāi)。瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi)的情況雖存在，但概率較低，主廠房消防和安全設(shè)計(jì)時(shí)配套瓦斯泄露監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，輔助機(jī)械通風(fēng)排除積聚的可燃?xì)怏w、瓦斯管道緊急切斷措施，基本上可以控制主廠房火災(zāi)，保護(hù)主廠房安全。瓦斯發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑油屬于非易燃油品，且集中在機(jī)組封閉的油底殼內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)可能輕微滲油，加強(qiáng)監(jiān)控及時(shí)清理維護(hù)即可。電纜主要布置在電纜溝內(nèi)，且電纜選用阻燃型鎧裝電纜，水噴霧、消火栓作用不大，設(shè)置水噴霧系統(tǒng)增加了占地、空間和投資。

根據(jù)以上分析可知，瓦斯電站主廠房設(shè)置可燃?xì)怏w監(jiān)控和報(bào)警裝置、機(jī)械排風(fēng)裝置、輔以室內(nèi)消火栓和滅火器更有效。

筆者經(jīng)過(guò)多地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，瓦斯電站主廠房發(fā)生火災(zāi)案例很少，主廠房按防爆建筑設(shè)計(jì)，設(shè)置室內(nèi)消火栓、磷酸銨鹽干粉滅火器、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，輔以機(jī)械通風(fēng)裝置和室外消火栓共同保護(hù)主廠房即可滿足現(xiàn)行規(guī)范消防規(guī)定和實(shí)際使用要求，還可以降低基建投資。當(dāng)有嚴(yán)格要求或者具體規(guī)定時(shí)，消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)可從嚴(yán)控制，在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組四周設(shè)置水噴霧或氣體滅火系統(tǒng)。

2.4 電氣裝置

瓦斯電站電氣裝置一般有變壓器、升壓站等設(shè)施?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第8.3.8條第1款，單臺(tái)容量在90MV·A及以上的電廠油浸變壓器，應(yīng)設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)，并宜采用水噴霧滅火系統(tǒng)[12]；《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50229—2019)表7.1.8，針對(duì)裝機(jī)規(guī)模300MW及以上的燃煤電廠，主變壓器和廠用變壓器應(yīng)設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)[18]。

筆者參與設(shè)計(jì)和實(shí)地調(diào)研過(guò)的瓦斯電站，單臺(tái)主變?nèi)萘慷疾坏?0MV·A，一般選用油浸變壓器，機(jī)組容量達(dá)不到以上規(guī)范限定的條件，因此消防設(shè)施選用消防砂箱和推車式磷酸銨鹽干粉滅火器即可滿足要求。

2.5 實(shí)際案例分析

筆者通過(guò)函調(diào)和實(shí)地調(diào)研幾座典型瓦斯電站，對(duì)于配電裝置間、瓦斯預(yù)處理間、輔助車間以及水泵房等建筑，均按現(xiàn)行規(guī)范消防規(guī)定設(shè)計(jì)。針對(duì)廠內(nèi)應(yīng)設(shè)環(huán)形道路和主廠房燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組四周設(shè)置水噴霧這兩項(xiàng)有較大探討空間或爭(zhēng)議之處，各設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)做法見(jiàn)表2。

表2 各設(shè)計(jì)院瓦斯電站主要消防設(shè)計(jì)措施

3 工程實(shí)例

山西沁水縣某煤礦瓦斯電站總裝機(jī)容量為66MW，分期建設(shè)，一期工程裝機(jī)容量根據(jù)礦井建設(shè)期間預(yù)抽瓦斯量確定為35MW，即8×4MW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組配2×8.8t/h余熱蒸汽鍋爐拖動(dòng)1×3MW組合快裝凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組；二期工程根據(jù)礦井達(dá)產(chǎn)后瓦斯抽放情況逐漸增加7臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組，即7×4MW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組配1×8.8t/h余熱蒸汽鍋爐拖動(dòng)1×3MW組合快裝凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，最終形成66MW的發(fā)電能力，年發(fā)電量4.752×108kW●h，年供電量4.535×108kW●h，年耗純瓦斯氣量為1.028×108Nm3。

3.1 總平面布置及道路

瓦斯電站廠區(qū)內(nèi)設(shè)置環(huán)形消防通道，道路寬4m，并在廠界區(qū)設(shè)置一主一副兩個(gè)出口，利于消防車輛、物資和人員出入。瓦斯預(yù)處理間(甲類危險(xiǎn)性)與單元主廠房按照防爆建筑設(shè)計(jì)，并且與輔助車間、電氣裝置、生產(chǎn)調(diào)度樓以及其他輔助設(shè)施嚴(yán)格按照相應(yīng)的防火間距分開(kāi)布置。瓦斯電站總平面及道路布置如圖1所示。

3.2 室外消防

室外消防設(shè)施按終期工程一次實(shí)施，在瓦斯電站廠區(qū)內(nèi)布置成環(huán)狀供水管網(wǎng)，消防主管管徑DN200，并設(shè)置SA100/65-1.0型室外地下式消火栓9套。室外消火栓沿場(chǎng)地道路布置，間距小于60m。在瓦斯預(yù)處理間和單元主廠房出入口，分別設(shè)置消防砂箱。室外消火栓及消防砂箱布置如圖1所示。

圖1 瓦斯電站總平面及道路布置

煤礦瓦斯抽放風(fēng)井場(chǎng)地建有消防水池及泵房，泵房?jī)?nèi)布置XBD9/50-SLW(HY)消防水泵3臺(tái)(Q=45L/s，H=95m，N=90kW)，2用1備；消防水池容積450m3，并設(shè)有消防水位平時(shí)不被動(dòng)用的措施；在瓦斯電廠主廠房屋頂水箱間設(shè)有高位消防水箱1座，有效容積12m3，并配有消防增壓穩(wěn)壓裝置1套?；馂?zāi)初期消防水量和管網(wǎng)平時(shí)壓力靠高位消防水箱和消防增壓穩(wěn)壓裝置提供，消防水泵啟動(dòng)后由消防水泵提供滅火時(shí)所需的流量和壓力。經(jīng)校核煤礦瓦斯抽放風(fēng)井場(chǎng)地設(shè)置的消防水池及消防水泵可滿足瓦斯電廠消防需要[19]。

3.3 室內(nèi)消防

單體建筑內(nèi)按規(guī)定設(shè)手提式磷酸銨鹽干粉滅火器和室內(nèi)消火栓(配備柱-霧轉(zhuǎn)換水槍)，保證有2支水槍的充實(shí)水柱同時(shí)到達(dá)室內(nèi)任何部位，滅火器和消火栓均設(shè)在明顯易于取用的地點(diǎn)[20]。

4 結(jié) 論

筆者通過(guò)查閱大量規(guī)范、手冊(cè)，結(jié)合親身參與設(shè)計(jì)和多次調(diào)研成果，從源頭分析思考瓦斯電站總體消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)，梳理瓦斯危險(xiǎn)性和單體建筑定性，系統(tǒng)闡述了瓦斯電站的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，總結(jié)如下：

1)廠區(qū)是否設(shè)置環(huán)形消防通道，并且宜設(shè)2個(gè)出口，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和消防措施是否滿足實(shí)際需求考慮。筆者建議應(yīng)根據(jù)瓦斯電站的規(guī)模、瓦斯發(fā)電廠房或集裝箱的體量，可采取技術(shù)措施在保障安全的前提下，滿足大件運(yùn)輸、安裝、檢修要求，適當(dāng)對(duì)規(guī)范條文進(jìn)行靈活掌握。

2)鑒于目前瓦斯發(fā)電站主變單臺(tái)容量小于90MV·A，室外消防設(shè)施采用室外消火栓+推車式磷酸銨鹽干粉滅火器+消防砂箱。

3)鑒于目前瓦斯發(fā)電站裝機(jī)規(guī)模小于300MW，主廠房室內(nèi)消防設(shè)施采用室內(nèi)消火栓+手提式磷酸銨鹽干粉滅火器。

4)瓦斯預(yù)處理間、主廠房嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的防火防爆要求設(shè)計(jì)。