塔式光熱電站設計標準建筑部分編制思路

劉宏民，羅旭堃

（中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075）

塔式太陽能光熱發電站（以下簡稱“塔式光熱電站”）是一種新的能源站形式，是未來光熱電站發展的重要方向。塔式光熱電站內的建筑設計涉及到一些具有特殊功能的建筑物，如吸熱塔、熔融鹽儲存間（熔融鹽工質電站）等，由于生產的特殊性或缺少相關設計標準等原因，導致設計人員難以借助權威的專業規范解決關鍵技術問題，直接影響電站的整體設計質量和運維。另外，有些地方管理者與設計人員對塔式光熱電站的認識存在爭議，導致審批困難，也亟待國家標準予以明確。

本文基于筆者近年從事多個塔式光熱電站的設計實踐積累，結合參與編制國家標準《塔式太陽能光熱發電站設計標準》（GB/T 51307－2018，以下簡稱“《塔標》”）建筑部分的具體工作，從標準參編者的角度解讀建筑設計部分關鍵條文的編制思路，以便于設計人員及相關單位在今后的塔式光熱電站建筑設計及研究工作中，快速掌握標準內容，準確理解標準意圖，正確運用標準要求，從而更好地執行標準。

1 建筑設計的一般性要求

《塔標》結合建筑技術發展及環保、職業衛生等要求提出建筑設計的一條原則及四點規定，不再論述建筑設計的手法類要求（如“利用地形、地貌”等），僅強調設計的合規性，減少推薦性引導，增加建筑設計創新的可能性，例如：并沒有引用相關國家標準中的類似要求，如“電氣、辦公建筑的屋面宜采用現澆鋼筋混凝土屋面”等，而是從建筑設計的角度提出“輕型種植屋面、玻璃蓄水屋面”等新形式。可以展望，屋頂花園、光伏玻璃頂等新穎建筑形式將出現在塔式光熱電站中，有利于提高塔式光熱電站的建筑設計水平。

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，是電站的標志性建筑，一般布置在站區中心，是整個站區的視覺焦點，見圖1。充分理解塔式光熱電站吸熱塔的設計標準（19.3.13條）是《塔標》中的關鍵內容。這在傳統化石能源發電站中沒有設計先例，現行標準中也鮮有提及，對電站設計人員有一定挑戰性，在建筑設計過程中容易產生無規范可依的困惑，主要原則問題包括以下四個方面。

圖1 塔式光熱電站示意圖

2.1 吸熱塔屬于建筑物還是構筑物之爭

要區分構筑物與建筑物的性質，使建筑設計準確對接相關標準要求。根據《民用建筑設計術語標準》（GB/T 50504－2009），不封閉的吸熱塔沒有圍合的空間，具有構筑物的典型特征，屬于構筑物，塔身消防主要針對設備及生產的安全性；封閉式吸熱塔有圍合空間，具有建筑物和構筑物雙重特性，屬于建（構）筑物，不能用塔是“設備”或構筑物的觀點規避《建筑設計防火規范》（GB 50016－2014，以下簡稱“《建規》”）的相關要求。封閉式吸熱塔設計要以人為本，兼顧建筑物特征，降低火災隱患，同時要考慮吸熱塔的“高層”特性，將樓梯間封閉。設計還應結合《建規》要求、協調NFPA（美國消防協會，National Fire Protection Association）的有關規定，消除消防主管部門的顧慮，助推項目順利實施。

2.2 吸熱塔消防電梯與普通電梯之爭

《塔標》第8章規定“吸熱塔內宜設置電梯，電梯的布置應滿足維護檢修的要求”。在建筑結構篇章沒有有關電梯的說明，原因是水工布置專業認為消防電梯前室消火栓設計有困難。《建規》（7.3.3條）規定“建筑高度大于32 m且設置電梯，任一層工作平臺的人數不超過2人的高層塔架”可不設置消防電梯。根據上述依據，吸熱塔內的電梯是否為消防電梯應根據工藝需求的人數確定。然而，考慮到吸熱塔具有超高層建筑的特點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合能夠較快地將高層建筑內部人員疏散到室外，這種情況下選擇消防電梯是較好的設計方案。

2.3 吸熱塔封閉樓梯間與防煙樓梯間之爭

《塔標》規定封閉式吸熱塔應至少設一部封閉樓梯間。這與《建規》（3.7.6條）規定“高層廠房和甲、乙、丙類多層廠房的疏散樓梯應采用封閉樓梯間或室外樓梯”的要求一致。當封閉樓梯間不能自然通風或自然通風不能滿足要求（即每5層內可開啟外窗或開口有效面積不小于2 m2）時，應設機械加壓系統或采用防煙樓梯間。設防煙樓梯間還是封閉樓梯間，需根據樓梯的布置及防排煙設計的具體情況確定。

2.4 吸熱塔樓梯間封閉材料之爭

某涉外塔式光熱電站項目試圖采用輕質隔墻封閉，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，設計時要充分認識鋼筋混凝土圍護的優點是抗沖擊性好，耐火極限也滿足規范要求，盲目“減配”會提高設計風險。

另外，樓梯間圍護結構要與塔本身結構的耐火極限匹配，按照《建規》要求，二級耐火等級的構件耐火極限不小于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是最優選擇。

3 建筑的火災危險性分析

3.1 生產的火災危險性

火災危險性一般由火災發生的可能性與預期發生火災后果的嚴重程度等因素確定。火災危險性直接影響生產及人員的所處環境的風險程度，《建規》將生產的火災危險類別分為甲、乙、丙、丁、戊五類，其中，甲類危險程度最嚴重，其余類別危險程度依次降低。在設計中火災危險性一般根據生產工藝使用或產生的物質的特性確定。

3.2 熔融鹽泵房及熔融鹽固態儲存間火災危險性分析

熔融鹽固體（NaNO3、KNO3）屬于危險化學品，是極易引起著火或爆炸的強氧化劑，所以熔融鹽泵房、熔融鹽固態儲存間的火災危險性定為甲類，設計應滿足《建規》和《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160－2008）的有關規定：

（1）泵房應有防止檢修期間液體漫流的措施，即設置不低于150 mm的圍堰和導液設施；

（2）泵房安全疏散門不少于2個；

（3）泵房地面采取防腐措施，防止污染土壤；

（4）儲存間采取泄爆及遮光措施；

（5）儲存間采用不發火花地面。

3.3 吸熱塔的火災危險性分析

吸熱塔（熔融鹽工質）內的第一危險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《危險化學品目錄》（2012年版），60% NaNO3和40%KNO3混合物在固態時屬于“助燃”物品，危險源級別為“重大危險源”，但熔融鹽熱載體不是易燃物質，只有接觸到火源時才起到助燃作用，當接觸到硫、磷等物質時才會發生火災。吸熱器、熔融鹽管道內均為流動狀態的液體，根據有關研究，熔融鹽熱載體不爆炸、不燃燒、耐熱穩定性好，泄漏后無毒。吸熱塔內的第二危險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、機柜等可燃物體的存在，具有一定的火災風險。

據上述分析，《塔標》將吸熱塔的火災危險性確定為丁類。如果管道熔融鹽泄漏，這時應該停止生產，將泄漏熔融鹽泄入熔融鹽儲罐。現場人員一般不會靠近熔融鹽，所以在吸熱塔內工作的受傷風險較低。

4 吸熱塔的疏散設計

4.1 疏散需求分析

吸熱塔生產期間人員較少，一般情況巡檢時有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處。建設調試期間人員最多達到8～10人左右，檢修區域主要位于吸熱器所在標高的平臺，吸熱塔疏散設計主要針對檢修運行期間的人員進行。

4.2 安全區域的確定

疏散一般指人員在火災發展到人身安全受到威脅前到達安全區域的過程。疏散設計就是確保人員疏散時間比危險擴散開來的時間短。火災造成危害的因素主要有高溫、有毒煙氣等。據統計，室內環境100℃時，人能忍受十幾分鐘，室內環境200℃時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，能見度也影響室內疏散。

安全疏散時間由反應時間、下意識撲救時間和實際疏散時間這三段組成。在吸熱塔疏散時，通過技術手段和訓練可以縮短反應時間。火災撲救一般由自動滅火系統完成，不會人為現場干預。因此，實際疏散時間主要取決于疏散路徑上耗費的時間。影響疏散路徑耗費時間的主要因素有平臺寬度、樓梯形式及坡度、疏散距離、疏散標志等。一般高層建筑疏散時間為5～7 min。塔內疏散通道曲折，參考較為擁擠情況下人員水平運動的速度1 m/s，垂直運動速度按較高踏步樓梯情況下0.85 m/s計算疏散時間。

吸熱塔疏散時間可分為兩段：（1）第一段為吸熱器鋼結構部分，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。考慮鋼梯因素，速度取正常樓梯疏散速度的一半，即按0.4 m/s。吸熱器段疏散時間 為 （30/1）+（30/0.4）=105s；（2）第 二 段 為 樓 梯段，樓梯段可計算至塔中配電室層以下高度（按吸熱塔高度的一半100 m計），疏散時間為100/0.85≈117.6 s。人員反應時間按60 s考慮，即總體疏散時間為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風狀態，由于煙囪效應，煙氣一般不會從門進入樓梯間內，因此，可以認為到達塔中部以下，樓梯間內不會有煙氣進入，即可認為已經到達安全區域。

4.3 塔內樓梯設計要求

樓梯設計主要是針對架構式吸熱塔樓梯和封閉式吸熱塔樓梯，本節分述兩種樓梯的設計要求、樓梯數量的確定及樓梯間的加壓送風要求。

4.3.1 架構式吸熱塔樓梯設計要求

《塔標》規定敞開式吸熱塔應至少設置一部凈寬不小于0.90 m的樓梯，梯段角度不應大于60°，欄桿高度不小于1.1 m。因樓梯處于室外環境中，本規定參考了《建規》對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計要求

封閉式吸熱塔至少設一部封閉樓梯間，梯段凈寬不小于1.1 m，傾斜角度不大于35°。確定按35°設計的原因是考慮吸熱塔僅設置一部樓梯，在發生火災情況下應保證疏散效率和人員的體力需求，同時滿足《民用建筑設計通則》（GB 50352－2005）規定“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 樓梯數量的確定

在《塔標》編制過程中對吸熱塔樓梯數量進行了調研。與類似高度的塔進行類比，吸熱塔更接近廣播電視塔的形式，即設備機房大多布置在塔頂，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）筑物。兩者的區別在于廣播電視塔有人值班，經常賦予參觀的功能，而吸熱塔一般沒有參觀的功能，正常工作狀態無人值守。參考《廣播電視建筑設計防火標準》（GY 5067－2003）：無游覽業務僅有電視、調頻廣播或微波發射設備值班人員的發射塔應設一座消防電梯，一座疏散樓梯。另外，按照《建規》對于高層建筑丁、戊類廠房每層建筑面積不大于400 m2，且同一時間作業人數不超過30人，則可設一個安全出口的要求，吸熱塔設置一部樓梯是合適的。

4.3.4 樓梯間的加壓送風要求

吸熱塔上部外表面工藝經常用作聚光校靶區（由控制專業提出具體高度及位置），為防止強光、強熱對塔內的影響，這個區域限制樓梯間開窗，造成樓梯間不能自然通風。按照《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251－2017）的要求，樓梯間應設置機械加壓送風系統。如果結合電梯布置設計為防煙樓梯間，則應對防煙前室和樓梯間分別進行加壓送風，前室的送風口宜設置在頂部或正對前室入口，樓梯間應設置常開風口，前室應設置常閉風口，并采取消防聯動的開啟方式。對于高度大于100 m的吸熱塔，加壓送風系統還應分段設置。

5 結語

基于以上分析，《塔標》最終按：塔式光熱電站火災危險性為甲類、乙類的，而且涉及儲存、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）筑物”設計。另外，在執行《塔標》過程中，還需要注意三點：

（1）不能機械理解“吸熱塔至少設置一個封閉樓梯間”。這條規定是滿足標準最低要求，此要求與國外在建工程的設計基本吻合，便于與國際接軌，有利于標準走出去。如結合校靶區設置消防電梯的布置，采用防煙樓梯間更符合現行標準的出發點。

（2）如果吸熱塔內布置樓層數較多，或者有參觀等其它社會功能，吸熱塔可能從建（構）筑物轉化為建筑物。為保證人員安全疏散，樓梯應按防煙樓梯間設計，樓梯數量應為兩個。

（3）建議在離危險源最近的吸熱器層結合工藝布置設置避難間。當吸熱器檢修層發生火災或熔融鹽泄漏時可就近進入避難間。

《塔標》已獲正式發布，據我國住房和城鄉建設部發布公告，該標準自2018年12月1日起正式實施。此標準的實施將為我國首批光熱發電示范項目以及后續光熱電站的建筑設計及相關研究提供指導。筆者期待設計、施工、監理、消防及審圖機構等相關單位在執行過程中能夠認真總結工程實踐經驗，及時反饋完善《塔標》的意見和建議，為《塔標》修訂工作提供參考。