生物質電廠消防設計

李 木 軍

(上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040)

1 概述

生物質發電源于20世紀70年代的歐洲，當前其技術應用已經相當成熟，而我國生物質發電相關技術、設備較歐美發達國家落后，對能源的利用效率也比較低。隨著國民經濟的發展以及國家對環境保護要求的不斷提高，促進了我國生物質發電產業的發展，引發了大量生物質電廠的興建。筆者近年除參與了多個生物質電廠設計項目，同時也參與設計若干垃圾電廠項目，發現垃圾電廠消防系統也與生物質電廠較為相似，包括消防系統的分類、組成以及相關設計參數等。因此，對生物質電廠的消防設計進行總結，對后續生物質發電、垃圾發電等類型項目的消防系統設計均有較好的指導參考作用。

生物質電廠一般包括主廠房、秸稈料棚、綜合樓、聯合泵房、檢修車間、門衛室等單體，生產環節具有很高的火災危險性，其消防設計具體可分為單體消防和廠區消防。

2 消防系統分類及組成

生物質電廠消防系統主要分為室內、外消火栓、自動消防水炮、防火分隔水幕、滅火器、自動噴水滅火系統等。每類消防系統由消防水池、消防水泵、室外管網、室內管網、消防用水設施及高位消防水箱等部分組成。實際設計中各類消防系統中的水池、水泵和室內、外管網部分，應根據項目具體情況確定單獨或合用設置。自動消防炮系統獨立采用一套臨時高壓供水系統，除水炮以外其他消防系統合用一套臨時高壓供水系統。典型生物質電廠全廠消防系統原理圖見圖1。

3 消防滅火設施設計

3.1 室內、外消火栓

建筑專業將秸稈料棚類別定為半露天堆場，即具有完整頂棚、其余圍護結構面積不大于30%的秸稈存儲建筑物，火災危險性丙2類。

秸稈料棚內堆放有大量可燃物品，如植物秸稈、少量廢舊木料等，具有很高的火災危險性，易引發火災，導致生產中斷，帶來經濟損失或危害人員安全。因此，秸稈料棚應設室內、外消火栓進行保護[1,2]。如何確定其室、外消火栓設計參數十分關鍵，秸稈規范雖要求秸稈料棚應設室內消火栓，但秸稈規范及消水規未明確其室內消火栓的設計用水量大小及火災延續時間。設計時根據其儲存物品(植物秸稈、廢舊木料等)性質，將秸稈料棚按丙類倉庫考慮，確定其室內消火栓用水量為25 L/s，火災延續時間3 h，室外消火栓用水量直接按照儲存秸稈的儲量，范圍為20 L/s～60 L/s，火災延續時間6 h[3]。需指出在確定秸稈料棚室內、外消火栓用水量時，應考慮料棚日后是否有擴建需求，如有則提前考慮相關消費用水量。

經比較秸稈料棚為電廠消防用水量最大的單體，將室內、外消火栓火災延續時間各自取值，室內消火栓火災延續時間按照丙類倉庫確定為3 h，室外消火栓系統按半露天堆場確定為6 h，既考慮了經濟性又滿足了相關規范要求。

3.2 自動消防水炮

秸稈規范、《固定消防炮滅火系統設計規范》指出，半露天堆場宜設置自動水炮滅火系統，并對消防用水量、供水時間、布置要求等做了要求。設計用水量不小于60 L/s，連續供水時間不小于1 h，室內消防炮的布置數量不應少于兩門，布置高度應保證消防炮射流不受上部建筑構件的影響，并應使兩門水炮的射流能同時到達被保護區域的任一部位[2,4]。

關于秸稈料棚內自動消防水炮的設計，除需滿足規范要求外實際還應注意以下幾點：

1)秸稈料棚四周設置防塵網，如無法避免靠近料棚四周墻體布置的水炮受到日光照射影響可能引起水炮誤動作，水炮可優先選擇滅火準確性更高的圖像型水炮；

2)秸稈料棚內細小粉塵較多，水炮探測器、定位器選擇應考慮或采取適當措施，如優先選取防爆型水炮，可提高其可靠性；

3)消防水炮的保護半徑是根據水炮的炮體上仰一定角度射流確定，為確保水炮的有效保護半徑，水炮設置高度應考慮動作時不被上部建筑構件遮擋避免出現因水炮設置高度貼近屋頂梁底或其他障礙物影響水炮使用的情形。

設計具體選擇時可盡量選擇圖像型消防炮或防爆炮，以減少水炮誤動作、降低后期運維費用、延長設備使用壽命，條件不允許時建議可選擇普通紅紫外型水炮、加設防塵罩并加強使用管理。生物質電廠消防水炮的選用可參考相關文獻[5]。

3.3 防火分隔水幕

秸稈料棚室內設置投料坑，投料坑與棧橋相通，秸稈料棚和棧橋剖面示意見圖2。當料坑內燃料著火時，火勢可能分別通過投料口或棧橋向料棚以及棧橋其他部位蔓延，故應在秸稈料棚和棧橋連接處設置分隔水幕有效阻斷火災，秸稈料棚消防用水量應疊加防火分隔水幕的用水量。

秸稈倉庫或半露天堆場與棧橋連接處、棧橋與主廠房或棧橋與轉運站的連接處所設分隔水幕，噴水強度查自動噴水規范為2 L/(s·m)[6]。輸料棧橋的凈寬取6 m左右，經水力計算得出分隔水幕用水量約15 L/s，水幕噴頭壓力約0.15 MPa，設計火災延續時間按照建筑墻體耐火時間確定，一般取3 h～4 h。

分隔水幕控制及噴頭的選擇與布置，可參考圖集《自動噴水與水噴霧滅火設施安裝》[7]，噴頭可兩排布置或三排布置。設計選用雨淋報警閥組，采用K=80的水幕噴頭，也可選用開式灑水噴頭。

分隔水幕系統與室內消火栓共用一套系統，在分隔水幕供水引入管上設置減壓孔板進行減壓，以滿足分隔水幕系統的壓力要求。

3.4 滅火器

秸稈規范第10.2.7條規定，秸稈生物質電廠主廠房、綜合樓、秸稈料棚等建筑內應配置移動式滅火箱，具體配置根據《建筑滅火器配置設計規范》相關條文要求配置[8]。

除需滿足規范要求外，秸稈生物質電廠滅火器設置還應注意以下幾點：

1)主廠房等單體內同時可能出現多種火災類型，滅火器選擇時盡量選用通用型滅火器，推薦適用范圍廣的磷酸銨鹽滅火器，不選水基型或二氧化碳滅火器；

2)大跨度建筑單體或者危險性高的場所，如秸稈料棚跨距一般不小于30 m，全部采用手提式滅火器，其保護半徑受到限制，無法達到全方位保護。同時，假設將手提式滅火器布置在生產中心區勢必影響到生產，因此料棚內部考慮配置適當數量的推車式滅火器。在室外若干場所，如變壓器區域、油泵房等，推薦配置推車式滅火器。

3.5 其他滅火系統

除了上述提到消防系統，生物質電廠還可能涉及自動噴水滅火系統、氣體滅火等系統，實際是否設置應根據不同項目建筑、暖通、工藝專業設計情況確定。

4 消防供水系統設計

4.1 消防供水管網

為減少泵房機組和室外消防管網設置數量，降低投資，將室內、外消火栓、防火分隔水幕系統設計為合用一套臨高壓供水系統，采用一套供水管網供水。

自動消防水炮滅火系統因供水壓力、流量大小、滅火時間短(1 h)，較上述消火栓系統差異明顯，建議單獨設計一套臨時高壓供水系統，采用一套供水管網供水。

4.2 消防泵的選擇及配置

4.2.1 消防泵的選擇

消防備用泵選用柴油機泵的優勢是可降低消防安全可靠度對外部供電的依賴性，當外部供電中斷時，柴油機泵供給消防設施用水，能夠保證火災發生時整個消防系統的正常運行。因此，生物質電廠消防設計確定消防泵主泵選用電動泵，備用采用柴油機泵[3,9]。

4.2.2 消防泵組配置

關于消防泵的配置，相關電廠標準給出了具體要求，實際設計生物質電廠建議設置兩套臨高壓消防供水系統：一套為室內、外消火栓與防火分隔水幕合用消防泵組，另一套為自動消防水炮泵組，原因分析如下：

1)水炮與消火栓系統工作壓力相差較大，合并成一套系統則合同泵組的流量大、揚程高，當任一消防系統單獨啟動時消防泵易出現超壓運行。若泵組合用，室外消防管道合并設置，則需按照較高系統工作壓力確定所有管道公稱壓力等級，除消防炮系統之外其他系統均需考慮減壓措施，管網造價增加且不節能；若泵組合用，室外管網分為兩套，消防炮一套，其他消防系統一套，則需對其他消防系統使用減壓閥組進行減壓，且減壓閥需設置4組，將導致增加泵房占地面積。

2)全部消防系統合并后水泵機組功率大于400 kW，電氣專業建議采用10 kV供電，生物質電廠所在地一般遠離市區，無10 kV供電線路，且一套大泵機組較兩套小泵機組投資造價節省較為有限。

3)自動消防水炮滅火系統水流量較大、系統壓力高而工作時間較短，與消火栓系統分開，更便于全廠消防系統的控制管理。

室內、外消火栓與防火分隔水幕合用消防泵組，泵組流量按最大消防用水量單體秸稈料棚確定，泵組揚程結合秸稈料棚、主廠房等單體經計算比較取大值，設消防穩壓泵2臺，配穩壓罐。

自動消防水炮泵組，水泵流量60 L/s，水炮的額定工作壓力為0.80 MPa～1.0 MPa，最大保護半徑約55 m，消防炮系統水泵揚程1.15 MPa～1.30 MPa，設消防穩壓泵2臺，配穩壓罐。

4.3 消防泵房、水池

4.3.1 消防水池容積計算

計算項目所需總的消防用水量，首先應知道火災發生次數及單次火災消防用水量。典型生物質電廠同一時間的火災次數為1次，具體依據參見消水規第3.1.1條、秸稈規范第10.2.3條。

以某典型生物質電廠項目為例，最大消防用水單體為秸稈料棚，室內消火栓25 L/s，室外消火栓60 L/s，分隔水幕15 L/s，消防水炮60 L/s。最大消防用水量為160 L/s，火災發生次數一次，一次滅火最大消防用水量為1 998 m3(V有效=25×3.6×3+60×3.6×6+15×3.6×4+60×3.6×1=1 998)。條件允許時消防水池推薦單獨設置，但實際生物質電廠消防水池通常又與工業水池合用，以降低造價。

4.3.2 消防水池的設置要求

隨著《建筑機電工程抗震設計規范》的頒布實施，近年來各類項目設計中均要加以考慮。尤其是目前多數項目建設地的抗震設防烈度為6度及6度以上，建筑機電工程必須進行抗震設計，具體措施為將消防水池設計為用地下式，水池采用鋼筋混凝土結構[10]。

4.3.3 泵房、水池形式組合的投資對比

消防泵房及水池根據其與室外地面標高的關系分為地上式、半地下式、地下式三種。以某秸稈生物質電廠項目為例，其泵房平面尺寸20 m×9 m，單座水池的平面尺寸21 m×16.9 m，單座水池的總容積1 400 m3(含工業用水)，水泵房凈高約9.40 m，水池凈高約5.10 m。對比不同形式的泵房和水池的工程投資如表1所示。

表1 不同形式泵房和水池的投資估算

由表1可知各種組合形式的投資情況，地上式的泵房和鋼混水池投資最少，其次是半地下式泵房和鋼混水池組合，地下式泵房和鋼混水池組合投資最高。

4.3.4 同類工程設計對比

同類工程設計情況如表2所示。

表2 同類工程消防設計對比

通過對比可知：

1)引起消防水量差異的主要是料場形式，半露天秸稈料棚消防用水量比露天堆場的大；

2)秸稈生物質電廠水泵房、水池的形式一般采用半地下式鋼混水池；

3)秸稈生物質電廠消防備用泵一般采用柴油機泵。

綜合生物質電廠項目所在地區抗震設防烈度通常不小于6度、消防泵房通常與循環水泵房考慮合建、水池應滿足原水預處理裝置自流出水要求以及4.3.3節投資對比情況，確定采用半地下泵房和半地下鋼混水池。另根據消水規相關要求，在泵房和循環水泵房之間設置了防火隔墻進行分隔。

4.4 高位消防水箱

生物質電廠室內消火栓流量一般不小于25 L/s，基于生物質原料易燃，火災危險性大，高位消防水箱設計有效容積取18 m3，一般設置于全廠最高建筑單體主廠房屋面上。

高位消防水箱設計除了要滿足容積大小、水位控制、報警等方面的要求，還應注意結合項目所在地氣候條件，在北方嚴寒有凍結可能的地區，應考慮設置在采暖房間、外保溫等防凍措施。

5 總結與建議

1)生物質電廠消防系統主要有 室內、外消火栓、防火分隔水幕、自動消防水炮、滅火器等，部分項目可能還涉及到自動噴水滅火系統、氣體等滅火系統等。垃圾電廠消防系統設計，可參考借鑒生物質電廠進行。2)秸稈生物質電廠最大一次消防用水量單體一般為秸稈料棚，導致消防用水量差異的主要原因是料場的形式。半露天秸稈料棚消防用水量比露天堆場的大，設計的消防設施多、投資大，建議方案設計階段應著重料棚形式的確定。3)半露天秸稈料棚室內消火栓用水量及火災延續時間，建議參考丙類倉庫確定。其單體消防用水量應考慮防火分隔水幕用水。4)建議消防炮系統單獨采用一套臨時高壓供水系統，其他系統合用一套臨時高壓供水系統。兩套系統泵組的備用泵宜采用柴油泵，兩套系統共用高位消防水箱并可考慮有效容積適當放大。5)料棚內消防水炮優先選擇圖像型消防炮或者防爆炮，以減少水炮誤動作、降低后期運維費用、延長設備使用壽命。條件不允許時建議可選擇普通紅紫外型水炮、加設防塵罩并加強使用管理。6)消防水泵房、水池的組合形式，應結合消防泵房是否與其他泵房合建、抗震設計、造價、業主要求等因素綜合確定。一般建議選用半地下泵房、半地下鋼混水池組合的形式。