氣承膜結構封閉煤場在發電廠的應用

浙江浙能鎮海發電有限責任公司 李志軍

2018年6月國務院發布《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》（國發（2018）22號文），通知要求“強化工業企業無組織排放管控。開展火電等重點行業及燃煤鍋爐無組織排放排查，建立管理臺賬，對物料（含廢渣）運輸、裝卸、儲存、轉移和工藝過程等無組織排放實施深度治理，長三角地區2019年底前完成”。

2016年4月浙江省發布了《浙江省燃煤發電產業環境準入指導意見（試行）》，提出加強對揚塵的控制，應采用封閉煤場，鼓勵采用全封閉式煤倉。2018年9月浙江省發布了地方標準《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB33/2147-2018），要求儲煤場應采用封閉、半封閉料場（倉、庫、棚）。半封閉料場應至少兩面有圍墻（圍擋）及屋頂，并對物料采取覆蓋、噴淋（霧）等抑塵措施。新建燃煤電廠自2018年11月1日起執行，現有燃煤電廠自2020年7月1日執行。浙江省自2018年開始對現有燃煤電廠的敞開式儲煤場進行封閉改造。

1 浙江省主要燃煤電廠

浙江省主要燃煤電廠裝機容量（MW）和煤場情況如下：

浙能嘉興電廠2×300+4×600+2×1000、7個斗輪機條形煤場，浙能長興電廠4×300、2個斗輪機條形煤場，華能長興電廠2×660、48個蜂窩倉，浙能紹興濱海熱電廠2×300+4×50、2個斗輪機條形煤場，北侖電廠5×600+2×1000、7個斗輪機條形煤場，浙能鎮海電廠2×660、1個斗輪機條形煤場，國能寧海電廠4×600+2×1000、4個圓形煤場，大唐烏沙山電廠4×600、3個斗輪機條形煤場，浙能臺州第二電廠2×1000、2個斗輪機條形煤場。

浙能臺州電廠2×330+2×300、3個斗輪機條形煤場，華能玉環電廠4×1000、4個斗輪機條形煤場，浙能樂清電廠4×600、3個斗輪機條形煤場，浙能溫州電廠4×330+2×660、2個斗輪機條形煤場，華潤蒼南電廠2×1000、2個斗輪機條形煤場，國能舟山電廠1×300+1×350、1個斗輪機條形煤場，浙能六橫電廠2×1000、利用煤炭中轉基地，浙能蘭溪電廠4×600、3個斗輪機條形煤場。

采用氣承膜結構封閉煤場電廠的煤場情況、風壓（kN/m2）/雪壓（kN/m2）、供貨商分別如下：

浙能嘉興電廠5個斗輪機條形煤場、0.60/0.35、柏蘭達；浙能長興電廠1個斗輪機條形煤場、0.50/0.35、柏蘭達；浙能紹興濱海熱電廠2個斗輪機條形煤場、0.45/0.40、柏蘭達；北侖電廠2個斗輪機條形煤場、0.65/0.35、柏蘭達；浙能鎮海電廠1個斗輪機條形煤場、0.81/0.35、柏蘭達；浙能臺州第二電廠1個斗輪機條形煤場、1.10/0.35、今盛杰；浙能臺州電廠2個斗輪機條形煤場、0.75/0.35、柏蘭達；浙能樂清電廠2個斗輪機條形煤場、0.80/0.35、雪迪龍；浙能溫州電廠1個斗輪機條形煤場、0.75/0.35、柏蘭達；華潤蒼南電廠1個斗輪機條形煤場、1.20/0.30、柏蘭達；浙能蘭溪電廠2個斗輪機條形煤場、0.35/0.55、柏蘭達。

2 氣承膜結構封閉煤場技術特點

膜結構20世紀60年代起源于加拿大，在國外已經有60余年的成功應用。主要用于世界各國的環保、體育、娛樂、軍事、工業、商業等領域，如體育場館、商業綜合體、停車場、儲料場等。繼北京的鳥巢和水立方使用膜結構之后，膜結構建筑快速地被中國的建筑市場所認識和接受。目前膜結構建筑物在國內已有三四百座，主要應用于大型體育場館、大跨度展覽中心等，近年逐漸應用于煤炭能源、焦化、水泥等行業料場封閉項目。

膜結構分氣承膜、骨架膜、張拉膜等型式，用于儲煤場的一般是氣承膜結構。高強度聚酯纖維布作為基材，表面覆以PVC、PVDF 等涂料，具有耐腐蝕、防紫外線、防老化、難燃、透光、自清潔等良好的物理性能。氣承膜結構封閉煤場是基于PVDF 膜（聚偏二氟乙烯膜）外置斜向鋼絲繩網索受力的內部充氣承壓的封閉型儲煤場。用膜材料錨固在煤場周圍鋼筋混凝土圍墻頂部預埋螺栓上，形成相對封閉空間（圖1）。

圖1 充氣膜結構原理示意圖

為滿足日常生產運行、維護檢修等進出煤場需要，氣膜煤場設置汽車進出通道、人員進出的旋轉門以及緊急狀態下人員逃離的應急門等。每個汽車通道為兩端各設一道密封門，內部空間滿足停放整車。煤場周圍設鋼筋混凝土封閉圍墻作為固定氣膜的基礎，圍墻頂部預埋固定氣膜及斜向鋼絲繩網索用的預埋螺栓。混凝土圍墻上布置多套進風風機和排風閥、泄壓閥，氣膜頂部設若干個常開排風口，用于煤場內部的充氣、換氣、泄壓、排氣，調控煤場內部的環境質量。

依靠風機的連續進風，內部形成穩定的氣壓以支撐氣膜膨脹狀態，根據當地氣象條件，通過對風機及排風閥的調控，使氣膜內、外壓差時刻維持在正壓250～600Pa 的相對穩定的范圍。如內部聚集有瓦斯氣體，可通過氣膜頂部的常開排風孔排至室外。煤場內設置多套射霧器來抑制揚塵，利用煤塵監控裝置的監測數據來控制風機、排風口的通風量，降低氣膜內部粉塵濃度。

照明采用防爆型LED 燈，安裝在煤場四周圍墻上部。設光控系統，只在夜間或自然采光不足時開啟。利用氣膜外部的鋼網索與鋁扣件相連接組成避雷網，避雷器與氣膜頂部網索系統卡扣相連接，鋼網索系統底部與全廠接地網連接。氣膜煤場配有消防炮滅火系統。在圍墻內側及斗輪機基礎兩側設電動消防水炮，消防炮低位布置。氣膜煤場設置智能控制系統，內含模塊控制、室內外環境監控、壓力調控、有害氣體監控、氧氣含量監控、粉塵濃度監控、溫度濕度監控、新風循環監控等。氣膜煤場消控室將與全廠消控中心聯動。

氣承膜結構封閉煤場主要特點如下：環保。氣承膜結構封閉煤場，更符合現行環保要求；占地面積。因沿圍墻布置了照明、監測儀等設施，需要維護的通道，煤場總寬度增加，占地略大；采光照明。氣膜的漫反射燈光較均勻、無陰影，但光照強度相對較弱。光源面朝上容易積塵，需要經常清理；通風。通過進風風機和排風閥、泄壓閥來調節內部空氣質量，維持內、外壓差；電源。需要保安電源確保緊急情況下進風風機的正常運行。；土建基礎。氣膜結構對土建基礎的側向位移和沉降不敏感，基礎簡單；使用壽命。膜材的壽命15～20年，鋼索～30年；建設工期。氣承膜結構封閉煤場建設工期較鋼網架結構短，一般一個煤場建設工期～7個月；投資。根據上述項目統計，以投影面積計算，EPC 價格為1094～1994元/m2。

以某電廠為例，該電廠煤場為長310m、寬120m、高43m，面積37200m2，共設置4個汽車通道、2個旋轉門、8個應急門。堆煤區總寬度為109m，總長300m，分四個煤堆，最大儲煤量為16萬噸。在煤場兩側混凝土圍墻上布置22套軸流進風風機和18套排風閥（帶濾網）、2套泄壓閥，氣膜頂部設若干個直徑20mm 的常開排風孔，煤場兩側設6套射霧器。煤場內設10套粉塵監測儀、12套一氧化碳監測儀、12套瓦斯監測儀、2套溫濕度監測儀，煤場外設1套風速儀，煤場內設28套PSKD30型電控消防炮和圖像火災探測器。

3 氣承膜結構關鍵技術-載荷分析

膜結構的控制載荷通常是風載、雪載，在載荷作用下膜結構的變形較大，因此精確計算結構的變形和應力分布要用幾何非線性方法進行。根據不同工況下計算出索、膜等結構構件中的內力分布的最不利情況，來選定索、膜等材料的型號及尺寸，確定詳細的節點做法及構造措施等。新建氣膜結構煤場地處沿海，風力較大，臺風季節有可能達到16級以上，抵抗臺風主要是靠增加氣膜內部壓力來實現的（氣膜最大承受壓力為500Pa），氣膜能否抵御16級以上颶風，需要數模計算提供有力支撐。因此經濟安全的索膜建筑必須經過仔細的內力分析后才能完成。

載荷分析的另一個目的是檢驗確定索、膜中初始預張應力，一般先在找形分析時根據經驗假設一個預應力值及其分布，然后經載荷分析來判斷其合理性，即預應力的大小與分布應使在最不利工況下仍必須滿足使用要求、整體和局部位移等要求。

由于我國沒有氣承膜結構設計規范，本工程的計算采用基于美國規范《空氣支承建筑》ASCE 17-96編寫的公司自有設計軟件進行計算。同時采用德國膜結構分析軟件EASY 和同濟大學3D3S 進行復核。取一工況計算如下：

荷載取值說明：氣膜建筑平面規格（長×寬×膜體高度）310×120×40m。按50年一遇荷載取值，基本風壓0.81kN/m2(風速36m/s)，基本雪壓0.30kN/m2。地面粗糙度分類取B 類，考慮風振系數為1.3，結構的重要性系數為1.0，不考慮地震作用。氣膜結構的正常使用內壓250～300Pa，抵抗最大風荷載時內壓600Pa。膜體內部無懸掛物。

充氣膜的結構計算模型如圖2所示。

圖2 結構計算模型

圖3 風荷載作用下膜面應力設計值

沿海地區不考慮雪載，進行標準荷載工況和組合情況下的計算，荷載組合條件為：①內壓+風、②1.2＊內壓+1.4＊風，其中工況①用于計算變形和基礎設計，②用于上部充氣膜和索的設計。經比較，組合1為基礎設計的控制荷載，以下為組合結果。

圖4 風荷載作用下膜面應力標準值（MPa）

圖5 風荷載下結構的x 方向位移（mm）

圖6 風荷載下結構的y 方向位移（mm）

圖7 風荷載下結構的Z 方向位移（mm）

分析結果：通過位移分析可見，風荷載為控制荷載，在橫向風荷載作用下，結構的X 方向位移為0.7m，出現在結構端部；Y 向位移為3.9m，發生在背風面處；Z 向位移頂部最大，約為3.6m。至于膜面應力，風載下最大膜面應力標準值為99.0kN/m，設計值為143.kN/m。每5cm 膜材上的最大拉力為143.0×50=7150N。

4 結論和建議

氣膜煤場作為一種新型全封閉結構煤場，具有環保性好、初投資低、施工工期短等優點。東南沿海臺風季節風力較大，有可能達到16級以上，抵抗臺風主要是靠增加氣膜內外壓差來實現。2021年第6號臺風“煙花”途經嘉興電廠，最大風速30m/s（11級），氣膜內外壓差增加至550Pa。能否抵御16級以上颶風，有待實踐檢驗。

煤場內部為微正壓，強制通風，內部空氣流動性較差。特別在推煤機作業、斗輪機堆取料作業、煤產生自燃以及堆放高揮發性煤種時，產生的煙塵和有毒有害氣體擴散慢，會造成抑塵裝置運行頻繁，煤場內部濕度大、雨季更甚。同時煤場工作環境惡劣，不利于煤場工作人員的運行和維護。要改善這種不利工況，需合理布置排風口和通風機，宜進行相應的流場研究，減少通風死角。氣膜煤場密閉性好，運行中需加強可燃氣體、有毒有害氣體和粉塵濃度的監測、堆煤溫度監測和堆煤的翻場取用、煤場內部死角積粉清理，避免堆煤和積粉自燃。