水電工程主廠房防火防煙分區劃分的探討

王繼琳 林志勇

(1.中國電建集團水電水利規劃設計總院,北京;2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州)

1 研究背景

鑒于水電工程的特殊性,GB 50872—2014《水電工程設計防火規范》(以下簡稱《水規》)修編過程中,防火設計標準如套用GB 55037—2022《建筑防火通用規范》(以下簡稱《建通規》)、GB 55036—2022《消防設施通用規范》(以下簡稱《消通規》)、GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)(以下簡稱《建規》)和GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》(以下簡稱《煙規》)中的相關條款,不能滿足水電工程的特殊布置、消防效果、工藝要求和運維特點的需要。

為此,本文通過對地下主廠房發電機層的火災危險性、火災場景、煙氣的流動規律等進行分析,探討影響安全疏散的因素,以區分水電工程與一般公共建筑的本質差別,以及需要在防火分區、防煙分區和疏散距離方面采取不同的規定,以滿足水電工程設計的防火要求和生產運行要求。利用火災性能化設計的思維方式和火災模擬軟件(FDS),得到支撐規范條款的理論依據,為《水規》的修編提供技術支撐,提高規范的適用性和科學性。

2 主廠房火災的特點

水電站是特殊的工業建筑,主要以水能為動力生產電力,主廠房布置水輪發電機及輔助生產設備,運行全過程無需生產人員干預,自動化程度高,平時廠房內只有一定的維護、巡視及檢修人員。隨著大型水電站智能運維技術的進一步提高,主廠房將全面推廣“無人值班,少人值守”[1]。

從水電站火災的既有案例和水電站布置可以看出,水電站火災具有以下特點:除個別高壓設備產生瞬時絕緣短路、局部高壓放電爆炸外,火災基本能早期發現,火勢蔓延緩慢;但地下廠房隔絕火災區域進行撲救后,煙氣難以排出,易在水電站洞室群內局部積累。水電站的防火特點與普通民用建筑有以下不同:

1) 危險源不同:水電站雖然各種發電設備較多、布置擁擠,但設備和電纜本身采取了嚴格、可靠的絕緣和防火措施,火災危險性高的丙類設備集中布置、單獨分隔,盡可能從源頭上杜絕了火災的發生和蔓延;

2) 人員消防素質不同:水電站內工作人員均經過上崗前消防培訓,在廠房內時處于值守的工作狀態,精力集中,對火災反應迅速,人員消防素質較高;

3) 消防設施配置不同:水電站廠房內各危險場所均具有完善的火災自動報警系統及視頻監控系統,主要設備場所配置有固定式滅火裝置,消防設施完善,火災初期立足于自救,預案齊全、完善,主要保護發電設備,與民用建筑主要側重人員疏散、避免重大傷亡不同。

3 相關規范的要求

《水規》第3.0.1條規定,主廠房、主變洞的火災危險類別為丁類。

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

關于防煙分區,《煙規》第4.2.4條規定,空間凈高大于6 m時,最大防煙分區面積為2 000 m2[3];《消通規》第11.3.2條規定,設置機械排煙系統的場所應結合該場所的空間特性和功能分區劃分防煙分區,防煙分區及其分隔應滿足有效蓄積煙氣和阻止煙氣向相鄰防煙分區蔓延的要求[4]。

關于疏散距離,《建規》第3.7.4條規定,耐火等級為一、二級的丁類地面廠房,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 主廠房防火分區的劃分

建筑物內劃分防火分區,是為了在建筑物發生火災時,有效地把火勢控制在一定的范圍內,減少損失,同時可以為人員安全疏散、消防撲救提供有利條件。防火分區面積的確定應考慮建筑的功能、使用性質、重要性、火災危險性、消防撲救能力及火災蔓延的速度等因素。

水力發電廠主廠房的防火分區,是根據水力發電廠的設備布置,在廠房內部采取必要的防火墻、樓板及其他等效的防火分隔措施進行分隔,用以控制和防止火災向其他臨近區域蔓延。

《水規》第5.1.4條規定,水力發電廠主廠房火災危險性類別為丁類,其防火分區面積不限,是以《建規》“丁類建筑防火分區面積不限,一、二級耐火等級的建筑防火分區間距不應小于10 m”為依據。同時水力發電廠的中、大型水輪發電機組的機組段間距一般都大于10 m。發電機組結構上是豎向安裝,1臺機組跨越4層,同時發電機整體安裝在混凝土風洞內,且風洞內布置固定式滅火裝置。目前國內的發電機組主要采用風洞內水噴淋或氣體滅火方式,發生事故時自動啟動滅火裝置,機組間的距離滿足火災隔離要求,對相鄰機組的影響較小。在水電工程項目中,尚未發生過機組火災擴散、危害到相鄰機組的事故案例。部分穿越機組段的電纜橋架,也在機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面積不限,是滿足實際工程安全需求、與相關規范要求一致的。

另外需要說明的是,水電站地下廠房往往位于山體下數百米,甚至上千米,廠房內的布置與地面廠房沒有本質的差別,結構上均達到一級耐火等級。因此防火分區的劃分原則也與地面廠房一致,可以滿足水電工程的運維安全。

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,同時主變洞周圍也設置了固定式水噴霧滅火設施。主變洞其他電氣設備的火災危險性類別均為丁類。因此主變洞的防火分區面積也不限。

5 主廠房防煙分區的劃分

防煙分區利用擋煙垂壁、擋煙隔墻等來劃分,把火災現場的煙氣控制在一定的區域內。防煙分區不得跨越防火分區。設置防煙分區可以使煙氣集中在一定的區域,通過排煙設備將煙氣排放至室外,從而為建筑內人員的疏散和消防隊員撲救贏得更多時間。

《煙規》第4.1.3條的條文說明明確指出,當產生的煙氣在廠房中出現“層化”現象時(即煙層與周圍空氣溫差小于15 ℃時),應采用機械排煙方式排煙。

水電工程發電機層的火災荷載低、空間大,發電機層失火可能產生煙氣的主要設備是發電機轉子、定子的絕緣材料及發電機控制盤,失火位置低、面積明顯小于發電機層面積。以往的科研及現場實驗都顯示,火災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兩端流動[5]。

發電機組發生火災時,機組風洞內的滅火裝置會自動啟動進行滅火降溫,同時發電機組封閉在風洞內,多數煙氣熱量擴散不到發電機層?？蒲谐晒砻?火災煙氣到橋機軌道高程就開始層化、擴散,變成“孤云”狀態[6],與按照煙氣計算理論得出的溫差達到15 ℃后煙氣不再上升也是相符的。

廠房頂部機械排煙系統開啟、熱空氣層的去除將消除分層的條件,使得煙氣能夠到達頂部,即進入儲煙倉。煙氣分層現象是在“沒有氣流擾動的情況下”出現的,所以按設定火災條件設計的機械排煙系統正常運行時廠房內不會出現煙氣分層[7]。

因此,發電機層劃分防煙分區意義不大,最有效的排煙是采用大風量機械排煙,把懸浮的“孤云”煙氣排出。

因此,《水規》修編時相關條款修訂為:封閉廠房及非地面廠房發電機層應設置機械排煙系統,排煙量可按1臺機組段面積計算,不小于120 m2/(m2·h),防煙分區不得跨越防火分區,面積不限。

根據以上分析,如果主廠房劃分為1個防火分區,則主廠房發電機層可作為1個防煙分區。

6 主廠房疏散距離的確定

廠房內人員能否安全疏散及疏散的距離長度,取決于可用安全疏散時間(available safe evacuation time,ASET)和需要安全疏散時間(requires safe evacuation time,RSET)之間的關系,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高度處對人員安全疏散造成負面影響的時間。

主廠房火災載荷小,可控制在1.5 MW以下。發電機層高度高,一般為18～20 m,空間大,容煙量也大,設有機械排煙系統。根據數值模擬結果(見圖1),在機械排煙條件下,煙氣沉降到距地12.5 m高度處的時間約為500 s,沉降到距地8.5 m高度處的時間約為2 000 s(約30 min)。

圖1 主廠房火災煙氣模擬結果

發電機層以下的母線層、水輪機層、蝸殼層,按發生1處火災考慮,最低的母線層高度通常在6 m左右,經計算,煙氣下降到距地2 m高度處至少需要480 s(8 min)。

對于發電機層以下各層,RSET由火警探測時間、人員反應時間和疏散行動時間組成,見圖2。疏散距離和人員密度、疏散通道、人員素質、疏散標識、疏散組織等都有關系,水電站設置有完善的火災探測和報警系統、視頻監控系統(工業電視系統),廣播、警報系統齊全,廠房內工作人員較少、疏散指示明確、應急照明完善,同時人員消防訓練有素,立足火災初期自救。查閱文獻資料及國內外標準得知,超快速火災從發展到被探測的時間約為0.6 min;在廣播條件下人員反應時間短于0.4 min,按主廠房內最不利條件下人員反應時間為0.4 min計算;疏散行動時間由疏散距離和人員疏散速度決定,廠房內部人員較少,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計算,可以得出以下結論:

圖2 火災發展與人員疏散過程關系

1)發電機層設有機械排煙系統,在30 min內能夠保持清晰高度在8.5 m以上。因此,發電機層能夠保證不被煙氣干擾、安全疏散,同時也可為消防撲救人員建立一個火場中間安全地帶。

2)對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發電機層,即疏散距離為水平長度80 m、豎直高度24 m,疏散行動時間約為120 s(2.0 min)。因此,RSET約為0.6 min+0.4 min+2.0 min=3.0 min。

發電機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煙氣蔓延的速度成反比,按照疏散原則,在煙氣擴散至清晰高度前,人員應疏散到安全區域。同時經過定量分析和計算,發電機層以下的蝸殼層最不利點,疏散至發電機層的最長時間不長于180 s(3.0 min),而最不利情況下母線層煙氣擴散至清晰高度的時間約為480 s(8.0 min),即使有1部樓梯被煙氣侵擾,通過其他樓梯疏散到發電機層的時間也是充足的。因此,主廠房采用敞開樓梯也滿足疏散安全的要求。

7 《水規》的應用

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

根據國務院和有關部委《深化工程建設標準化工作改革方案》(國發〔2015〕13號)、《國家標準化體系建設發展規劃(2016—2020年)》(國辦發〔2015〕89號)、《強制性標準整合精簡工作方案》(國辦發〔2016〕3號)的精神,《水規》修編時取消了強制性條款,由全文強制性工程建設規范取代現行標準中分散的強制性條文。

強制性工程建設規范體系覆蓋工程建設領域各類建設工程項目,分為工程項目類規范(簡稱項目規范)和通用技術類規范(簡稱通用規范)2種類型。執行規范體系時,應以項目規范為主干,通用規范是對各類項目共性的、通用的專業性關鍵技術措施的規定。

根據上述精神,在水電工程項目規范中沒有要求的內容,用通用規范中的條款來要求,屬于提高工程標準,應根據具體工程的實際情況慎重對待?！督ㄍㄒ帯泛汀断ㄒ帯肪鶎儆谕ㄓ靡幏?在水利水電工程項目設計規范尚未頒布實施的過渡階段,水電工程設計中的規模、布局、功能性能和關鍵技術措施,還是應執行現行的水電行業相關設計規范條款,各專業具體的通用技術措施應執行相關的通用規范條款。

8 結論

《水規》修編過程中進行了深入調查研究,認真總結了實踐經驗,參考了有關國際標準和國外先進標準,對水電領域30年相關科研成果進行了梳理、歸納和總結,并廣泛征求了有關方面的意見,最后經審查確定:

1) 水電工程主廠房的防火分區建筑面積不限。

2) 廠房內防煙分區不應跨越防火分區,其面積不超過防火分區面積。

3) 主廠房發電機層、主變洞安全疏散距離不限。發電機層以下各層,室內最遠工作地點到最近安全出口的最大允許安全距離應通過可用疏散時間和人員疏散速度計算確定?？捎檬枭r間應結合廠房具體情況進行分析,也可采用火災數值模擬分析確定。

4) 主廠房發電機層以下各層,2個機組段之間至少設置1部工作樓梯,供疏散使用;工作樓梯應為開敞樓梯。