火电厂钢煤斗二氧化碳气体消防配置比较

吕松力，李昌明，斯　琴

(1. 内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古　呼和浩特　010020； 2. 呼和浩特市建筑工程有限责任公司，内蒙古　呼和浩特　010020)

1　概述

近年来，随着电力行业的快速发展，新建和扩建的发电机组越来越多，而大容量、高参数的发电机组更是突出，对电厂消防系统不断提出新的要求，尤其是气体消防。由于燃煤电厂系统庞杂，各建(构)筑物构造复杂，高大空间场所防火分区界定困难，各防火分区内的设施多样；这些情况均造成火电厂消防系统的设计相对困难。

消防系统既是保证机组安全运行和人员生命安全的最后屏障，又是减少火灾损失和及时扑灭火灾的有效措施。因此，有必要对电厂消防设计存在的许多空白和不明确的地方进行比较分析，以便满足电厂的实际运行情况，便于维护和管理。

2　燃煤电厂的消防设计

燃煤电厂消防系统设计一般是以《火力发电厂与变电站设计防火规范》《消防给水及消火栓系统技术规范》《建筑设计防火规范》《二氧化碳灭火系统设计规范》《气体灭火系统设计规范》等规范为依据。其一般配置有临时高压给水系统、消火栓系统、自动喷水灭火系统[1]、水喷雾灭火系统、低倍数泡沫灭火系统、气体灭火系统、火灾自动报警系统、建筑灭火器及消防车等设施。也还包括防排烟、消防应急照明及消防供配电等配套设施。

目前燃煤电厂的消防设计虽然已经基本规范，但是仍有一些新的消防配置需要讨论和比较。本次仅就燃煤电厂钢煤斗的消防配置问题进行分析。

GB 50229—1996《火力发电厂与变电所设计防火规范》中对于原煤仓、煤粉仓没有要求；而GB 50229—2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》中对于上述内容则要求线性感温火灾探测和惰性气体消防。对于原煤仓或钢煤斗，国内相当多的电厂均已配置消防设施，且以二氧化碳惰化居多。同时美国NFPA850建议采用泡沫和惰性气体(如二氧化碳及氮气)，不推荐采用水蒸气[2]。因此，目前国内的燃煤电厂钢煤斗均配置二氧化碳惰化系统。

常规燃煤电厂配置的气体灭火系统主要包括七氟丙烷灭火系统、IG541(混合气体)灭火系统、低压二氧化碳灭火系统。作为其中的一部分，二氧化碳惰化系统同时还要和整个电厂的气体消防系统进行协调配合。某2×300 MW机组气体消防的配置情况见表1，IG541灭火系统配置表见表2。

表1　某2×300 MW机组低压二氧化碳灭火系统配置

表2　某2×300 MW机组IG541灭火系统配置

注：本工程还设置七氟丙烷预制灭火系统保护升压站内继电保护小室。

3　钢煤斗二氧化碳惰化系统

从表1可以看出燃煤电厂钢煤斗的惰化系统是和其他一些电子设备间等共用一套低压二氧化碳系统。钢煤斗布置于主厂房的煤仓间内，储存着破碎后的煤块，一般每台机组(300 MW)配置5～6个500 m3的钢煤斗。

3.1　惰化系统原理

对于煤斗(仓)，煤自身发热是由于煤的新鲜表面暴露在空气中产生氧化引起的，氧化作用会以低速持续进行直到自由氧全部耗尽，自燃产生的热量被煤吸收，引起煤温度升高。煤斗(仓)中有煤停留时，极易发生煤氧化产生热量，并因堆积而引起自燃，尤其是褐煤[3]，通常在煤斗停运期间，注入一定二氧化碳以降低煤的活性，防止煤发生自燃。

由于煤因高温易发生自燃引发火灾，若按常规灭火方式喷放大量液态二氧化碳灭火剂，在煤斗(仓)内受高温后灭火剂吸热急剧膨胀，产生大量高温高压二氧化碳气体，若煤斗(仓)泄压不及时，极易发生重大安全事故。为保证磨煤制备运行的安全，防止火灾发生，采用低压二氧化碳惰化灭火设计。即在规定的时间内，以一定流量、一定压力向煤斗持续喷射经惰化处理后的气态二氧化碳灭火剂，降低煤仓内氧气浓度或一氧化碳浓度，达到预防火灾的目的。

如果电厂燃烧的是褐煤，那么上述的问题就会更突出。因为褐煤是碳化程度低的煤，其发热量低，水分大，挥发分高，含游离腐殖酸，极易自燃。

3.2　惰化灭火系统配置

目前，国内外的相关消防规范都提出了煤粉处理系统用惰性气体进行保护，但是却没有对惰化用量、气体流量和持续时间以及系统配置进行规范。因此，惰化系统的配置主要是参照《二氧化碳灭火系统设计规范》，而规范中对于固体火灾的规定又不适用于煤粉惰化，所以国内的钢煤斗惰化设计均是参照美国相应公司的技术手册进行设计的。

钢煤斗惰化二氧化碳药剂量的计算按以下公式计算(汽化量是按照能满足一个钢煤斗惰化用量考虑):

M=(1+K)×V/S

(1)

式中：M为二氧化碳用量，kg；K为损失系数，取2；V为煤仓容积，m3；S为常温常压下的蒸汽比

容，取S=0.505 8+0.001 88t计算，t为防护区的环境温度(20 ℃)。

其他保护区域的配置计算按照规范中的相应要求计算，同时其他保护区与惰化系统共用一套低压二氧化碳系统，只是主控阀后分别进入惰化系统或其他保护区选择阀。某2×300 MW机组低压二氧化碳灭火系统设计参数见表3。

表3　某2×300 MW机组低压二氧化碳灭火系统设计参数

从上面实例可看出，钢煤斗惰化计算设计用量为3 125 kg,考虑到煤仓所有部分二氧化碳的浓度至少达到65%，喷射的二氧化碳气体在煤筒仓大部分区域几乎要达到100%饱和度，同时煤仓的泄漏现象不可避免以及惰化过程中只有85%的液态二氧化碳能够转化为气态，因此煤斗设计储存量为300 g。而全淹没保护区中最大保护区为公用段及锅炉段配电间，设计用量为1 349.12 g，储存量为1 485 g。根据组合分配灭火系统选型原则，以钢煤斗设计储存量为基准。选用SZED3.5型低压二氧化碳灭火装置共2台，其中1台为备用。每台设备自重200 g。

3.3　惰化灭火系统动作原理

低压二氧化碳惰化系统以组合分配方式对多个钢煤斗进行全淹没惰化保护,即在规定的时间内按限定流量向被煤斗喷射经惰化后的气态二氧化碳灭火剂进行惰化保护，喷放时间6～8 h，煤斗(仓)惰化设计浓度为65%，灭火剂备用量为100%[4]。

惰化系统应在接收到钢煤斗的温度上限(90 ℃)或一氧化碳浓度超标(1 200 μL/L)信号后，延时30 s(0～30 s可调)喷放灭火剂。

整个系统设有自动控制、手动控制和机械应急操作3种方式。具体控制逻辑见图1。

图1　惰化灭火系统逻辑图

现在很多电厂气体消防配置中低压二氧化碳既保护其他防护区，又保护惰化钢煤斗。由于钢煤斗体积大，惰化设计浓度大，因此低压二氧化碳系统的容量多数是以钢煤斗的储存量为基准的。从现实的角度看，由于钢煤斗的数量多，惰化的灭火剂流量大，持续喷防时间长，且可能存在惰化(灭火)的几率大；从安全可靠的角度考虑[5]兼顾经济性，认为钢煤斗惰化应该设置独立的系统，同时低压二氧化碳系统具有易于充装和自检功能比较完善的特点，因此钢煤斗采用低压二氧化碳独立惰化系统较为合理。

4　结论

通过燃煤电厂工程实例比较，可以看出燃煤电厂消防配置仍还有许多问题值得探讨，因此有必要对各个消防系统进行系统梳理分析，以达到安全可靠运行。通过一些具体的消防工程实例，给出以下建议。

a. 建议低压二氧化碳系统仅惰化保护钢煤斗。

b. 原低压二氧化碳保护的场所可以考虑采用细水雾灭火系统或七氟丙烷灭火系统进行消防保护。

c. 建议电厂加强整个消防系统的安全维护管理，尤其是各消防系统的巡检验收以及人员培训(重点)。

d. 建议每年消防执法测试部门对电厂进行1次安全检查和1次单个消防系统的测试工作。

参考文献：

[1]强燕，王爱东. 火电厂输煤系统消防措施的探讨[J].东北电力技术，1999，20(3):38-39.

[2]火力发电厂与变电站设计防火规范:GB 50229—2006[S].

[3]李志山，宁献武，张伟.1 000 MW超超临界机组锅炉掺烧褐煤研究[J].东北电力技术，2012，33(1):1-4.

[4]二氧化碳灭火系统设计规范：GB 50193—1993[S].

[5]高云升，刘连喜，王健强. 低压二氧化碳灭火系统与惰化保护系统[J].消防科学与技术，2009，28(9):653-655.