生物质电厂消防设计

李 木 军

(上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040)

1 概述

生物质发电源于20世纪70年代的欧洲，当前其技术应用已经相当成熟，而我国生物质发电相关技术、设备较欧美发达国家落后，对能源的利用效率也比较低。随着国民经济的发展以及国家对环境保护要求的不断提高，促进了我国生物质发电产业的发展，引发了大量生物质电厂的兴建。笔者近年除参与了多个生物质电厂设计项目，同时也参与设计若干垃圾电厂项目，发现垃圾电厂消防系统也与生物质电厂较为相似，包括消防系统的分类、组成以及相关设计参数等。因此，对生物质电厂的消防设计进行总结，对后续生物质发电、垃圾发电等类型项目的消防系统设计均有较好的指导参考作用。

生物质电厂一般包括主厂房、秸秆料棚、综合楼、联合泵房、检修车间、门卫室等单体，生产环节具有很高的火灾危险性，其消防设计具体可分为单体消防和厂区消防。

2 消防系统分类及组成

生物质电厂消防系统主要分为室内、外消火栓、自动消防水炮、防火分隔水幕、灭火器、自动喷水灭火系统等。每类消防系统由消防水池、消防水泵、室外管网、室内管网、消防用水设施及高位消防水箱等部分组成。实际设计中各类消防系统中的水池、水泵和室内、外管网部分，应根据项目具体情况确定单独或合用设置。自动消防炮系统独立采用一套临时高压供水系统，除水炮以外其他消防系统合用一套临时高压供水系统。典型生物质电厂全厂消防系统原理图见图1。

3 消防灭火设施设计

3.1 室内、外消火栓

建筑专业将秸秆料棚类别定为半露天堆场，即具有完整顶棚、其余围护结构面积不大于30%的秸秆存储建筑物，火灾危险性丙2类。

秸秆料棚内堆放有大量可燃物品，如植物秸秆、少量废旧木料等，具有很高的火灾危险性，易引发火灾，导致生产中断，带来经济损失或危害人员安全。因此，秸秆料棚应设室内、外消火栓进行保护[1,2]。如何确定其室、外消火栓设计参数十分关键，秸秆规范虽要求秸秆料棚应设室内消火栓，但秸秆规范及消水规未明确其室内消火栓的设计用水量大小及火灾延续时间。设计时根据其储存物品(植物秸秆、废旧木料等)性质，将秸秆料棚按丙类仓库考虑，确定其室内消火栓用水量为25 L/s，火灾延续时间3 h，室外消火栓用水量直接按照储存秸秆的储量，范围为20 L/s～60 L/s，火灾延续时间6 h[3]。需指出在确定秸秆料棚室内、外消火栓用水量时，应考虑料棚日后是否有扩建需求，如有则提前考虑相关消费用水量。

经比较秸秆料棚为电厂消防用水量最大的单体，将室内、外消火栓火灾延续时间各自取值，室内消火栓火灾延续时间按照丙类仓库确定为3 h，室外消火栓系统按半露天堆场确定为6 h，既考虑了经济性又满足了相关规范要求。

3.2 自动消防水炮

秸秆规范、《固定消防炮灭火系统设计规范》指出，半露天堆场宜设置自动水炮灭火系统，并对消防用水量、供水时间、布置要求等做了要求。设计用水量不小于60 L/s，连续供水时间不小于1 h，室内消防炮的布置数量不应少于两门，布置高度应保证消防炮射流不受上部建筑构件的影响，并应使两门水炮的射流能同时到达被保护区域的任一部位[2,4]。

关于秸秆料棚内自动消防水炮的设计，除需满足规范要求外实际还应注意以下几点：

1)秸秆料棚四周设置防尘网，如无法避免靠近料棚四周墙体布置的水炮受到日光照射影响可能引起水炮误动作，水炮可优先选择灭火准确性更高的图像型水炮；

2)秸秆料棚内细小粉尘较多，水炮探测器、定位器选择应考虑或采取适当措施，如优先选取防爆型水炮，可提高其可靠性；

3)消防水炮的保护半径是根据水炮的炮体上仰一定角度射流确定，为确保水炮的有效保护半径，水炮设置高度应考虑动作时不被上部建筑构件遮挡避免出现因水炮设置高度贴近屋顶梁底或其他障碍物影响水炮使用的情形。

设计具体选择时可尽量选择图像型消防炮或防爆炮，以减少水炮误动作、降低后期运维费用、延长设备使用寿命，条件不允许时建议可选择普通红紫外型水炮、加设防尘罩并加强使用管理。生物质电厂消防水炮的选用可参考相关文献[5]。

3.3 防火分隔水幕

秸秆料棚室内设置投料坑，投料坑与栈桥相通，秸秆料棚和栈桥剖面示意见图2。当料坑内燃料着火时，火势可能分别通过投料口或栈桥向料棚以及栈桥其他部位蔓延，故应在秸秆料棚和栈桥连接处设置分隔水幕有效阻断火灾，秸秆料棚消防用水量应叠加防火分隔水幕的用水量。

秸秆仓库或半露天堆场与栈桥连接处、栈桥与主厂房或栈桥与转运站的连接处所设分隔水幕，喷水强度查自动喷水规范为2 L/(s·m)[6]。输料栈桥的净宽取6 m左右，经水力计算得出分隔水幕用水量约15 L/s，水幕喷头压力约0.15 MPa，设计火灾延续时间按照建筑墙体耐火时间确定，一般取3 h～4 h。

分隔水幕控制及喷头的选择与布置，可参考图集《自动喷水与水喷雾灭火设施安装》[7]，喷头可两排布置或三排布置。设计选用雨淋报警阀组，采用K=80的水幕喷头，也可选用开式洒水喷头。

分隔水幕系统与室内消火栓共用一套系统，在分隔水幕供水引入管上设置减压孔板进行减压，以满足分隔水幕系统的压力要求。

3.4 灭火器

秸秆规范第10.2.7条规定，秸秆生物质电厂主厂房、综合楼、秸秆料棚等建筑内应配置移动式灭火箱，具体配置根据《建筑灭火器配置设计规范》相关条文要求配置[8]。

除需满足规范要求外，秸秆生物质电厂灭火器设置还应注意以下几点：

1)主厂房等单体内同时可能出现多种火灾类型，灭火器选择时尽量选用通用型灭火器，推荐适用范围广的磷酸铵盐灭火器，不选水基型或二氧化碳灭火器；

2)大跨度建筑单体或者危险性高的场所，如秸秆料棚跨距一般不小于30 m，全部采用手提式灭火器，其保护半径受到限制，无法达到全方位保护。同时，假设将手提式灭火器布置在生产中心区势必影响到生产，因此料棚内部考虑配置适当数量的推车式灭火器。在室外若干场所，如变压器区域、油泵房等，推荐配置推车式灭火器。

3.5 其他灭火系统

除了上述提到消防系统，生物质电厂还可能涉及自动喷水灭火系统、气体灭火等系统，实际是否设置应根据不同项目建筑、暖通、工艺专业设计情况确定。

4 消防供水系统设计

4.1 消防供水管网

为减少泵房机组和室外消防管网设置数量，降低投资，将室内、外消火栓、防火分隔水幕系统设计为合用一套临高压供水系统，采用一套供水管网供水。

自动消防水炮灭火系统因供水压力、流量大小、灭火时间短(1 h)，较上述消火栓系统差异明显，建议单独设计一套临时高压供水系统，采用一套供水管网供水。

4.2 消防泵的选择及配置

4.2.1 消防泵的选择

消防备用泵选用柴油机泵的优势是可降低消防安全可靠度对外部供电的依赖性，当外部供电中断时，柴油机泵供给消防设施用水，能够保证火灾发生时整个消防系统的正常运行。因此，生物质电厂消防设计确定消防泵主泵选用电动泵，备用采用柴油机泵[3,9]。

4.2.2 消防泵组配置

关于消防泵的配置，相关电厂标准给出了具体要求，实际设计生物质电厂建议设置两套临高压消防供水系统：一套为室内、外消火栓与防火分隔水幕合用消防泵组，另一套为自动消防水炮泵组，原因分析如下：

1)水炮与消火栓系统工作压力相差较大，合并成一套系统则合同泵组的流量大、扬程高，当任一消防系统单独启动时消防泵易出现超压运行。若泵组合用，室外消防管道合并设置，则需按照较高系统工作压力确定所有管道公称压力等级，除消防炮系统之外其他系统均需考虑减压措施，管网造价增加且不节能；若泵组合用，室外管网分为两套，消防炮一套，其他消防系统一套，则需对其他消防系统使用减压阀组进行减压，且减压阀需设置4组，将导致增加泵房占地面积。

2)全部消防系统合并后水泵机组功率大于400 kW，电气专业建议采用10 kV供电，生物质电厂所在地一般远离市区，无10 kV供电线路，且一套大泵机组较两套小泵机组投资造价节省较为有限。

3)自动消防水炮灭火系统水流量较大、系统压力高而工作时间较短，与消火栓系统分开，更便于全厂消防系统的控制管理。

室内、外消火栓与防火分隔水幕合用消防泵组，泵组流量按最大消防用水量单体秸秆料棚确定，泵组扬程结合秸秆料棚、主厂房等单体经计算比较取大值，设消防稳压泵2台，配稳压罐。

自动消防水炮泵组，水泵流量60 L/s，水炮的额定工作压力为0.80 MPa～1.0 MPa，最大保护半径约55 m，消防炮系统水泵扬程1.15 MPa～1.30 MPa，设消防稳压泵2台，配稳压罐。

4.3 消防泵房、水池

4.3.1 消防水池容积计算

计算项目所需总的消防用水量，首先应知道火灾发生次数及单次火灾消防用水量。典型生物质电厂同一时间的火灾次数为1次，具体依据参见消水规第3.1.1条、秸秆规范第10.2.3条。

以某典型生物质电厂项目为例，最大消防用水单体为秸秆料棚，室内消火栓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。最大消防用水量为160 L/s，火灾发生次数一次，一次灭火最大消防用水量为1 998 m3(V有效=25×3.6×3+60×3.6×6+15×3.6×4+60×3.6×1=1 998)。条件允许时消防水池推荐单独设置，但实际生物质电厂消防水池通常又与工业水池合用，以降低造价。

4.3.2 消防水池的设置要求

随着《建筑机电工程抗震设计规范》的颁布实施，近年来各类项目设计中均要加以考虑。尤其是目前多数项目建设地的抗震设防烈度为6度及6度以上，建筑机电工程必须进行抗震设计，具体措施为将消防水池设计为用地下式，水池采用钢筋混凝土结构[10]。

4.3.3 泵房、水池形式组合的投资对比

消防泵房及水池根据其与室外地面标高的关系分为地上式、半地下式、地下式三种。以某秸秆生物质电厂项目为例，其泵房平面尺寸20 m×9 m，单座水池的平面尺寸21 m×16.9 m，单座水池的总容积1 400 m3(含工业用水)，水泵房净高约9.40 m，水池净高约5.10 m。对比不同形式的泵房和水池的工程投资如表1所示。

表1 不同形式泵房和水池的投资估算

由表1可知各种组合形式的投资情况，地上式的泵房和钢混水池投资最少，其次是半地下式泵房和钢混水池组合，地下式泵房和钢混水池组合投资最高。

4.3.4 同类工程设计对比

同类工程设计情况如表2所示。

表2 同类工程消防设计对比

通过对比可知：

1)引起消防水量差异的主要是料场形式，半露天秸秆料棚消防用水量比露天堆场的大；

2)秸秆生物质电厂水泵房、水池的形式一般采用半地下式钢混水池；

3)秸秆生物质电厂消防备用泵一般采用柴油机泵。

综合生物质电厂项目所在地区抗震设防烈度通常不小于6度、消防泵房通常与循环水泵房考虑合建、水池应满足原水预处理装置自流出水要求以及4.3.3节投资对比情况，确定采用半地下泵房和半地下钢混水池。另根据消水规相关要求，在泵房和循环水泵房之间设置了防火隔墙进行分隔。

4.4 高位消防水箱

生物质电厂室内消火栓流量一般不小于25 L/s，基于生物质原料易燃，火灾危险性大，高位消防水箱设计有效容积取18 m3，一般设置于全厂最高建筑单体主厂房屋面上。

高位消防水箱设计除了要满足容积大小、水位控制、报警等方面的要求，还应注意结合项目所在地气候条件，在北方严寒有冻结可能的地区，应考虑设置在采暖房间、外保温等防冻措施。

5 总结与建议

1)生物质电厂消防系统主要有 室内、外消火栓、防火分隔水幕、自动消防水炮、灭火器等，部分项目可能还涉及到自动喷水灭火系统、气体等灭火系统等。垃圾电厂消防系统设计，可参考借鉴生物质电厂进行。2)秸秆生物质电厂最大一次消防用水量单体一般为秸秆料棚，导致消防用水量差异的主要原因是料场的形式。半露天秸秆料棚消防用水量比露天堆场的大，设计的消防设施多、投资大，建议方案设计阶段应着重料棚形式的确定。3)半露天秸秆料棚室内消火栓用水量及火灾延续时间，建议参考丙类仓库确定。其单体消防用水量应考虑防火分隔水幕用水。4)建议消防炮系统单独采用一套临时高压供水系统，其他系统合用一套临时高压供水系统。两套系统泵组的备用泵宜采用柴油泵，两套系统共用高位消防水箱并可考虑有效容积适当放大。5)料棚内消防水炮优先选择图像型消防炮或者防爆炮，以减少水炮误动作、降低后期运维费用、延长设备使用寿命。条件不允许时建议可选择普通红紫外型水炮、加设防尘罩并加强使用管理。6)消防水泵房、水池的组合形式，应结合消防泵房是否与其他泵房合建、抗震设计、造价、业主要求等因素综合确定。一般建议选用半地下泵房、半地下钢混水池组合的形式。