气承膜结构封闭煤场在发电厂的应用

浙江浙能镇海发电有限责任公司 李志军

2018年6月国务院发布《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》（国发（2018）22号文），通知要求“强化工业企业无组织排放管控。开展火电等重点行业及燃煤锅炉无组织排放排查，建立管理台账，对物料（含废渣）运输、装卸、储存、转移和工艺过程等无组织排放实施深度治理，长三角地区2019年底前完成”。

2016年4月浙江省发布了《浙江省燃煤发电产业环境准入指导意见（试行）》，提出加强对扬尘的控制，应采用封闭煤场，鼓励采用全封闭式煤仓。2018年9月浙江省发布了地方标准《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB33/2147-2018），要求储煤场应采用封闭、半封闭料场（仓、库、棚）。半封闭料场应至少两面有围墙（围挡）及屋顶，并对物料采取覆盖、喷淋（雾）等抑尘措施。新建燃煤电厂自2018年11月1日起执行，现有燃煤电厂自2020年7月1日执行。浙江省自2018年开始对现有燃煤电厂的敞开式储煤场进行封闭改造。

1 浙江省主要燃煤电厂

浙江省主要燃煤电厂装机容量（MW）和煤场情况如下：

浙能嘉兴电厂2×300+4×600+2×1000、7个斗轮机条形煤场，浙能长兴电厂4×300、2个斗轮机条形煤场，华能长兴电厂2×660、48个蜂窝仓，浙能绍兴滨海热电厂2×300+4×50、2个斗轮机条形煤场，北仑电厂5×600+2×1000、7个斗轮机条形煤场，浙能镇海电厂2×660、1个斗轮机条形煤场，国能宁海电厂4×600+2×1000、4个圆形煤场，大唐乌沙山电厂4×600、3个斗轮机条形煤场，浙能台州第二电厂2×1000、2个斗轮机条形煤场。

浙能台州电厂2×330+2×300、3个斗轮机条形煤场，华能玉环电厂4×1000、4个斗轮机条形煤场，浙能乐清电厂4×600、3个斗轮机条形煤场，浙能温州电厂4×330+2×660、2个斗轮机条形煤场，华润苍南电厂2×1000、2个斗轮机条形煤场，国能舟山电厂1×300+1×350、1个斗轮机条形煤场，浙能六横电厂2×1000、利用煤炭中转基地，浙能兰溪电厂4×600、3个斗轮机条形煤场。

采用气承膜结构封闭煤场电厂的煤场情况、风压（kN/m2）/雪压（kN/m2）、供货商分别如下：

浙能嘉兴电厂5个斗轮机条形煤场、0.60/0.35、柏兰达；浙能长兴电厂1个斗轮机条形煤场、0.50/0.35、柏兰达；浙能绍兴滨海热电厂2个斗轮机条形煤场、0.45/0.40、柏兰达；北仑电厂2个斗轮机条形煤场、0.65/0.35、柏兰达；浙能镇海电厂1个斗轮机条形煤场、0.81/0.35、柏兰达；浙能台州第二电厂1个斗轮机条形煤场、1.10/0.35、今盛杰；浙能台州电厂2个斗轮机条形煤场、0.75/0.35、柏兰达；浙能乐清电厂2个斗轮机条形煤场、0.80/0.35、雪迪龙；浙能温州电厂1个斗轮机条形煤场、0.75/0.35、柏兰达；华润苍南电厂1个斗轮机条形煤场、1.20/0.30、柏兰达；浙能兰溪电厂2个斗轮机条形煤场、0.35/0.55、柏兰达。

2 气承膜结构封闭煤场技术特点

膜结构20世纪60年代起源于加拿大，在国外已经有60余年的成功应用。主要用于世界各国的环保、体育、娱乐、军事、工业、商业等领域，如体育场馆、商业综合体、停车场、储料场等。继北京的鸟巢和水立方使用膜结构之后，膜结构建筑快速地被中国的建筑市场所认识和接受。目前膜结构建筑物在国内已有三四百座，主要应用于大型体育场馆、大跨度展览中心等，近年逐渐应用于煤炭能源、焦化、水泥等行业料场封闭项目。

膜结构分气承膜、骨架膜、张拉膜等型式，用于储煤场的一般是气承膜结构。高强度聚酯纤维布作为基材，表面覆以PVC、PVDF 等涂料，具有耐腐蚀、防紫外线、防老化、难燃、透光、自清洁等良好的物理性能。气承膜结构封闭煤场是基于PVDF 膜（聚偏二氟乙烯膜）外置斜向钢丝绳网索受力的内部充气承压的封闭型储煤场。用膜材料锚固在煤场周围钢筋混凝土围墙顶部预埋螺栓上，形成相对封闭空间（图1）。

图1 充气膜结构原理示意图

为满足日常生产运行、维护检修等进出煤场需要，气膜煤场设置汽车进出通道、人员进出的旋转门以及紧急状态下人员逃离的应急门等。每个汽车通道为两端各设一道密封门，内部空间满足停放整车。煤场周围设钢筋混凝土封闭围墙作为固定气膜的基础，围墙顶部预埋固定气膜及斜向钢丝绳网索用的预埋螺栓。混凝土围墙上布置多套进风风机和排风阀、泄压阀，气膜顶部设若干个常开排风口，用于煤场内部的充气、换气、泄压、排气，调控煤场内部的环境质量。

依靠风机的连续进风，内部形成稳定的气压以支撑气膜膨胀状态，根据当地气象条件，通过对风机及排风阀的调控，使气膜内、外压差时刻维持在正压250～600Pa 的相对稳定的范围。如内部聚集有瓦斯气体，可通过气膜顶部的常开排风孔排至室外。煤场内设置多套射雾器来抑制扬尘，利用煤尘监控装置的监测数据来控制风机、排风口的通风量，降低气膜内部粉尘浓度。

照明采用防爆型LED 灯，安装在煤场四周围墙上部。设光控系统，只在夜间或自然采光不足时开启。利用气膜外部的钢网索与铝扣件相连接组成避雷网，避雷器与气膜顶部网索系统卡扣相连接，钢网索系统底部与全厂接地网连接。气膜煤场配有消防炮灭火系统。在围墙内侧及斗轮机基础两侧设电动消防水炮，消防炮低位布置。气膜煤场设置智能控制系统，内含模块控制、室内外环境监控、压力调控、有害气体监控、氧气含量监控、粉尘浓度监控、温度湿度监控、新风循环监控等。气膜煤场消控室将与全厂消控中心联动。

气承膜结构封闭煤场主要特点如下：环保。气承膜结构封闭煤场，更符合现行环保要求；占地面积。因沿围墙布置了照明、监测仪等设施，需要维护的通道，煤场总宽度增加，占地略大；采光照明。气膜的漫反射灯光较均匀、无阴影，但光照强度相对较弱。光源面朝上容易积尘，需要经常清理；通风。通过进风风机和排风阀、泄压阀来调节内部空气质量，维持内、外压差；电源。需要保安电源确保紧急情况下进风风机的正常运行。；土建基础。气膜结构对土建基础的侧向位移和沉降不敏感，基础简单；使用寿命。膜材的寿命15～20年，钢索～30年；建设工期。气承膜结构封闭煤场建设工期较钢网架结构短，一般一个煤场建设工期～7个月；投资。根据上述项目统计，以投影面积计算，EPC 价格为1094～1994元/m2。

以某电厂为例，该电厂煤场为长310m、宽120m、高43m，面积37200m2，共设置4个汽车通道、2个旋转门、8个应急门。堆煤区总宽度为109m，总长300m，分四个煤堆，最大储煤量为16万吨。在煤场两侧混凝土围墙上布置22套轴流进风风机和18套排风阀（带滤网）、2套泄压阀，气膜顶部设若干个直径20mm 的常开排风孔，煤场两侧设6套射雾器。煤场内设10套粉尘监测仪、12套一氧化碳监测仪、12套瓦斯监测仪、2套温湿度监测仪，煤场外设1套风速仪，煤场内设28套PSKD30型电控消防炮和图像火灾探测器。

3 气承膜结构关键技术-载荷分析

膜结构的控制载荷通常是风载、雪载，在载荷作用下膜结构的变形较大，因此精确计算结构的变形和应力分布要用几何非线性方法进行。根据不同工况下计算出索、膜等结构构件中的内力分布的最不利情况，来选定索、膜等材料的型号及尺寸，确定详细的节点做法及构造措施等。新建气膜结构煤场地处沿海，风力较大，台风季节有可能达到16级以上，抵抗台风主要是靠增加气膜内部压力来实现的（气膜最大承受压力为500Pa），气膜能否抵御16级以上飓风，需要数模计算提供有力支撑。因此经济安全的索膜建筑必须经过仔细的内力分析后才能完成。

载荷分析的另一个目的是检验确定索、膜中初始预张应力，一般先在找形分析时根据经验假设一个预应力值及其分布，然后经载荷分析来判断其合理性，即预应力的大小与分布应使在最不利工况下仍必须满足使用要求、整体和局部位移等要求。

由于我国没有气承膜结构设计规范，本工程的计算采用基于美国规范《空气支承建筑》ASCE 17-96编写的公司自有设计软件进行计算。同时采用德国膜结构分析软件EASY 和同济大学3D3S 进行复核。取一工况计算如下：

荷载取值说明：气膜建筑平面规格（长×宽×膜体高度）310×120×40m。按50年一遇荷载取值，基本风压0.81kN/m2(风速36m/s)，基本雪压0.30kN/m2。地面粗糙度分类取B 类，考虑风振系数为1.3，结构的重要性系数为1.0，不考虑地震作用。气膜结构的正常使用内压250～300Pa，抵抗最大风荷载时内压600Pa。膜体内部无悬挂物。

充气膜的结构计算模型如图2所示。

图2 结构计算模型

图3 风荷载作用下膜面应力设计值

沿海地区不考虑雪载，进行标准荷载工况和组合情况下的计算，荷载组合条件为：①内压+风、②1.2＊内压+1.4＊风，其中工况①用于计算变形和基础设计，②用于上部充气膜和索的设计。经比较，组合1为基础设计的控制荷载，以下为组合结果。

图4 风荷载作用下膜面应力标准值（MPa）

图5 风荷载下结构的x 方向位移（mm）

图6 风荷载下结构的y 方向位移（mm）

图7 风荷载下结构的Z 方向位移（mm）

分析结果：通过位移分析可见，风荷载为控制荷载，在横向风荷载作用下，结构的X 方向位移为0.7m，出现在结构端部；Y 向位移为3.9m，发生在背风面处；Z 向位移顶部最大，约为3.6m。至于膜面应力，风载下最大膜面应力标准值为99.0kN/m，设计值为143.kN/m。每5cm 膜材上的最大拉力为143.0×50=7150N。

4 结论和建议

气膜煤场作为一种新型全封闭结构煤场，具有环保性好、初投资低、施工工期短等优点。东南沿海台风季节风力较大，有可能达到16级以上，抵抗台风主要是靠增加气膜内外压差来实现。2021年第6号台风“烟花”途经嘉兴电厂，最大风速30m/s（11级），气膜内外压差增加至550Pa。能否抵御16级以上飓风，有待实践检验。

煤场内部为微正压，强制通风，内部空气流动性较差。特别在推煤机作业、斗轮机堆取料作业、煤产生自燃以及堆放高挥发性煤种时，产生的烟尘和有毒有害气体扩散慢，会造成抑尘装置运行频繁，煤场内部湿度大、雨季更甚。同时煤场工作环境恶劣，不利于煤场工作人员的运行和维护。要改善这种不利工况，需合理布置排风口和通风机，宜进行相应的流场研究，减少通风死角。气膜煤场密闭性好，运行中需加强可燃气体、有毒有害气体和粉尘浓度的监测、堆煤温度监测和堆煤的翻场取用、煤场内部死角积粉清理，避免堆煤和积粉自燃。