水电工程主厂房防火防烟分区划分的探讨

王继琳 林志勇

(1.中国电建集团水电水利规划设计总院,北京;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州)

1 研究背景

鉴于水电工程的特殊性,GB 50872—2014《水电工程设计防火规范》(以下简称《水规》)修编过程中,防火设计标准如套用GB 55037—2022《建筑防火通用规范》(以下简称《建通规》)、GB 55036—2022《消防设施通用规范》(以下简称《消通规》)、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)(以下简称《建规》)和GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》(以下简称《烟规》)中的相关条款,不能满足水电工程的特殊布置、消防效果、工艺要求和运维特点的需要。

为此,本文通过对地下主厂房发电机层的火灾危险性、火灾场景、烟气的流动规律等进行分析,探讨影响安全疏散的因素,以区分水电工程与一般公共建筑的本质差别,以及需要在防火分区、防烟分区和疏散距离方面采取不同的规定,以满足水电工程设计的防火要求和生产运行要求。利用火灾性能化设计的思维方式和火灾模拟软件(FDS),得到支撑规范条款的理论依据,为《水规》的修编提供技术支撑,提高规范的适用性和科学性。

2 主厂房火灾的特点

水电站是特殊的工业建筑,主要以水能为动力生产电力,主厂房布置水轮发电机及辅助生产设备,运行全过程无需生产人员干预,自动化程度高,平时厂房内只有一定的维护、巡视及检修人员。随着大型水电站智能运维技术的进一步提高,主厂房将全面推广“无人值班,少人值守”[1]。

从水电站火灾的既有案例和水电站布置可以看出,水电站火灾具有以下特点:除个别高压设备产生瞬时绝缘短路、局部高压放电爆炸外,火灾基本能早期发现,火势蔓延缓慢;但地下厂房隔绝火灾区域进行扑救后,烟气难以排出,易在水电站洞室群内局部积累。水电站的防火特点与普通民用建筑有以下不同:

1) 危险源不同:水电站虽然各种发电设备较多、布置拥挤,但设备和电缆本身采取了严格、可靠的绝缘和防火措施,火灾危险性高的丙类设备集中布置、单独分隔,尽可能从源头上杜绝了火灾的发生和蔓延;

2) 人员消防素质不同:水电站内工作人员均经过上岗前消防培训,在厂房内时处于值守的工作状态,精力集中,对火灾反应迅速,人员消防素质较高;

3) 消防设施配置不同:水电站厂房内各危险场所均具有完善的火灾自动报警系统及视频监控系统,主要设备场所配置有固定式灭火装置,消防设施完善,火灾初期立足于自救,预案齐全、完善,主要保护发电设备,与民用建筑主要侧重人员疏散、避免重大伤亡不同。

3 相关规范的要求

《水规》第3.0.1条规定,主厂房、主变洞的火灾危险类别为丁类。

关于防火分区,《建规》第3.3.1条规定,丁类厂房的耐火等级为一、二级时,单层、多层厂房的最大防火分区面积不限,地下(含半地下)厂房的最大防火分区面积为1 000 m2;第3.4.1条规定,丁类厂房的耐火等级为一、二级时,最小防火间距不小于10 m[2]。

关于防烟分区,《烟规》第4.2.4条规定,空间净高大于6 m时,最大防烟分区面积为2 000 m2[3];《消通规》第11.3.2条规定,设置机械排烟系统的场所应结合该场所的空间特性和功能分区划分防烟分区,防烟分区及其分隔应满足有效蓄积烟气和阻止烟气向相邻防烟分区蔓延的要求[4]。

关于疏散距离,《建规》第3.7.4条规定,耐火等级为一、二级的丁类地面厂房,到最近安全出口的距离不限,地下或半地下厂房到最近安全出口的距离不大于45 m[2]。

4 主厂房防火分区的划分

建筑物内划分防火分区,是为了在建筑物发生火灾时,有效地把火势控制在一定的范围内,减少损失,同时可以为人员安全疏散、消防扑救提供有利条件。防火分区面积的确定应考虑建筑的功能、使用性质、重要性、火灾危险性、消防扑救能力及火灾蔓延的速度等因素。

水力发电厂主厂房的防火分区,是根据水力发电厂的设备布置,在厂房内部采取必要的防火墙、楼板及其他等效的防火分隔措施进行分隔,用以控制和防止火灾向其他临近区域蔓延。

《水规》第5.1.4条规定,水力发电厂主厂房火灾危险性类别为丁类,其防火分区面积不限,是以《建规》“丁类建筑防火分区面积不限,一、二级耐火等级的建筑防火分区间距不应小于10 m”为依据。同时水力发电厂的中、大型水轮发电机组的机组段间距一般都大于10 m。发电机组结构上是竖向安装,1台机组跨越4层,同时发电机整体安装在混凝土风洞内,且风洞内布置固定式灭火装置。目前国内的发电机组主要采用风洞内水喷淋或气体灭火方式,发生事故时自动启动灭火装置,机组间的距离满足火灾隔离要求,对相邻机组的影响较小。在水电工程项目中,尚未发生过机组火灾扩散、危害到相邻机组的事故案例。部分穿越机组段的电缆桥架,也在机组段间采取了防火隔离措施。因此,目前水电工程主厂房防火分区面积不限,是满足实际工程安全需求、与相关规范要求一致的。

另外需要说明的是,水电站地下厂房往往位于山体下数百米,甚至上千米,厂房内的布置与地面厂房没有本质的差别,结构上均达到一级耐火等级。因此防火分区的划分原则也与地面厂房一致,可以满足水电工程的运维安全。

此外,地下厂房主变洞中的油浸式变压器由防火墙封闭在变压器室内,同时主变洞周围也设置了固定式水喷雾灭火设施。主变洞其他电气设备的火灾危险性类别均为丁类。因此主变洞的防火分区面积也不限。

5 主厂房防烟分区的划分

防烟分区利用挡烟垂壁、挡烟隔墙等来划分,把火灾现场的烟气控制在一定的区域内。防烟分区不得跨越防火分区。设置防烟分区可以使烟气集中在一定的区域,通过排烟设备将烟气排放至室外,从而为建筑内人员的疏散和消防队员扑救赢得更多时间。

《烟规》第4.1.3条的条文说明明确指出,当产生的烟气在厂房中出现“层化”现象时(即烟层与周围空气温差小于15 ℃时),应采用机械排烟方式排烟。

水电工程发电机层的火灾荷载低、空间大,发电机层失火可能产生烟气的主要设备是发电机转子、定子的绝缘材料及发电机控制盘,失火位置低、面积明显小于发电机层面积。以往的科研及现场实验都显示,火灾烟气以自由热射流形式上升,在一定高度聚集形成烟气层并向厂房两端流动[5]。

发电机组发生火灾时,机组风洞内的灭火装置会自动启动进行灭火降温,同时发电机组封闭在风洞内,多数烟气热量扩散不到发电机层。科研成果表明,火灾烟气到桥机轨道高程就开始层化、扩散,变成“孤云”状态[6],与按照烟气计算理论得出的温差达到15 ℃后烟气不再上升也是相符的。

厂房顶部机械排烟系统开启、热空气层的去除将消除分层的条件,使得烟气能够到达顶部,即进入储烟仓。烟气分层现象是在“没有气流扰动的情况下”出现的,所以按设定火灾条件设计的机械排烟系统正常运行时厂房内不会出现烟气分层[7]。

因此,发电机层划分防烟分区意义不大,最有效的排烟是采用大风量机械排烟,把悬浮的“孤云”烟气排出。

因此,《水规》修编时相关条款修订为:封闭厂房及非地面厂房发电机层应设置机械排烟系统,排烟量可按1台机组段面积计算,不小于120 m2/(m2·h),防烟分区不得跨越防火分区,面积不限。

根据以上分析,如果主厂房划分为1个防火分区,则主厂房发电机层可作为1个防烟分区。

6 主厂房疏散距离的确定

厂房内人员能否安全疏散及疏散的距离长度,取决于可用安全疏散时间(available safe evacuation time,ASET)和需要安全疏散时间(requires safe evacuation time,RSET)之间的关系,在ASET大于RSET的情况下,人员的安全疏散才能得以保证。

ASET即为烟气下降到危险高度处对人员安全疏散造成负面影响的时间。

主厂房火灾载荷小,可控制在1.5 MW以下。发电机层高度高,一般为18～20 m,空间大,容烟量也大,设有机械排烟系统。根据数值模拟结果(见图1),在机械排烟条件下,烟气沉降到距地12.5 m高度处的时间约为500 s,沉降到距地8.5 m高度处的时间约为2 000 s(约30 min)。

图1 主厂房火灾烟气模拟结果

发电机层以下的母线层、水轮机层、蜗壳层,按发生1处火灾考虑,最低的母线层高度通常在6 m左右,经计算,烟气下降到距地2 m高度处至少需要480 s(8 min)。

对于发电机层以下各层,RSET由火警探测时间、人员反应时间和疏散行动时间组成,见图2。疏散距离和人员密度、疏散通道、人员素质、疏散标识、疏散组织等都有关系,水电站设置有完善的火灾探测和报警系统、视频监控系统(工业电视系统),广播、警报系统齐全,厂房内工作人员较少、疏散指示明确、应急照明完善,同时人员消防训练有素,立足火灾初期自救。查阅文献资料及国内外标准得知,超快速火灾从发展到被探测的时间约为0.6 min;在广播条件下人员反应时间短于0.4 min,按主厂房内最不利条件下人员反应时间为0.4 min计算;疏散行动时间由疏散距离和人员疏散速度决定,厂房内部人员较少,疏散线路宽大、平坦,人员疏散速度按水平1 m/s、楼梯0.6 m/s计算,可以得出以下结论:

图2 火灾发展与人员疏散过程关系

1)发电机层设有机械排烟系统,在30 min内能够保持清晰高度在8.5 m以上。因此,发电机层能够保证不被烟气干扰、安全疏散,同时也可为消防扑救人员建立一个火场中间安全地带。

2)对于人员在蜗壳层的最不利条件,疏散需要横穿主厂房各层到达发电机层,即疏散距离为水平长度80 m、竖直高度24 m,疏散行动时间约为120 s(2.0 min)。因此,RSET约为0.6 min+0.4 min+2.0 min=3.0 min。

发电机层以下各层到最近的可疏散的2部楼梯的最小距离不大于30 m。人员的疏散距离和火灾烟气蔓延的速度成反比,按照疏散原则,在烟气扩散至清晰高度前,人员应疏散到安全区域。同时经过定量分析和计算,发电机层以下的蜗壳层最不利点,疏散至发电机层的最长时间不长于180 s(3.0 min),而最不利情况下母线层烟气扩散至清晰高度的时间约为480 s(8.0 min),即使有1部楼梯被烟气侵扰,通过其他楼梯疏散到发电机层的时间也是充足的。因此,主厂房采用敞开楼梯也满足疏散安全的要求。

7 《水规》的应用

《水规》适用于新建、改建和扩建的大中型水电站和抽水蓄能电站工程(以下统称水电工程)的防火设计。

根据国务院和有关部委《深化工程建设标准化工作改革方案》(国发〔2015〕13号)、《国家标准化体系建设发展规划(2016—2020年)》(国办发〔2015〕89号)、《强制性标准整合精简工作方案》(国办发〔2016〕3号)的精神,《水规》修编时取消了强制性条款,由全文强制性工程建设规范取代现行标准中分散的强制性条文。

强制性工程建设规范体系覆盖工程建设领域各类建设工程项目,分为工程项目类规范(简称项目规范)和通用技术类规范(简称通用规范)2种类型。执行规范体系时,应以项目规范为主干,通用规范是对各类项目共性的、通用的专业性关键技术措施的规定。

根据上述精神,在水电工程项目规范中没有要求的内容,用通用规范中的条款来要求,属于提高工程标准,应根据具体工程的实际情况慎重对待。《建通规》和《消通规》均属于通用规范,在水利水电工程项目设计规范尚未颁布实施的过渡阶段,水电工程设计中的规模、布局、功能性能和关键技术措施,还是应执行现行的水电行业相关设计规范条款,各专业具体的通用技术措施应执行相关的通用规范条款。

8 结论

《水规》修编过程中进行了深入调查研究,认真总结了实践经验,参考了有关国际标准和国外先进标准,对水电领域30年相关科研成果进行了梳理、归纳和总结,并广泛征求了有关方面的意见,最后经审查确定:

1) 水电工程主厂房的防火分区建筑面积不限。

2) 厂房内防烟分区不应跨越防火分区,其面积不超过防火分区面积。

3) 主厂房发电机层、主变洞安全疏散距离不限。发电机层以下各层,室内最远工作地点到最近安全出口的最大允许安全距离应通过可用疏散时间和人员疏散速度计算确定。可用疏散时间应结合厂房具体情况进行分析,也可采用火灾数值模拟分析确定。

4) 主厂房发电机层以下各层,2个机组段之间至少设置1部工作楼梯,供疏散使用;工作楼梯应为开敞楼梯。