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抽水蓄能电站地下厂房防火分区与疏散出口设计探讨

2025-03-25 81 上传者：管理员

摘要：针对目前抽水蓄能电站地下厂房防火及疏散的现状及存在的问题，分析“水电规”“建规”“通规”三本防火规范对地下厂房防火分区、安全疏散出口的要求，并结合不同规范及其应用，提出一种适用于现行规范下的防火分区划分方式及安全疏散出口的设置，并结合火灾数值模拟优化防火分区及安全疏散的思路。

关键词：
地下厂房
抽水蓄能
新能源
水电工程
火灾数值模拟
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截至2023年年底,2023年中国新增抽水蓄能装机总量515万kW,抽水蓄能电站装机总量的快速提升得益于其储能技术成熟､商业化程度较高的优势｡综合各类储能调节电源的技术经济特点,抽水蓄能是目前技术最成熟､经济最优的大规模储能调节电源｡在新能源快速发展､火电等传统化石能源受限､新型电力系统大力建设的背景下,抽水蓄能电站是最优的电源选择之一｡

在此背景下,截至2023年底,全国共有77个抽蓄电站完成可行性研究工作,其中绝大部分厂房为地下厂房形式,其防火及疏散能力显得尤为重要｡在地下厂房的防火及疏散设计中,同时执行GB50872—2014《水电工程设计防火规范》(以下称《水电规》)､GB55036—2022《建筑防火通用规范》(以下称《通规》),两本规范各有侧重,如何解决水电工程的实际情况与现行规范的矛盾,是设计过程中需要探讨解决的问题｡

1、抽水蓄能电站地下厂房火灾特点

地下厂房位于地下洞室内,其结构复杂､设备庞大､带电线路众多､用油设备较多,厂房及设备布置等特点,使地下厂房火灾明显与地面普通工业建筑火灾不同,其主要特点包括但不限于:火源较难发现,燃烧状况复杂,火势蔓延快;温度升高快且容易出现高温;阴燃时间久,发烟量大;烟气较难排出,易积累;能见度低,火灾扑救难度大,疏散困难[1]｡

1.1危险源众多

水电站各种设备较多,布置拥挤,电气设备发热量大,火灾危险性高,一旦失火,事故损失巨大,影响面广｡

1.2人员素质专业性强

水电站设计之初,就按“无人值守,少人值班”的特点设计,发电厂房内工作人员较少,且水电站内工作人员均经过上岗前消防培训,人员专业性强,消防素质较高,当火灾发生时能快速且正确处理灾情并安全逃生｡

1.3消防设施配置较高

水电站地下厂房的主要设备场所均设置有火灾自动报警系统､视频监控系统､通风排烟系统､消防灭火系统等,消防设施完善,且配置度高｡电站运行期间,预案齐全､完善｡

2、两本规范的不同要求

2.1关于消防电梯

《水电规》5.2.10条规定,非地面副厂房和封闭副厂房,当从最低一层地面到最顶层屋面高度超过32m,并设置电梯时,每个防火分区宜设一台消防电梯[2]｡词条中并未将防火分区与消防电梯画等号,这就意味着防火分区不会受限于消防电梯的设置｡

《通规》2.2.6条规定,除轨道交通工程外,埋深大于10m且总建筑面积大于3000m2的地下或半地下建筑(室),每个防火分区可供使用的消防电梯不应少于1部,且在2.2.10条中规定,消防电梯应设计必须考虑消防电梯层层到达的可能性｡

2.2关于安全疏散出口形式

《水电规》5.2.5条规定,厂房内发电机层标高以下的全厂性操作廊道的安全疏散出口不宜少于两个,但对于安全出口形式并没有详细规定,那么,在地下厂房中,敞开楼梯是否算作安全疏散出口?如果不算,该如何响应《水电规》5.2.7条规定中60m的最远疏散距离要求｡

《通规》7.1.10条规定,当埋深大于10m或层数不小于3层时,地下工程的疏散楼梯应为防烟楼梯间｡但对于水电工程地下主厂房而言,防烟楼梯间的送排风､使用面积等对于厂房综合布置而言均存在较大难度,可实施性并不高｡

2.3关于安全疏散出口个数

《水电规》5.2.6条规定,当非地面副厂房和封闭副厂房每层建筑面积不超过500m2,且同时值班人数不超过60人时,可设置一个安全出口[2]｡因此规模较小的水电工程地下副厂房每层尽量控制在500m2以内,可设置一部疏散楼梯作为安全出口｡

《通规》7.2.1条规定,丁戊类地下或半地下生产场所,一个防火分区或楼层的建筑面积大于200m2或同一时间的使用人数大于15人时,安全出口不应少于两个｡一旦多划分一个防火分区,基本上都需要两部疏散楼梯,且根据《通规》2.2.6条规定,还应设置一部消防电梯｡

3、地下厂房的防火分区

3.1防火分区的意义

防火分区是指用防火墙､楼板､防火门或防火卷帘分割的区域,可以将火灾限制在一定的局部区域内,不使火势蔓延,在建筑物内采用划分防火分区这一措施,可有效把火势控制在一定的范围内,减少火灾损失,同时可以为人员安全疏散､消防扑救提供有力条件｡

3.2防火分区划分的常见方式

《水电规》虽在3.0.1条规定,主厂房､副厂房､屋内开关站火灾危险类别为丁类,且在5.1.4条对副厂房防火分区有面积要求,但实际上该条文中并未对主厂房防火分区做规定｡长期以来,业内都是以GB50016—2014《建筑设计防火规范》(下称《建规》)中,丁戊类厂房防火分区面积不限来执行｡不同设计单位对规范的理解不同､使用习惯不同,对于地下厂房的防火分区的划分也存在多种方式(见图1)｡

(1)方式一:主厂房端部副厂房(以下简称“地下一副”)+主厂房(含母线洞)+主变洞端部副厂房(以下简称“地下二副”)+主变洞剩余区域｡该种方式将地下厂房整体分为四大防火分区,地下一副按照《水电规》5.1.4条每2000m2一个防火分区设置;主机间各层+安装间+母线洞为一个防火分区;地下二副按照《水电规》5.1.4条每2000m2一个防火分区设置;主变洞参照主厂房执行,为一个防火分区｡

(2)方式二:地下一副+主厂房(含母线洞)+主变洞区域(含地下二副)｡该种方式将地下厂房整体分为三大防火分区,地下一副按照《水电规》5.1.4条每2000m2一个防火分区设置;主机间各层+安装间+母线洞为一个防火分区;主变洞区域为一个防火分区｡

(3)方式三:地下一副+厂房剩余区域｡该种方式将地下厂房整体分为两大防火分区,地下一副按照《水电规》5.1.4条每2000m2一个防火分区设置;剩余所有区域为一个防火分区

图1三种防火分区划分方式

3.3防火分区划分的建议

首先,《水电规》5.1.4的条文解释中明确:水电站厂房空间高大,除了部分丙类场所外,可燃物很少,生产工艺要求空间连通｡多年来水电站地下厂房设计按照“大空间,局部防火分隔”的思路,将主副厂房(包括主变廊道)划为一个防火分区,经过多年时间,这种思路是符合水电站消防特点,也是满足生产运行要求的[4]｡

主变洞变压器､电抗器等丙类场所由防火墙完全封闭,同时主变洞周围设置了水喷雾灭火设施｡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｡如按照方式一､方式二来进行防火分区划分,将存在如下问题｡

(1)每个防火分区需要两个安全疏散出口,在地下洞室中,一般将厂房进场交通洞和通风兼安全洞作为安全疏散出口,保证每个防火分区都具有两个通向上述区域的安全疏散出口｡

(2)按照《通规》2.2.6条规定,每个防火分区至少需要配置一部消防电梯,且保证消防电梯可以层层停靠,如此一来将增加设计难度,甚至影响厂房布置｡

(3)防火分区与机电､暖通､给排水专业联系紧密,防火分区的划分对电源切换､消防控制逻辑､灭火流量､防排烟系统等都会产生影响｡为保证工程的可靠性,一般冗余､复杂的系统有可能导致故障率､误报率居高不下,投资也会相应增加｡同时冗余做得越多,系统越复杂也就越脆弱,系统的可靠性也随之降低｡

如按方式三划分防火分区,副厂房除布置疏散楼梯外,同时布置一部消防电梯可到达各层;主厂房(含母线洞)､主变洞为一个防火分区,主机间设置一部消防电梯亦可到达主厂房各层｡对于防火分区而言,每个分区均满足两个对外安全疏散出口(防火分区内的疏散出口详见4.1章节)｡如此,既满足厂房空间连续的生产要求,也满足各相关规范要求,也尽可能简化消防设计,清晰的设计逻辑也形成清晰的疏散路径,与现阶段而言,按方式三划分地下厂房防火分区是较为合理的设计方式｡

4、主厂房安全疏散出口分析

4.1发电机层的安全性判定

首先,水电工程地下厂房所在洞室空间高大,发电机至拱顶高度均在20m左右,当发电基层发生火灾时,烟羽流的三维特性十分明显,烟气不会四处弥散,烟气在浮力的作用下迅速上升,到达顶棚后开始呈现“顶棚射流”现象,烟气开始向四周(两侧)扩散,当烟气充满整个拱顶后,才开始下降[5](见图2)｡

图2高大空间烟气运动过程

参考武晔秋博士关于地下厂房主变洞的排烟分析结论:主变洞搬运道进行机械排烟时,烟气层也被控制在较高的位置｡按照规范规定的机械排烟量进行排烟时,10min内烟气层高度分别可以控制在6.0､6.1､5.2､5.0m以上｡对于火灾时人员逃生所需烟气层控制高度2.0m来说,规范所规定的排烟量是足够的｡因此,发电机层在火灾发生时,可以被认定该层是安全的｡

其次,发电机层连通进场交通洞,消防车可以直接到达并进行扑救,基于此也可以认为火灾发生时,发电机层是安全的｡

4.2发电机层以下的疏散

《水电规》5.2.7条规定,发电机层以下各层,室内最远工作点到该层最近的安全出口的距离不应超过60m｡

按照《建规》中关于“安全出口”的定义:供人员安全疏散用的楼梯间和室外楼梯的出入口或直通室内外安全区域的出口,故“敞开楼梯间”可以作为安全出口｡《建规》2.1.15条对“封闭楼梯间”的定义为:在楼梯间入口处设置门,以防止火灾的烟和热气进入楼梯间[6]｡参照上述规定,在封闭楼梯间入口处取消门后,即为“敞开楼梯间”,楼梯的梯段一侧或两侧无墙体进行防火分隔的即为“敞开楼梯”[7],二者不可混淆｡

在本文4.1章节已论证发电机层为安全区域,基于此,发电机层以下各层通向发电机层的“敞开楼梯间”可认为是“安全出口”,在发电机层则可以完全敞开并取消楼梯间围护墙体｡如此一来,在厂房综合布置中,发电机层以下各层楼梯间对发电机定子､转子的安装不产生影响;在发电机层,也不会因为存在楼梯间而影响吊钩吊装工作｡

4.3火灾数值模拟的技术运用

在水电工程中,地下发电厂房并不同于常规工业厂房,自有其特殊性｡其埋深大,设备及工艺要求高,在消防设计过程中,现有规范并不能完全适用当下设计需要｡2023年住房和城乡建设部发布第58号令《建设工程消防设计审查验收管理暂行规定》,要求:大型发电工程､变配电工程属于特殊建设工程;同时特殊建设工程应提交特殊消防设计技术资料,其中就包括火灾数值模拟分析｡

火灾数值模拟整体分为火灾模拟和疏散模拟,具体可以分为建立火灾场景､烟气弥漫数值模拟､人员安全疏散模拟､不同着火点工况下相关计算､防排烟系统运行效果模拟等｡

火灾数值模拟运用FDS与Pathfinder共同建立地下厂房的数学和物理模型,采用差分方法,对厂房内流域进行网格划分,使用计算流体动力学理论与CFD(ComputationalFluidDynamics)的相关计算软件形成数值模拟成果｡

借用火灾数值模拟,可以根据实际情况设置火灾现场人员数量,根据火灾场景,模拟分析火灾发展过程中工作人员疏散到安全区域所需要的时间(REST),以及火势发展到超出人体耐受极限的时间(ASET),通过比较REST与AEST,判断地下厂房消防系统设计是否能达到特殊消防设计的目标要求｡该成果将为地下厂房设计中的特殊情形提供科学合理的技术支撑｡

5、结论

(1)将地下厂房整体分为两大防火分区,主厂房端头副厂房区域按照《水电规》5.1.4条每2000m2一个防火分区设置;剩余所有区域为一个防火分区,是现阶段较为合理的防火分区划分方式｡

(2)主厂房发电机层作为安全区域,其楼梯间可以完全开敞;发电机层以下各层采用开敞楼梯间作为各层安全出口是合理的,且满足使用及规范要求｡

(3)地下厂房作为特殊建设工程,应进行火灾数值模拟分析,并以模拟结果优化防火及疏散系统设计｡

参考文献:

[1]董强,林志勇.大型水电站地下厂房防排烟系统控制逻辑的理念与实践[J].暖通空调,2020,50(12):32-35.

[2]水电水利规划设计总院.水电工程设计防火规范:GB50872—2014[S].北京:中国标准出版社,2014:12.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑防火通用规范:GB55037—2022[S].北京:中国计划出版社,2022:6.

[4]王继琳,林志勇.水电工程主厂房防火防烟分区划分的探讨[J].暖通空调,2024,54(3):24-27.

[5]武晔秋.水电站地下主变洞火灾烟气流动及机械排烟模式研究[D].陕西:西安建筑科技大学,2013.

[6]公安部天津消防研究院.建筑设计防火规范(2018年版):GB50016—2014(2018年版)[S].北京:中国标准出版社,2018:4.

[7]阮晶晶.敞开楼梯与敞开楼梯间的区别[J].消防技术与产品信息,2018,31(9):45.