塔式光热电站设计标准建筑部分编制思路

刘宏民，罗旭堃

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075）

塔式太阳能光热发电站（以下简称“塔式光热电站”）是一种新的能源站形式，是未来光热电站发展的重要方向。塔式光热电站内的建筑设计涉及到一些具有特殊功能的建筑物，如吸热塔、熔融盐储存间（熔融盐工质电站）等，由于生产的特殊性或缺少相关设计标准等原因，导致设计人员难以借助权威的专业规范解决关键技术问题，直接影响电站的整体设计质量和运维。另外，有些地方管理者与设计人员对塔式光热电站的认识存在争议，导致审批困难，也亟待国家标准予以明确。

本文基于笔者近年从事多个塔式光热电站的设计实践积累，结合参与编制国家标准《塔式太阳能光热发电站设计标准》（GB/T 51307－2018，以下简称“《塔标》”）建筑部分的具体工作，从标准参编者的角度解读建筑设计部分关键条文的编制思路，以便于设计人员及相关单位在今后的塔式光热电站建筑设计及研究工作中，快速掌握标准内容，准确理解标准意图，正确运用标准要求，从而更好地执行标准。

1 建筑设计的一般性要求

《塔标》结合建筑技术发展及环保、职业卫生等要求提出建筑设计的一条原则及四点规定，不再论述建筑设计的手法类要求（如“利用地形、地貌”等），仅强调设计的合规性，减少推荐性引导，增加建筑设计创新的可能性，例如：并没有引用相关国家标准中的类似要求，如“电气、办公建筑的屋面宜采用现浇钢筋混凝土屋面”等，而是从建筑设计的角度提出“轻型种植屋面、玻璃蓄水屋面”等新形式。可以展望，屋顶花园、光伏玻璃顶等新颖建筑形式将出现在塔式光热电站中，有利于提高塔式光热电站的建筑设计水平。

2 建筑条文涉及的主要原则问题

吸热塔是塔式光热电站最重要的建筑物之一，是电站的标志性建筑，一般布置在站区中心，是整个站区的视觉焦点，见图1。充分理解塔式光热电站吸热塔的设计标准（19.3.13条）是《塔标》中的关键内容。这在传统化石能源发电站中没有设计先例，现行标准中也鲜有提及，对电站设计人员有一定挑战性，在建筑设计过程中容易产生无规范可依的困惑，主要原则问题包括以下四个方面。

图1 塔式光热电站示意图

2.1 吸热塔属于建筑物还是构筑物之争

要区分构筑物与建筑物的性质，使建筑设计准确对接相关标准要求。根据《民用建筑设计术语标准》（GB/T 50504－2009），不封闭的吸热塔没有围合的空间，具有构筑物的典型特征，属于构筑物，塔身消防主要针对设备及生产的安全性；封闭式吸热塔有围合空间，具有建筑物和构筑物双重特性，属于建（构）筑物，不能用塔是“设备”或构筑物的观点规避《建筑设计防火规范》（GB 50016－2014，以下简称“《建规》”）的相关要求。封闭式吸热塔设计要以人为本，兼顾建筑物特征，降低火灾隐患，同时要考虑吸热塔的“高层”特性，将楼梯间封闭。设计还应结合《建规》要求、协调NFPA（美国消防协会，National Fire Protection Association）的有关规定，消除消防主管部门的顾虑，助推项目顺利实施。

2.2 吸热塔消防电梯与普通电梯之争

《塔标》第8章规定“吸热塔内宜设置电梯，电梯的布置应满足维护检修的要求”。在建筑结构篇章没有有关电梯的说明，原因是水工布置专业认为消防电梯前室消火栓设计有困难。《建规》（7.3.3条）规定“建筑高度大于32 m且设置电梯，任一层工作平台的人数不超过2人的高层塔架”可不设置消防电梯。根据上述依据，吸热塔内的电梯是否为消防电梯应根据工艺需求的人数确定。然而，考虑到吸热塔具有超高层建筑的特点及维修阶段人员可能超过2人，在消防人员帮助下电梯与疏散楼梯相结合能够较快地将高层建筑内部人员疏散到室外，这种情况下选择消防电梯是较好的设计方案。

2.3 吸热塔封闭楼梯间与防烟楼梯间之争

《塔标》规定封闭式吸热塔应至少设一部封闭楼梯间。这与《建规》（3.7.6条）规定“高层厂房和甲、乙、丙类多层厂房的疏散楼梯应采用封闭楼梯间或室外楼梯”的要求一致。当封闭楼梯间不能自然通风或自然通风不能满足要求（即每5层内可开启外窗或开口有效面积不小于2 m2）时，应设机械加压系统或采用防烟楼梯间。设防烟楼梯间还是封闭楼梯间，需根据楼梯的布置及防排烟设计的具体情况确定。

2.4 吸热塔楼梯间封闭材料之争

某涉外塔式光热电站项目试图采用轻质隔墙封闭，被外方咨询工程师否定，与外方沟通后得知，只有钢筋混凝土墙体封闭才被接受。鉴于此，设计时要充分认识钢筋混凝土围护的优点是抗冲击性好，耐火极限也满足规范要求，盲目“减配”会提高设计风险。

另外，楼梯间围护结构要与塔本身结构的耐火极限匹配，按照《建规》要求，二级耐火等级的构件耐火极限不小于2 h，考虑到周边布置有高温高压熔融盐管道，以及楼梯本身的抗震性能，楼梯间采用钢筋混凝土墙体围护是最优选择。

3 建筑的火灾危险性分析

3.1 生产的火灾危险性

火灾危险性一般由火灾发生的可能性与预期发生火灾后果的严重程度等因素确定。火灾危险性直接影响生产及人员的所处环境的风险程度，《建规》将生产的火灾危险类别分为甲、乙、丙、丁、戊五类，其中，甲类危险程度最严重，其余类别危险程度依次降低。在设计中火灾危险性一般根据生产工艺使用或产生的物质的特性确定。

3.2 熔融盐泵房及熔融盐固态储存间火灾危险性分析

熔融盐固体（NaNO3、KNO3）属于危险化学品，是极易引起着火或爆炸的强氧化剂，所以熔融盐泵房、熔融盐固态储存间的火灾危险性定为甲类，设计应满足《建规》和《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160－2008）的有关规定：

（1）泵房应有防止检修期间液体漫流的措施，即设置不低于150 mm的围堰和导液设施；

（2）泵房安全疏散门不少于2个；

（3）泵房地面采取防腐措施，防止污染土壤；

（4）储存间采取泄爆及遮光措施；

（5）储存间采用不发火花地面。

3.3 吸热塔的火灾危险性分析

吸热塔（熔融盐工质）内的第一危险源为管道中的熔融盐，其中一种熔融盐组分为60%的NaNO3和40%的KNO3混合物。根据《危险化学品目录》（2012年版），60% NaNO3和40%KNO3混合物在固态时属于“助燃”物品，危险源级别为“重大危险源”，但熔融盐热载体不是易燃物质，只有接触到火源时才起到助燃作用，当接触到硫、磷等物质时才会发生火灾。吸热器、熔融盐管道内均为流动状态的液体，根据有关研究，熔融盐热载体不爆炸、不燃烧、耐热稳定性好，泄漏后无毒。吸热塔内的第二危险源为就地控制与配电用房，一般布置在塔身2/3高度以上，由于有电缆、机柜等可燃物体的存在，具有一定的火灾风险。

据上述分析，《塔标》将吸热塔的火灾危险性确定为丁类。如果管道熔融盐泄漏，这时应该停止生产，将泄漏熔融盐泄入熔融盐储罐。现场人员一般不会靠近熔融盐，所以在吸热塔内工作的受伤风险较低。

4 吸热塔的疏散设计

4.1 疏散需求分析

吸热塔生产期间人员较少，一般情况巡检时有2～3人，人员最多集中在吸热器所在部位、配电室层及各阀门管道检修平台处。建设调试期间人员最多达到8～10人左右，检修区域主要位于吸热器所在标高的平台，吸热塔疏散设计主要针对检修运行期间的人员进行。

4.2 安全区域的确定

疏散一般指人员在火灾发展到人身安全受到威胁前到达安全区域的过程。疏散设计就是确保人员疏散时间比危险扩散开来的时间短。火灾造成危害的因素主要有高温、有毒烟气等。据统计，室内环境100℃时，人能忍受十几分钟，室内环境200℃时人在几分钟之后就可能死亡。有毒烟气主要有一氧化碳、二氧化碳、甲醛、乙醛等。另外，能见度也影响室内疏散。

安全疏散时间由反应时间、下意识扑救时间和实际疏散时间这三段组成。在吸热塔疏散时，通过技术手段和训练可以缩短反应时间。火灾扑救一般由自动灭火系统完成，不会人为现场干预。因此，实际疏散时间主要取决于疏散路径上耗费的时间。影响疏散路径耗费时间的主要因素有平台宽度、楼梯形式及坡度、疏散距离、疏散标志等。一般高层建筑疏散时间为5～7 min。塔内疏散通道曲折，参考较为拥挤情况下人员水平运动的速度1 m/s，垂直运动速度按较高踏步楼梯情况下0.85 m/s计算疏散时间。

吸热塔疏散时间可分为两段：（1）第一段为吸热器钢结构部分，此部分可按水平弧形段30 m（吸热器直径20 m）、垂直疏散30 m考虑。考虑钢梯因素，速度取正常楼梯疏散速度的一半，即按0.4 m/s。吸热器段疏散时间 为 （30/1）+（30/0.4）=105s；（2）第 二 段 为 楼 梯段，楼梯段可计算至塔中配电室层以下高度（按吸热塔高度的一半100 m计），疏散时间为100/0.85≈117.6 s。人员反应时间按60 s考虑，即总体疏散时间为105+117.6+60=282.6 s，约为4.7 min。在塔中下部，楼梯间外窗一般为进风状态，由于烟囱效应，烟气一般不会从门进入楼梯间内，因此，可以认为到达塔中部以下，楼梯间内不会有烟气进入，即可认为已经到达安全区域。

4.3 塔内楼梯设计要求

楼梯设计主要是针对架构式吸热塔楼梯和封闭式吸热塔楼梯，本节分述两种楼梯的设计要求、楼梯数量的确定及楼梯间的加压送风要求。

4.3.1 架构式吸热塔楼梯设计要求

《塔标》规定敞开式吸热塔应至少设置一部净宽不小于0.90 m的楼梯，梯段角度不应大于60°，栏杆高度不小于1.1 m。因楼梯处于室外环境中，本规定参考了《建规》对建筑第二疏散口可采用室外钢梯的要求。吸热塔中的斜梯见图2。

4.3.2 封闭式吸热塔楼梯设计要求

封闭式吸热塔至少设一部封闭楼梯间，梯段净宽不小于1.1 m，倾斜角度不大于35°。确定按35°设计的原因是考虑吸热塔仅设置一部楼梯，在发生火灾情况下应保证疏散效率和人员的体力需求，同时满足《民用建筑设计通则》（GB 50352－2005）规定“专用楼梯踏步宽度不小于25 cm，高度不大于18 cm”的要求。摩洛哥某塔式光热电站吸热塔楼梯布置见图3，该楼梯踏步宽度28 cm、高度17 cm。

图2 敞开式吸热塔楼梯

图3 摩洛哥某塔式光热电站吸热塔的楼梯布置

4.3.3 楼梯数量的确定

在《塔标》编制过程中对吸热塔楼梯数量进行了调研。与类似高度的塔进行类比，吸热塔更接近广播电视塔的形式，即设备机房大多布置在塔顶，接近上部天线，塔身下部使用功能少，同属“头重脚轻”的高耸建（构）筑物。两者的区别在于广播电视塔有人值班，经常赋予参观的功能，而吸热塔一般没有参观的功能，正常工作状态无人值守。参考《广播电视建筑设计防火标准》（GY 5067－2003）：无游览业务仅有电视、调频广播或微波发射设备值班人员的发射塔应设一座消防电梯，一座疏散楼梯。另外，按照《建规》对于高层建筑丁、戊类厂房每层建筑面积不大于400 m2，且同一时间作业人数不超过30人，则可设一个安全出口的要求，吸热塔设置一部楼梯是合适的。

4.3.4 楼梯间的加压送风要求

吸热塔上部外表面工艺经常用作聚光校靶区（由控制专业提出具体高度及位置），为防止强光、强热对塔内的影响，这个区域限制楼梯间开窗，造成楼梯间不能自然通风。按照《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251－2017）的要求，楼梯间应设置机械加压送风系统。如果结合电梯布置设计为防烟楼梯间，则应对防烟前室和楼梯间分别进行加压送风，前室的送风口宜设置在顶部或正对前室入口，楼梯间应设置常开风口，前室应设置常闭风口，并采取消防联动的开启方式。对于高度大于100 m的吸热塔，加压送风系统还应分段设置。

5 结语

基于以上分析，《塔标》最终按：塔式光热电站火灾危险性为甲类、乙类的，而且涉及储存、加热、输送工艺的建筑物要有防爆、泄爆措施，封闭式吸热塔要按“建（构）筑物”设计。另外，在执行《塔标》过程中，还需要注意三点：

（1）不能机械理解“吸热塔至少设置一个封闭楼梯间”。这条规定是满足标准最低要求，此要求与国外在建工程的设计基本吻合，便于与国际接轨，有利于标准走出去。如结合校靶区设置消防电梯的布置，采用防烟楼梯间更符合现行标准的出发点。

（2）如果吸热塔内布置楼层数较多，或者有参观等其它社会功能，吸热塔可能从建（构）筑物转化为建筑物。为保证人员安全疏散，楼梯应按防烟楼梯间设计，楼梯数量应为两个。

（3）建议在离危险源最近的吸热器层结合工艺布置设置避难间。当吸热器检修层发生火灾或熔融盐泄漏时可就近进入避难间。

《塔标》已获正式发布，据我国住房和城乡建设部发布公告，该标准自2018年12月1日起正式实施。此标准的实施将为我国首批光热发电示范项目以及后续光热电站的建筑设计及相关研究提供指导。笔者期待设计、施工、监理、消防及审图机构等相关单位在执行过程中能够认真总结工程实践经验，及时反馈完善《塔标》的意见和建议，为《塔标》修订工作提供参考。