气承式膜结构在煤场封闭中的应用

2020-12-29史学岩

东北电力大学学报 2020年6期

史学岩

(国电龙源电力技术工程有限责任公司，北京 100039)

我国早期的储煤形式多为露天储煤，露天储煤的一次性投资较小，但煤炭暴露在空气中极易污染周围的环境，在装卸作业过程中产生的煤粉扬尘是燃煤电厂最主要的大气颗粒物污染源.随着国家大气环境污染治理要求的日益严格，针对封闭贮煤场的研究已经是迫在眉睫的任务.

煤场封闭的形式主要有钢结构封闭和膜结构封闭.钢结构一般有网架结构、裄架结构等形式.膜结构是现代建筑工程建设中的一种新型结构形式，可分为四大类：整体张拉式膜、骨架支承式膜、索系支承式膜与空气支承式膜.[1]

1 气承式膜结构技术

气承式膜结构的基本原理是在高分子复合膜材形成的密闭空间内部注入空气，并保持一定密闭空间内外压差，借助内压保持膜材张力并抵抗外荷载、维持结构形态的一种形式.

气膜建筑在我国国内发展较晚，但发展速度很快.我国最早建成的气膜建筑是1980年建成的上海工业展览馆[2].目前，气膜结构已经广泛应用于体育场馆、展览中心、交通设施的等建筑中.

在煤炭行业，气膜储煤场国外已有较多的应用案例，仅在北美就有多个储煤棚采用了充气膜结构，并正常运行了数十年[3]，国内近些年来刚开始应用.据了解，目前国内有少数洗煤厂和燃煤电站的储煤场采用气承式膜结构煤场封闭.内蒙古巴彦淖尔气膜式储煤棚是我国第一个气膜式储煤棚，2012年投入使用，至今仍运行良好[4].

气膜建筑的膜材料是由基材(玻璃纤维或聚酯纤维织物)和涂层(聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTFE等聚合物)构成.基材起承受传递负载的作用，涂层起保护基材、耐火防潮等作用[5].

目前，工程上一般采用劲索包裹外膜结构的建筑形式，即膜材料外部加设劲索，劲索的布置方式有斜向交叉布置、纵横向索网布置等，劲索的材料有非金属缆绳或钢丝绳，一般使用钢丝绳.

斜向布置的钢缆是传力系统，通过斜向钢缆将力均匀传递并分摊到基础上.加设了斜向网格劲索的气承式膜结构刚性变大，能允许的膜内压力可达1.5～3.0大气压，可抵抗150英里/时的强风和250 kg/m2的雪荷载[6]，使膜建筑的稳定性得到了提高.

2 气承式膜结构组成

气承膜结构系统的必需系统包括通风系统、智能监测系统、出入系统、锚固系统等.

2.1 膜结构通风系统

气膜结构的通风系统是建筑的核心系统，包括工频风机、变频风机、过滤设备及排气孔等.根据建筑物的容积、体型、外荷载等情况，计算得出合理的风机功率，通过合理的内压可以使索与膜面获得比较均匀的预应力.通风系统风机由智能检测系统实现自动运行控制，随着室内气压的高低，可自动减少或加大送风量，维持室内气压稳定安全.在实际运行过程中，如果膜材有局部的细小损坏，通风系统会联锁监控系统自动调节送风量，进行气压补偿，保证气膜结构主体结构安全.

通风系统的设计需要有足够的安全度，当风机或电源出现故障时，控制设备应能启动备用风机及电源，以使通风系统能够连续充气，保持预先设定的工作内压.

2.2 膜结构智能监测系统

智能监测系统是气膜结构的“大脑”，是由PLC控制系统、变频控制系统、风速传感系统等组成，安装在膜面的压力传感器将采集到的压力值实时传输到PLC控制系统，通过PLC控制系统进行数据分析，处理后通过变频控制器发布指令，调整风机运行频率，进而调节膜内压力.

智能监测系统可监测内容多样，根据工程需求设置相应的监测设备.智能监测系统既可以监测室外的温度、湿度、风力、降水量、车辆进出、室外安全等信号，也可以检测室内的温度、湿度、出风量、瓦斯浓度、粉尘浓度、测量煤炭的地表温度和内部温度等.

封闭储煤场的防爆性能至关重要，煤场的瓦斯浓度通过在线监测系统进行监测和自动报警，当瓦斯浓度超过安全值时，装置自动报警，连锁通风系统，开启排风风机将瓦斯排出.

2.3 膜结构出入系统

气承式膜结构内外气压差一般保持在250～500 Pa，人员及车辆进出必然会引起内外压差的大幅变动，为保障良好的气密性，进出通道采用双层气密门布置.

为最大程度降低气承式膜结构内外压差变化，出入系统中人员进出通道采用气密平开门，车辆进出通道采用气密提升门，都是双层互锁气密门.

车辆进出通道外侧和内部设有车辆感应装置及联动装置，当货车驶向通道并到达指定距离时，系统自动关起驶入通道门，相关一侧通道门自动打开，直至车辆驶入通道中的车辆感应区域，当驶入通道门完全关闭后，通道门的联动装置启动，自动开启另一扇通道门，车辆驶出其通道后，驶出通道门自动关闭.

2.4 膜结构锚固系统

气承式膜结构自重较轻，且膜结构内部有长期稳定的压力差，因此锚固系统具有足够的抵抗能力的同时，在使用期间还应能够抵抗通常情况下的内压荷载及作用力.

锚固基础一般顶部标高高于地面，是为了充分考虑膜底排水和防水的问题.气膜基础预埋件采用预制铝合金槽铸件，安装时将膜边埋入槽内，底部一般用直径大于18 mm的橡胶棒或尼龙绳固定，然后在槽内插入木楔块即可，操作简单，安装速度快.

2.5 膜结构防火性能

封闭式储煤场储存的介质是易燃易爆的煤炭，膜结构应具有足够的防火防爆的安全性能.目前，膜结构建(构)筑物相关的消防设计、施工安装和验收等方面尚无针对性的国家及行业标准、规范.

膜材的防火性能可按照建筑材料及制品的规定进行测试和确定.气承式膜结构的膜材为阻燃材料，可达到B1级防火要求，熔后收缩，无滴落物[7].储煤场须设置消防应急门，内部须配有消防水炮系统加以辅助.

3 气承式膜结构的优点

目前世界经济正在走向全球化，建筑科技面临的一个发展趋势就是材料开发.膜结构建筑的开发与应用，可以摆脱对钢材、混凝土等传统材料的依赖，由于高性能膜材的出现，使膜结构建筑呈现以下特点：

3.1 良好的经济性，成本低

气膜储煤场无梁无柱，无需刚性支撑，这是超越其他建筑的最大特色.气膜储煤场大大减少了钢材和混凝土的使用量，仅混凝土基础的造价就可降低60%[8].因膜体自重较轻，支座反力较小，对墙、柱等支撑构件及土质基础的要求也较低，在设计过程中主要考虑的是抗拔力，可以建在较差的地质条件下，节省了大量人力、物力和财力的投入.通过内设智能监控系统，可以实现无人化管理，即可保证安全生产也大大减少了人员巡视等费用.

3.2 安装快速，节省时间

膜结构可以利用工厂生产的特点，做成标准化的产品.膜结构的加工、制作、安装都较容易，相对于必须在现场施工的钢结构，气膜的膜材裁剪热合以及劲索的加工制作均在工厂完成，膜片通过热合加工成膜单元，将膜单元制作好后再打卷运输到建设现场施工、起膜.膜材运到现场后，一般只需要十天左右就可以安装完成.

3.3 独特的光学特性，节能

膜材料是半透明的织物，可滤除大部分紫外线，对自然光有反射和透射能力.外界光线条件好时，室内不需要辅助照明，能大大减少室内照明的能量消耗[9].即使室内照明，膜材料具有独特的发散光特性，在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，做到了节能高效.

3.4 不燃性、耐腐蚀性和自洁性

膜材的基材，也就是玻璃纤维或聚酯纤维织物，本身具有极高的不燃性，且化学性能稳定，耐腐蚀，抗脏污.在基材上涂有薄膜防护涂层，也增强了膜建筑的抗腐蚀及抗污能力.气膜结构内部无结构件，煤尘无法沉积，降低了爆炸的危险.

3.5 密封性好，环保

气膜煤场封闭具有良好的全封闭环保体系，完全符合环保要求，能大大减少煤尘引起的环境污染问题，对周边环境以及空气质量能达到立竿见影的改善效果.

3.6 抗震性好

极轻的自重保证了气膜建筑的抗震安全，即使出现意外塌膜也不会对昂贵的生产设备造成破坏.

3.7 施工安全性高

长时间的高空作业量比钢结构要小很多.

4 工程应用中的注意事项

4.1 膜结构的加工制作

气膜结构要求要有良好的气密性，膜材料加工精度要求较高，因此在制作过程中要加强质量管理，保证制作精度，裁剪过程中尽量避免膜体因折叠和弯曲而产生膜面褶皱.尖锐物件会破坏膜面，膜面一旦遭到破坏就会危害到整个建筑结构[10]，所以在膜结构安装前应注意钢缆与膜材料接触的部位要打磨光滑，确保连接处无毛刺、棱角、焊接表面凸点等，提前完成钢缆的防锈、防火涂层的施工，以免污染膜面.加工制作过程要精细，如果制作过程中加工粗糙，会出现因为工艺缺陷造成金属节点连接件锈蚀的问题.

4.2 现场施工的注意事项

在现场安装主体膜时，每块膜单元与场地区域对应，按照确定的顺序展开膜材，每块膜材采用多点整体提升技术进行整体吊装，将不同的模块通过压铸铝板进行压接连接.特别注意要确保模块与模块之间的密封工艺，否则会出现膜单元连接热合工艺不当的问题.

在主体膜地面整体连接后，斜向索网开始安装，按照索网编号用索夹依次连接.同时，在膜面安装施工时应注意天气情况，保证整个安装过程中无4级以上大风和大雨.确认膜面完全密闭后，便可以启动送风系统对膜结构进行送风，知道膜面达到设计形状为止.

4.3 膜结构后期保养

膜结构的后期维护和保养十分重要，在现场要加强管理，每月定期检查和维护，防止意外发生，一旦发现膜材有破损要及时修补.

5 发展前景

膜结构是一种全新的生态型建筑，设计集合了结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术、建筑学等.气承式膜结构相对于传统建筑，具有极大的经济优势，自重较轻，节能环保性好，施工便捷，综合使用效益较高，具有强大的生命力，但目前工业领域应用较少，仅应用于封闭式储煤棚工程，考虑到膜结构自身特性，还可以考虑应用于以下一些工业场地.