关于储存易自燃煤封闭煤场设计的探讨

李 伟，尹海燕

(1. 中机国能电力工程有限公司，河北 邯郸 056002；2. 华电重工股份有限公司，北京 100070)

0 引言

自2016年版《中华人民共和国大气污染防治法》实施以来，国内新建燃煤电厂多数采用封闭煤场，现有的露天煤场和半露天煤场迫于环保压力也纷纷实施封闭改造。相对于露天煤场和半露天煤场而言，特别是储存易自燃煤时，封闭煤场对安全防护的要求更高。如何防止封闭煤场发生火灾和煤粉爆炸事故是设计从业者必须要考虑的问题。针对国内封闭煤场设计的现状，结合相关规程规范和以往设计的经验教训，提出了储存易自燃煤封闭煤场在总体布置和具体设计时应注意的问题，并给出了相关建议。

1 总体布置时应注意的问题

1.1 储煤时间

储煤时间不宜过长。储煤时间过长是燃煤发生自燃的主要原因之一，而且储存时间越长，煤的氧化程度越高，煤的利用价值也会随之降低。

DL/T 1668—2016[1]给出了不同煤种的存煤期和定期测温周期,见表1。

表1 不同煤种的存煤期和测温周期

GB 50660—2011[2]规定，在无有效措施防止自燃措施的情况下，褐煤的最大储量不应超过15 d。但是对于水路来煤和水路铁路联运的电厂来说，15 d的储存时间显然无法保证电厂的燃煤供应安全，建议结合表1和水运条件综合考虑储煤时间。

1.2 总图布置

储煤场宜布置在全年最小频率风向的上风侧，煤堆长度方向应与全年主导风向平行。

GB 50016—2014[3]规定，占地面积大于30 000 m2的可燃材料堆场，应设置与环形消防车道相通的中间消防车道，消防车道的间距不宜大于 150 m。

笔者在印尼某项目设计时，因煤场宽度较大导致煤场两侧消防车道间距大于150 m，于是在斗轮机基础平台侧面增加了消防车道。消防车道净宽不应小于4 m，净高不宜小于5 m，在困难地段不应小于4.5 m。坡度不宜大于8%。

确定封闭煤场与四周消防车道之间的距离时，应考虑推煤机、装载机和消防车的转弯半径，普通消防车转弯半径一般为9 m。如运煤汽车需进入煤场卸煤，还应考虑运煤汽车的转弯半径。

1.3 封闭煤场占地面积

GB 50229—2019[4]规定，每座室内贮煤场最大允许占地面积不应大于50 000 m2。每个防火分区面积不宜大于12 000 m2，当防火分区面积大于12 000 m2时，防火分区之间应采用宽度不小于10 m的通道或高度大于煤堆表面高度3 m的防火墙进行分隔。

新标准的颁布解决了困扰电力行业多年的面积大于12 000 m2的条形封闭煤场消防验收难以通过的问题。圆形煤场的特点决定其防火分区之间不可能设置宽度不小于10 m的通道且难于设置高度大于煤堆表面3 m的防火墙，建议选择直径不大于120 m的圆形煤场。

不同煤种混堆时更容易自燃，应分类堆放。相邻煤堆底边之间应留有不小于10 m的距离[4]。贮存褐煤和高挥发分烟煤的贮煤场，其面积在计算时可加大5%～10%[5]。

2 具体设计时应注意的问题

2.1 封闭煤场的结构形式

常见的封闭煤场形式包括：圆形封闭煤场、条形封闭煤场和球型薄壳混凝土煤场等，其中条形煤场根据围护结构材料不同又分为空间网格结构形式(网架、立体桁架和张弦结构)和气膜结构形式。

据了解，球型薄壳混凝土煤场在国内电力行业的应用仅有大唐清苑电厂。该电厂煤场没有堆取料设备，靠燃煤自然堆积储存并自流至底部的卸煤沟运出煤场。据了解，卸煤沟经常堵塞导致排料困难，需借助高压水枪排料。

近年来，气膜结构煤场因施工周期短、造型美观、造价较低、可轻松实现大跨度等优点在国内逐步得到应用。气膜材料燃烧性能等级为B1级(难燃材料)。据了解，国内最早投入运行的巴彦淖尔洗煤厂气膜煤场曾因大风吹落煤场周围建筑物的压型钢板并飘落至煤场上方导致漏气坍塌。目前气膜煤场在电力行业的运行业绩较少。据了解，河北建投已投运的几个气膜煤场至今尚未通过消防验收。目前国内关于气膜建筑的设计标准仅有CECS 158∶2015《膜结构技术规程》，尚无相关的验收规范。

综上所述，建议慎重选用球型薄壳混凝土煤场和气膜结构条形煤场。

2.2 结构防火设计

按储存物品的火灾危险性分类，封闭煤场属于丙类建筑物，耐火等级为二级[4]。

封闭煤场采用钢结构时，应符合下列规定：①煤堆表面距离钢结构构件小于或等于3 m范围内的钢结构称重件应采取防火保护措施,且耐火极限不应小于2.50 h。②煤堆表面下与煤接触的混凝土挡墙应采取隔热措施[4]。

建议网格结构煤场内部檩条宜采用方钢，以减少煤尘的附积。

2.3 工艺流程及煤场设备

对于易自燃的煤种，如果储煤时间已达到表1规定的时间，建议不宜再考虑直通功能。工艺流程要尽可能实现燃煤的先进先出。如条件允许，建议条形煤场的煤场设备选用回取率高的刮板取料机和门式斗轮堆取料机。即使选择悬臂斗轮堆取料机，也宜选择较长的悬臂，以提高回取率。无人值守堆取料机在国内已有运行业绩，如条件允许，建议选用。

从储煤设施取煤的第一条皮带机应设置明火煤检测设施。当检测到明火时，可紧急停机并采取相应的灭火措施。封闭煤场内的皮带机应选用阻燃胶带。

2.4 推煤机和装载机作业通道

GB26164.1—2010[6]规定，储煤场不得超设计能力存储。储煤场内煤堆底部与靠近煤堆的铁轨、非承重挡风墙、干煤棚、立柱支架等之间至少应有1.5 m的距离，如有装煤或卸煤的机械(如坦克抓煤机、推煤机等)需要在其间进行工作时，还应适当放宽。

对于储存时间较长的条形煤场，需利用推煤机将煤堆分层压实，煤堆顶部宽度不宜小于6 m。当采用悬臂斗轮堆取料机时，因其回取率不高，需推煤机辅助作业，建议煤堆边缘与煤场挡墙之间考虑宽度为4～5 m的推煤机作业通道。当煤场挡墙上部设置消防炮和射雾炮时，建议采用悬挑平台并保证其下部净空不小于5 m。

圆形煤场刮板取料机回取率较高，只是在取料机或中心料斗下部的给料机故障时才需推煤机入场应急作业。圆形煤场的特点决定其无法满足煤堆底部与侧墙之间至少有1.5 m距离的要求。在煤场地面(地下通廊上部的旁边)需考虑从大门去堆取料机中心柱区域5 m宽的通道，作为取料机操作人员进出和推煤机应急作业的通道。

2.5 安全出口和车辆出口

封闭煤场的安全出口不应少于2个，矩形煤场的安全出口的数量尚与防火分区相对应[4]。

对于圆形煤场，若在侧墙设2个安全出口，会大大影响其储量，是很不经济的，一般在侧墙只能设1个安全出口。因此，建议优先选用门架式堆取料机，门架—侧墙—侧墙外的钢梯可作为第2个安全出口。若采用悬臂堆取料机则无法保证2个安全出口的要求，消防验收很难通过。

对于采用悬臂斗轮堆取料机的条形煤场，因推煤机辅助作业工作量大，建议在煤场四周适当多留车辆出口。车辆出口可以和安全出口一并考虑。

国际工程应按NFPA 101的要求设置安全出口。

2.6 通风除尘

1)通风

圆形煤场一般采用自然通风方式，进风口在侧墙顶部和网壳之间，排风口在网壳顶部。据了解，大多数煤场通风效果较好，未出现过粉尘浓度过高的情况，个别项目出现过局部(在进煤场栈桥下部)粉尘浓度过高并导致增加排风设备的情况。

条形煤场一般采用自燃通风方式，进风口在挡墙顶部和网架之间，通过屋顶的避风天窗或屋顶通风器排风。据了解，个别项目出现过粉尘浓度超标的情况。

封闭煤场自然通风进风口、排风口面积和位置的确定，目前尚无有效的常规计算方法，可采用数值模拟方法 (computational fluid dynamics，CFD)对多种通风方案比选后确定最佳通风方案。

DL/T 5187.2—2019[7]规定，条形封闭煤场的通风换气次数，可按1～1.5次/h设计。

2)除尘

GBZ 2.1—2019[8]规定，当煤尘中游离二氧化硅含量小于10%时，工作场所空气中总尘浓度不应大于 4 mg/m3，呼尘浓度不应大于 2.5 mg/m3。

封闭煤场采用喷枪或射雾炮对煤堆定期喷洒降尘，需覆盖整个煤堆表面。每次累计喷淋时间过长时，供水泵最大流量可大于150 m3/h[7]。

为减少堆取料机作业时的粉尘污染，需在悬臂皮带机卸料处设水雾或微雾抑尘设施。微雾抑尘设施可按照DL/T 1521—2016《火力发电厂微米级干雾除尘装置》的要求设置。

2.7 安全检测系统

DL/T 5187.3—2012[9]规定，筒仓和封闭式煤场应设置安全检测系统。安全检测系统应具备温度、可燃气体（包括CH4和CO）、烟气、粉尘浓度检测报警等功能。DL 5027—2015[10]也要求考虑测温设施。2017年中国电力规划设计协会在成都召开封闭式储煤系统专题研讨会并形成纪要(部分内容)：“封闭式圆形煤场和封闭式条形煤场内部空间较大，当煤场通风条件较好时，CO和CH4等有害气体聚集浓度较小，是否需要设置CO和CH4的安全检测装置还有待探讨；在此条件下，煤场内电气设备是否必须按防爆标准配置及有关防爆设计标准的合理性也有待探讨。”电力行业标准《封闭式贮煤设施安全防护设计规程》已开始征求意见，期望尽快颁布实施。

1)测温装置

燃煤自燃前一般都伴有温度升高，因此对温度的测量和控制是必需的。设温度检测装置对煤堆进行定期测温，测温周期见表1。潜伏期临界温度为70℃。检测报警温度通常设为60℃。当温度达到60℃警戒温度时，应立即采取倒堆散热措施。

目前感温探测主要有3种：①人工手持移动式温度探测器，有效距离有限；②红外自动跟踪扫描装置；③埋在墙内探测与墙体接触的煤的探测装置。

圆形煤场一般在侧墙下部区域设3层光纤测温电缆。条形煤场因煤堆与挡墙之间设有推煤机作业通道，一般在网架步道附近设红外温度扫描仪。

据了解，对于煤场温度检测装置，无论是预埋的插杆式、线缆式，或是移动插杆式，还是非接触式远红外线测温方式，均存在测温覆盖面不全、使用效果不佳的问题。目前尚无更好的办法。

2)粉尘浓度和可燃气体(CH4和CO)浓度检测装置

监侧装置可对煤场内粉尘浓度和可燃气体浓度进行实时监控并将数据传送至控制系统，一旦发现浓度超标即自动启动事故排风装置。

因可燃气体比空气轻，检测装置需设置在煤场上部区域。圆形煤场一般在马道附近每隔25 m设1组可燃气体浓度检测装置和粉尘浓度检测装置。条形煤场一般在马道附近沿煤场方向每隔50～60 m设1组煤尘浓度检测装置，每隔15～30m设1组可燃气体检测装置。

可燃气体探测器通过可燃气体控制器将报警信号送至火灾自动报警系统。通过设定可燃气体探测器的探测报警值可提前预警引起燃烧的可燃气体浓度。据了解，受检测装置在煤场安装位置的限制及传感器技术性能的影响，CO和CH4安全检测装置的使用效果并不理想。

2.8 防爆设计

燃煤堆取作业时，封闭煤场内会产生大量煤尘。当煤尘溶度达到爆炸极限，若再遇明火就会发生爆炸造成人员伤亡和财产损失。据了解，目前国内多数电力设计院尚未对输煤系统进行防爆设计，这无疑给电厂的安全运行带来隐患。国内项目应按照GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、DL/T 5203—2005《火火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程》、GB 15577—2018《粉尘防爆安全规程》、GB/T 29304—2012《爆炸危险场所防爆安全导则》的要求进行粉尘防爆设计，建议不考虑气体防爆设计。笔者在外企工作期间，电气专业需根据IEC 60079—10—2的要求对输煤系统划分防爆分区，并将分区图分发至相关专业，据此进行设备采购和相关设计工作。笔者作为设总曾主持了几个大型煤化工项目的物料输送系统设计，总体院均要求对物料输送系统划分防爆分区。

2.9 消防设计

封闭煤场应选择感温型火灾探测器。探测器的信号可传送至输煤控制室并发出声光报警。在煤场出入口附近设手动报警按钮及声光报警器，用于快速报警。火灾自动报警系统需满足GB 50116—2017《火灾自动报警系统设计规范》和GB 50166—2019《火灾自动报警系统施工及验收标准》的要求。

应保证至少1门消防炮的水柱达到煤场任一点[4]。一般采用固定消防炮。条形煤场的消防炮一般布置在马道附近，其高度应保证消防炮的射流不受上部网架构件影响。消防炮数量需计算后确定。圆形煤场在侧墙顶部悬挑平台周圈均布6套消防炮，堆取料机中心柱走道板周圈均布3套消防炮。以环锥形煤堆的顶部为界，其两侧分别由相侧墙处或中心柱处的消防炮保护。

消防炮即可远程自动控制和远程手动控制，还可就地控制，作为应急时使用。无论系统处于何种状态，当工作人员发现火灾发生，可就地启动消防炮实施灭火。

建议选用自动跟踪定位消防炮系统。消防炮采用红外影像探测装置对着火点实施空间定位，当火灾发生时可自动指向火源点定点扑救。可按照GB 25204—2010《自动跟踪定位射流灭火系统》的要求设计。

国际工程应按照NFPA 850的要求进行消防设计。

电缆防火设计应遵守DLGJ 154—2000《电缆防火措施设计和施工验收标准》和GB 50217—2018《电力工程电缆设计规范》。

2.10 其他

煤堆下面禁止敷设电缆、蒸汽管道、可燃气体管道和可燃液体管道。

建议在施工图说明中增加“定期清理建筑内壁附尘和架空电缆上部积尘”的运行要求。

3 结语

文章提出了储存易自燃煤封闭煤场设计时应注意的问题，给出如下建议：1)根据燃煤特性和运输条件确定储煤时间；2)合理进行总图布置；3)合理确定煤场占地面积和防火分区；4)合理选择煤场结构形式并进行结构防火设计；5)合理拟定工艺工程，尽可能实现燃煤先进先出；6)选择合适的煤场设备，考虑移动机械作业通道；7)合理设置安全出口和车辆出口；8)优化通风除尘设计，合理设置安监系统；9)应进行防爆设计，重视消防设计；10)施工图说明增加相关运行要求。