煤矿瓦斯发电站消防系统设计探讨

张源野，杨俊辉，薛春雷，刘艳辉，程 龙，李 丹

(中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120)

煤矿瓦斯通常伴随煤炭开采涌出，很多煤炭生产企业配套建设了瓦斯电站。煤矿瓦斯发电站消防系统是比较重要的安全保障系统，国内学者对瓦斯发电技术和综合利用技术开发和应用方面做了较多研究，但对瓦斯电站消防系统的技术研发和设计研究较少，仅罗申国、梁麟、杨楠等人对瓦斯电站的消防系统做过一些设计[1-3]。因相关设计规范、手册关于消防系统的规定和说法不尽相同，导致国内各设计院对煤矿瓦斯电站消防系统的设计做法不一。对比与瓦斯电站特点类似的燃气电厂和燃气锅炉房消防系统设计，国内学者刘鹏飞[4]、王颖[5]等主要研究了燃气机本体和配套消防技术，付涛[6]、游素珍[7]等从防爆、火灾自动报警、结构、电缆防火、室内外消火栓、通风等多方面对燃气电厂消防系统进行了探讨，邴守启[8]、刘刃虹[9]对燃气锅炉房消防设施设置进行了较为深入的研究，李向军[10]、张磊[11]等对锅炉房和水喷雾自动喷水系统进行了论述。鉴于目前针对煤矿瓦斯电站消防系统设计无明确和一致的思路，笔者根据煤矿瓦斯发电站特点，贯通各相关规范和手册，梳理总结煤矿瓦斯电站消防系统设计的重点和难点，为煤矿瓦斯电站消防系统标准化设计提供参考。

1 危险性分析

1.1 瓦斯成分

煤矿井下瓦斯成分复杂，主要成分是甲烷，其次是二氧化碳、一氧化碳、氮气和氧气，还有少量和微量重烃类气体。由于甲烷是矿井瓦斯中的主要成分，通常人们习惯上所说的瓦斯，主要是指甲烷。

1.2 瓦斯危险性

瓦斯具有燃烧性和爆炸性，当瓦斯与空气混合到体积比为5%～16%，遇到引爆热源，就会发生燃烧或爆炸，严重威胁煤矿生产安全，给集体财产和职工生命健康造成重大损失。

1.3 瓦斯电厂建(构)筑物火灾危险性

瓦斯电站作为煤矿瓦斯安全利用的一种形式，一般由瓦斯发电主厂房(或瓦斯发电机组集装箱)、瓦斯预处理间(或瓦斯预处理集装箱)、主控室及控制设备间、辅助车间、配电装置间及室外配电设施等建筑组成。根据《建筑设计防火规范》(2018年版)(GB 50016—2014)表3.1.1和《煤矿瓦斯发电工程设计规范》(GB 51134—2015)表4.2.1，瓦斯电站主要建(构)筑物火灾危险性划分汇总见表1[12,13]。

表1 瓦斯电站主要建(构)筑物火灾危险性

2 现行规范消防要求及讨论

瓦斯电站消防系统设计一般由总平面布置消防道路、室外消防、室内消防、消防泵房水池及电气装置消防组成。

2.1 总平面布置消防道路

《煤矿瓦斯发电工程设计规范》第4.5.1条，瓦斯电站宜有2个出口，并应利于消防车出入，发电机房(含发电机组集装箱)区、瓦斯储罐区应形成环形消防通道[13]。

煤炭行业各大设计院均按照此条要求在瓦斯电站厂区内设置了环形消防通道。瓦斯电站一般位于比较偏僻的山区，占地受限、且地形地势比较复杂，征地困难，设置两个出入口和环形消防道路存在较大困难，在一定程度上限制了瓦斯电站的建设。笔者认为根据瓦斯电站的规模、瓦斯发电厂房或集装箱的体量(一般体量比较小，单侧消防车也能覆盖范围)，可采取技术措施在保障安全的前提下，且满足大件运输、安装、检修要求，适当对规范条文进行灵活掌握。例如具备环形消防通道(也可借助外部道路)，可设置1个出入口；场地条件确实有限时采取场内回转车道或者厂区贯穿通道等措施可满足实际使用要求。

2.2 室外消防

《建筑设计防火规范》(2018年版)第8·1·2条，民用建筑、厂房、仓库、储罐(区)和堆场周围应设置室外消火栓系统。《消防给水及消火栓系统技术规范》第7·3·7条，工艺装置区采用临时高压消防给水系统的场所，四周应设室外消火栓，间距不大于60m。消防设计人员根据以上两条规范条文在瓦斯电站厂区内设计室外消火栓系统[12]。

2.3 室内消防

《建筑设计防火规范》(2018年版)第5·4·12条第8款以及条文解释，附属设计在民用建筑内部的燃油、燃气锅炉房应设自动喷水灭火系统，对未设置自动喷水灭火系统的，可设置推车式ABC干粉灭火器、气体灭火器，如规模较大，可设置水喷雾、细水雾和气体灭火系统等；第8·1·10条，厂房、仓库、储罐(区)和堆场应设置灭火器；第8·2·1条第1款，建筑占地面积大于300m2的厂房和仓库应设置室内消火栓[12]。《煤矿瓦斯发电工程设计规范》第14·5·4条，建筑占地面积大于300m2的瓦斯发电机房应设置室内消火栓[13]。

根据以上规范条文，在瓦斯预处理间、瓦斯发电主厂房、辅助车间、配电装置间、水泵房等建筑按规范规定，达到相应的限定条件设计室内消火栓、推车式磷酸铵盐干粉灭火器、手提式磷酸铵盐干粉灭火器即可满足要求。但也有部分设计院和专家认为，瓦斯发电主厂房内的燃气内燃机四周应设置水喷雾灭火系统或气体灭火系统。笔者认为不妥，首先是依据不足，根据《煤矿瓦斯发电工程设计规范》、《煤矿瓦斯往复式内燃机发电站安全要求》(AQ 1077—2009)、《锅炉房设计规范》(GB 50041—2020)、《城镇燃气设计规范》(2020年版)(GB 50028—2006)、《燃油燃气锅炉房设计手册》，均没有要求在独立设置的瓦斯(燃气)发电主厂房内设置水喷雾灭火系统[14-17]。部分设计院和专家按照《建筑设计防火规范》(2018年版)第5.4.12条中对附设在民用建筑的燃油燃气锅炉房需设置自动喷水系统或水喷雾系统的要求设计不妥。其次，民用建筑内人员较多，人流分散，发生危险危害性和社会影响较大，首要考虑人员生命和财产安全，因此消防设计标准和消防措施等级较高，故而多设计直通室外的疏散门、自动喷水、水喷雾、细水雾或气体灭火系统等消防措施。再者，瓦斯电站一般建设在山区，征地困难，厂址占地有限，燃气内燃机组四周设计了水喷雾，势必增加内燃机组布置间距，增加主厂房跨度，造成投资增加。瓦斯电站处于人烟稀少的山区，且位于独立的、和外界完全隔离的厂区内，燃气内燃机组全自动生产运行，瓦斯电站整体自控标准高，劳动定员少，因此附设在民用建筑内的燃油燃气发电厂房和独立设置的瓦斯发电厂房消防设计不能相提并论。最后，主厂房内平时仅在检修维护时需要人员进出，不在主厂房内长时间停留。故而主厂房建筑设计首先要考虑瓦斯爆炸时的泄爆措施，在发生瓦斯爆炸后及时泄爆，将爆炸产生的冲击压力通过泄爆屋面、泄爆安全玻璃等措施安全地释放出去，以确保主厂房结构安全。

瓦斯发电厂房易引发火灾的主要因素是厂房内堆放其他可燃物质，管理松懈导致的其他可燃物火灾。瓦斯发电机组发生火灾的情况虽存在，但概率较低，主厂房消防和安全设计时配套瓦斯泄露监控报警系统，辅助机械通风排除积聚的可燃气体、瓦斯管道紧急切断措施，基本上可以控制主厂房火灾，保护主厂房安全。瓦斯发电机组润滑油属于非易燃油品，且集中在机组封闭的油底壳内，机组运行时可能轻微渗油，加强监控及时清理维护即可。电缆主要布置在电缆沟内，且电缆选用阻燃型铠装电缆，水喷雾、消火栓作用不大，设置水喷雾系统增加了占地、空间和投资。

根据以上分析可知，瓦斯电站主厂房设置可燃气体监控和报警装置、机械排风装置、辅以室内消火栓和灭火器更有效。

笔者经过多地调研发现，瓦斯电站主厂房发生火灾案例很少，主厂房按防爆建筑设计，设置室内消火栓、磷酸铵盐干粉灭火器、可燃气体监测报警装置，辅以机械通风装置和室外消火栓共同保护主厂房即可满足现行规范消防规定和实际使用要求，还可以降低基建投资。当有严格要求或者具体规定时，消防系统设计可从严控制，在燃气内燃机组四周设置水喷雾或气体灭火系统。

2.4 电气装置

瓦斯电站电气装置一般有变压器、升压站等设施。《建筑设计防火规范》(2018年版)第8.3.8条第1款，单台容量在90MV·A及以上的电厂油浸变压器，应设自动灭火系统，并宜采用水喷雾灭火系统[12]；《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB 50229—2019)表7.1.8，针对装机规模300MW及以上的燃煤电厂，主变压器和厂用变压器应设置水喷雾灭火系统[18]。

笔者参与设计和实地调研过的瓦斯电站，单台主变容量都不到90MV·A，一般选用油浸变压器，机组容量达不到以上规范限定的条件，因此消防设施选用消防砂箱和推车式磷酸铵盐干粉灭火器即可满足要求。

2.5 实际案例分析

笔者通过函调和实地调研几座典型瓦斯电站，对于配电装置间、瓦斯预处理间、辅助车间以及水泵房等建筑，均按现行规范消防规定设计。针对厂内应设环形道路和主厂房燃气内燃机组四周设置水喷雾这两项有较大探讨空间或争议之处，各设计院的设计做法见表2。

表2 各设计院瓦斯电站主要消防设计措施

3 工程实例

山西沁水县某煤矿瓦斯电站总装机容量为66MW，分期建设，一期工程装机容量根据矿井建设期间预抽瓦斯量确定为35MW，即8×4MW燃气内燃发电机组配2×8.8t/h余热蒸汽锅炉拖动1×3MW组合快装凝汽式汽轮发电机组；二期工程根据矿井达产后瓦斯抽放情况逐渐增加7台燃气内燃机组，即7×4MW燃气内燃发电机组配1×8.8t/h余热蒸汽锅炉拖动1×3MW组合快装凝汽式汽轮发电机组，最终形成66MW的发电能力，年发电量4.752×108kW●h，年供电量4.535×108kW●h，年耗纯瓦斯气量为1.028×108Nm3。

3.1 总平面布置及道路

瓦斯电站厂区内设置环形消防通道，道路宽4m，并在厂界区设置一主一副两个出口，利于消防车辆、物资和人员出入。瓦斯预处理间(甲类危险性)与单元主厂房按照防爆建筑设计，并且与辅助车间、电气装置、生产调度楼以及其他辅助设施严格按照相应的防火间距分开布置。瓦斯电站总平面及道路布置如图1所示。

3.2 室外消防

室外消防设施按终期工程一次实施，在瓦斯电站厂区内布置成环状供水管网，消防主管管径DN200，并设置SA100/65-1.0型室外地下式消火栓9套。室外消火栓沿场地道路布置，间距小于60m。在瓦斯预处理间和单元主厂房出入口，分别设置消防砂箱。室外消火栓及消防砂箱布置如图1所示。

图1 瓦斯电站总平面及道路布置

煤矿瓦斯抽放风井场地建有消防水池及泵房，泵房内布置XBD9/50-SLW(HY)消防水泵3台(Q=45L/s，H=95m，N=90kW)，2用1备；消防水池容积450m3，并设有消防水位平时不被动用的措施；在瓦斯电厂主厂房屋顶水箱间设有高位消防水箱1座，有效容积12m3，并配有消防增压稳压装置1套。火灾初期消防水量和管网平时压力靠高位消防水箱和消防增压稳压装置提供，消防水泵启动后由消防水泵提供灭火时所需的流量和压力。经校核煤矿瓦斯抽放风井场地设置的消防水池及消防水泵可满足瓦斯电厂消防需要[19]。

3.3 室内消防

单体建筑内按规定设手提式磷酸铵盐干粉灭火器和室内消火栓(配备柱-雾转换水枪)，保证有2支水枪的充实水柱同时到达室内任何部位，灭火器和消火栓均设在明显易于取用的地点[20]。

4 结 论

笔者通过查阅大量规范、手册，结合亲身参与设计和多次调研成果，从源头分析思考瓦斯电站总体消防系统设计，梳理瓦斯危险性和单体建筑定性，系统阐述了瓦斯电站的消防系统设计思路，总结如下：

1)厂区是否设置环形消防通道，并且宜设2个出口，应根据实际情况经过技术经济比较和消防措施是否满足实际需求考虑。笔者建议应根据瓦斯电站的规模、瓦斯发电厂房或集装箱的体量，可采取技术措施在保障安全的前提下，满足大件运输、安装、检修要求，适当对规范条文进行灵活掌握。

2)鉴于目前瓦斯发电站主变单台容量小于90MV·A，室外消防设施采用室外消火栓+推车式磷酸铵盐干粉灭火器+消防砂箱。

3)鉴于目前瓦斯发电站装机规模小于300MW，主厂房室内消防设施采用室内消火栓+手提式磷酸铵盐干粉灭火器。

4)瓦斯预处理间、主厂房严格按照相关规范的防火防爆要求设计。