火力发电厂在我国能源基础设施建设中占有相当的比例^[1], 其中主要是燃煤发电厂。燃煤发电厂的基本原料是煤炭, 从原煤到可喷射燃烧煤粉需要一套煤粉处理系统, 包括煤斗 (煤仓) 、磨煤机 (粉煤机) 、分离机、储存箱、过滤间、输送管道等^[2]。在煤的装卸、贮存、运输、制备和燃烧的过程中, 都有潜在的火灾危险性, 比如煤斗 (煤仓) 中原煤与空气中的氧气接触发生氧化反应, 产生热量及易燃易爆气体 (CO等) , 引发火灾甚至爆炸。燃煤发电厂的火灾危险性最主要就是原煤仓中煤的自燃, 且发生自燃就很容易形成固体深位火灾, 扑灭难度极大。

二氧化碳作为一种能够扑灭固体深位火灾的气体灭火系统, 用于原煤仓间、煤斗的惰化保护在国外已得到广泛应用, 有效解决了煤粉仓、粗细粉分离器等设备内煤粉的自燃问题。如储剑锋^[3]提出原煤仓在非正常运行工况下采用二氧化碳气体进行分阶段的惰化保护, 其惰化流量、惰化时间均不同于二氧化碳扑灭其他固体深位火灾时的要求。唐晓华^[4]对低压二氧化碳系统在火力发电厂煤仓/煤斗中的设计应用进行了详细的描述。郭岩^[5]通过实际案例验证和分析低压二氧化碳惰化保护设计中的相关问题。Xu Yao^[6]认为当保护气体CO₂的储存量是355kg, 低压CO₂惰化系统应用于煤粉仓的保护可以明显降低煤粉自燃的风险。Yu^[7]认为低压二氧化碳气体注入采空区可以有效预防和处理煤自燃。基于前人研究基础, 为了详细介绍低压二氧化碳惰化灭火系统在现实生活中的应用, 本文对某燃煤发电厂原煤仓间低压二氧化碳惰化灭火系统设计进行介绍。

某燃煤发电厂2×350 MW工程主厂房内的原煤仓, 立体及俯视示意见图1, 防护区建筑物详细参数见表1。

低压二氧化碳气体灭火系统一般由火灾探测和控制系统、二氧化碳贮存装置和管网分配系统4部分组成。其主要部件有:低压二氧化碳贮存装置、反馈装置、阀门、管道、喷头^[8,9]。但是, 低压二氧化碳惰化气体灭火系统中, 由于低压二氧化碳系统的灭火剂以液体形式储存, 喷放过程中容易结干冰, 在流量小的情况下容易造成管路堵塞, 因此低压二氧化碳惰化气体灭火系统中需采用气化器。气化器的气化量是由惰化保护系统中保护区所需灭火剂的用量来设计的, 其换热面积、加热功率等根据气化量确定。

除此之外, 低压二氧化碳惰化气体灭火系统还需要惰化控制器 (见图2) 来控制气化器加热部件的工作、喷放量的大小, 惰化控制器具有温度显示、电源显示、加热管工作状态显示、故障显示等功能;有自动、手动两种启动方式, 并具有转换开关。

低压二氧化碳惰化系统采用全淹没惰化方式保护原煤仓, 系统采用1套低压二氧化碳系统进行惰化保护, 原煤仓作为一个防护区。系统中药剂的设计用量必须100%备用。根据美国NF-PA850标准, 二氧化碳储存系统应能够在运行过程中补充损耗, 所以通常在设计用量100%备用的同时, 低压二氧化碳储罐也进行备用。另外, 规范中规定当采用低压二氧化碳灭火系统时, 其贮罐宜布置在0m层。

当发生火灾时, 探测器将火灾信号传至消防控制中心, 通过连锁动作, 关闭相关的通风设备, 并做灭火前的准备工作, 延时确定火情后, 将灭火信号传到灭火控制器, 由灭火控制器打开先导控制器, 释放二氧化碳启动气体打开对应于着火防护区的主阀, 二氧化碳则通过管道和喷头释放到防护区和保护对象上, 当到达预先设定的喷射时间时, 扑灭火灾后立阀关闭, 该系统重新回复到伺应状态。

火力发电厂内建 (构) 筑物的火灾危险性分类及其耐火等级不应低于表2的规定^[10]。

根据表2可知, 原煤仓的火灾危险性分类应属于丁类, 耐火等级应达到二级。

低压二氧化碳惰化系统设计首先应明确防护区, 防护区面积或容积应符合以下规定^[8]:当采用管网灭火系统时, 一个防护区的面积不大于800 m², 且容积不大于3 600m³。

由于原煤仓的容积为443m³, 所以低压二氧化碳惰性系统通常每只原煤仓可以作为1个防护区进行保护, 且选择管网灭火系统进行设计。

原煤仓气体喷头应采用防尘型专用惰化喷头, 喷头应尽量沿主管对称布置 (见图3) 。

本设计为了促使喷射到原煤仓内的二氧化碳, 能够尽快渗入煤层并均匀分布形成惰化环境, 系统中采用4只惰化喷嘴保护原煤仓, 喷头布置分别在上部和底部^[11], 分别在原煤仓顶部向下1.8m的高度位置上沿圆截面径向布置2只喷嘴, 在原煤仓的圆柱与圆锥结合部向下约0.8m的高度位置上沿圆截面径向布置另外2只喷嘴。喷头与管网连接采用高压不锈钢金属软管。

NFPA850指出:“经验表明, 当二氧化碳气体的浓度达到65%时, 就可以认为应用二氧化碳气体惰化是成功的。”因此, 建议原煤仓、粉煤仓低压二氧化碳灭火系统设计浓度选择65%。

二氧化碳储存装置选用取决于所需的药剂量。通常, 储存装置内最小药剂量可根据最大惰化保护区单次喷放量进行确定。气化量是按照能满足1个原煤仓惰化用量考虑的。

低压二氧化碳系统惰化灭火剂用量的计算见式 (1) 。

式中M———二氧化碳用量, kg;

K₁———损失系数, 取2;

V———煤仓容积, m³;

T———二氧化碳20℃下比容, 取1.977kg/m³。

首先, 根据工程概况中的原煤仓参数, 在本系统设计中V取443m³, 根据式 (1) 可得到气体用量M为2 627kg。

其次, 根据M值, 为满足设计要求, 低压二氧化碳储罐选择药剂量4 000kg的储罐2台 (含备用1台) , 故设置低压二氧化碳WLDY-4000型储罐2台, 总储量8 000kg。同时, 为满足《钢制压力容器》 (GB 150-1998) 要求, 低压二氧化碳储罐设计压力应不低于2.5 MPa。

表3为二氧化碳灭火系统设计参数。

根据《二氧化碳灭火系统设计规范》 (GB 50193-93, 2010年版) 规定, 当保护对象是表面火灾时, 喷放时间t≤60min;当扑救固体深位火灾时, 喷放时间t不应大于7min, 在前2min内使二氧化碳的浓度达30%。原煤仓火灾属于固体深位火灾, 总喷放时间应该≤7min, 但为确保在前2min内使二氧化碳的浓度达到30%, 本设计喷放时间取4min, 抑制时间为20min。

干管流量Q计算方法见下式:

式中Q———干管流量, kg/min;

t———喷放时间, min。

M为2 627kg, t取4min, 根据式 (2) 计算得干管流量为656.75kg/min。

单个喷头的流量Q_i计算方法见下式:

式中Q_i———单个喷头流量, kg/min;

d———防护区内设置的喷头数, 个。根据式 (3) , 单个喷头流量为164.2kg/min。

管道内径D计算见下式:

式中D———管道内径, mm;

K_d———管径系数, 取2。

根据管网流量计算结果, 主干管管径设置为50mm;末端支管管径为25mm。

喷头的布置与数量应使喷射的二氧化碳分布均匀, 还应满足喷射强度和设计用量的要求。原煤仓低压二氧化碳惰化灭火系统管道以及喷头布置见图4。

由于低压二氧化碳惰化灭火系统在经济和技术方面的优势, 现在越来越多地被应用于工程实例中。本文在前人对低压二氧化碳惰化系统研究的基础上, 对某燃煤发电厂原煤仓进行低压二氧化碳惰化灭火系统详细设计, 可供燃煤发电厂原煤仓低压二氧化碳惰化灭火系统设计参考。