洪 光， 殷海洋， 黃國恒

(中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

隨著電力市場的擴展，國外電廠建設(shè)項目越來越多，同時國際化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求也被業(yè)主時時提出，尤其是美國標(biāo)準(zhǔn)得到國外業(yè)主廣泛認(rèn)可。火電廠的建筑設(shè)計是系統(tǒng)的設(shè)計，由于美國標(biāo)準(zhǔn)體系龐大，層次關(guān)系復(fù)雜，使用習(xí)慣尤其是安全防火認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)的不同，對待建筑的布置、安全疏散以及建筑構(gòu)造也會出現(xiàn)根本性的不同。如何在設(shè)計過程中，與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，使設(shè)計產(chǎn)品能夠滿足國際化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，是一個亟待解決的問題。

美國的消防標(biāo)準(zhǔn)絕大部分由美國消防協(xié)會(National Fire Protection Association， NFPA)或標(biāo)準(zhǔn)組織制定，它包括建筑防火設(shè)計規(guī)范、滅火救援訓(xùn)練、滅火器材相關(guān)規(guī)范等，現(xiàn)已得到國內(nèi)外廣泛承認(rèn)?？偟内厔菔菑母袷交鸩睫D(zhuǎn)向性能化，性能標(biāo)準(zhǔn)是建立在火災(zāi)試驗、計算模型和評估模型之上，試驗數(shù)據(jù)和計算、評估模型的可靠與否是決定性能標(biāo)準(zhǔn)是否可行的關(guān)鍵，與格式標(biāo)準(zhǔn)是互補關(guān)系，故美國消防體系不但要符合聯(lián)邦政府的各種法規(guī)，還要符合各種協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，相互補充，并共同作用。

1 美國標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用與設(shè)計原則

NFPA諸多消防標(biāo)準(zhǔn)中，NFPA 220—2018《建筑物類型標(biāo)準(zhǔn)》、NFPA 5000—2018《建筑的結(jié)構(gòu)和安全標(biāo)準(zhǔn)》、NFPA 850—2015《火電廠和高壓變電站防火的推薦做法》等都是指導(dǎo)火電廠設(shè)計的，但每個標(biāo)準(zhǔn)各有所側(cè)重，NFPA 220—2018是介紹建筑物的結(jié)構(gòu)分類的、NFPA 5000—2018是重點介紹建筑類型及構(gòu)件的耐火要求的。由于電廠屬于特殊的工業(yè)建筑，NFPA單獨制定了NFPA 850—2015來指導(dǎo)火電廠的消防設(shè)計，是火電廠設(shè)計的推薦標(biāo)準(zhǔn)，其他具體要求還需要按照NFPA其他標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

為了保證人員疏散和消防隊員滅火救援所需要的必要時間，火災(zāi)初期建筑物應(yīng)具有安全的結(jié)構(gòu)性能，即建筑構(gòu)件應(yīng)具有一定的耐火極限?；痣姀S建筑物耐火等級應(yīng)在綜合考慮設(shè)備情況、生產(chǎn)和儲存物品情況的同時，還應(yīng)重點根據(jù)建筑的建筑面積、層數(shù)及建筑高度、火災(zāi)危險性等級、建筑結(jié)構(gòu)類型、人員安全等因素來確定。NFPA 5000—2018中對于建筑物的建筑構(gòu)件即框架梁、樓板、框架柱等的耐火極限規(guī)定了具體時間數(shù)值，不同的建筑物其建筑面積、高度、層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)類型、火災(zāi)危險性不同，其構(gòu)件的耐火極限也不同。

2 美國標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)類型劃分

2.1 基本結(jié)構(gòu)類型

美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018和NFPA 220—2018按照建筑物的結(jié)構(gòu)類型進行分類，共劃分為5種基本類型，即I型、II型、III型、IV型和V型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的防火墻、梁、柱、樓板、墻、地板和屋頂?shù)冉ㄖ课换驑?gòu)件所使用的材料是劃分建筑結(jié)構(gòu)類型的依據(jù)。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)類型的耐火極限

建筑結(jié)構(gòu)的梁、柱、樓板、墻、地面和屋頂?shù)冉ㄖ课患皹?gòu)件所使用的材料是劃分建筑結(jié)構(gòu)類型的依據(jù)。材料分為不燃材料、難燃材料和可燃材料(木材或其他經(jīng)批準(zhǔn)的材料制成)。建筑物的5種結(jié)構(gòu)類型(I～V)所對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)部位和構(gòu)件耐火等級不低于表1中的規(guī)定，表1結(jié)構(gòu)類型中阿拉伯?dāng)?shù)字第一位為承重外墻；第二位為柱、梁、大梁、桁架和拱，用以支撐承重墻、柱，或超過一個樓層的荷載；第三位為樓面結(jié)構(gòu)。

3 美國標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)危險性分析

3.1 美國標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)危險性分類

美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018中根據(jù)建筑物內(nèi)物品火災(zāi)發(fā)生和蔓延產(chǎn)生的相對危險性、火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧或者氣體所帶來的危險和爆炸等因素，危及建筑物結(jié)構(gòu)和人員的生命安全并對建筑物內(nèi)物品造成的損失情況，將建筑物的火災(zāi)危險性分為三大類：低危險性、普通危險性、高危險性，其中高危險性又分為5級。中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》將建筑物的火災(zāi)危險性分為甲、乙、丙、丁、戊5，和美國標(biāo)準(zhǔn)對火災(zāi)危險性對比如下：

a.GB 50016—2014中的甲類對應(yīng)NFPA 5000—2018中的高危險1、2級；

b.GB 50016—2014中的乙類對應(yīng)NFPA 5000—2018中的高危險2級；

c.GB 50016—2014中的丙類對應(yīng)NFPA 5000—2018中的高危險3、4級和普通危險；

d.GB 50015—2014中的丁類對應(yīng)NFPA 5000—2018中的高危險5級、普通危險和低危險；

e.GB 50016—2014中的戊類對應(yīng)NFPA 5000—2018中的低危險。

3.2 火電廠建筑火災(zāi)危險性分析

3.2.1 原材料的火災(zāi)危險性

a.煤場的火災(zāi)危險性主要來自于煤的自燃。雖然達(dá)到一定條件下煤可以自燃，但煤的自身燃燒傳播速度較慢，根據(jù)這一性質(zhì)其危險等級為普通危險。

b.渣油、裂化殘油和燃料重油的自燃點比較低，一般都在230～270 ℃。重油的閃點較高，一般在180～330 ℃。根據(jù)NFPA 5000—2018對可燃液體的危險等級分類，閃點大于93 ℃的為IIIB類液體，所以其火災(zāi)危險性為高危險3級。

表1 I～V型建筑結(jié)構(gòu)的耐火限級 h

c.柴油主要供柴油發(fā)電機使用，一般置于柴油發(fā)電機房內(nèi)或置于室外油箱內(nèi)，柴油的閃點在55 ℃以上。根據(jù)NFPA 5000—2018對可燃液體的危險等級分類，儲存在敞開容器內(nèi)或壓力大于103 kPa封閉容器內(nèi)的液體其閃點在37.8 ℃～60 ℃為II類液體，閃點在60 ℃～93 ℃為IIIA類液體，所以輕柴油為II類易燃液體，其火災(zāi)危險性為高危險3級。

d.制氫站、供氫站以及發(fā)電機組冷卻的氫氣，爆炸極限范圍較大，為4.1%～75.0%，當(dāng)泄漏的氫氣與空氣混合到爆炸極限濃度時，遇火源極易發(fā)生爆炸，且爆炸破壞后果非常嚴(yán)重。根據(jù)這一性質(zhì)，其火災(zāi)危險性為高危險2級。

e.液氨作為脫硝還原劑的主要原料在火電廠廣泛應(yīng)用。液氨具有腐蝕性，且容易揮發(fā)，是一種易燃、易爆、有毒的危險化學(xué)品，常溫密度比空氣小，爆炸極限為15%～28%。根據(jù)這一性質(zhì)，其火災(zāi)危險性為高危險2級。

f.電纜都以集中式電纜橋架、電纜豎井、電纜溝道和電纜隧道等方式敷設(shè)。當(dāng)電纜采用非阻燃電纜，發(fā)生短路或局部過熱時，火災(zāi)會沿電纜蔓延。由于電纜對火勢具有傳播性，所以按照NFPA 5000—2018對可燃固體及物質(zhì)的危險等級分類，其火災(zāi)危險性為高危險3級。

3.2.2 設(shè)備的火災(zāi)危險性

a.汽輪機火災(zāi)危險絕大多數(shù)源于油系統(tǒng)的油品泄漏，或者油品的蒸汽與空氣形成爆炸性氣體混合物被點燃而造成火災(zāi)。汽輪機使用的潤滑油閃點較高，按照NFPA 5000—2018對可燃液體的危險等級分類，其火災(zāi)危險性為高危險3級。

b.發(fā)電機發(fā)生火災(zāi)的原因比較復(fù)雜，主要有兩類：一類是設(shè)備原因，如定子繞組絕緣被擊穿，鐵心發(fā)熱燃燒，同步發(fā)電機不對稱運行、短路等會引起火災(zāi)；另一類是氫氣冷卻系統(tǒng)漏氣，與空氣形成爆炸性混合氣體，遇明火或高溫而發(fā)生火災(zāi)。

c.油浸變壓器內(nèi)部充有大量絕緣油，同時還有一定數(shù)量的可燃物。變壓器最大危險荷載是變壓器絕緣油、絕緣材料，如果遇到高溫、火花、電弧，容易引起火災(zāi)和爆炸，從而導(dǎo)致火災(zāi)。

4 美國標(biāo)準(zhǔn)的火電廠建筑火災(zāi)危險性分類

根據(jù)火電廠建筑物中生產(chǎn)使用或產(chǎn)生的物質(zhì)性質(zhì)及其數(shù)量等因素，總結(jié)出美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018的火電廠建筑物火災(zāi)危險性分類，并與中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50229 —2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》進行對比，見表2。

表2 中國標(biāo)準(zhǔn)與美國標(biāo)準(zhǔn)主要建筑物的火災(zāi)危險性分類對比

5 美國標(biāo)準(zhǔn)的火電廠建筑物耐火極限規(guī)定

耐火極限是保障建筑物建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)發(fā)生時具有一定時間的結(jié)構(gòu)完整性，為人員疏散和救援提供充足的時間。建筑高度、建筑層數(shù)和建筑面積與人員疏散和救援時間成正比。不同火災(zāi)危險性的建筑物所對應(yīng)的不同結(jié)構(gòu)類型、不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限是限定建筑高度、建筑層數(shù)和每層建筑面積的基本依據(jù)。工業(yè)建筑、倉庫及高危險建筑允許的最大建筑高度見表3，工業(yè)建筑和倉庫允許的層數(shù)和面積見表4，高危險建筑允許的層數(shù)和面積見表5。表3、表4和表5中S為具有自動噴水滅火系統(tǒng)保護的建筑物，N為沒有自動噴水滅火系統(tǒng)保護的建筑物，UL為不限制，NP為不允許。

6 主廠房建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限

6.1 主廠房建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限

主廠房建筑的火災(zāi)危險性為普通危險，煤倉間一般為40～50 m，鍋爐房一般為80 m左右，兩臺機組單層建筑面積可達(dá)到7 000～8 000 m2。按照表4、表5的規(guī)定，當(dāng)采用結(jié)構(gòu)類型為I型或II型時，應(yīng)按照332或222執(zhí)行(承重外墻、柱和梁、樓面結(jié)構(gòu)的耐火極限)。

由于火電廠與普通的工業(yè)廠房使用性質(zhì)不同，所以美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018對于特殊建筑做了另行規(guī)定：“發(fā)電廠建筑，專門用于結(jié)構(gòu)形式為I、II型的燃?xì)廨啓C發(fā)生器、燃?xì)廨啓C、熱發(fā)生器和煙氣處理的建筑物(區(qū)域)，當(dāng)危險區(qū)域采用符合NFPA 11、NFPA 12、NFPA 13、NFPA 15、NFPA 16、NFPA 750和NFPA 2001標(biāo)準(zhǔn)的防火保護時，其建筑面積和高度不受到限制。”此條明確了，當(dāng)主廠房重點及危險部位做了符合標(biāo)準(zhǔn)的有效主動型消防措施時，建筑面積和高度不受到限制。主廠房建筑可以采用結(jié)構(gòu)類型為000的II型，結(jié)構(gòu)的柱和梁的耐火極限為0 h，所以主廠房結(jié)構(gòu)不需要采取被動型的防火保護措施即可滿足美國規(guī)范NFPA 5000—2018和NFPA 850—2015的要求。

表3 建筑物允許的最大建筑高度 m

表4 工業(yè)建筑和倉庫允許的建筑層數(shù)和面積

表5 高危建筑允許的建筑層數(shù)和面積

6.2 主廠房建筑防火區(qū)界限

雖然美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018作為美國消防協(xié)會最基本的防火標(biāo)準(zhǔn)，但NFPA 850—2015是專門針對火電廠設(shè)計指定的推薦性美國標(biāo)準(zhǔn)，所以火電廠的設(shè)計還要同時滿足該規(guī)定。對于廠站布置方面確定防火區(qū)，即火電廠應(yīng)根據(jù)“消防設(shè)計基礎(chǔ)”劃分為獨立的防火區(qū)，以限制火災(zāi)蔓延，保護人員安全，并減少火災(zāi)對廠房的損壞。防火區(qū)應(yīng)通過防火隔板、空間隔離或其他經(jīng)批準(zhǔn)的方式相互隔離。

結(jié)合目前國內(nèi)主廠房常用的布置方式，電氣配電間、潤滑油間、消防設(shè)備間、暖通設(shè)備間均設(shè)置防火區(qū)與其他部位隔離。疏散樓梯作為安全區(qū)域，也需要設(shè)置防火區(qū)與其他部位隔離。

根據(jù)NFPA 850—2015的規(guī)定，如果防火區(qū)確定為獨立結(jié)構(gòu)，應(yīng)與其他結(jié)構(gòu)隔開適當(dāng)?shù)木嚯x，該距離應(yīng)根據(jù)NFPA 80A—2017《建筑物外部防火推薦做法》確定。當(dāng)前煤倉的輸煤皮帶層與鍋爐房分開布置，可視為獨立的防火區(qū)。但當(dāng)采用側(cè)煤倉時，煤倉間在鍋爐兩側(cè)毗鄰設(shè)置時，應(yīng)設(shè)置防火隔離措施，煤倉間與鍋爐房之間的隔墻采用防火隔墻。

6.3 主廠房建筑防火區(qū)內(nèi)防火隔板的耐火極限

主廠房防火隔離區(qū)域的邊界范圍為該房間(區(qū)域)的外圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)為四面墻體和上下樓板。NFPA 850—2015規(guī)定，隔離防火區(qū)的防火隔板的最低耐火極限應(yīng)為2 h。為了保證防火隔板整體的完整性，不能因局部構(gòu)件耐火極限的降低而削弱整個隔墻的耐火體系，支撐防火隔板或與隔板一同參與受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件同樣應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的耐火極限要求，因此，與隔墻拉結(jié)及承受本層房間荷載的柱，以及承受樓面荷載的上下兩層樓面的梁同樣需要滿足2 h的耐火極限要求。

6.4 集中控制樓建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限

集中控制樓的主要房間包括電氣和熱控配電間、電子設(shè)備間、集中控制室、消防設(shè)備間、暖通設(shè)備間、電纜夾層及其他附屬房間。一般分5層，單層建筑面積1 500～2 000 m2，高度一般在25 m左右。集中控制樓的火災(zāi)危險分類為工業(yè)建筑(普通危險)，結(jié)構(gòu)類型為Ⅱ型。按照表4、表5允許的最大建筑高度、層數(shù)和面積值，Ⅱ型222的允許高度，當(dāng)有自動噴淋滅火系統(tǒng)時，建筑高度為54.86 m，層數(shù)為12層，單層建筑面積不限；Ⅱ型111的允許高度，當(dāng)有自動噴淋滅火系統(tǒng)時，建筑高度為25.9 m，層數(shù)為5層，單層建筑面積2 325 m2；Ⅱ型000的允許高度，當(dāng)有自動噴淋滅火系統(tǒng)時，建筑高度為22.86 m，層數(shù)為3層，單層建筑面積1 442 m2。集中控制樓最低應(yīng)采用Ⅱ型111，即柱、梁和樓面結(jié)構(gòu)的耐火極限不小于1 h。

6.5 其他建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限

火電廠其他建筑包括：輸煤建筑、電氣建筑、化學(xué)建筑、煙塵渣及輔助建筑。其他建筑按照集中控制樓的分類原則，根據(jù)該建筑物的單層建筑面積、高度和層數(shù)以及3.1所分析的火災(zāi)危險性，在表3、表4和表5中可以找到相應(yīng)的耐火極限值。

7 結(jié)論

基于美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 5000—2018的規(guī)定，在主廠房重點及危險部位采取了符合標(biāo)準(zhǔn)的有效主動型消防措施基礎(chǔ)上，主廠房建筑可以采用結(jié)構(gòu)類型為000的II型，結(jié)構(gòu)的柱和梁的耐火極限為0 h。但根據(jù)NFPA 850—2015的規(guī)定，支撐樓梯間、電氣配電間、潤滑油間、消防設(shè)備間、暖通設(shè)備間和輸煤皮帶層用作與其他部位隔離的防火隔墻及上下樓板的柱和梁，需要達(dá)到耐火極限為2 h。

目前常規(guī)布置的集中控制樓由于受到建筑面積、層數(shù)和高度的限制，根據(jù)NFPA 5000—2018的規(guī)定，最低應(yīng)采用II型111，即柱、梁和樓面結(jié)構(gòu)的耐火極限不小于1 h。其他建筑按照集中控制樓的分類原則，根據(jù)該建筑物的單層建筑面積、高度和層數(shù)，在表3、表4和表5中可以找到相應(yīng)的耐火極限值。