洪 光， 殷海洋， 黃國恒

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

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

美國的消防標準絕大部分由美國消防協(xié)會(National Fire Protection Association， NFPA)或標準組織制定，它包括建筑防火設計規(guī)范、滅火救援訓練、滅火器材相關規(guī)范等，現(xiàn)已得到國內外廣泛承認。總的趨勢是從格式化逐步轉向性能化，性能標準是建立在火災試驗、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準是否可行的關鍵，與格式標準是互補關系，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)會制定的標準，相互補充，并共同作用。

1 美國標準的應用與設計原則

NFPA諸多消防標準中，NFPA 220—2018《建筑物類型標準》、NFPA 5000—2018《建筑的結構和安全標準》、NFPA 850—2015《火電廠和高壓變電站防火的推薦做法》等都是指導火電廠設計的，但每個標準各有所側重，NFPA 220—2018是介紹建筑物的結構分類的、NFPA 5000—2018是重點介紹建筑類型及構件的耐火要求的。由于電廠屬于特殊的工業(yè)建筑，NFPA單獨制定了NFPA 850—2015來指導火電廠的消防設計，是火電廠設計的推薦標準，其他具體要求還需要按照NFPA其他標準執(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，火災初期建筑物應具有安全的結構性能，即建筑構件應具有一定的耐火極限?；痣姀S建筑物耐火等級應在綜合考慮設備情況、生產和儲存物品情況的同時，還應重點根據(jù)建筑的建筑面積、層數(shù)及建筑高度、火災危險性等級、建筑結構類型、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)、建筑結構類型、火災危險性不同，其構件的耐火極限也不同。

2 美國標準的建筑結構類型劃分

2.1 基本結構類型

美國標準NFPA 5000—2018和NFPA 220—2018按照建筑物的結構類型進行分類，共劃分為5種基本類型，即I型、II型、III型、IV型和V型結構。結構的防火墻、梁、柱、樓板、墻、地板和屋頂?shù)冉ㄖ课换驑嫾褂玫牟牧鲜莿澐纸ㄖY構類型的依據(jù)。

2.2 建筑結構類型的耐火極限

建筑結構的梁、柱、樓板、墻、地面和屋頂?shù)冉ㄖ课患皹嫾褂玫牟牧鲜莿澐纸ㄖY構類型的依據(jù)。材料分為不燃材料、難燃材料和可燃材料(木材或其他經批準的材料制成)。建筑物的5種結構類型(I～V)所對應的建筑結構部位和構件耐火等級不低于表1中的規(guī)定，表1結構類型中阿拉伯數(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；第三位為樓面結構。

3 美國標準的火災危險性分析

3.1 美國標準的火災危險性分類

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

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

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

c.GB 50016—2014中的丙類對應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NFPA 5000—2018中的低危險。

3.2 火電廠建筑火災危險性分析

3.2.1 原材料的火災危險性

a.煤場的火災危險性主要來自于煤的自燃。雖然達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，所以其火災危險性為高危險3級。

表1 I～V型建筑結構的耐火限級 h

c.柴油主要供柴油發(fā)電機使用，一般置于柴油發(fā)電機房內或置于室外油箱內，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，儲存在敞開容器內或壓力大于103 kPa封閉容器內的液體其閃點在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重。根據(jù)這一性質，其火災危險性為高危險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、有毒的危險化學品，常溫密度比空氣小，爆炸極限為15%～28%。根據(jù)這一性質，其火災危險性為高危險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。當電纜采用非阻燃電纜，發(fā)生短路或局部過熱時，火災會沿電纜蔓延。由于電纜對火勢具有傳播性，所以按照NFPA 5000—2018對可燃固體及物質的危險等級分類，其火災危險性為高危險3級。

3.2.2 設備的火災危險性

a.汽輪機火災危險絕大多數(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。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，其火災危險性為高危險3級。

b.發(fā)電機發(fā)生火災的原因比較復雜，主要有兩類：一類是設備原因，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；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。

c.油浸變壓器內部充有大量絕緣油，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，容易引起火災和爆炸，從而導致火災。

4 美國標準的火電廠建筑火災危險性分類

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

表2 中國標準與美國標準主要建筑物的火災危險性分類對比

5 美國標準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構構件在火災發(fā)生時具有一定時間的結構完整性，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。不同火災危險性的建筑物所對應的不同結構類型、不同的結構構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 主廠房建筑結構構件的耐火極限

6.1 主廠房建筑結構構件的耐火極限

主廠房建筑的火災危險性為普通危險，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到7 000～8 000 m2。按照表4、表5的規(guī)定，當采用結構類型為I型或II型時，應按照332或222執(zhí)行(承重外墻、柱和梁、樓面結構的耐火極限)。

由于火電廠與普通的工業(yè)廠房使用性質不同，所以美國標準NFPA 5000—2018對于特殊建筑做了另行規(guī)定：“發(fā)電廠建筑，專門用于結構形式為I、II型的燃氣輪機發(fā)生器、燃氣輪機、熱發(fā)生器和煙氣處理的建筑物(區(qū)域)，當危險區(qū)域采用符合NFPA 11、NFPA 12、NFPA 13、NFPA 15、NFPA 16、NFPA 750和NFPA 2001標準的防火保護時，其建筑面積和高度不受到限制?！贝藯l明確了，當主廠房重點及危險部位做了符合標準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構類型為000的II型，結構的柱和梁的耐火極限為0 h，所以主廠房結構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

雖然美國標準NFPA 5000—2018作為美國消防協(xié)會最基本的防火標準，但NFPA 850—2015是專門針對火電廠設計指定的推薦性美國標準，所以火電廠的設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)，即火電廠應根據(jù)“消防設計基礎”劃分為獨立的防火區(qū)，以限制火災蔓延，保護人員安全，并減少火災對廠房的損壞。防火區(qū)應通過防火隔板、空間隔離或其他經批準的方式相互隔離。

結合目前國內主廠房常用的布置方式，電氣配電間、潤滑油間、消防設備間、暖通設備間均設置防火區(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)確定為獨立結構，應與其他結構隔開適當?shù)木嚯x，該距離應根據(jù)NFPA 80A—2017《建筑物外部防火推薦做法》確定。當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)。但當采用側煤倉時，煤倉間在鍋爐兩側毗鄰設置時，應設置防火隔離措施，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)的外圍護結構，圍護結構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為2 h。為了保證防火隔板整體的完整性，不能因局部構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構構件同樣應達到相應的耐火極限要求，因此，與隔墻拉結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 集中控制樓建筑結構構件的耐火極限

集中控制樓的主要房間包括電氣和熱控配電間、電子設備間、集中控制室、消防設備間、暖通設備間、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。集中控制樓的火災危險分類為工業(yè)建筑(普通危險)，結構類型為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。集中控制樓最低應采用Ⅱ型111，即柱、梁和樓面結構的耐火極限不小于1 h。

6.5 其他建筑結構構件的耐火極限

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所分析的火災危險性，在表3、表4和表5中可以找到相應的耐火極限值。

7 結論

基于美國標準NFPA 5000—2018的規(guī)定，在主廠房重點及危險部位采取了符合標準的有效主動型消防措施基礎上，主廠房建筑可以采用結構類型為000的II型，結構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、消防設備間、暖通設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，最低應采用II型111，即柱、梁和樓面結構的耐火極限不小于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中可以找到相應的耐火極限值。