大型封闭储煤场自动消防炮设计的避遮挡研究.pdf

消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期消防设备研究大型封闭储煤场自动消防炮设计的避遮挡研究胡纯国,徐力（大连港口设计研究院有限公司，辽宁 大连 116006）摘要：在大型封闭储煤场室内自动消防炮设计中，布置在马道上的自动消防炮主要受煤堆垛及屋面遮挡影响,设计最大保护半径受到抑制，相关规范及文献缺少应对措施。以内蒙古自治区某地一座 20 万 t储量的封闭室内储煤场为例，研究煤堆垛及屋面对自动消防炮设计的影响及其应对方法。首先，利用自动消防炮火源探测器视角及射流轨迹特点，选定自动消防炮在建筑宽度方向最佳布置区域及高度范围；其次，依据自动消防炮设计最大保护半径，确定其在建筑长度方向的最佳布置位置；然后，以 0角喷射的射流轨迹复核自动消防炮在该平面位置及高度上的实际保护范围，最终消除煤堆垛及屋面对自动消防炮的遮挡影响。关键词：自动消防炮；封闭储煤场；煤堆垛；屋面；遮挡中图分类号：X913.4；TU892 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）10-1423-05封闭式储煤场可减少由雨水冲刷造成的煤炭损失，可 100%抑制煤炭粉尘扩散1。随着环保要求的提高以及节约成本的需要，电力、煤化工、钢铁及水运等行业中煤炭的存储及转运越来越多采用超大型封闭式储煤场。张源野2调查发现，煤矿、电力等行业的煤炭存储均已放弃露天堆放的形式，多采用 10万 t以上封闭式储煤场。随着封闭式储煤场的广泛应用，针对封闭式储煤场自动消防炮的避遮挡研究也更加有意义。封闭式储煤场内能遮挡自动消防炮的因素有煤炭堆垛、屋面、煤炭粉尘及大型机械设备等，对自动消防炮的影响程度各不相同。1）煤炭堆垛的影响。从经济性上考虑，大型封闭式储煤场结构跨度达到一定限度后3，需要通过提高煤炭堆垛高度继续扩大煤炭存储规模。同时，为保证室内消防安全，煤堆间需设置适当的防火隔离带4。因此，随着封闭式储煤场存储规模扩大，煤堆垛数量及高度都会显著增加，对自动消防炮遮挡影响也会越大。2）屋面的影响。自动消防炮通常布置在封闭式储煤场屋面下的马道上，自动消防炮射流水平向上呈 30角时，射程最远，保护半径最大5。布置在屋面马道上的自动消防炮由于屋面遮挡，并不能完全实现水平向上 30角喷射，使得额定压力下的实际射流半径远低于额定射流半径。因此，屋面对设置于马道上的自动消防炮产生较大遮挡影响。3）煤炭粉尘的影响。目前市场上自动消防炮主要采用红外传感器和紫外传感器 6。封闭式储煤场作业期间会产生大量粉尘，但是并不影响红外传感器和紫外传感器对火源的探测及定位，也就不能对自动消防炮形成显著遮挡。4）大型机械设备的影响。封闭式储煤场内的大型作业设备主要是堆取料机，作业期间即停即走，作业完毕后靠边停放，不会影响自动消防炮扑灭煤炭火灾。因此，在大型封闭式储煤场内，煤炭堆垛及屋面是遮挡自动消防炮的主要因素。目前，在大型封闭式储煤场室内自动消防炮的设计中，主要依据相关规范提供的公式计算设计最大保护半径，并依此布置自动消防炮的位置，忽略了由煤炭堆垛及Remote monitoring system for smoke control and prevention based on the Internet of ThingsHan Chong(Tianjin Fire and Rescue Brigade,Tianjin 300110,China)Abstract:In response to the fire safety hazards,information management and maintenance issues in urban building fire protection systems,this article focuses on the CHV32F103 chip and develops fire protection equipment such as a fire fan status information collector and a wind system status information collector.A remote smoke control and monitoring system based on the Internet of Things is proposed.The system consists of a remote control center and onsite monitoring equipment.Its main purpose is to remotely monitor urban building fire protection facilities and analyze and process realtime collected various fault and alarm information.Onsite monitoring equipment sends realtime fire alarm signals,smoke exhaust valve action status,and smoke exhaust fan operation status information to the remote control center through Internet of Things communication networks such as NB IoT,ensuring accurate judgment in the event of a fire,achieving remote monitoring and management of the smoke exhaust system.Key words:Internet of Things;building fire protection;remote monitoring作者简介：韩 冲（1985-），天津人，天津市消防救援总队中级专业技术职务，主要从事消防科技、消防产品和消防物联网工作，天津市南开区南马路 708号，300110。收稿日期：2023-05-17（责任编辑：董里）1423Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10屋面遮挡引起的设计最大保护半径的折减；同时，在相关规范及文献中，缺少应对屋面及煤堆垛遮挡影响的具体措施。现以内蒙古自治区某地超大型封闭式储煤场自动消防炮灭火系统设计为例，研究煤炭堆垛及屋面对自动消防炮遮挡的影响及应对方法，弥补相关规范及文献的缺失，以期引起相关从业者的重视。1项目背景该封闭储煤场位于内蒙古自治区某煤化工工业区内，长 335 m，宽 152 m，净空高度约 40 m，建筑面积约为 50 250 m2，总贮煤量约 20 万 t，可供下游煤化工工艺 20 d用量；内设堆取料机，堆煤能力为 1 200 t/h，取煤能力为 1 200 t/h。3 m 以下为钢筋混凝土挡墙，上部为柱面网壳结构。2消防系统选择该封闭储煤场主要用于储存煤炭，建筑面积大于 3 000 m2，净空高度大于 12 m。依据 GB 50016-2014 建筑设计防火规范 8.2.1、8.3.2及 8.3.5条，该封闭储煤场应设置室内消火栓系统及自动灭火系统，并宜采用固定消防炮等灭火系统7。依据 GB 51428-2021 煤化工工程设计防火标准 9.5.1 及 9.5.5 条，该封闭储煤场应设置室内消火栓及固定消防水炮系统8。依据 GB 51427-2021自动跟踪定位射流灭火系统技术标准 3.1.1及 3.2.3条，该封闭储煤场可采用自动跟踪定位射流灭火系统，并宜选用自动消防炮灭火系统9。综合上述规范及标准要求，该封闭储煤场采用室内消火栓及自动消防炮灭火系统，本文不再赘述室内消火栓系统设计，主要研究煤堆垛及屋面的遮挡对自动消防炮系统设计的影响。对于电力、钢铁及水运等行业中的封闭储煤场，室内消火栓不能保护全部煤存储区，固定消防炮受烟尘影响难以在火灾中发挥实际作用，实际均选择布置自动消防炮灭火系统。3避煤堆垛遮挡自动消防炮通过火灾探测器探测到火源后，充分考虑重力、空气阻力、自动消防炮安装高度等影响因素，计算获得定位补偿量，调整自动消防炮喷水嘴方位角，实现自动消防炮射流水柱对火源的定位10 。自动消防炮射流呈抛物状，在设计最大保护半径下水柱可到达煤堆垛背对自动消防炮一侧，而自动消防炮自带的火源探测器件却探测不到煤堆垛背对自动消防炮的一侧。射流水柱和火源探测器对煤堆面覆盖范围的不统一，成为煤堆垛遮挡自动消防炮的根本原因。因此，找到射流水柱和火源探测器覆盖煤堆面的公共区域，是消除煤堆垛遮挡的主要途径。3.1室内空间分区该封闭储煤场共有 4 条煤堆垛，编号分别为、，形成 12 个煤堆面，编号为 AL。12 个煤堆面的反向延长线，将网壳分为 11个区，编号为 111。煤堆垛、煤堆面及网壳分区编号见图 1。3.2火源探测器对煤堆面覆盖分析自动消防炮安装在网壳的不同区域，其自带的红外及紫外火源探测器可探测的范围不同。自动消防炮在网壳上安装的位置以网壳分区编号 111表示，自动消防炮可探测区以煤堆面编号 AL表示，自动消防炮安装位置和其可探测区的对应关系见表 1。在煤炭实际存储过程中，煤堆顶部会形成弧面，但并不影响表 1的对应关系。由表 1 可知，为确保煤堆面 A 的火源可探测，自动消防炮必须安装在网壳 1、2、3区中的一区，安装在网壳 3区时，探测范围在 3 个区中最广，受遮挡影响最小。为确保煤堆面 L 的火源可探测，自动消防炮必须安装在网壳 9、10、11区中的一区，安装在网壳 9区时，探测范围在 3个区中最广，受遮挡影响最小。为确保除 A、L 以外煤堆面的火源可探测，自动消防炮必须安装在网壳 210区中的一区，安装在网壳 6区时，探测范围最广，受遮挡影响最小。因此，为确保 AL 面的火源均能被探测，至少要布置 3组消防炮。布置在 3、6、9区时，各组消防炮可探测煤堆面最多，有效射流半径更能得到充分利用。煤堆垛煤堆垛 煤堆垛ABCDEF GHIJKL12345678910110.000煤堆垛44.000152 000AAC图 1煤堆面及网壳分区编号示意图Fig.1Schematic diagram of partition numbering of coal stack surface and reticulated shell表 1自动消防炮安装位置和对应的可探测区Table 1Automatic fire monitor installation positionand corresponding detectable area工况序号1234567891011自动消防炮位置1234567891011可探测煤堆面AA、BA、B、C、D、EB、C、D、EB、C、D、E、F、G、HB、C、D、E、F、G、H、I、J、KE、F、G、H、I、J、KH、I、J、KH、I、J、K、LK、LL1424消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期3.3射流水柱对煤堆面覆盖分析该工程选用红外、紫外复合探测自动消防炮。单台自 动 消 防 炮 额 定 流 量 为 30 L/s，额 定 工 作 压 力 为 0.8 MPa，额定压力下保护半径为 50 m。依据 自动跟踪定位射流灭火系统技术标准 4.2.10 条中的公式，对自动消防炮设计最大保护半径进行核算。甲组自动消防炮（2 台自动消防炮）安装于网壳 6 区，安装高度为 35 m，供水压力为 0.8 MPa，设计最大保护半径为 50 m；乙组自动消防炮（2台自动消防炮）安装于网壳3 区，安装高度为 27 m，供水压力为 0.88 MPa，设计最大保护半径为 52 m；丙组自动消防炮（2台自动消防炮）安装于网壳 9 区，安装高度为 27 m，供水压力为 0.88 MPa，设计最大保护半径为 52 m。自动消防炮射流呈现抛物线状，保护区域在空间上呈现圆柱状。自动消防炮在建筑宽度方向上的布置位置及其保护范围见图 2。乙组自动消防炮设计最大保护半径 52 m丙组自动消防炮设计最大保护半径 52 m乙组自动消防炮保护外边线设计最大保护半径 50 m甲组自动消防炮甲组自动消防炮设计最大保护半径 50 m丙组自动消防炮保护外边线152 0000.000煤堆垛煤堆垛煤堆垛煤堆垛ACDBEF GHIJKL111098765432AAC乙组自动消防炮甲组自动消防炮丙组自动消防炮44.00016 20059 80059 80016 200图 2 自动消防炮布置断面及保护范围示意图Fig.2 Schematic diagram of the layout section and protection range of automatic fire monitor由图 2可知，如果乙组自动消防炮布置在网壳 1区或2区，虽然乙组自动消防炮的设计最大保护半径能覆盖煤堆面 C，但是因其无法准确探测煤堆面 C 上的火源，不能对其实现有效灭火。同时，位于网壳 6区的甲组自动消防炮虽然能无遮挡探测煤堆面 C，但其设计最大保护半径无法全部覆盖煤堆面 C，导致煤堆面 C 发生火灾时，自动消防炮灭火系统自动灭火失败。同理，如果丙组自动消防炮布置在网壳 10区或 11区，煤堆面 J也存在类似的情况。由以上分析可知，自动消防炮布置在 3、6、9 区时，12个煤堆面（编号 AL）既能被至少一组（2台）自动消防炮无遮挡探测，又能被该组自动消防炮设计最大保护半径覆盖。因此，自动消防炮布置在 3、6、9 区，能以最少消防炮覆盖全部煤堆面，并避免煤堆垛遮挡。自动消防炮沿建筑长度方向受煤堆垛的遮挡影响，也可采用相同的方法消除。4避屋面遮挡受屋面遮挡影响，自动消防炮难以实现水平向上呈30角喷射，导致理论设计最大保护半径难以实现。因此，找到自动消防炮实际射流角度下的最大保护半径，是消除屋面遮挡的主要途径。4.1设计最大保护半径下的平面定位以自动消防炮在建筑宽度方向上的位置为基准，向建筑长度方向延伸，确保建筑内全部投影面能被至少 2台自动消防炮的设计最大保护半径覆盖，初步确定自动消防炮在建筑长度方向上的位置。自动消防炮的平面位置见图 3。在该工程中，采用消防炮成组布置（每组 2 台）时，共需要 30 台消防炮；采用消防炮单台分散布置时，共需要27 台消防炮。成组布置和单台分散布置相比，消防炮数量增加 11%。在煤炭存储工艺相似的情况下，不同存储规模的封闭储煤场自动消防炮成组布置和单台分散布置所需的数量见表 2。由表 2 可知，存储规模大于 10 万 t 的封闭储煤场，随着存储规模变小，成组布置和单台分散布置相比，消防炮数量增加比例增长缓慢；当封闭储煤场存储规模小于 10万 t时，随着存储规模变小，成组布置和单台分散布置相比，消防炮数量增加比例增长迅速。为简化消防炮和保护空间的对应关系，并提高消防炮灭火效果的稳定性，该工程采用了消防炮成组布置（每组 2 台）的方式。当封闭储煤场存储规模小于 10 万 t时，为节约投资，建议采用单台消防炮分散布置的形式。设计最大保护半径设计最大保护半径329 000152 0004235 00080 00080 00080 00080 0004 000324152 000329 00011A1ACAC7373A1图 3自动消防炮布置平面及保护范围示意图Fig.3Schematic diagram of the layout and protection range of automatic fire monitor表 2不同规模封闭储煤场布置自动消防炮数量Table 2The number of automatic fire monitors required for closed coal storage yards of different scales序号12345煤炭存储规模/万 t252015105自动消防炮数量/台单台布置332721156成组布置363024189增加比例9%11%14%20%50%1425Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.104.2射流轨迹复核该工程选用的自动消防炮，在额定压力为 0.8 MPa时，不同喷射角度的射流轨迹见图 4。甲组自动消防炮供水压力为 0.80 MPa，乙组、丙组自动消防炮供水压力为 0.88 MPa。现均以供水压力为 0.80 MPa时的射流轨迹进行复核。自动消防炮射流轨迹受封闭储煤场屋面影响情况见图 5图 7。由图 5图 7 可知，自动消防炮 10角及 30角的喷射水柱被屋面遮挡，不能到达煤堆垛上的着火点，起不到灭火作用，只有 0角及-8角喷射水柱能起到灭火作用。煤堆面的任一点均能被至少 2台消防炮 0角喷射水柱覆盖，但不能被至少 2台消防炮-8角喷射水柱覆盖。由图 7可知，当煤堆垛高度在 13.65 m 基础上增加约 2 m 时，会出现 0角喷射水柱覆盖不到的区域；当自动消防炮安装高度在 27 m 基础上降低约 2 m 时，也会出现 0角喷射水柱覆盖不到的区域。由此可见，利用设计最大保护半径确定自动消防炮位置后，有必要利用射流轨迹复核其实际保护范围。自动跟踪定位射流灭火系统技术标准 4.2.10 条规定，自动消防炮设计最大保护半径应依据额定压力最大保护半径、额定工作压力及设计工作压力计算9。额定压力时的最大保护半径，也是自动消防炮在额定压力下射流水平向上呈 30角时的水平喷射距离。在屋面遮挡影响下，马道上的自动消防炮不能实现水平向上呈 30角喷射。因此，自动跟踪定位射流灭火系统技术标准4.2.10 条中的公式不再适用于布置在屋面马道上的自动消防炮。对于封闭储煤场以外的其他建筑，当自动消防炮安装位置接近建筑顶部，特别是建筑顶部高度低于自动消防炮安装位置设计最大保护半径的喷射高度时，建筑顶部会遮挡自动消防炮。此时，也可通过射流轨迹复核的方式消除建筑顶部对自动消防炮的遮挡。5结 论在大型封闭储煤场自动消防炮灭火系统设计中，应采取有效措施消除煤堆垛及屋面遮挡影响，重点注意以下几点：1）为消除煤堆垛遮挡影响，应先利用煤堆垛面的延长线，对大型封闭储煤场屋面分区，建立自动消防炮布置位置和其可探测区的对应关系；再利用自动消防炮设计最大保护半径，确定自动消防炮沿建筑宽度方向上的水平位置及高程。2）为消除屋面遮挡影响，利用设计最大保护半径初步确定自动消防炮平面位置及高程后，还应利用设备厂商提供的射流轨迹参数对自动消防炮位置进行复核。3）受屋面遮挡影响，自动跟踪定位射流灭火系统技术标准 4.2.10条的自动消防炮设计最大保护半径计算公式对布置在屋面马道上的自动消防炮不再适用。4）封闭储煤场存储规模小于 10万 t时，宜采用单台消防炮分散布置的形式；封闭储煤场存储规模大于 10 万 t时，宜采用 2台消防炮成组布置的形式。对于封闭储煤场以外的其他建筑，当自动消防炮安装位置与建筑顶部高差小于额定压力最大保护半径的喷洒高度时，在利用设计最大保护半径确定自动消防炮位置后，有必要利用射流轨迹复核其实际保护范围。同时，自动跟踪定位射流灭火系统技术标准 4.2.10 条中的公式也不再适用于该自动消防炮。参考文献：1 司小飞,王军,殷结峰.火电厂煤场环境污染防治J.环境工程,2018,30100-810 20 30 40 50 60 70 80 90射程/m20100-10-20出水点高度/m图 4自动消防炮不同喷射角度的射流轨迹示意图Fig.4Schematic diagram of the jet trajectory of the automatic fire monitor with different spray angles煤堆垛煤堆垛煤堆垛0.000煤堆垛152 000AAC13.65015.00013.6500.000丙组自动消防炮甲组自动消防炮乙组自动消防炮20 000-810030图 51-1建筑断面处射流轨迹示意图Fig.5Schematic diagram of jet trajectory at building section 1-1-810030329 00080 0005 00080 000 4 00035.00015.00015.00035.000煤堆顶面 13.650煤堆顶面 13.650173图 62-2建筑断面处射流轨迹示意图Fig.6Schematic diagram of jet trajectory at building section 2-2-810030329 00080 0005 00080 000 4 00027.000煤堆顶面 13.650煤堆顶面 13.65017327.000图 73-3、4-4建筑断面处射流轨迹示意图Fig.7Schematic diagram of jet trajectory at building section 3-3 and section 4-41426消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期36(1):88-91.2 张源野.煤炭工业给水排水设计规范(GB 50810-2012)应用探讨J.煤炭工程,2021,53(3):31-35.3 吴碧野,武岳,戴君武,等.超大跨度干煤棚结构选型研究J.建筑结构,2021,51(S1):562-568.4 何路,朱国庆,昝文鑫.封闭式储煤场防火隔离带宽度定量分析J.消防科学与技术,2015,34(5):587-591.5 刘正勤.自动消防水炮性能参数对射流轨迹的影响J.消防科学与技术,2015,34(11):1471-1474.6 张强,沈贺坤,王浩轩.自动跟踪定位射流灭火技术的应用与展望C/中国消防协会科学技术年会论文集,2019.7 GB 50016-2014,建筑设计防火规范S.8 GB 51428-2021,煤化工工程设计防火标准S.9 GB 51427-2021,自动跟踪定位射流灭火系统技术标准S.10 陈学军,杨永明.消防水炮射流运动轨迹模型与定位补偿方法J.工程设计学报,2016,23(6):558-563+611.Research on avoiding shelter of automatic fire monitor in largescale closed coal storage yardHu Chunguo,Xu Li(Dalian Port Design&Research Institute Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116006,China)Abstract:In the design of automatic fire monitor system in largescale closed coal storage yards,the automatic fire monitors arranged on the horse road are mainly affected by coal stacking and roof,and the design maximum protection radius is suppressed.But the relevant standards and literature lack corresponding countermeasures.Taking an example of a closed coal storage yard with 200,000 t of reserves in a certain place in Inner Mongolia,the influences of coal stacking and roof on the automatic fire monitors and countermeasures were studied.Firstly,the viewing angles of fire source detector in automatic fire monitor and jet trajectory characteristics were utilized to select the optimal layout area and height range of the automatic fire monitors in the direction of building width.Then,according to the maximum protection radius of the automatic fire monitor,determined the best position in the direction of building length.After that,the actual protective range of the automatic fire monitors was reviewed with the jet trajectory sprayed at an angle of 0.Finally,the influences of coal stacking and roof on the automatic fire monitors were eliminated.Key words:automatic fire monitor;closed coal storage yard;coal stacking;roof;shelter作者简介：胡纯国（1982-），男，湖北洪湖人，大连港口设计研究院有限公司给排水主任工程师，注册公用设备工程师（给水排水），高级工程师，硕士，主要从事水运及散物料输送等行业给水排水设计研究，辽宁省大连市中山区港湾街 1号，116006。收稿日期：2023-04-08（责任编辑：董 里）1427