氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)在發(fā)電廠的應(yīng)用

浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 李志軍

2018年6月國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》（國(guó)發(fā)（2018）22號(hào)文），通知要求“強(qiáng)化工業(yè)企業(yè)無組織排放管控。開展火電等重點(diǎn)行業(yè)及燃煤鍋爐無組織排放排查，建立管理臺(tái)賬，對(duì)物料（含廢渣）運(yùn)輸、裝卸、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和工藝過程等無組織排放實(shí)施深度治理，長(zhǎng)三角地區(qū)2019年底前完成”。

2016年4月浙江省發(fā)布了《浙江省燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)環(huán)境準(zhǔn)入指導(dǎo)意見（試行）》，提出加強(qiáng)對(duì)揚(yáng)塵的控制，應(yīng)采用封閉煤場(chǎng)，鼓勵(lì)采用全封閉式煤倉。2018年9月浙江省發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB33/2147-2018），要求儲(chǔ)煤場(chǎng)應(yīng)采用封閉、半封閉料場(chǎng)（倉、庫、棚）。半封閉料場(chǎng)應(yīng)至少兩面有圍墻（圍擋）及屋頂，并對(duì)物料采取覆蓋、噴淋（霧）等抑塵措施。新建燃煤電廠自2018年11月1日起執(zhí)行，現(xiàn)有燃煤電廠自2020年7月1日?qǐng)?zhí)行。浙江省自2018年開始對(duì)現(xiàn)有燃煤電廠的敞開式儲(chǔ)煤場(chǎng)進(jìn)行封閉改造。

1 浙江省主要燃煤電廠

浙江省主要燃煤電廠裝機(jī)容量（MW）和煤場(chǎng)情況如下：

浙能嘉興電廠2×300+4×600+2×1000、7個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能長(zhǎng)興電廠4×300、2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，華能長(zhǎng)興電廠2×660、48個(gè)蜂窩倉，浙能紹興濱海熱電廠2×300+4×50、2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，北侖電廠5×600+2×1000、7個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能鎮(zhèn)海電廠2×660、1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，國(guó)能寧海電廠4×600+2×1000、4個(gè)圓形煤場(chǎng)，大唐烏沙山電廠4×600、3個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能臺(tái)州第二電廠2×1000、2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)。

浙能臺(tái)州電廠2×330+2×300、3個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，華能玉環(huán)電廠4×1000、4個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能樂清電廠4×600、3個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能溫州電廠4×330+2×660、2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，華潤(rùn)蒼南電廠2×1000、2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，國(guó)能舟山電廠1×300+1×350、1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)，浙能六橫電廠2×1000、利用煤炭中轉(zhuǎn)基地，浙能蘭溪電廠4×600、3個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)。

采用氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)電廠的煤場(chǎng)情況、風(fēng)壓（kN/m2）/雪壓（kN/m2）、供貨商分別如下：

浙能嘉興電廠5個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.60/0.35、柏蘭達(dá)；浙能長(zhǎng)興電廠1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.50/0.35、柏蘭達(dá)；浙能紹興濱海熱電廠2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.45/0.40、柏蘭達(dá)；北侖電廠2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.65/0.35、柏蘭達(dá)；浙能鎮(zhèn)海電廠1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.81/0.35、柏蘭達(dá)；浙能臺(tái)州第二電廠1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、1.10/0.35、今盛杰；浙能臺(tái)州電廠2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.75/0.35、柏蘭達(dá)；浙能樂清電廠2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.80/0.35、雪迪龍；浙能溫州電廠1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.75/0.35、柏蘭達(dá)；華潤(rùn)蒼南電廠1個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、1.20/0.30、柏蘭達(dá)；浙能蘭溪電廠2個(gè)斗輪機(jī)條形煤場(chǎng)、0.35/0.55、柏蘭達(dá)。

2 氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)技術(shù)特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)20世紀(jì)60年代起源于加拿大，在國(guó)外已經(jīng)有60余年的成功應(yīng)用。主要用于世界各國(guó)的環(huán)保、體育、娛樂、軍事、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域，如體育場(chǎng)館、商業(yè)綜合體、停車場(chǎng)、儲(chǔ)料場(chǎng)等。繼北京的鳥巢和水立方使用膜結(jié)構(gòu)之后，膜結(jié)構(gòu)建筑快速地被中國(guó)的建筑市場(chǎng)所認(rèn)識(shí)和接受。目前膜結(jié)構(gòu)建筑物在國(guó)內(nèi)已有三四百座，主要應(yīng)用于大型體育場(chǎng)館、大跨度展覽中心等，近年逐漸應(yīng)用于煤炭能源、焦化、水泥等行業(yè)料場(chǎng)封閉項(xiàng)目。

膜結(jié)構(gòu)分氣承膜、骨架膜、張拉膜等型式，用于儲(chǔ)煤場(chǎng)的一般是氣承膜結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度聚酯纖維布作為基材，表面覆以PVC、PVDF 等涂料，具有耐腐蝕、防紫外線、防老化、難燃、透光、自清潔等良好的物理性能。氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)是基于PVDF 膜（聚偏二氟乙烯膜）外置斜向鋼絲繩網(wǎng)索受力的內(nèi)部充氣承壓的封閉型儲(chǔ)煤場(chǎng)。用膜材料錨固在煤場(chǎng)周圍鋼筋混凝土圍墻頂部預(yù)埋螺栓上，形成相對(duì)封閉空間（圖1）。

圖1 充氣膜結(jié)構(gòu)原理示意圖

為滿足日常生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)檢修等進(jìn)出煤場(chǎng)需要，氣膜煤場(chǎng)設(shè)置汽車進(jìn)出通道、人員進(jìn)出的旋轉(zhuǎn)門以及緊急狀態(tài)下人員逃離的應(yīng)急門等。每個(gè)汽車通道為兩端各設(shè)一道密封門，內(nèi)部空間滿足停放整車。煤場(chǎng)周圍設(shè)鋼筋混凝土封閉圍墻作為固定氣膜的基礎(chǔ)，圍墻頂部預(yù)埋固定氣膜及斜向鋼絲繩網(wǎng)索用的預(yù)埋螺栓。混凝土圍墻上布置多套進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)閥、泄壓閥，氣膜頂部設(shè)若干個(gè)常開排風(fēng)口，用于煤場(chǎng)內(nèi)部的充氣、換氣、泄壓、排氣，調(diào)控煤場(chǎng)內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量。

依靠風(fēng)機(jī)的連續(xù)進(jìn)風(fēng)，內(nèi)部形成穩(wěn)定的氣壓以支撐氣膜膨脹狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，通過對(duì)風(fēng)機(jī)及排風(fēng)閥的調(diào)控，使氣膜內(nèi)、外壓差時(shí)刻維持在正壓250～600Pa 的相對(duì)穩(wěn)定的范圍。如內(nèi)部聚集有瓦斯氣體，可通過氣膜頂部的常開排風(fēng)孔排至室外。煤場(chǎng)內(nèi)設(shè)置多套射霧器來抑制揚(yáng)塵，利用煤塵監(jiān)控裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來控制風(fēng)機(jī)、排風(fēng)口的通風(fēng)量，降低氣膜內(nèi)部粉塵濃度。

照明采用防爆型LED 燈，安裝在煤場(chǎng)四周圍墻上部。設(shè)光控系統(tǒng)，只在夜間或自然采光不足時(shí)開啟。利用氣膜外部的鋼網(wǎng)索與鋁扣件相連接組成避雷網(wǎng)，避雷器與氣膜頂部網(wǎng)索系統(tǒng)卡扣相連接，鋼網(wǎng)索系統(tǒng)底部與全廠接地網(wǎng)連接。氣膜煤場(chǎng)配有消防炮滅火系統(tǒng)。在圍墻內(nèi)側(cè)及斗輪機(jī)基礎(chǔ)兩側(cè)設(shè)電動(dòng)消防水炮，消防炮低位布置。氣膜煤場(chǎng)設(shè)置智能控制系統(tǒng)，內(nèi)含模塊控制、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)控、壓力調(diào)控、有害氣體監(jiān)控、氧氣含量監(jiān)控、粉塵濃度監(jiān)控、溫度濕度監(jiān)控、新風(fēng)循環(huán)監(jiān)控等。氣膜煤場(chǎng)消控室將與全廠消控中心聯(lián)動(dòng)。

氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)主要特點(diǎn)如下：環(huán)保。氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)，更符合現(xiàn)行環(huán)保要求；占地面積。因沿圍墻布置了照明、監(jiān)測(cè)儀等設(shè)施，需要維護(hù)的通道，煤場(chǎng)總寬度增加，占地略大；采光照明。氣膜的漫反射燈光較均勻、無陰影，但光照強(qiáng)度相對(duì)較弱。光源面朝上容易積塵，需要經(jīng)常清理；通風(fēng)。通過進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)閥、泄壓閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部空氣質(zhì)量，維持內(nèi)、外壓差；電源。需要保安電源確保緊急情況下進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。；土建基礎(chǔ)。氣膜結(jié)構(gòu)對(duì)土建基礎(chǔ)的側(cè)向位移和沉降不敏感，基礎(chǔ)簡(jiǎn)單；使用壽命。膜材的壽命15～20年，鋼索～30年；建設(shè)工期。氣承膜結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)建設(shè)工期較鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)短，一般一個(gè)煤場(chǎng)建設(shè)工期～7個(gè)月；投資。根據(jù)上述項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，以投影面積計(jì)算，EPC 價(jià)格為1094～1994元/m2。

以某電廠為例，該電廠煤場(chǎng)為長(zhǎng)310m、寬120m、高43m，面積37200m2，共設(shè)置4個(gè)汽車通道、2個(gè)旋轉(zhuǎn)門、8個(gè)應(yīng)急門。堆煤區(qū)總寬度為109m，總長(zhǎng)300m，分四個(gè)煤堆，最大儲(chǔ)煤量為16萬噸。在煤場(chǎng)兩側(cè)混凝土圍墻上布置22套軸流進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和18套排風(fēng)閥（帶濾網(wǎng)）、2套泄壓閥，氣膜頂部設(shè)若干個(gè)直徑20mm 的常開排風(fēng)孔，煤場(chǎng)兩側(cè)設(shè)6套射霧器。煤場(chǎng)內(nèi)設(shè)10套粉塵監(jiān)測(cè)儀、12套一氧化碳監(jiān)測(cè)儀、12套瓦斯監(jiān)測(cè)儀、2套溫濕度監(jiān)測(cè)儀，煤場(chǎng)外設(shè)1套風(fēng)速儀，煤場(chǎng)內(nèi)設(shè)28套PSKD30型電控消防炮和圖像火災(zāi)探測(cè)器。

3 氣承膜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)-載荷分析

膜結(jié)構(gòu)的控制載荷通常是風(fēng)載、雪載，在載荷作用下膜結(jié)構(gòu)的變形較大，因此精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布要用幾何非線性方法進(jìn)行。根據(jù)不同工況下計(jì)算出索、膜等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的內(nèi)力分布的最不利情況，來選定索、膜等材料的型號(hào)及尺寸，確定詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)做法及構(gòu)造措施等。新建氣膜結(jié)構(gòu)煤場(chǎng)地處沿海，風(fēng)力較大，臺(tái)風(fēng)季節(jié)有可能達(dá)到16級(jí)以上，抵抗臺(tái)風(fēng)主要是靠增加氣膜內(nèi)部壓力來實(shí)現(xiàn)的（氣膜最大承受壓力為500Pa），氣膜能否抵御16級(jí)以上颶風(fēng)，需要數(shù)模計(jì)算提供有力支撐。因此經(jīng)濟(jì)安全的索膜建筑必須經(jīng)過仔細(xì)的內(nèi)力分析后才能完成。

載荷分析的另一個(gè)目的是檢驗(yàn)確定索、膜中初始預(yù)張應(yīng)力，一般先在找形分析時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)一個(gè)預(yù)應(yīng)力值及其分布，然后經(jīng)載荷分析來判斷其合理性，即預(yù)應(yīng)力的大小與分布應(yīng)使在最不利工況下仍必須滿足使用要求、整體和局部位移等要求。

由于我國(guó)沒有氣承膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，本工程的計(jì)算采用基于美國(guó)規(guī)范《空氣支承建筑》ASCE 17-96編寫的公司自有設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)采用德國(guó)膜結(jié)構(gòu)分析軟件EASY 和同濟(jì)大學(xué)3D3S 進(jìn)行復(fù)核。取一工況計(jì)算如下：

荷載取值說明：氣膜建筑平面規(guī)格（長(zhǎng)×寬×膜體高度）310×120×40m。按50年一遇荷載取值，基本風(fēng)壓0.81kN/m2(風(fēng)速36m/s)，基本雪壓0.30kN/m2。地面粗糙度分類取B 類，考慮風(fēng)振系數(shù)為1.3，結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)為1.0，不考慮地震作用。氣膜結(jié)構(gòu)的正常使用內(nèi)壓250～300Pa，抵抗最大風(fēng)荷載時(shí)內(nèi)壓600Pa。膜體內(nèi)部無懸掛物。

充氣膜的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖3 風(fēng)荷載作用下膜面應(yīng)力設(shè)計(jì)值

沿海地區(qū)不考慮雪載，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)荷載工況和組合情況下的計(jì)算，荷載組合條件為：①內(nèi)壓+風(fēng)、②1.2＊內(nèi)壓+1.4＊風(fēng)，其中工況①用于計(jì)算變形和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，②用于上部充氣膜和索的設(shè)計(jì)。經(jīng)比較，組合1為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制荷載，以下為組合結(jié)果。

圖4 風(fēng)荷載作用下膜面應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）

圖5 風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的x 方向位移（mm）

圖6 風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的y 方向位移（mm）

圖7 風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的Z 方向位移（mm）

分析結(jié)果：通過位移分析可見，風(fēng)荷載為控制荷載，在橫向風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的X 方向位移為0.7m，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)端部；Y 向位移為3.9m，發(fā)生在背風(fēng)面處；Z 向位移頂部最大，約為3.6m。至于膜面應(yīng)力，風(fēng)載下最大膜面應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為99.0kN/m，設(shè)計(jì)值為143.kN/m。每5cm 膜材上的最大拉力為143.0×50=7150N。

4 結(jié)論和建議

氣膜煤場(chǎng)作為一種新型全封閉結(jié)構(gòu)煤場(chǎng)，具有環(huán)保性好、初投資低、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。東南沿海臺(tái)風(fēng)季節(jié)風(fēng)力較大，有可能達(dá)到16級(jí)以上，抵抗臺(tái)風(fēng)主要是靠增加氣膜內(nèi)外壓差來實(shí)現(xiàn)。2021年第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”途經(jīng)嘉興電廠，最大風(fēng)速30m/s（11級(jí)），氣膜內(nèi)外壓差增加至550Pa。能否抵御16級(jí)以上颶風(fēng)，有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

煤場(chǎng)內(nèi)部為微正壓，強(qiáng)制通風(fēng)，內(nèi)部空氣流動(dòng)性較差。特別在推煤機(jī)作業(yè)、斗輪機(jī)堆取料作業(yè)、煤產(chǎn)生自燃以及堆放高揮發(fā)性煤種時(shí)，產(chǎn)生的煙塵和有毒有害氣體擴(kuò)散慢，會(huì)造成抑塵裝置運(yùn)行頻繁，煤場(chǎng)內(nèi)部濕度大、雨季更甚。同時(shí)煤場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，不利于煤場(chǎng)工作人員的運(yùn)行和維護(hù)。要改善這種不利工況，需合理布置排風(fēng)口和通風(fēng)機(jī)，宜進(jìn)行相應(yīng)的流場(chǎng)研究，減少通風(fēng)死角。氣膜煤場(chǎng)密閉性好，運(yùn)行中需加強(qiáng)可燃?xì)怏w、有毒有害氣體和粉塵濃度的監(jiān)測(cè)、堆煤溫度監(jiān)測(cè)和堆煤的翻場(chǎng)取用、煤場(chǎng)內(nèi)部死角積粉清理，避免堆煤和積粉自燃。