目前, 在国内一些电力、焦化工及港口等领域的煤炭储运作业中, 露天储煤作为最主要的储煤方式被普遍采用, 但是在煤炭存储的环节中, 受煤炭特性影响, 会产生扬尘, 对煤堆场所处区域的大气形成污染, 对环境影响较大。党的十九大报告中提出中国特色社会主义进入新时代, 牢牢树立和践行绿水青山就是金山银山的发展理念, 坚持推进绿色发展, 着力解决突出的环境问题, 持续实施大气污染防治行动, 打赢蓝天保卫战。在此背景下, 积极研究如何在既有专业化煤炭堆场上提升环保措施, 探索如何在节约成本的条件下, 降低改造工作对现有生产设施和环境的影响, 减少污染等方面具有划时代的意义。

河北邢台兴泰发电有限公司1#、2#煤场封闭工程项目, 设计采用充气膜结构对原大型煤堆场进行封闭改造。这种结构有跨度大, 施工快, 对生产影响较小的优点, 本文以此工程设计为例, 将相关经验和技术与同行分享。

充气膜结构是近代兴起的一种新兴封闭结构, 起源与1937年的美国, 最初的尝试在军用设施, 现在经过近百年的发展, 气膜结构已经普遍应用于民生、农业、工业等各个领域。大跨膜结构在国内外已有许多成功的实例, 国外有著名的美国伊阿华大学体育馆 (141.8 m×141.8 m, 1976年建成) , 弗罗里达大学多功能体育馆 (136 m×130 m, 1980年建成) , 日本东京体育馆 (直径约为200 m的充气膜圆屋顶) 等[1]。国内有神华集团巴彦淖尔气膜煤仓、济南奥体中心网球馆 (2012年建成) 、北京顺义国际学校体育馆 (2012年建成) 等。

充气膜结构是靠内外气压差来支撑整个气膜结构受力的建筑, 内部没有任何框架或梁柱支撑, 没有受弯、受扭和受压的构件, 满足大跨度要求。充气膜材是以高强纤维织物为基布并附有防紫外线、防老化等不同聚合物的表面涂层, 具有一定载荷能力的建筑纺织品。目前国内的膜材有以下几种:

1) G类膜材, 即在玻璃纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层的涂层织物;

2) P类膜材, 即在聚酯纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层并附加面层的涂层织物;

3) E类膜材, 即由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的ETFE薄膜。

膜结构根据所处环境和使用年限、膜结构承受的荷载及建筑物防火要求选用不同类别的膜材[2]。

充气膜外利用高强度、防老化、防锈处理的PE钢索网结构将膜面绷紧, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。

河北兴泰发电有限责任公司煤场全封闭工程项目, 是对原有1号、2号煤场进行改造。

1号、2号煤场主要设备为1台DQL1 200/800·30型悬臂式斗轮堆取料机, 斗轮机回转半径为30 m, 堆料出力为1 200 t/h、取料出力为800 t/h。1号、2号煤场分别布置在斗轮堆取料机基础的两侧, 煤场长230 m, 宽40 m, 堆高12.0 m, 储煤量约15万t。

堆场封闭后充气膜设置3个汽车通道进出大门、4个人员进出气密门、4个消防应急密闭门, 2个皮带机密闭装置室。结构形式采用单层充气膜加钢网索形式, 充气膜外表尺寸约为长230 m×宽94 m×高约31 m。封闭煤场总面积约为21 913 m2。图1为充气膜外观。

全封闭充气膜结构有以下几部分组成:

1) 气膜及土建系统;

2) 智能控制系统;

3) 消防系统;

4) 送风加压系统;

5) 降尘排放系统;

6) 电气系统等。

由于在堆场西北角有已建构筑物, 无法进出车辆, 因此充气膜平面方案设计了三个汽车通道, 汽车通道满足运煤车、维修车及消防车的进出要求。为了防止漏气, 汽车通道及人员出入口均采用双层门禁, 即先开启外层门, 等人员或车辆进入中间停滞区后, 外层门关闭, 内层门开启, 人员和车辆进入气膜内部后, 内层门关闭。充气膜设置的3个汽车通道进出大门、4个人员进出气密门、4个消防应急密闭门均可满足人员进出。为了保证斗轮机、皮带机等设备正常运行, 在皮带机与充气膜交接处专门设计了2个皮带机密闭装置室。为满足新增的控制系统和工艺设备的使用, 在充气膜外部新建了配电室、控制室和电缆沟。充气膜上的雨水排放系统新建了排水沟和沉淀水池。

综合兴泰发电有限公司1#、2#煤炭堆场周边建筑物、铁路、道路等现状, 原煤炭堆场四周为2 m高左右挡煤墙, 由于挡煤墙建设年代久远, 出现了混凝土酥落和钢筋裸露现象, 且原设计时挡煤墙混凝土强度较低, 经过鉴定后, 挡煤墙已不能满足气膜基础加固方案的要求, 因此对原挡煤墙进行拆除, 新建充气膜结构基础。充气膜结构受风荷载影响较大, 基础受力主要是索膜上拔力和水平力, 根据气膜受力形式及地质勘查报告情况选用悬臂式挡墙扩展基础。

由于煤炭堆场污染较为严重, 膜材选用方面采用耐脏的膜材, 膜材性能满足《建筑材料及制品燃烧性能分级》 (GB 8624-2012) 燃烧性能B1级, 膜材厚度约为1.2 mm, 拉伸强度7 500/7 000 N/5 cm, 双面涂层, 抗UV, 防霉抗菌。膜材质保年限为20年, 寿命30年以上。此项目由于充气膜跨度较大、高度较高, 气膜外表面采用高强度、防老化、防锈处理的PE索, 气膜表面PE索网为斜向交叉布置, 在荷载作用下使膜材受力均匀, 增加了充气膜整体刚度, 避免在极端气象条件下充气膜出现较大变形晃动[3]。

智能控制系统是整个充气膜设施的核心、大脑, 控制着气膜所有设备的运行。智能控制系统实时收集室内外各种传感器的数据 (如充气膜内部气压、煤炭粉尘浓度, 有毒气体浓度等) , 实时将数据传回智能化机电控制系统, 系统根据采集到数据自行分析控制通风换气设备。如果充气膜内部煤场长时间存煤, 在充气膜内部的会产生一定量的可燃气体或有毒气体, 感应器将空气质量相关数据传输到控制系统, 一旦空气感应装置探测到气体浓度接近危险阀值时, 自动监测系统会根据检测数据及时报警, 并自动开启定区域强排风换气模式, 使气膜内部的气体置换排除, 降低可燃或有毒气体浓度, 从而在全封闭状态下杜绝产生爆炸的危险。

智能控制系统设有自动、半自动和手动3种运行方式, 在控制系统故障情况下, 可以人工转换成手动运行模式运行, 小故障能实现网上远程排除功能, 智能控制系统实现了通过网上下载数据, 实现24小时无人监控, 全自动运转, 亦可远程操作监控, 保证安全生产。

气膜膜材采用B1难燃级防火材料, 充气膜结构四周共有3个汽车通道, 4个人员进出门、4个消防应急疏散门, 充气膜内部的煤场四周合理布置消防通道。在遇到火灾情况下, 确保室内人员可以在3分钟内全部撤离。汽车通道和煤场四周的消防通道均能满足消防车辆的进出要求, 消除消防死角。煤垛和煤垛之间设置防火隔离带。

在气膜内部设置有消防系统, 包括消防炮和消火栓。消防炮为电控一体化设备, 自带电控阀门等附属设施。电控消防水炮启动方式包括就地手动控制、无线遥控器控制和远程操作。当火灾发生时, 开启电控阀进行灭火, 消防炮的设计满足任何着火点均可保证有2个消防水炮所覆盖。消防水炮及阀门均为防爆产品。

在充气膜内部专门设计了排烟系统, 包括烟感探测器、气膜顶部排烟带和气膜外水膜喷淋除尘装置。烟感探测器与控制系统连接, 当有火灾发生时, 烟雾通过排烟装置管道引致地面水膜喷淋除尘装置处理后排放[4,5], 如图2。

风机系统是气膜设施的核心之一, 包括风机、定向吹风调节器, 过滤设备等组成。维持室内气压智能控制系统通过变频控制风机运行, 往气膜内充气加压, 保持气膜内外的正压比, 一般维持在200~300 Pa之间, 由于气密门缝隙、汽车通道缝隙、人员进出开门、汽车进出开门等均会有一定的泄漏, 由智能控制系统根据安装在室外多个风速、气压等感应仪传输的信号自动感应调整。风机系统留有一部分备用量, 在初始吹气过程中全部开启, 在运营期间部分开启。如有风机设备不正常, 智能控制系统会检测到并马上启动备用设备运行的功能, 并进行声光报警, 不得影响充气膜的安全。

在充气膜内部生产运作时, 尤其是斗轮机堆取料期间, 会产生一定量的煤灰粉尘, 影响视线及内部作业人员的健康、安全, 此时需要开启喷雾降尘系统。

喷雾除尘系统包裹喷雾除尘装置、粉尘排烟带及气膜外水膜喷淋除尘装置。喷雾除尘装置一般为喷枪和雾炮。本工程采用喷枪作为主要喷雾除尘装置。整套喷雾系统能使堆场区的任一部位保证1台喷枪水流到达, 同时搭配使用洒水车或雾炮为煤堆场降尘。喷枪及阀门均为防爆产品。粉尘排烟带及气膜外水膜喷淋除尘装置同消防系统一样, 当煤灰粉尘通过气膜顶部的粉尘烟雾带引致地面水膜喷淋除尘装置处理后排放。

新增煤堆场消防炮电源及阀门电源等低压工艺设备, 需在新建控制室和配电室。控制配电室里留有一台备用发电机, 具备ATS切换开关, 实现发电机组与市电切换, 停电时机组自动启动切换到发电机工作, 市电恢复正常发电机自动停机处于待命状态。用电负荷为三级负荷, 电源接自就近低压配电室, 管线经室外检修井埋地引来。气膜内部采用防爆照明灯。

气膜设置防直击雷及防雷电波侵入系统.。用铜线在气膜顶部明敷设避雷带作接闪器, 接闪网在整个屋面组成不大于10 m×10 m避雷网格, 接闪网与基础避雷预埋接地件连接, 传到地下。接地装置为利用悬臂式挡墙基础两层主筋通长连接做接地网。金属构件, 如金属杆、金属通风管、屋顶风机等均应与防雷装置焊接连通以防直击雷。

1) 大跨度、大空间:充气膜由空气压力支撑膜面, 内部没有任何框架或梁柱支撑, 没有受弯、受扭和受压的构件, 满足大跨度要求。

2) 施工方便:基础施工为一个多月, 在此期间, 上部膜材、设备在厂家预制完成。膜材设备在现场安装时间较短, 大大缩短煤场封闭的改造工期, 提升改造效果, 降低对生产的影响。

3) 气密性好:全密闭空间, 煤灰不会扩散, 环保效果好。

4) 造价低廉:比传统钢结构大棚、筒仓等造价低, 节约投资。

1) 环保效果显著。充气膜吹起完成后, 煤堆场处于封闭密封状态, 由煤堆场作业产生的粉尘封闭在密闭空间内, 基本不会逸散到室外空间中去, 实现了环保部门一直渴盼的全封闭煤堆场环保目标。

2) 运营效果良好。煤堆场内安装粉尘、可燃气体监测器及火灾监测器等监测设备, 当粉尘污染物超标时, 进行水雾降尘, 降低空气污染物浓度, 保持良好的工作环境, 当可燃气体超标时, 自动开启通风装置进行换风, 避免了密闭空间作业可能产生的粉尘爆炸风险。目前充气膜运行良好。

3) 造型优美, 富有时代气息。充气膜具有独有的建筑外形, 上百米的巨型白色圆润外形结构让人们在几公里外都可以看到, 形成地标型建筑。

在港口行业, 电力行业, 水泥行业、煤焦化行业, 已经建成了很多大型露天煤炭堆场, 随着环保意识不断增强, 这些煤炭堆场在不同程度上均存在环保改造的需求。由于充气膜结构的建造成本较低, 对生产影响较小的优势, 将来在大型露天煤炭堆场封闭改造项目上会有广阔的应用前景。