Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Wentylacja budynków kotłowni przemysłowych

30.09.2015

W kotłowniach przemysłowych nie ma potrzeby stosowa­nia mechanicznych instalacji oddymiających, ponieważ naturalny ciąg termiczny gwarantuje skuteczne odprowadzanie dymu.

Budynki, w których znajdują się kotły przemysłowe najwięk­szych elektrowni i elektrocie­płowni, systemy dostarczania paliwa i powietrza oraz odprowadzania spa­lin i popiołu, a także urządzenia do wyprowadzania energii elektrycznej, nazywane są kotłowniami przemy­słowymi. Różnią się od innych rodza­jów obiektów przemysłowych przede wszystkim znaczną wysokością i bra­kiem podziału na kondygnacje. Spra­wia to, że niecelowe jest stosowanie w nich klasycznego systemu oddymia­nia, zapewniającego utrzymanie war­stwy dymu wystarczająco wysoko, aby całkowicie zabezpieczyć przed za­dymieniem najwyższe poziomy pode­stów technicznych i urządzeń. Rzadko zatem projektuje się w nich systemy przeznaczone specjalnie do tworzenia obszarów wolnych od dymu, mając na uwadze także fakt, że znaczna kuba­tura obiektu powoduje w pierwszej fazie pożaru duże rozrzedzenie dymu i brak zagrożenia dla ewakuującego się personelu. Jednakże gdyby normalny system wentylacyjny nie usuwał dymu z wystarczającą wydajnością, mogło­by dojść do całkowitego zadymienia obiektu, utrudnienia ewakuacji ludzi z budynku i ograniczenia dostępu do źródła pożaru dla ekip gaśniczych.

Ponadto nieodprowadzanie dymu i cie­pła prowadziłoby w krótkim czasie do niebezpiecznego wzrostu temperatu­ry w górnej części budynku, a w naj­gorszym przypadku - nawet do zawa­lenia się konstrukcji dachowej. Oddymianie kotłowni przemysłowych stosowane w celu ochrony znajdują­cych się tam urządzeń ma za zadanie jak najszybciej usunąć dym, aby na skutek zbyt wysokiej temperatury nie doszło do ich uszkodzenia. W Polsce w kotłowniach i maszynowniach elek­trowni nierzadko się praktykuje (podobnie jak w przypadku innych obiektów przemysłowych i magazynowych) okre­ślanie wymaganej powierzchni czynnej klap dymowych proporcjonalnie do po­wierzchni przestrzeni poddachowej, na podstawie normy PN-B-02877-4 [1]. Wiedząc jednak, że rzeczywista ilość dymu i ciepła powstającego w czasie pożaru nie jest uzależniona od po­wierzchni obiektu, lecz jedynie od wiel­kości pożaru i wysokości dolnej granicy warstwy dymu, projektowania takie­go nie można uznać za prawidłowe. W przypadku bloków energetycznych problem oddymiania należy odrębnie rozważać dla maszynowni i kotłowni, przy czym mogą być one ze sobą po­łączone lub być niezależne, wydzielo­ne przegrodami o odpowiedniej klasie odporności ogniowej (rys. 1).

 

Rys. 1 Schemat budynku bloku energetycz­nego

 

Zakładając, że przestrzenie maszynow­ni i kotłowni są od siebie oddzielone, systemy ich oddymiania w warunkach pożaru można traktować niezależnie. W obydwu przypadkach najwłaściwsze jest oddymianie grawitacyjne, z zasto­sowaniem powierzchni czynnej otwo­rów zapewniającej odprowadzenie takich ilości dymu i ciepła, jakie mogą powstać podczas pożaru. Zalecenie to wynika z faktu, że podczas normalnej eksploatacji wydzielana jest tam bar­dzo duża ilość ciepła (od kilku do kil­kunastu MW), pochodzącego z urzą­dzeń technologicznych (kotła, turbin, generatorów itp.). Wydzielające się ciepło wytwarza naturalny ciąg ter­miczny w kierunku stropu. Zapewnia to w przypadku wystąpienia pożaru, nawet o niewielkiej mocy, unoszenie dymu ku górze i wyprowadzanie go na zewnątrz otworami wentylacyjnymi. Nie ma zatem charakterystycznego dla tak wysokich przestrzeni zagro­żenia zatrzymania się dymu wskutek wychłodzenia. Ogólną zasadę działania oraz projektowania wentylacji grawita­cyjnej przedstawiono w dalszej części tekstu.

 

Tab. 1 Położenie płaszczyzny neutralnej w zależności od mocy źródła ciepła [3]

Wysokość pomieszczenia [m]

Moc źródła ciepła [kW]

Wysokość płaszczyzny neutralnej ponad posadzką [m]

100

150 000

41

100

70 000

45

100

15 000

50

60

150 000

25

60

70 000

31

60

15 000

30

 

 

Wentylacja grawitacyjna

Wentylacja grawitacyjna jest oparta na zasadzie tworzenia się w budynku różnicy ciśnień między wlotem i wy­lotem powietrza (wraz z dymem). Różnica ta wynika z naturalnej siły wyporu w budynku, spowodowanej przez różnice gęstości między powie­trzem wewnątrz niego a powietrzem zewnętrznym oraz prądów powietrza generowanych przez lokalne źró­dła ciepła. Dodatkowy wpływ może mieć wiatr, który najczęściej wzma­ga przepływ grawitacyjny w budynku. Podstawową zasadą projektowania wentylacji grawitacyjnej jest prawi­dłowe rozmieszczenie otworów od­prowadzających ciepło (i dym) oraz doprowadzających powietrze uzupełniające. W wyniku przemieszczania się ciepłego powietrza do górnych części pomieszczenia przy posadzce powstaje podciśnienie w stosunku do otoczenia, natomiast pod stropem - nadciśnienie. Na pewnej wysokości występuje zrównanie ciśnienia w po­mieszczeniu z ciśnieniem otoczenia. Wysokość tę określa się mianem płaszczyzny neutralnej, a jej położenie zależy od wysokości pomieszczenia oraz lokalizacji i wielkości źródła cie­pła. Otwory wentylacyjne zlokalizowa­ne na tej wysokości nie są skuteczne. Powyżej płaszczyzny neutralnej, gdzie wewnętrzne ciśnienie jest wyższe niż ciśnienie zewnętrzne, powinny znaj­dować się otwory wentylacyjne wycią­gowe. Poniżej płaszczyzny neutralnej ciśnienie zewnętrzne jest wyższe niż ciśnienie wewnętrzne i dlatego należy lokalizować tam otwory napływu po­wietrza świeżego.

 

Rys. 2 Zasada działania wentylacji grawi­tacyjnej [2]

 

Przy projektowaniu naturalnych systemów wentylacyjnych konieczne jest zatem określenie przewidy­wanej wysokości płaszczyzny neu­tralnej i ustalenie różnicy ciśnienia niezbędnej do pokonania strat prze­pływu w otworach wlotowych i wy­lotowych. Lokalizację płaszczyzny neutralnej oraz zasadę działania wentylacji grawitacyjnej przedsta­wia rys. 2.

Położenie płaszczyzny neutral­nej w pomieszczeniu nie jest sta­łe i zmienia się wraz z wielkością źródła ciepła oraz jego lokalizacją. Przykładową wysokość płaszczyzny neutralnej w pomieszczeniach o wy­sokości 100 m i 60 m przedstawia tab. 1. Widoczne jest, że wraz ze wzrostem mocy źródła ciepła na­stępuje obniżenie wysokości płasz­czyzny neutralnej. Oznacza to, że otwory napływu powietrza do celów wentylacji bytowej, które nie są zlo­kalizowane w najniższej części po­mieszczenia, w przypadku wystąpie­nia pożaru mogą znaleźć się powyżej płaszczyzny neutralnej (która ze względu na wzrost ilości wytwarza­nego w pomieszczeniu ciepła ulega obniżeniu w stosunku do warunków normalnych) i nie spełniać prawidło­wo swojej funkcji.

 

Tab. 2 Wymagana wielkość otworów wentylacyjnych [3]

Moc źródła ciepła [kW]

Temperatura zewnętrzna

[oC]

Wymagana powierzchnia czynna otworów odprowadzających ciepło/ doprowadzających świeże powietrze [m2]

Temperatura pod stropem kotłowni

14 000 + 30

80

50oC

8 000

+ 30

50

5 000 + 30

30

14 000 - 20

11

8 000 - 20

6

5 000 - 20

4

 
 

Tab. 3 Moc pożaru, przy której nie nastąpi przekroczenie dopuszczalnej temperatury

Konwekcyjna część mocy pożaru [kW]

Temperatura zewnętrzna

[oC]

Wymagana powierzchnia czynna otworów odprowadza­jących ciepło/doprowadzają- cych świeże powietrze [m2]

Temperatura pod dachem kotłowni

530 000

+ 30

80

350oC

330 000

+ 30

50

200 000

+ 30

30

100 000

- 20

11

55 000

- 20

6

37 000

- 20

4

 

Istotną rolę w procesie wentyla­cji odgrywa także lokalizacja źródła ciepła w pomieszczeniu. Na rys. 3 przedstawiono przyrost ciśnienia w pomieszczeniu w zależności od lokalizacji źródła ciepła.
Widoczne jest, że najwyższy przyrost temperatury pod stropem pomieszcze­nia występuje w przypadku lokalizacji źródła ciepła (pożaru) na większej wyso­kości, jednak najwyższy przyrost ciśnie­nia występuje wtedy, gdy źródło ciepła jest na samym dole. Na tej podstawie można wyciągnąć wnioski odnośnie do scenariuszy, jakie powinny być rozważa­ne przy rozpatrywaniu kwestii oddymia­nia kotłowni i maszynowni. W analizach związanych z oceną oddziaływania pożaru na konstrukcję budynku pod uwagę powinien być brany pożar zlokalizowany w najwyższej części, w której występu­ją materiały palne, natomiast w anali­zach związanych z ilością powstającego dymu oraz przewidywanym przyrostem ciśnienia, mogącym wpływać na zagro­żenie zadymieniem klatek schodowych - pożar na posadzce. Szczegółowe wy­tyczne w zakresie oceny możliwości od­dymiania kotłowni i maszynowni przed­stawiono w dalszej części tekstu.

 

Rys. 3 Przyrost ciśnienia i temperatury w pomieszczeniu w zależności od lokalizacji źródła ciepła (pożaru) [2]

 

Oddymianie kotłowni

W kotłowniach mamy do czynienia z sytuacją, w której podczas normal­nej eksploatacji wydzielana jest bardzo duża ilość ciepła (od kilku do kilkunastu MW), pochodzącego z kotła i wymaga­jąca ciągłego odprowadzania. W tym celu w dachach kotłowni (lub w górnych partiach ścian zewnętrznych) projek­towane są okna, klapy lub wywietrzaki, przez które odprowadzane jest ciepłe powietrze. W dolnej części konieczne jest zapewnienie odpowiedniego do­pływu powietrza chłodnego. Kryterium obliczeniowe, służące do wyznaczenia wymaganej powierzchni czynnej otwo­rów, stanowi temperatura pod stro­pem kotłowni, jaka jest dopuszczalna ze względu na występujące tam urzą­dzenia. Standardowo przyjmuje się ją 40-50oC. W tab. 2 przedstawiono obliczeniową powierzchnię czynną otwo­rów odprowadzających ciepło i dopro­wadzających powietrze uzupełniające w przykładowej kotłowni w zależności od ilości uwalnianego w niej ciepła oraz temperatury powietrza zewnętrznego. W przypadku pożaru możliwe jest wykorzystywanie do ochrony kotłow­ni tych samych urządzeń wentyla­cyjnych, które w warunkach normal­nych służą do jej wentylacji. Mamy wówczas do czynienia ze znacznie większym strumieniem ciepła wydzie­lającego się do otoczenia (wytwarza­nym przez pożar), jednocześnie pod stropem pomieszczenia dopuszczal­ne jest występowanie znacznie wyż­szej temperatury. Najczęściej jest to temperatura około 350oC, przy której nie występuje jeszcze zagroże­nie uszkodzenia stalowej konstrukcji dachu. W tab. 3 przedstawiono moc pożaru, przy której, z zachowaniem powierzchni czynnych otworów za­projektowanych dla celów bytowych w kotłowni o wysokości 100 m, nie nastąpi przekroczenie dopuszczalnej temperatury pod dachem 350oC.

 

Rys. 4 Położenie płaszczyzny neutralnej i rozkład ciśnienia w kotłowni w normalnych warunkach pracy

 

Opisane wyżej zjawiska zostały zobra­zowane za pomocą symulacji kompute­rowych CFD. Na rys. 4 widoczne jest położenie płaszczyzny neutralnej (kolor czarny) w kotłowni o wysokości 100 m, w której wydziela się 14 MW ciepła.

W przypadku wystąpienia w kotłow­ni, której dotyczy rys. 4, na pozio­mie posadzki pożaru o mocy 77 MW, płaszczyzna neutralna nieznacznie się obniża i jednocześnie znacząco wzra­sta różnica ciśnienia między górnym a dolnym poziomem kotłowni.

Największy przyrost ciśnienia pod stropem kotłowni mógłby wystąpić, gdyby otwory oddymiające pozosta­wały zamknięte. Byłoby to szczególnie niekorzystne ze względu na omó­wione dalej zagrożenie zadymienia klatek schodowych. Rozkład ciśnienia w kotłowni w przypadku wystąpienia pożaru i nieoddymiania przedstawia rys. 6.

Widoczny na rys. 3 i 4 gradient ciśnienia, który w przypadku nor­malnej pracy kotłowni wynosi około 50 Pa, a w przypadku pożaru może znacznie wzrosnąć (tutaj do 85 Pa), jest motorem wytwarzającym prze­pływ powietrza wentylacyjnego. Na rys. 7 pokazano rozkład prędkości powietrza w normalnych warunkach pracy kotłowni o powierzchni czyn­nej otworów napływu i odpływu po­wietrza 50 m2.

 

Rys. 5 Położenie płaszczyzny neutralnej i rozkład ciśnienia w kotłowni w przypadku wystąpienia pożaru przy otworach oddymiających o powierzchni czynnej 50 m2

 

Rys. 6 Położenie płaszczyzny neutralnej i rozkład ciśnienia w ko­tłowni w przypadku wystąpienia pożaru i braku oddymiania

 

Powstanie w kotłowni pożaru przy działaniu tych samych otworów wen­tylacyjnych, które służą do codzien­nej wentylacji kotłowni, powoduje pokazany na rys. 5 wzrost różnicy ciśnienia między poziomem dolnym i górnym, w konsekwencji zwiększa­jący prędkość i strumień masowy powietrza wentylacyjnego. W warun­kach pożaru zlokalizowanego na po­sadzce kotłowni prędkość powietrza na klapach oddymiających wrasta z około 3,5 do ponad 5,0 m/s, czyli o blisko 50% (rys. 8).

Z przedstawionych obserwacji wynika, że w kotłowniach do celów oddymiania wystarczające powinny być elementy wentylacyjne wykorzystywane w nor­malnym przewietrzaniu. Jednocześnie widoczne jest, że mimo znacznej wyso­kości obiektów nie jest konieczne stosowanie w nich systemów wentylacji mechanicznej, ponieważ występuje tam stały ciąg grawitacyjny, który nawet przy niewielkiej mocy pożaru spowo­duje odprowadzanie dymu w kierunku punktów wyciągowych i zapobiegnie po­wstaniu stratyfikacji. Jednocześnie ze wzrostem wydajności instalacji wen­tylacyjnej wrasta ilość odprowadza­nego przez nią ciepła. W konsekwencji mimo pojawienia się pożaru w budynku (w analizowanym przypadku 77 MW) temperatura pod stropem pomiesz­czenia nie wzrasta do wartości stwa­rzającej zagrożenie dla jego konstrukcji (rys. 9).

 

Rys. 7 Rozkład prędkości powietrza wentylacyjnego w kotłowni w normalnych warunkach pracy

 

Rys. 8 Rozkład prędkości powietrza wentyla­cyjnego w kotłowni w czasie pożaru

 

 jące do ich oddymiania w razie wystą­pienia pożaru. Bardzo ważne jest jed­nak, aby zagwarantować, żeby otwory napowietrzające i odprowadzające dym były otwarte. W przeciwnym razie może dojść do nadmiernego wzrostu tempe­ratury i ciśnienia w przestrzeni poddachowej, stwarzającego zagrożenie dla konstrukcji dachu oraz ochrony przed zadymieniem klatek schodowych (pylo­nów). W kotłowniach nie ma konieczno­ści stosowania mechanicznych instala­cji oddymiających, ponieważ naturalny ciąg termiczny wytwarzany w wyniku emisji ciepła z kotła gwarantuje sku­teczne odprowadzanie dymu nawet w przypadku pożaru o niewielkiej mocy. Dodatkowo olbrzymia kubatura tych obiektów zapewnia, że w przypadku niewielkiego pożaru rozrzedzenie dymu będzie tak duże, iż nie stworzy on za­grożenia dla osób mogących wówczas tam przebywać.
 

Rys. 9 Rozkład tempera­tury w kotłowni w przypadku pożaru

 

Podsumowanie

W większości przypadków systemy wentylacji stosowane w kotłowniach bloków energetycznych są wystarczające do ich oddymiania w razie wystą­pienia pożaru. Bardzo ważne jest jed­nak, aby zagwarantować, żeby otwory napowietrzające i odprowadzające dym były otwarte. W przeciwnym razie może dojść do nadmiernego wzrostu tempe­ratury i ciśnienia w przestrzeni poddachowej, stwarzającego zagrożenie dla konstrukcji dachu oraz ochrony przed zadymieniem klatek schodowych (pylo­nów). W kotłowniach nie ma konieczno­ści stosowania mechanicznych instala­cji oddymiających, ponieważ naturalny ciąg termiczny wytwarzany w wyniku emisji ciepła z kotła gwarantuje sku­teczne odprowadzanie dymu nawet w przypadku pożaru o niewielkiej mocy. Dodatkowo olbrzymia kubatura tych obiektów zapewnia, że w przypadku niewielkiego pożaru rozrzedzenie dymu będzie tak duże, iż nie stworzy on za­grożenia dla osób mogących wówczas tam przebywać.

 

Uwaga: W jednym z najbliższych numerów „IB" omówiony zostanie problem oddymiania maszynowni przemysłowych oraz zabezpie­czenia przed zadymieniem klatek schodowych (pylonów) w kotłowniach przemysłowych.
 

dr inż. Dorota Brzezińska

Politechnika Łódzka, WIPOS

 

Literatura

1. PN-B-02877-4:2001 Ochrona prze­ciwpożarowa budynków. Instalacje gra­witacyjne. Zasady projektowania do od­prowadzania dymu i ciepła.

2. E. Fiedler, „Naturaliche Beluftung von Industrlegebauden", BHKS-Almanach 2007.

3. Ventos - program wspomagający obli­czenia powierzchni czynnej w wentylacji grawitacyjnej.

4. PN-EN 12101-6:2007 Systemy kon­troli rozprzestrzeniania dymu i ciepła - Część 6: Wymagania techniczne do­tyczące systemów różnicowania ciśnień - Zestawy urządzeń.

5. D. Brzezińska, Wentylacja przemysło­wych bloków energetycznych, „Ochrona Przeciwpożarowa" nr 3/2014.

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube