Wentylacja budynków kotłowni przemysłowych

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

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]

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 40-50^oC. 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 350^oC.

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

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