Oddymianie kotłowni przemysłowych - wymagania prawne i rozwiązania techniczne

W  §16 rozporządzenia w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [1] występują bardzo istotne zapisy mówiące, że w sytuacji gdy występujące w budynku warunki techniczne nie zapewniają możliwości ewakuacji ludzi, istniejący budynek uznaje się za zagrażający ich życiu. Sytuacja taka bardzo często ma miejsce w budynkach kotłowni energetycznych, w których znajdują się pomieszczenia przeznaczone na pobyt ludzi i które klasyfikowane są jako budynki wysokie lub wysokościowe. Podstawą do stwierdzenia, że w budynku występują warunki techniczne, o których mowa powyżej, może być:

1) szerokość przejścia, dojścia lub wyjścia ewakuacyjnego albo biegu bądź spocznika klatki schodowej służącej ewakuacji, mniejsza o ponad jedną trzecią od określonej w przepisach techniczno-budowlanych;

2) długość przejścia lub dojścia ewakuacyjnego większa o ponad 100% od określonej w przepisach techniczno-budowlanych; (...)

4) niewydzielenie ewakuacyjnej klatki schodowej budynku wysokiego innego niż mieszkalny lub wysokościowego, w sposób określony w przepisach techniczno-budowlanych;

5) niezabezpieczenie przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych wymienionych w przepisach techniczno-budowlanych, w sposób w nich określonych;

6) brak wymaganego oświetlenia awaryjnego w odniesieniu do strefy pożarowej zakwalifikowanej do kategorii zagrożenia ludzi ZL I, ZL II lub ZL V albo na drodze ewakuacyjnej prowadzącej z tej strefy na zewnątrz budynku.

Rozporządzenie wprowadza wyjątek – powyższych kryteriów nie stosuje się w stosunku do budynków wzniesionych zgodnie z ustawą z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU nr 156/2006, poz. 1118, z późn. zm.) oraz aktami wykonawczymi wydanymi na podstawie tej ustawy (§ 45 rozporządzenia [1]).

Właściciel lub zarządca budynku, w którym stwierdzone zostały warunki zagrażające życiu ludzi, zobowiązany jest zastosować rozwiązania zapewniające spełnienie wymagań bezpieczeństwa pożarowego w sposób określony w przepisach techniczno-budowlanych. W szczególnych przypadkach możliwe jest zastosowanie tzw. rozwiązań zamiennych, zapewniających niepogorszenie warunków ochrony przeciwpożarowej.

Rozwiązania te podlegają uzgodnieniu z właściwym Komendantem Wojewódzkim PSP. W tym celu konieczne jest sporządzenie odpowiedniej ekspertyzy technicznej, która jest opracowywana przez rzeczoznawcę ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych i powinna proponować rozwiązania pozwalające co najmniej na przeprowadzenie bezpiecznej ewakuacji ludzi z budynku. Szczegóły wymagań dla ekspertyz technicznych opisane zostały w procedurach wydanych przez Komendę Główną PSP w 2009 r. [2].

Oddymianie kotłowni przemysłowych

Kotłownie przemysłowe różnią się od innych budynków przemysłowych przede wszystkim znacznie większą wysokością (sięgającą niejednokrotnie nawet ponad 100 m) i brakiem podziału na kondygnacje. Sprawia to, że nieefektywne jest stosowanie w nich klasycznego systemu oddymiania, zapewniającego utrzymanie warstwy dymu wystarczająco wysoko, aby całkowicie zabezpieczyć przed zadymieniem najwyższe poziomy podestów technicznych i urządzeń.

Nie projektuje się tu zatem systemów przeznaczonych 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.

W Polsce w kotłowniach i maszynowniach elektrowni nierzadko praktykuje się (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 [3].

Wiedząc jednak, że rzeczywista ilość dymu i ciepła powstającego w czasie pożaru nie jest uzależniona od powierzchni obiektu, a jedynie od wielkości pożaru i wysokości dolnej granicy warstwy dymu, projektowania takiego nie można uznać za prawidłowe. Na rys. 1 przedstawiono schemat pomieszczenia kotłowni przemysłowej.

W trakcie normalnej eksploatacji wydzielana jest tam bardzo duża ilość ciepła (od kilku do kilkunastu MW) pochodzącego z urządzeń technologicznych (przede wszystkim kotła), które wytwarza naturalny ciąg termiczny w kierunku stropu. W przypadku wystąpienia pożaru, nawet o niewielkiej mocy, zapewnia to unoszenie dymu ku górze i wyprowadzanie go na zewnątrz otworami wentylacyjnymi. Nie ma zatem charakterystycznego dla tak wysokich przestrzeni zagrożenia zatrzymania się dymu na skutek wychłodzenia.

Można zatem stwierdzić, że najwłaściwsze jest tu oddymianie grawitacyjne, o powierzchni czynnej otworów zapewniającej odprowadzenie takich ilości dymu i ciepła, jakie mogą powstać podczas pożaru.

Ogólne zasady działania oraz projektowania wentylacji grawitacyjnej przedstawiono poniżej.

Wentylacja naturalna

Wentylacja naturalna (grawitacyjna) opiera się na zasadzie tworzenia się w budynku różnicy ciśnień pomiędzy wlotem i wylotem powietrza (wraz z dymem).

Różnica ta wynika z naturalnej siły wyporu w budynku, spowodowanej przez różnice gęstości pomiędzy 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 się znajdować otwory wentylacyjne wyciągowe.

Poniżej płaszczyzny neutralnej ciśnienie zewnętrzne jest wyższe niż ciśnienie wewnętrzne i dlatego należy lokalizować tam otwory napływu powietrza świeżego.

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. Położenie płaszczyzny neutralnej w pomieszczeniu nie jest stałe i zmienia się wraz z wielkością źródła ciepła oraz jego lokalizacją. Lokalizację płaszczyzny neutralnej oraz zasadę działania wentylacji grawitacyjnej przedstawia rys. 2.

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), ale jednocześnie pod stropem pomieszczenia dopuszczalne jest występowanie znacznie wyższej temperatury.

Najczęściej jest to temperatura ok. 350°C, przy której nie występuje jeszcze zagrożenie uszkodzenia stalowej konstrukcji dachu.

W tabeli 1 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°C.

Opisane powyżej zjawiska zostały zobrazowane za pomocą symulacji komputerowych CFD.

Na rys. 3 widoczne jest położenie płaszczyzny neutralnej (kolor czarny) w kotłowni o wysokości 100 m. W przypadku wystąpienia na poziomie posadzki pożaru o mocy 77 MW widoczna jest znaczna różnica ciśnienia pomiędzy górnym a dolnym poziomem kotłowni, stanowiąca siłę napędową do pracy systemu oddymiania grawitacyjnego.

Wytworzona różnica ciśnienia powoduje silny ruch powietrza w stronę otworów znajdujących się w dachu kotłowni.

Na rys. 4 pokazano rozkład prędkości powietrza w warunkach wystąpienia analizowanego pożaru. Widoczne jest, że prędkość powietrza na klapach oddymiających wynosi ponad 5 m/s.

Na podstawie przedstawionych powyżej obserwacji stwierdzić można, 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 wzrasta 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, co przedstawia rys. 5.

Zapobieganie zadymieniu klatek schodowych

Z punktu widzenia zapewnienia odpowiednich warunków ewakuacji dla pracowników kotłowni najważniejsze jest zabezpieczenie przed zadymieniem klatek schodowych, zwanych pylonami. Jest to trudne ze względu na ich znaczną wysokość i powstawanie różnicy ciśnienia pomiędzy ich górną i dolną częścią, która dodatkowo ulega zmianom w zależności od temperatury otoczenia.

Najgorsze warunki do oddymiania klatek schodowych powstają w okresie letnim, kiedy wysoka temperatura otoczenia może powodować zakłócenia ciągu kominowego i brak skuteczności oddymiania grawitacyjnego. W górnej części klatki schodowej może wystąpić w takiej sytuacji podciśnienie w stosunku do otoczenia. Jednocześnie, jak powiedziano wcześniej, w górnej części przestrzeni kotłowni pojawia się nadciśnienie, które w przypadku wystąpienia pożaru dodatkowo wzrasta. W konsekwencji różnica ciśnienia pomiędzy klatką schodową i przestrzenią kotłowni może wynosić ponad 100 Pa. W momencie otwarcia drzwi do klatki następuje zatem ukierunkowanie przepływu powietrza (w razie pożaru powietrza wraz z dymem) w kierunku jej wnętrza. Klatki schodowe w kotłowniach są jednak najczęściej dodatkowo chronione przez przedsionki przeciwpożarowe, w których efekt kominowy nie występuje. Najlepszym i najtańszym rozwiązaniem jest zatem stosowanie rozwiązań technicznych zapobiegających zadymieniu przedsionków, co jednocześnie pełni funkcję zabezpieczenia przed zadymieniem samych klatek.

Na rys. 6 pokazano, jak za pomocą nawiewu do przedsionka przeciwpożarowego, o wydajności zapewniającej prędkość powietrza w drzwiach pomiędzy przedsionkiem a przestrzenią kotłowni 0,75 m/s [4], możliwe jest zapewnienie ochrony przed zadymieniem przedsionka i klatki schodowej.

Wyniki symulacji obrazują sytuację, w której w kotłowni występuje pożar i na wysokości +70 m w warunkach silnego zadymienia następuje otwarcie drzwi do przedsionka. Widoczne jest, że strumień powietrza nawiewany do przedsionka skutecznie zapobiega przedostawaniu się do niego dymu.

Pojawia się jednak pytanie, co będzie, kiedy nastąpi jednoczesne otwarcie drzwi z przedsionka do przestrzeni kotłowni i do klatki schodowej. Część powietrza nawiewanego do przedsionka zaczyna wtedy wpływać od klatki, co skutkuje zmniejszeniem prędkości przepływu powietrza w drzwiach do kotłowni. W takiej sytuacji może wystąpić napływ do przedsionka niewielkich ilości dymu, który jednak natychmiast po ponownym zamknięciu drzwi do klatki zostanie usunięty (rys. 7).

Dla porównania na rys. 8 przedstawiono sytuację, w której nie zastosowano oddymiania przestrzeni kotłowni. Powoduje to większy niż w poprzednim przypadku przyrost ciśnienia w górnej części kotłowni. Widoczne jest, że dym w takich warunkach w większej ilości przedostaje się do przedsionka i klatki schodowej, nawet przy kilkusekundowym otwarciu drzwi.

Na rys. 9 przedstawiono z kolei sytuację, w której nie zastosowano ani oddymiania przestrzeni kotłowni, ani nawiewu powietrza do przedsionka. Widać, że dym gwałtownie przedostaje się wówczas do przedsionka i klatki schodowej.

Podsumowanie

W kotłowniach bloków energetycznych w większości przypadków wystarczają systemy grawitacyjnej wentylacji oddymiającej. Nie ma konieczności stosowania instalacji mechanicznych, 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, że nie stworzy on zagrożenia dla osób mogących tam wówczas przebywać. Ważne jest jednak, aby zagwarantować wówczas otwarcie otworów napowietrzających i odprowadzających dym, co w większości polskich kotłowni nie jest łatwe do zrealizowania ze względu na nagminny brak systemów sygnalizacji pożaru i automatycznego otwierania się tych otworów. 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).

Jak wykazano, wystarczającym zabezpieczeniem klatek schodowych (pylonów) jest zastosowanie napływu powietrza do przedsionków przeciwpożarowych, co w przypadku otwarcia drzwi do kotłowni wytwarza strumień przepływu zapobiegający napłynięciu dymu do przedsionka i samej klatki.

Literatura

1.  Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych z dnia 7 września 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719).
2. Procedury organizacyjno-techniczne w sprawie spełnienia wymagań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego w inny sposób niż to określono w przepisach techniczno-budowlanych, w przypadkach wskazanych w tych przepisach, oraz stosowania rozwiązań zamiennych, zapewniających niepogorszenie warunków ochrony przeciwpożarowej, w przypadkach wskazanych w przepisach przeciwpożarowych, Komenda Główna Państwowej Straży Pożarnej, Biuro Rozpoznawania Zagrożeń, Warszawa 2009.
3. PN-B-02877-4:2001 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacje grawitacyjne. Zasady projektowania do odprowadzania dymu i ciepła.
4. PN-EN 12101-6:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 6: Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień. Zestawy urządzeń.
5. Brzezińska D., Wentylacja pożarowa obiektów budowlanych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2015.