鮑景衛(wèi)

（神華工程技術(shù)有限公司，安徽 合肥）

概述

氫是一種重要的工業(yè)原料，也是重要的工業(yè)氣體和特種氣體，同時(shí)也是一種理想的二次能源；在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天等方面有著廣泛的應(yīng)用，涉氫廠房在工程設(shè)計(jì)中日益增多；氫氣的密度極低，只有空氣的1/14，是世界上已知密度最小的氣體；同時(shí)氫氣也是一種極易燃的氣體、與空氣混合后的燃燒濃度極限的范圍很寬；氫氣無色無味、密度極輕，擴(kuò)散能力較強(qiáng)，極易聚集在廠房上部區(qū)域；基于上述特點(diǎn)，本研究針對不同類型的涉氫廠房的通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與探討。

1 涉氫廠房特點(diǎn)及要求

1.1 涉氫廠房的特點(diǎn)

涉氫廠房類型較多，按其樓層高度一般主要為單層、多層廠房，特殊情況下還可能存在高層廠房；按廠房外圍護(hù)結(jié)是否封閉，分為封閉廠房和敞開（半敞開）廠房；涉氫廠房的主要危險(xiǎn)介質(zhì)可能為H2單一介質(zhì)或其它多種有害介質(zhì)并存的情況。

1.2 針對涉氫廠房通風(fēng)措施的一些特殊規(guī)定及要求

除一般的甲乙類廠房通用要求和規(guī)定外，涉氫廠房通風(fēng)還應(yīng)注意如下要求及規(guī)定：

文獻(xiàn)[1] 6.3.10：“排除氫氣與空氣混合物時(shí)，吸風(fēng)口上緣與頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不應(yīng)大于0.1 m”、“應(yīng)建筑構(gòu)造形成的有爆炸危險(xiǎn)氣體排出的死角處應(yīng)設(shè)導(dǎo)流設(shè)置”。

文獻(xiàn)[2] 6.4.2：“具有自然通風(fēng)的單層建筑，可燃?xì)怏w密度小于空氣，宜設(shè)置事故送風(fēng)系統(tǒng)”。

文獻(xiàn)[3] 5.5.4：“對于具有自然通風(fēng)的單層建筑（裝有風(fēng)帽或天窗），可設(shè)置送風(fēng)式事故通風(fēng)，通風(fēng)量不小于12 次/h”。

2 涉氫廠房通風(fēng)方案的分析與探討

根據(jù)廠房的樓層高度、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否封閉以及廠房內(nèi)主要危險(xiǎn)介質(zhì)特點(diǎn)等因素，下面對不同類型廠房的通風(fēng)方案進(jìn)行分析與探討。

2.1 廠房通風(fēng)量的確定

2.1.1 平時(shí)通風(fēng)量的確定

涉氫廠房均屬于易燃易爆的甲乙類的生產(chǎn)廠房，根據(jù)文獻(xiàn)[1]- 文獻(xiàn)[3]等相關(guān)規(guī)范要求廠房需設(shè)置平時(shí)通風(fēng)及事故通風(fēng)系統(tǒng)；平時(shí)通風(fēng)量可按稀釋通風(fēng)量計(jì)算法和換氣次數(shù)計(jì)算法確定。其中稀釋通風(fēng)量計(jì)算法需根據(jù)有害物的放散量和國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車間空氣有害物的容許濃度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式（1）如下[2]：

式中：L- 計(jì)算通風(fēng)量（m3/h）；W- 車間內(nèi)有害氣體散發(fā)量（kg/h）；M- 有害物質(zhì)的分子量；TLV-車間有害物質(zhì)的容許濃度（按國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)確定）；K- 風(fēng)量修正系數(shù)，根據(jù)車間內(nèi)的氣流組織狀態(tài)和有害物的危害程度確定，取值范圍3～11，可參考文獻(xiàn)[2]附錄B.2 選取。

由于廠房工藝生產(chǎn)較為復(fù)雜，很難確定閥門、法蘭以及設(shè)備密封面可能放散的有害物的量；故一般均采用換氣次數(shù)計(jì)算法確定，換氣次數(shù)計(jì)算法計(jì)算公式如下：

式中：L- 計(jì)算通風(fēng)量（m3/h）；n- 換氣次數(shù)的取值，可參考文獻(xiàn)[1]中附錄C、D 選取，或參考文獻(xiàn)[2]中附錄B.1～B.3 選?。籗- 房間的面積（m2）；H- 房間的高度（高度大于6 m 時(shí)，取值6 m；高度小于6 m 時(shí)取實(shí)際高度值）。

當(dāng)涉氫廠房的有害介質(zhì)僅為H2時(shí)，按上述方法計(jì)算平時(shí)通風(fēng)量即可；當(dāng)車間還存在其它有害介質(zhì)時(shí)，還應(yīng)按下述原則進(jìn)行計(jì)算復(fù)核：數(shù)種溶劑的蒸汽或數(shù)種刺激性氣體同時(shí)散于空氣中可產(chǎn)生相加作用，通風(fēng)換氣量應(yīng)按各種氣體所需的空氣量的總和計(jì)算；除上述情況外，通風(fēng)量應(yīng)僅按需要空氣量最大的有害物計(jì)算。

2.1.2 事故通風(fēng)量的確定

事故通風(fēng)量按換氣次數(shù)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，換氣次數(shù)應(yīng)不小于12 次/h，事故通風(fēng)量可由平時(shí)通風(fēng)和另設(shè)的事故通風(fēng)共同保證；若廠房為泵房或壓縮機(jī)廠房類，應(yīng)在正常排風(fēng)量外，再附加不小于8 次/h 的事故排風(fēng)量，且總風(fēng)量須滿足不小于12 次/h 的換氣風(fēng)量，計(jì)算方法及要求參見上述公式（1）。

2.2 涉氫廠房上部排風(fēng)系統(tǒng)典型方式及措施

2.2.1 廠房通風(fēng)量分配及風(fēng)口原則及要求

廠房的通風(fēng)量分配應(yīng)遵循以下原則：

（1） 當(dāng)放散氣體的相對密度小于或等于0.75，視衛(wèi)比室內(nèi)空氣輕，或雖比室內(nèi)空氣重但建筑內(nèi)放散的顯熱能全年形成穩(wěn)定的上升氣流時(shí)，宜從房間上部區(qū)域排出。

（2） 當(dāng)放散氣體的相對密度大于0.75，視為比空氣重，且建筑放散的顯熱不足以形成穩(wěn)定的上升氣流而沉積在下部區(qū)域時(shí)，宜從下部區(qū)域或排出總排風(fēng)量的2/3、上部區(qū)域排出總排風(fēng)量的1/3。

（3） 上、下部區(qū)域的排風(fēng)量中應(yīng)包括該區(qū)域的局部排風(fēng)量，地面以上2 m 為上部區(qū)域，以下應(yīng)為下部區(qū)域。

排風(fēng)口的布置應(yīng)遵循以下原則：

（1） 排風(fēng)口應(yīng)盡量設(shè)置在有害介質(zhì)散發(fā)量大或聚集較多的區(qū)域。

（2） 吸風(fēng)口上緣均頂棚或屋頂平面的間距不大于0.1 m。

（3） 位于房間下部區(qū)域的吸風(fēng)口，其下緣均地面間距不大于0.3 m。

（4） 因建筑物結(jié)構(gòu)造成有爆炸危險(xiǎn)氣體的排除死角處，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流設(shè)施。

2.2.2 廠房通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)原則及要求

涉氫廠房常見結(jié)構(gòu)形式為單層或多層廠房，其屋面的結(jié)構(gòu)形式為混凝土屋面或輕鋼結(jié)構(gòu)屋面；不同類型的廠房還應(yīng)根據(jù)廠房內(nèi)可能散發(fā)的有害物的介質(zhì)的特性，根據(jù)2.2.1 節(jié)風(fēng)量分配和風(fēng)口布置的要求進(jìn)行設(shè)置[4-5]。

（1） 對于廠房的有害介質(zhì)僅為H2或含有其他有害介質(zhì)但密度均小于空氣密度0.75 倍時(shí)，可僅設(shè)置上排風(fēng)口且須滿足“吸風(fēng)口上緣與頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不應(yīng)大于0.1 m”要求，廠房的上排風(fēng)口主要采用以下方式。

圖1、圖2 上排方案主要適用于單層輕鋼屋面的廠房或當(dāng)多層廠房屋面采用輕鋼屋面時(shí)的頂層部分；其中圖2 所示的方案，屋頂排風(fēng)機(jī)直接安裝于屋面，優(yōu)點(diǎn)：實(shí)施簡單，風(fēng)機(jī)的布置對廠房內(nèi)的空間及工藝設(shè)備管道無任何影響；缺點(diǎn)：屋頂排風(fēng)機(jī)需在屋面開洞，若施工時(shí)封堵及防水措施處理不當(dāng)容易造成屋面滲漏水。其中圖1 所示的方案，管道排風(fēng)機(jī)吊裝于室內(nèi)屋面下，通過風(fēng)管連接排風(fēng)口；優(yōu)點(diǎn)：排風(fēng)口可以多點(diǎn)均勻布置，排風(fēng)效果更好；缺點(diǎn)：排風(fēng)管道及風(fēng)口較多，占用廠房空間且可能影響工藝管道設(shè)備，排風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜。屋面為混凝土的單多層廠房，因需滿足排風(fēng)口距屋面及樓板間距不大于100 mm 的要求，混凝土樓板結(jié)構(gòu)梁的影響，只能采用如圖3 所示的排風(fēng)方式。

圖1 輕鋼屋面屋頂風(fēng)機(jī)上排風(fēng)口示意

圖2 輕鋼屋面管道風(fēng)機(jī)上排風(fēng)口示意

圖3 混凝土屋面管道風(fēng)機(jī)上排風(fēng)口示意

（2） 對于輕鋼屋面廠房且屋面設(shè)置通風(fēng)天窗或風(fēng)帽等自然通風(fēng)措施時(shí)，可結(jié)合平時(shí)自然通風(fēng)措施，設(shè)置送風(fēng)式事故通風(fēng)系統(tǒng)，如圖4 所示的通風(fēng)方案。

圖4 送風(fēng)式事故通風(fēng)系統(tǒng)示意

本方式特點(diǎn)是機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合，實(shí)施簡單方便，可兼顧平時(shí)自然通風(fēng)，有利于節(jié)能；但本通風(fēng)方式僅適用于廠房內(nèi)的有害介質(zhì)的相對密度均小于空氣且廠房為單層輕鋼屋面并屋面設(shè)置通風(fēng)天窗或風(fēng)帽等自然通風(fēng)措施的情況。

（3） 對于廠房的有害介質(zhì)除H2外，還有其它密度大于空氣的有害介質(zhì)時(shí)，則應(yīng)參考上述2.2.1 節(jié)的原則和要求設(shè)置上、下排風(fēng)口，一般為下述三種通風(fēng)方案，如圖5 至圖7 所示。

圖5 事故通風(fēng)方案一示意

圖6 事故通風(fēng)方案二示意

圖7 事故通風(fēng)方案三示意

圖5 至圖7 所示的方案為常用的三種通風(fēng)方式，上排部分風(fēng)口可采用屋頂排風(fēng)機(jī)或管道風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，下排部分可采用管道風(fēng)機(jī)下接排風(fēng)口或采用邊墻風(fēng)機(jī)直接外排至室外，采用邊墻風(fēng)機(jī)安裝實(shí)施方便，但對于進(jìn)深大或僅單面有外墻的房間排風(fēng)效果稍差；管道風(fēng)機(jī)下接排風(fēng)口的方式，可根據(jù)廠房車間的情況靈活設(shè)置下排風(fēng)口，氣流組織較好，但風(fēng)管系統(tǒng)較為復(fù)雜，排風(fēng)管道大及風(fēng)口較多，占用廠房空間且可能影響工藝管道設(shè)備。

（4） 防止H2上部聚集的措施

由于氫氣的密度極小，易在廠房上部區(qū)域聚集，因此應(yīng)合理采取有效的防聚集措施：a.對于輕鋼屋面廠房，上排風(fēng)口應(yīng)盡量在屋脊處多布置排風(fēng)口；同時(shí)應(yīng)該保證在兩組結(jié)構(gòu)鋼梁圍合的區(qū)域內(nèi)應(yīng)有上排風(fēng)口。b.對于混凝土樓面的單、多層廠房，應(yīng)盡量保證每個(gè)“#”梁格區(qū)域設(shè)置上排風(fēng)口，因工藝設(shè)備布置要求不能設(shè)置排風(fēng)口的區(qū)域，應(yīng)在“#”梁格區(qū)域設(shè)置格柵孔，以利于H2向上部擴(kuò)散，防止其聚集。

3 結(jié)論

由于氫氣易燃易爆、密度小且易聚集、擴(kuò)散能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，合理、有效的通風(fēng)措施關(guān)系到廠房的安全運(yùn)行及工程投資費(fèi)用；本研究通過對不同結(jié)構(gòu)形式和類型的涉氫廠房的通風(fēng)方式進(jìn)行分析和探討，為類似項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)提供一定的參考，通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況并結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)評、安評要求進(jìn)行綜合考慮，制定經(jīng)濟(jì)合理、有效的通風(fēng)措施。