廠區常見氫氣站房類設施的建筑防爆設計

□趙坤輝

一、項目背景

在《氫氣站設計規范》GB50177-2005中，定義了三種與氫氣相關的建筑設施。一是氫氣站，采用相關的工藝(如水電解，天然氣轉化氣、甲醇轉化氣、焦爐煤氣、水煤氣等為原料氣的變壓吸附等)制取氫氣所需的工藝設施、灌充設施、壓縮和儲存設施、輔助設施及其建筑物、構筑物或場所的統稱[1]。二是供氫站，不含氫氣發生設備，以瓶裝或/和管道供應氫氣的建筑物、構筑物、氫氣罐或場所的統稱[2]。三是氫氣灌裝站，設有灌充氫氣用氫氣壓縮、灌充設施及其必要的輔助設施的建筑物、構筑物或場所的統稱[3]。

通過參與若干某工業廠區內部氫氣儲存供應類站房設施的設計工作，如氫氣增壓站、低壓氫氣儲存站、高壓氫氣儲存站等項目，發現這些設施基本可以歸類為供氫站和氫氣灌裝站，其功能構成、方案布局十分類似，而制作氫氣的氫氣站在已知的核電廠項目中很少出現。所以本文就以此類供氫站、氫氣灌裝站(以下簡稱為此類建筑，低壓氫氣儲存站站房建筑較為簡單，本文不做詳細介紹)為例進行分析總結。

二、方案設計

此類建筑一般規模不大，功能也相對簡單，主要通過控制室對氫氣進行分配、裝瓶、儲存，為核電廠提供瓶裝氫氣。

由于此類建筑屬于《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)中生產的火災危險性分類為甲類的廠房，且屬于有爆炸危險的廠房，所以應當設置泄壓設施，“有爆炸危險的廠房或廠房內有爆炸危險的部位應設置泄壓設施。”[4]而《氫氣站設計規范》(GB 50177—2005)有這樣的規定：“有爆炸危險房間與無爆炸危險房間之間，應采用耐火極限不低于3.0h的不燃燒體防爆防護墻隔開。當設置雙門斗相通時，門的耐火極限不應低于1.2h。”[5]所以，此類建筑方案在房間的功能布置時，由于功能相對簡單且對防爆設計的要求較高，防爆設計屬于功能布置必須考慮的因素之一，并且應該作為首要考慮的因素。

(一)功能布置中的防爆因素。供氫站、氫氣灌裝站的一般房間由充瓶間、壓縮及分配間、氣瓶間、控制間組成。這些房間可以分為兩類，一是控制操作類房間，此類房間通常只有一個房間且屬于無爆炸危險類房間；另一類房間是氫氣灌裝、操作、存儲的功能性房間，此類房間通常可能有兩個或多個房間且屬于有爆炸危險類房間。具體這些用房的排布主要由工藝專業設計，但受防爆因素的影響，也需要建筑專業進行合理的調整。下面以某高壓氫氣儲存站為例進行說明。

圖1圖2

如圖1所示，一般此類房間要與有爆炸危險類房間用防爆防護墻分開布置，所以通常布置在整座建筑的一端，以盡量少占用有爆炸危險房間的泄壓墻體面積為原則。上述高壓氫氣儲存站經過計算，有爆炸危險房間都已經滿足泄壓面積的要求，假如氫氣瓶間泄壓面積不足，在滿足工藝需求的前提下可以有如下改良方案。方案一，將控制室布置在高壓氫氣貯存及分配間和氫氣瓶間之間，三個房間之間用耐火極限≥3小時的抗爆墻分隔，這樣可以為兩個有爆炸危險房間每個房間贏得四個泄壓面(三個側墻面和一個屋頂面)。此方案類型可以總結為控制室在中間型，如圖2所示。方案二，將控制室布置在高壓氫氣貯存及分配間或氫氣瓶間側面山墻貼臨處，這樣可以為氫氣瓶間贏得一個面積更大的泄壓面。此方案類型與原設計類似，可以總結為控制室在端部型，只是房間布置時可以考慮預留更大的外墻面作為泄壓面，如圖3所示。

圖3

由上所述，可以總結得到如下結論，通常方案布置時無爆炸危險房間在滿足工藝需求的條件下，宜布置在整座建筑的一端，以盡量少占用有爆炸危險房間的泄壓墻體面積為原則進行布置，具體到此類建筑方案布置中可以總結為控制室在中間型、和控制室在端部型。

(二)房間的防爆設計。從方案設計的角度上講，房間的防爆設計可以分為有爆炸危險房間的防爆設計、無爆炸危險房間的防爆設計。

1.有爆炸危險房間的防爆設計。有爆炸危險房間的防爆設計主要是對有爆炸危險的房間進行泄壓設計，《建筑防火設計規范》對此有相關規定，“有爆炸危險的廠房或廠房內有爆炸危險的部位應設置些壓設施”[4]，“泄壓設施宜采用輕質屋面板、輕質墻體和易于泄壓的門、窗等……”[6],這些泄壓設施的面積需要滿足最小限值，具體而言就是通過泄壓公式泄壓計算，也就是通過泄壓面積計算公式計算泄壓設施的面積需要滿足的最小值。然后，通過計算結果對房間初始設計的泄壓面積反向考慮，進而對具體的尺寸設計甚至是房間布置進行合理的調整。具體步驟以某氫氣增壓站氫氣壓縮及分配間的泄壓設計為例進行說明。

圖4

(1)房間泄壓面布置。如圖4所示，氫氣壓縮及分配間屬于有爆炸危險房間，應該考慮泄壓布置，實際設計中，三面墻體和房間屋頂四個面作為泄壓面。

(2)泄壓計算。房間長約13.79m，橫截面周長約27.76m,橫截面面積約48.18m2，長徑比約為13.79X27.76/48.18X4=1.91，小于規定值3，所以可以直接應用泄壓面積計算公式A=10CV2/3進行泄壓計算，房間易燃易爆氣體為氫氣，C值取0.25，容積V經計算約為664.40m3，那么A值(最小泄壓面積)公式計算如下，A=10X0.25X664.402/3=190.35m2，即此方案泄壓面積應≥190.35m2。

(3)計算結果衡量。由房間泄壓面布置可知，本建筑氫氣壓縮及分配間的泄壓面有四個，經計算四個泄壓面面積合計約為240m2，此結果大于泄壓計算中本房間應滿足的最小泄壓面積190.35m2，泄壓設施的泄壓面積滿足規范要求。

(4)增加房間泄壓面積以滿足規范要求的方法。由前可知，本方案泄壓設計滿足規范要求，如果本方案設計泄壓面積小于泄壓計算中由泄壓面積公式計算得出的值，即泄壓設施面積不能滿足規范要求的話，需要對房間尺寸進行調整，增加設計泄壓設施的面積以滿足規范公式值的要求。

由泄壓面積公式A=10CV2/3可以看出體積與泄壓面積成反比關系，也就是說，增加長、寬、高的單一或多個尺寸都可以增加建筑容積，增加建筑泄壓面面積，與此同時降低建筑的最小泄壓面積要求值，從而使得建筑實際設計泄壓面面積滿足(即大于等于)規范要求的最小泄壓面積(A值)的可能性提高。故此可以考慮通過增加長、寬、高的某個或多個值以滿足規范對泄壓設施面積的要求。但是，在長徑比突破3的情況下，還要對建筑進行分段計算，所以為調整尺寸、計算權衡方便，通常不考慮增加建筑長度，盡量避免長徑比突破3，通常情況下是考慮增加寬、高兩項的尺寸。

2.無爆炸危險房間的防爆設計。無爆炸危險房間的防爆設計主要是抗爆墻設計。抗爆墻設計主要是依據《氫氣站設計規范》第7.0.6條規定，“有爆炸危險房間與無爆炸危險房間之間，應采用耐火極限不低于3.0h的不燃燒體防爆防護墻隔開……”。為防止有爆炸危險房間在發生危險的情況下影響到無爆炸危險房間，在兩者之間設置防爆防護墻即抗爆墻，通常由建筑專業確定抗爆墻的具體位置、范圍，由結構或其他專業進行具體的墻體設計。

在實際設計中在有爆炸危險房間與無爆炸危險房間之間、有爆炸危險房間與有爆炸危險房間之間都需要設置防爆防護墻，目的是避免其中某一間房間發生爆炸危險時相關建筑構件、泄壓設施等影響到其他房間。

三、細部節點設計

由于防爆設計的相關要求，此類用房有一些需要注意的細部節點，這里將其中較為常見的類型總結如下。

(一)屋面及通風設施。根據《建筑設計防火規范》第3.6.5條的規定，“散發較空氣輕的可燃氣體、可燃蒸汽的甲類廠房，宜采用輕質屋面板作為泄壓面積。頂棚應盡量平整、無死角，廠房上部空間應通風良好。”[7]《氫氣站設計規范》GB50177-2005規范中第7.0.10條規定，“有爆炸危險房間的上部空間，應通風良好。頂棚內表面應平整，避免死角。”[8]第7.0.11條規定，“制氫間、氫氣壓縮機間、氫氣純化間、氫氣灌瓶間等的廠房跨度大于9.Om時，宜設天窗。天窗、排氣孔應設在最高處。”[9]

由于氫氣比空氣輕，所以對于此類建筑通常可優先考慮將屋面板作為泄壓面，而為得到良好的排除氫氣的通風效果，此類建筑中有爆炸危險的房間通常采用坡屋頂，并在屋頂最高點設置通風排氣設施，如圖5所示，若建筑所在地區無較大風沙雨雪，本類項目通常優先采用壓型鋼板屋面開敞式采光通風屋脊(圖5中A)，若建筑所在地區有較大風沙雨雪，可采用壓型鋼板屋面避風式采光通風屋脊(圖5中B)。

圖5 有爆炸危險房間屋面剖面示意

(二)抗爆墻與泄壓構件銜接處理。抗爆墻是分隔有爆炸危險房間和無爆炸危險房間的防爆防護墻，有時也是分隔兩間有爆炸危險房間的防爆防護墻。無論哪種情況，抗爆墻都需要將兩側房間的構件完全分隔開來，充分發揮防爆防護作用。下面以前文所述某高壓氫氣儲存站為例進行分析。

圖6 某高壓氫氣站平面示意

1.抗爆墻和泄壓墻的關系處理。如圖6所示，泄壓墻A、泄壓墻B、普通墻A三者應該由抗爆墻A、抗爆墻B完全分隔開，這樣可以避免其中一間房間發生爆炸墻體泄壓時對相鄰另一間房間的泄壓墻體產生影響。

圖7 某高壓氫氣站剖面示意

2.抗爆墻和泄壓屋面板的關系處理。如圖7所示，泄壓屋面A、泄壓屋面B、普通屋面三者應該由抗爆墻A、抗爆墻B完全分隔開，這樣可以避免其中一間房間發生爆炸屋面板泄壓時對相鄰另一間房間屋面構件、泄壓構件產生影響。

由上述分析，可以得到如下結論，即抗爆墻要將相鄰兩個房間的建筑構件、泄壓構件完全分隔開，以避免有爆炸危險發生時，泄壓構件由于銜接不妥而相互影響。

(三)無爆炸危險房間出入口防爆。無爆炸危險房間出入口的布置應遠離有爆炸危險房間的泄壓設施，如圖6所示，最好不在同一方向，控制室的疏散口與高壓氫氣貯存及分配間、氫氣瓶間的泄壓設施布置間距較遠、不在同一方向。當沒有遠離布置的條件時，可考慮在出入口與有爆炸危險房間泄壓設施之間設置防爆防護墻，如圖4所示，電控間疏散口A與氫氣充瓶間泄壓墻相鄰，所以將抗爆墻外伸，避免氫氣充瓶間有爆炸危險時泄壓設施對疏散口A區域產生影響，由此，抗爆墻外伸達到防爆防護、保護人員疏散安全的目的。

四、材料選用

基于防爆設計的要求，建筑的部分構件和裝修材料都要有一些特殊的要求，這些材料基本上可以分為兩類：泄壓材料與裝修材料。

(一)泄壓材料。根據《建筑設計防火規范》第3.6.3條的規定，“泄壓設施宜采用輕質屋面板、輕質墻體和易于泄壓的門、窗等，應采用安全玻璃燈在爆炸時不產生尖銳碎片的材料……作為泄壓設施的輕質屋面板和墻體的質量不宜大于60kg/m2”[6]。通常此類建筑屋頂、墻體采用的泄壓材料通常為金屬面夾芯板輕質屋面板、彩鋼夾心板輕質墻體和易于泄壓的門窗(≤60kg/m2)。門窗通常采用易于開啟的門窗，并且外開，為防止產生撞擊火花通常采用噴塑工藝。門窗玻璃采用安全玻璃防止爆炸時產生尖銳碎片。

(二)裝修材料。本類項目中需要注意的特殊裝修做法，主要是指地面做法。通常在有爆炸危險房間內，為防止地面產生火花引起爆炸危險，其地面裝修做法采用不發火細石混凝土面層地面做法，踢腳裝修做法采用不發火水泥砂漿踢腳。無爆炸危險房間一般是控制室、電控室之類的操作控制室，此類房間一般有弱電防靜電的要求，通常地面裝修采用防靜電面層的地面做法，如防靜電水泥砂漿面層地面做法。

五、結語

總體來說，本文對核電廠中的常見氫氣站房類設施的建筑防爆設計進行了探討，分別從方案設計、細部節點設計、材料選用三個角度對此類建筑的防爆設計加以分析并總結了相關設計經驗結論，以期為今后同類廠房的設計提供一個經驗參考。