關(guān)于數(shù)據(jù)中心電池間是否需要按防爆要求設(shè)計的若干探討

上海華東電腦股份有限公司 上海 200237

前言

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA 電池）作為備用電源在數(shù)據(jù)中心廣泛使用，而蓄電池室的安全是數(shù)據(jù)中心安全運行的重要部分。閥控式鉛酸蓄電池在使用過程中會析出少量的氫氣，如果析出的氫氣量可能達(dá)到爆炸濃度極限，應(yīng)將蓄電池室劃分為爆炸危險區(qū)域，需采用防爆電器，避免普通電器內(nèi)部可能產(chǎn)生的電弧、火花和高溫引起氫氣爆炸；如果氫氣量不可能達(dá)到爆炸濃度極限，卻把蓄電池室劃分為爆炸危險區(qū)域，并采用防爆電器，勢必造成建設(shè)投資增加、維護(hù)成本增大，在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運營過程中帶來資源浪費。

1 《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB 50058-2014 相關(guān)規(guī)定

1.1 相關(guān)條文

危險區(qū)域劃分：首先按可燃物質(zhì)的釋放頻繁程度和持續(xù)時間長短分級，分為：

（1）連續(xù)級釋放源

（2）一級釋放源

（3）二級釋放源二級釋放源：在正常運行時，預(yù)計不可能釋放，當(dāng)出現(xiàn)釋放時，僅是偶爾或短期釋放的釋放源。

再根據(jù)釋放源的級別和通風(fēng)條件劃分區(qū)域。

根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間把危險區(qū)域分為：

0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出線爆炸性氣體混合物的環(huán)境；

1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物環(huán)境的環(huán)境。

2區(qū)：在正常運行時不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

在爆炸氣體環(huán)境中發(fā)生爆炸應(yīng)符合的條件是：

（1）存在可燃?xì)怏w、可燃液體的蒸氣或薄霧，濃度在爆炸極限以內(nèi)；

（2）存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫。

符合下列條件之一時，可劃為非爆炸危險區(qū)域：

可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過爆炸下限值的10%。

發(fā)生爆炸的前提條件是濃度在爆炸極限以內(nèi)。將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的10%，可視為無爆炸危險；將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的25%，可定為通風(fēng)良好，可降低爆炸危險區(qū)域等級。

當(dāng)爆炸危險區(qū)域內(nèi)通風(fēng)的空氣流量能使可燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25%以下時，可定為通風(fēng)良好。并應(yīng)符合下列規(guī)定：

下列場所可定為通風(fēng)良好場所：

（1）露天場所；

（2）敞開式建筑物。在建筑物的壁、屋頂開口，其尺寸和位置保證建筑物內(nèi)部通風(fēng)效果等效于露天場所；

（3）非敞開建筑物，建有永久性的開口，使其具有自然通風(fēng)的條件；

（4）對于封閉區(qū)域，每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h 換氣6 次，則可認(rèn)為是良好通風(fēng)場所。這種通風(fēng)速率可由自然通風(fēng)或機械通風(fēng)來實現(xiàn)。

附錄B的B.0.1中第23款

蓄電池危險等級劃分：

（1）蓄電池應(yīng)屬于ⅡC級的分類；

（2）當(dāng)所有的蓄電池都能直接或者間接地向封閉區(qū)域的外部排氣，該區(qū)域可劃為非危險區(qū)域考慮。

（3）當(dāng)配有蓄電池、通風(fēng)較差的封閉區(qū)域具備至少能保證該區(qū)域的通風(fēng)情況不低于滿足通風(fēng)情況不低于滿足通風(fēng)良好條件的25%及蓄電池的充電系統(tǒng)有防止過充電的設(shè)計時，可劃為2區(qū)；當(dāng)不滿足此條件是，可劃為1區(qū)[1]。

附錄C：氫氣爆炸性混合物的分級、分組參數(shù)：

（1）級別是 ⅡC

（2）引燃溫度組別 T1

（3）引燃溫度 500℃

（4）閃點為氣態(tài)

（5）爆炸極限下限為 4%

（6）爆炸極限上限為 75%

（7）相對密度 0.1

（8）在滿足爆炸的條件時會發(fā)生爆炸。

氫氣的爆炸極限下限為4%。將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的10%，即0.4%，可視為無爆炸危險；將最高濃度控制在不超過爆炸下限值的25%，即1%，可劃為2區(qū)。

1.2 小結(jié)

蓄電池房間的危險區(qū)域劃分如下：

2 閥控式密封鉛酸蓄電池特點及運行規(guī)律

2.1 閥控式密封鉛酸蓄電池特點

（1）采用多元優(yōu)質(zhì)合金板柵，提高氣體釋放的過電位(由2.30V至2.35V)，相對減少氣體釋放量。

（2）負(fù)極比正極多出10%容量，充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極復(fù)合，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即O2+2Pb→2PbO+2H2SO4→2H2O+2PbSO4，使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生氫氣。

（3）正負(fù)極間采用超細(xì)玻璃纖維隔板，利于氧氣迅速流通到負(fù)極，再化合成水。

（4）采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，酸霧無法逸出。

2.2 閥控式密封鉛酸電池不逸出氣體的狀態(tài)和條件

（1）開路存放期間。

（2）充電電壓在2.35V/單體以下（25攝氏度）。

（3）放電期間。

只有當(dāng)充電電壓超過2.35V/單體時才有可能使氣體逸出，原因是電池內(nèi)短時間產(chǎn)生的大量氣體來不及被負(fù)極吸收（復(fù)合），超壓后安全閥排氣。

2.3 閥控式密封鉛酸電池氫氣逸出量計算

以下圖為例，該電池布置方案在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中基本屬于最大密度。4組蓄電池架布置在電池間內(nèi)，每組蓄電池架均放置230AH電池44節(jié)×4層，12V電池節(jié)數(shù)為：4×4×44=704節(jié)。按2V單體電池的總AH為：6×704×230=971520AH。

設(shè)房間層高為3.8m，則該房間體積為：

扣除蓄電池占用空間1.3×5.7×1.6×4=47.42m3，房間內(nèi)空氣體積為：300.66-47.42=253.23m3。

圖1 電池布置方案圖

按照蓄電池生產(chǎn)商(以上海西恩迪蓄電池有限公司生產(chǎn)的蓄電池為例)提供的資料，一般情況下，當(dāng)單體電池充電電壓為2.4V時，每個2V單體氫氣的產(chǎn)生量為0.035ml/Ah/Hr。則本電池間在此極端情況下，每小時產(chǎn)生的氫氣為0.035×971520/1000000=0.034 m3。

如下表可見：電池逸出氫氣到達(dá)爆炸下限4%濃度需要297小時，達(dá)到為非危險區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)即下限濃度的10%需要29小時，到達(dá)通風(fēng)良好即下限濃度的25%需要74小時。

2.4 閥控式密封鉛酸電池運行狀態(tài)

（1）浮充電狀態(tài)。

（2）放電狀態(tài)。

（3）充電狀態(tài)。

數(shù)據(jù)中心UPS后備電池長期運行狀態(tài)為浮充電狀態(tài)，充電電壓和電流均較低，單體電池的浮充電壓為2.20～2.27V，浮充電流為1～3mA/Ah，不會產(chǎn)生氣體逸出。

（1）當(dāng)交流電源中斷，UPS電池逆變?yōu)樨?fù)載供電，放電過程中也不會產(chǎn)生氣體逸出。

（2）電池長期處于浮充電狀態(tài)2～3個月未放電的情況下，為保持電池的活性，需要進(jìn)行一次放電，在放電過程中也不會產(chǎn)生氣體逸出。

（3）電池放電后，需要進(jìn)行6～12小時的充電，蓄電池均衡充電單體電壓為2.30～2.40V，在此過程中充電電壓大于2.35V等因素部分電池會產(chǎn)生氣體逸出[2]。

電池只有在充電時會產(chǎn)生氣體逸出，充電時間即產(chǎn)生氣體逸出的時間是可控的，產(chǎn)生的時間長度（充電時間長度）也是可控的。逸出氣體是緩慢的，沒有突發(fā)性，安全性很高。

3 電池間暖通設(shè)計

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012建筑物全面排風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口的布置，應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）位于房間上部區(qū)域的吸風(fēng)口，除用于排除氫氣與空氣混合物時，吸風(fēng)口上緣至頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不大于0.4m；

（2）用于排除氫氣與空氣混合物時，吸風(fēng)口上緣至頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不大于0.1m；

（3）用于排出密度大于空氣的有害氣體時，位于房間下部區(qū)域的排風(fēng)口，其下緣至地板距離不大于0.3m。

《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058-2014當(dāng)爆炸危險區(qū)域內(nèi)通風(fēng)的空氣流量能使可燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25%以下時，可定為通風(fēng)良好。并應(yīng)符合下列規(guī)定：

下列場所可定為通風(fēng)良好場所：對于封閉區(qū)域、每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h 換氣6 次，則可認(rèn)為是良好通風(fēng)場所。這種通風(fēng)速率可由自然通風(fēng)或機械通風(fēng)來實現(xiàn)。

《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》GB 50055-2011中6.0.8-3充電間應(yīng)通風(fēng)良好，當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足要求時，應(yīng)采用機械通風(fēng)，每小時通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)少于8次。

良好通風(fēng)條件：根據(jù)規(guī)范要求，要達(dá)到良好通風(fēng)條件每小時通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)少于6次/8次。

根據(jù)上文氫氣逸出量的計算，要達(dá)到爆炸下限的10%，蓄電池需要持續(xù)充電時間29小時以上。通常蓄電池的單次充電時間為8小時，所以要想達(dá)到非危險區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)是很容易實現(xiàn)的。

規(guī)范對通風(fēng)換氣次數(shù)的要求在數(shù)據(jù)中心的使用環(huán)境下是不合理的。

《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規(guī)范》GB50172-2012中規(guī)定：蓄電池室應(yīng)采用防爆型燈具、通風(fēng)電機，室內(nèi)照明線應(yīng)采用穿管暗敷，室內(nèi)不得裝設(shè)開關(guān)和插座。

綜上按非危險區(qū)域設(shè)計：

（1）通風(fēng)機采用防爆型；非危險區(qū)域是否必須為防爆型？

（2）吸風(fēng)口上緣至頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不大于0.1m；

（3）通風(fēng)換氣次數(shù)按每小時小于8次設(shè)計？值得商榷。

4 電池間電氣設(shè)計

《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規(guī)范》GB50172-2012蓄電池室應(yīng)采用防爆型燈具、通風(fēng)電機，室內(nèi)照明線應(yīng)采用穿管暗敷，室內(nèi)不得裝設(shè)開關(guān)和插座。

綜上按非危險區(qū)域設(shè)計：

采用防爆型燈具，室內(nèi)照明線應(yīng)采用穿管暗敷，室內(nèi)不得裝設(shè)開關(guān)和插座；非危險區(qū)域是否必須采取防爆措施？

（1）實際運行的大量數(shù)據(jù)中心中，蓄電池和UPS及開關(guān)柜放置在一個房間內(nèi)的案例很多，其UPS及開關(guān)柜等均未按防爆型產(chǎn)品，也能保證長期安全可靠運行。

（2）僅對照明和通風(fēng)電機進(jìn)行防爆設(shè)計，不對其他電氣設(shè)備（配電箱、開關(guān)箱、空調(diào)等）和布線系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計難以達(dá)到防爆設(shè)計目的。

5 結(jié)束語

隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，閥控式密封鉛酸蓄電池運行過程中氫氣等有害氣體的逸出量已經(jīng)很少，而規(guī)范規(guī)定相對保守給合理設(shè)計帶來困難。按規(guī)范要求運行將造成能耗損失，增加運維成本。在運維過程中應(yīng)結(jié)合UPS充放電情況及環(huán)境合理調(diào)整策略，在保證安全的情況下可降低運維成本。