涉氫廠房通風的設計分析與探討

鮑景衛(wèi)

（神華工程技術有限公司，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)、精細有機合成、航空航天等方面有著廣泛的應用，涉氫廠房在工程設計中日益增多；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，擴散能力較強，極易聚集在廠房上部區(qū)域；基于上述特點，本研究針對不同類型的涉氫廠房的通風設計進行分析與探討。

1 涉氫廠房特點及要求

1.1 涉氫廠房的特點

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；按廠房外圍護結是否封閉，分為封閉廠房和敞開（半敞開）廠房；涉氫廠房的主要危險介質可能為H2單一介質或其它多種有害介質并存的情況。

1.2 針對涉氫廠房通風措施的一些特殊規(guī)定及要求

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

文獻[1] 6.3.10：“排除氫氣與空氣混合物時，吸風口上緣與頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不應大于0.1 m”、“應建筑構造形成的有爆炸危險氣體排出的死角處應設導流設置”。

文獻[2] 6.4.2：“具有自然通風的單層建筑，可燃氣體密度小于空氣，宜設置事故送風系統(tǒng)”。

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

2 涉氫廠房通風方案的分析與探討

根據(jù)廠房的樓層高度、建筑圍護結構是否封閉以及廠房內主要危險介質特點等因素，下面對不同類型廠房的通風方案進行分析與探討。

2.1 廠房通風量的確定

2.1.1 平時通風量的確定

涉氫廠房均屬于易燃易爆的甲乙類的生產廠房，根據(jù)文獻[1]- 文獻[3]等相關規(guī)范要求廠房需設置平時通風及事故通風系統(tǒng)；平時通風量可按稀釋通風量計算法和換氣次數(shù)計算法確定。其中稀釋通風量計算法需根據(jù)有害物的放散量和國家衛(wèi)生標準規(guī)定的車間空氣有害物的容許濃度進行計算，計算公式（1）如下[2]：

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

由于廠房工藝生產較為復雜，很難確定閥門、法蘭以及設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)計算法確定，換氣次數(shù)計算法計算公式如下：

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

當涉氫廠房的有害介質僅為H2時，按上述方法計算平時通風量即可；當車間還存在其它有害介質時，還應按下述原則進行計算復核：數(shù)種溶劑的蒸汽或數(shù)種刺激性氣體同時散于空氣中可產生相加作用，通風換氣量應按各種氣體所需的空氣量的總和計算；除上述情況外，通風量應僅按需要空氣量最大的有害物計算。

2.1.2 事故通風量的確定

事故通風量按換氣次數(shù)計算法進行計算，換氣次數(shù)應不小于12 次/h，事故通風量可由平時通風和另設的事故通風共同保證；若廠房為泵房或壓縮機廠房類，應在正常排風量外，再附加不小于8 次/h 的事故排風量，且總風量須滿足不小于12 次/h 的換氣風量，計算方法及要求參見上述公式（1）。

2.2 涉氫廠房上部排風系統(tǒng)典型方式及措施

2.2.1 廠房通風量分配及風口原則及要求

廠房的通風量分配應遵循以下原則：

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

（2） 當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，宜從下部區(qū)域或排出總排風量的2/3、上部區(qū)域排出總排風量的1/3。

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

排風口的布置應遵循以下原則：

（1） 排風口應盡量設置在有害介質散發(fā)量大或聚集較多的區(qū)域。

（2） 吸風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)域的吸風口，其下緣均地面間距不大于0.3 m。

（4） 因建筑物結構造成有爆炸危險氣體的排除死角處，應設置導流設施。

2.2.2 廠房通風方案的設計原則及要求

涉氫廠房常見結構形式為單層或多層廠房，其屋面的結構形式為混凝土屋面或輕鋼結構屋面；不同類型的廠房還應根據(jù)廠房內可能散發(fā)的有害物的介質的特性，根據(jù)2.2.1 節(jié)風量分配和風口布置的要求進行設置[4-5]。

（1） 對于廠房的有害介質僅為H2或含有其他有害介質但密度均小于空氣密度0.75 倍時，可僅設置上排風口且須滿足“吸風口上緣與頂棚平面或屋頂?shù)木嚯x不應大于0.1 m”要求，廠房的上排風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多層廠房屋面采用輕鋼屋面時的頂層部分；其中圖2 所示的方案，屋頂排風機直接安裝于屋面，優(yōu)點：實施簡單，風機的布置對廠房內的空間及工藝設備管道無任何影響；缺點：屋頂排風機需在屋面開洞，若施工時封堵及防水措施處理不當容易造成屋面滲漏水。其中圖1 所示的方案，管道排風機吊裝于室內屋面下，通過風管連接排風口；優(yōu)點：排風口可以多點均勻布置，排風效果更好；缺點：排風管道及風口較多，占用廠房空間且可能影響工藝管道設備，排風系統(tǒng)較為復雜。屋面為混凝土的單多層廠房，因需滿足排風口距屋面及樓板間距不大于100 mm 的要求，混凝土樓板結構梁的影響，只能采用如圖3 所示的排風方式。

圖1 輕鋼屋面屋頂風機上排風口示意

圖2 輕鋼屋面管道風機上排風口示意

圖3 混凝土屋面管道風機上排風口示意

（2） 對于輕鋼屋面廠房且屋面設置通風天窗或風帽等自然通風措施時，可結合平時自然通風措施，設置送風式事故通風系統(tǒng)，如圖4 所示的通風方案。

圖4 送風式事故通風系統(tǒng)示意

本方式特點是機械通風與自然通風相結合，實施簡單方便，可兼顧平時自然通風，有利于節(jié)能；但本通風方式僅適用于廠房內的有害介質的相對密度均小于空氣且廠房為單層輕鋼屋面并屋面設置通風天窗或風帽等自然通風措施的情況。

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

圖5 事故通風方案一示意

圖6 事故通風方案二示意

圖7 事故通風方案三示意

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

（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，因此應合理采取有效的防聚集措施：a.對于輕鋼屋面廠房，上排風口應盡量在屋脊處多布置排風口；同時應該保證在兩組結構鋼梁圍合的區(qū)域內應有上排風口。b.對于混凝土樓面的單、多層廠房，應盡量保證每個“#”梁格區(qū)域設置上排風口，因工藝設備布置要求不能設置排風口的區(qū)域，應在“#”梁格區(qū)域設置格柵孔，以利于H2向上部擴散，防止其聚集。

3 結論

由于氫氣易燃易爆、密度小且易聚集、擴散能力較強等特點，合理、有效的通風措施關系到廠房的安全運行及工程投資費用；本研究通過對不同結構形式和類型的涉氫廠房的通風方式進行分析和探討，為類似項目的工程設計提供一定的參考，通風設計應根據(jù)項目的實際情況并結合當?shù)氐沫h(huán)評、安評要求進行綜合考慮，制定經濟合理、有效的通風措施。