封閉空間CO2濃度限值及呼吸空氣供應(yīng)

楊 悅 馬臨川

(惠生工程(中國)有限公司,北京)

0 引言

在某涉外石化項目執(zhí)行過程中,業(yè)主提出了將中央控制室(整體抗爆結(jié)構(gòu)建筑物)內(nèi)的控制室和餐廳設(shè)計成緊急狀態(tài)的“安全防護區(qū)”(safe havens),當(dāng)石化廠區(qū)內(nèi)發(fā)生爆炸或有毒有害氣體泄漏等事故時,中央控制室內(nèi)的人員都集中到安全防護區(qū)內(nèi),以保證在救援人員到來之前的一定時間內(nèi)人員的安全。該建筑物本身為無外窗的抗爆結(jié)構(gòu),且當(dāng)外界發(fā)生事故時,為防止外界有害氣體侵入,新風(fēng)及排風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉,此時整個安全防護區(qū)可視為封閉空間。隨著時間的推移,封閉在安全防護區(qū)內(nèi)的人員(該項目安全防護區(qū)緊急情況聚集人數(shù)設(shè)定為150人)呼吸產(chǎn)生的CO2濃度逐漸增大,O2濃度逐漸減小,為保證封閉空間內(nèi)人員呼吸的基本需求,需要把CO2濃度控制在限值以下。

1 主要問題

安全防護區(qū)不僅僅是一個空間概念,還需要在建筑平面設(shè)計、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及配電照明設(shè)計中滿足一定的要求,才能保證人員的安全。

正常情況下,中央控制室安全防護區(qū)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為“恒溫恒濕空調(diào)機組+新風(fēng)(凈化)機組”的一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)。當(dāng)廠區(qū)內(nèi)發(fā)生事故,設(shè)置在新風(fēng)入口的有毒有害及可燃氣體探測器報警時,連鎖關(guān)閉新風(fēng)入口及排風(fēng)出口的電動氣密閥,并連鎖關(guān)閉新風(fēng)機及排風(fēng)機。此時,恒溫恒濕空調(diào)機組保持運行狀態(tài),空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)內(nèi)循環(huán),只保證中央控制室(抗爆結(jié)構(gòu),無外窗,當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)停止運行時,可視為封閉空間)內(nèi)的溫濕度。此時,需設(shè)置呼吸空氣供應(yīng)系統(tǒng)(breathing air supply system),向中央控制室安全防護區(qū)內(nèi)的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)補充壓縮空氣,以防止安全防護區(qū)內(nèi)CO2積聚,保證內(nèi)部人員呼吸所需的空氣量。

那么封閉空間內(nèi)CO2濃度應(yīng)該控制在什么限值以下,才能保證內(nèi)部人員呼吸的基本要求?需要向空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)補充多少壓縮空氣才能滿足安全防護區(qū)內(nèi)或者某個封閉空間內(nèi)CO2濃度不超過其限值?呼吸空氣系統(tǒng)如何設(shè)計,才能保證封閉空間內(nèi)呼吸空氣滿足需求?下面對這些問題逐一進行分析探討。

1.1 業(yè)主對安全防護區(qū)的要求

業(yè)主在安全防護區(qū)的設(shè)計要求文件中提出：安全防護區(qū)內(nèi)CO2體積分數(shù)需控制在1%以下,并保持2 h(keep the CO2concentration below 1% for 2 hours);呼吸空氣量建議每人2 m3/h(The recommended flow rate is 2 m3/h per person)。

1.2 CO2濃度限值

通過查閱國內(nèi)外標準或規(guī)范,發(fā)現(xiàn)對封閉空間CO2濃度的限值要求各有不同,為利于比較,將各規(guī)范統(tǒng)一單位進行比對,如表1所示。

表1 CO2體積分數(shù)限值比對

1.3 在不同CO2濃度環(huán)境中人的狀態(tài)(見表2)

表2 在不同CO2濃度環(huán)境中人的狀態(tài)[1]

通過上述分析比較發(fā)現(xiàn),不同的持續(xù)時間對CO2濃度限值要求是不同的,但是設(shè)定CO2濃度限值的目的是一致的,就是為了保證封閉空間環(huán)境內(nèi)人員基本的呼吸生存需要。業(yè)主提出的“安全防護區(qū)內(nèi)CO2體積分數(shù)控制在1%以下,并保持2 h”基本符合石化廠區(qū)中央控制室外界發(fā)生事故時,封閉空間內(nèi)人員2 h等待救援期間基本的呼吸生存需要。

1.4 CO2濃度限值與呼吸空氣供應(yīng)量之間的關(guān)系

O2消耗量和CO2生成率取決于身體活動,如圖1所示。實驗室和實地研究表明,對于久坐不動的人來說,CO2的生成率為0.31 L/min。

圖1 O2消耗量及CO2生成率與身體活動的關(guān)系[2]

CO2的質(zhì)量平衡關(guān)系如圖2及式(1)所示。

圖2 CO2的質(zhì)量平衡關(guān)系

(1)

式中Vo為人均新風(fēng)量或人均送入空氣量,m3/h;N為人均CO2生成率,m3/h,取0.018 6 m3/h(0.31 L/min);Cs為空間中的CO2體積分數(shù),10-6,取10 000×10-6(1%);Co為室外空氣(或送入的空氣)中的CO2體積分數(shù),10-6,取400×10-6。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1),計算得到保證中央控制室安全防護區(qū)2 h內(nèi)CO2體積分數(shù)不超過限值要求(1%)時需要向安全防護區(qū)內(nèi)補充的人均呼吸空氣量Vo=1.94 m3/h≈2 m3/h。

此計算結(jié)果與業(yè)主對安全防護區(qū)設(shè)計要求中為控制CO2濃度而要求的送入安全防護區(qū)的呼吸空氣量建議每人2 m3/h是基本吻合的。

2 呼吸空氣供應(yīng)系統(tǒng)

1) 呼吸空氣供應(yīng)系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 呼吸空氣供應(yīng)系統(tǒng)原理圖

2) 呼吸防護用壓縮空氣技術(shù)要求見表3。

表3 呼吸防護用壓縮空氣技術(shù)要求[3]

5) 閥前狀態(tài)下(壓縮空氣瓶組內(nèi)空氣狀態(tài),即減壓閥組前呼吸空氣狀態(tài))呼吸空氣供應(yīng)量。

3) 呼吸空氣來源：安全防護區(qū)的呼吸空氣供應(yīng)一般來自廠區(qū)壓縮空氣管網(wǎng)或壓縮空氣瓶。該項目設(shè)置壓縮空氣瓶作為呼吸空氣源,壓縮空氣瓶就地保存。

4) 標準狀態(tài)(20 ℃,101.3 kPa)下(即減壓閥組后管網(wǎng)內(nèi)呼吸空氣狀態(tài))呼吸空氣供應(yīng)量。

呼吸空氣系統(tǒng)需計算出2個空氣量：一是防護時間內(nèi)的總供應(yīng)量,用以確定總供氣量,特別是用以確定壓縮空氣瓶的儲氣量;二是小時流量,用以確定管網(wǎng)。

壓縮空氣瓶組的壓縮空氣供應(yīng)量需依據(jù)壓縮空氣狀態(tài)參數(shù)計算：

(2)

式中p1為送入安全防護區(qū)的呼吸空氣壓力,MPa,取0.1 MPa;V1為送入安全防護區(qū)的呼吸空氣量,m3或m3/h;T1為送入安全防護區(qū)的呼吸空氣溫度,K,取293 K;p2為減壓前壓縮空氣瓶組出口的空氣壓力,MPa;V2為壓縮空氣供應(yīng)量,m3或m3/h;T2為壓縮空氣溫度,K。

壓縮空氣瓶組空氣狀態(tài)參數(shù)為p2=40 MPa,T2=293 K,計算得到該項目呼吸空氣系統(tǒng)壓縮空氣瓶組空氣需求量V2=1.5 m3。

該項目選用單個容積為50 L的壓縮空氣瓶(40 MPa,293 K),共需設(shè)置30個壓縮空氣瓶,組成壓縮空氣瓶組。

6) 壓縮空氣管網(wǎng)及儲罐技術(shù)要求。

① 壓縮空氣管網(wǎng)管徑：依據(jù)HG/T 20570.6—1995《管徑選擇》中表2.0.1規(guī)定的管道內(nèi)介質(zhì)流速(8～12 m/s(0.3 MPa))計算,確定管徑為100 mm。

② 壓縮空氣瓶存儲技術(shù)要求：鋼瓶宜集中布置在鋼瓶間;鋼瓶間不應(yīng)設(shè)在主建筑物內(nèi),不應(yīng)設(shè)在主入口側(cè),使用鋼瓶氣的房間宜布置在靠近鋼瓶間的一側(cè);鋼瓶間宜采用自然通風(fēng),當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足要求時,應(yīng)采用機械通風(fēng)或機械與自然聯(lián)合通風(fēng)。

3 結(jié)束語

通過分析封閉空間內(nèi)CO2濃度限值及其與呼吸空氣供應(yīng)量的關(guān)系,確定了緊急情況下向空調(diào)系統(tǒng)提供的呼吸空氣量,以滿足緊急狀況下特定封閉空間內(nèi)CO2含量不超過其限值的要求,并通過項目實例介紹了呼吸空氣系統(tǒng)方案及設(shè)計要點,闡述了如何保證封閉空間內(nèi)人員呼吸的基本需求。