氫氣使用實(shí)驗(yàn)室防火設(shè)計探討

劉虎平，崔家文，李秀，王學(xué)思，苗獻(xiàn)鋒

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，石家莊 050021）

1 引言

高校和科研院所是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要基地， 而化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地的重要組成部分， 是師生完成化學(xué)化工教學(xué)和科研任務(wù)的重要場所。 該場所常常涉及易燃易爆有毒危險品， 存在不小的安全隱患。 高校實(shí)驗(yàn)室近年來事故頻發(fā)，引起了各級單位的重視，經(jīng)過多年摸索，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行管理特點(diǎn)，逐漸建立健全了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)程。

但是，實(shí)驗(yàn)室安全主要受實(shí)驗(yàn)工藝、工程設(shè)計和運(yùn)行管理3 方面影響， 而工程設(shè)計和運(yùn)行管理是圍繞實(shí)驗(yàn)工藝開展的。工程設(shè)計和運(yùn)行管理相輔相成，互相補(bǔ)充，缺一不可。 工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全要求是綜合我國當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)、社會、管理等水平制定而成， 若設(shè)計單位僅僅秉承嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的原則， 而不充分考慮使用單位的實(shí)驗(yàn)制度和實(shí)際運(yùn)行管理水平，看似免除了事故的設(shè)計責(zé)任，但會對用戶后續(xù)的安全管理造成較大的負(fù)擔(dān)。 另外，當(dāng)前國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范針對實(shí)驗(yàn)室防爆防火的要求不夠明確， 各設(shè)計單位和各地消防部門對規(guī)范的理解、把握尺寸度也不盡相同，可能出現(xiàn)同一功能規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室由不同單位設(shè)計，由不同地方消防部門驗(yàn)收，消防設(shè)計方案不一的情況，易造成設(shè)計人員困惑。

因此， 本文結(jié)合某科研院所化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工程防火防爆設(shè)計，對執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的量度進(jìn)行分析探討。

2 氫氣爆炸研究實(shí)驗(yàn)室簡介

2.1 工程概況

某科研院所根據(jù)科研生產(chǎn)任務(wù)需求， 申報建設(shè)了一座模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)施（簡稱實(shí)驗(yàn)設(shè)施）。 該設(shè)施建筑面積約600 m2，為單層混凝土框架結(jié)構(gòu)， 主要布置了放射性泄漏研究實(shí)驗(yàn)室及衛(wèi)生出入口、高效過濾器失效研究實(shí)驗(yàn)室、氫氣爆炸研究實(shí)驗(yàn)室（簡稱氫氣實(shí)驗(yàn)室）、有機(jī)相燃燒研究實(shí)驗(yàn)室、控制室、門廳、送風(fēng)機(jī)房、配電室、排風(fēng)機(jī)房、衛(wèi)生間等。

實(shí)驗(yàn)設(shè)施平面呈矩形，建筑長36.6 m，寬16.4 m，地上1 層，層高6.5 m，建筑高度7.95 m。 氫氣實(shí)驗(yàn)室布置于矩形短邊一側(cè)，長16.4 m，寬6.0 m，無吊頂，三面墻體對外，另一側(cè)與其他實(shí)驗(yàn)室相鄰，設(shè)隔墻。①～③軸墻體設(shè)置外開平開門兩樘。

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝

氫氣實(shí)驗(yàn)室主要功能為： 開展某類事故應(yīng)急評價需要的釋放源項(xiàng)估算模型和基礎(chǔ)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)裝置主要組成有：貯罐模擬系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。

貯罐模擬系統(tǒng)是氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的主體， 包括爆炸試驗(yàn)容器、點(diǎn)火器、爆破片、氫氣進(jìn)口、空氣進(jìn)口、進(jìn)液口，排液口、排氣口以及相應(yīng)的管線、閥門等。 試驗(yàn)容器設(shè)計壓力為2 MPa。壓力超過1 MPa 時，貯罐自動泄壓。

實(shí)驗(yàn)流程主要步驟如下： 檢查裝置氣密性—吹掃系統(tǒng)—充氫—充空氣—點(diǎn)火，測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)—清洗系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)裝置用氣主要為氫氣和氮?dú)猓鶠闅馄抗猓瑲馄抠A存于三氣瓶位的報警氣瓶柜中，置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。 設(shè)備布置如圖1 所示。

圖1 氫氣實(shí)驗(yàn)室平面布置

2.3 實(shí)驗(yàn)頻次

根據(jù)科研生產(chǎn)需求，實(shí)驗(yàn)頻次約10～20 次/a。

2.4 建筑物定性和危險源識別

該建筑物定性為科研建筑。 涉及甲類物質(zhì)氫氣和戊類物質(zhì)氮?dú)狻⒖諝狻?/p>

氫氣為易燃?xì)怏w，存在爆炸危險，爆炸極限是4.0%～75.6%，最大爆炸壓力為740 kPa， 產(chǎn)生最大爆炸壓力濃度為32.3%。氮?dú)鉃椴蝗細(xì)怏w，但是一旦泄漏至室內(nèi)，易導(dǎo)致人員窒息。

3 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分析應(yīng)用

3.1 JGJ91—2019 應(yīng)用

JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]涉及防爆安全的條款主要為5.2.3～6.2.6 條。 除5.2.3 條外，其他要求均較為具體，設(shè)計可直接落實(shí)。5.2.3 條文解釋規(guī)定了關(guān)于量的控制，參考國際上的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)， 建議在科研建筑內(nèi)的危險化學(xué)品控制不超過10 d 的實(shí)驗(yàn)用量，同時建議易燃可燃液體不超過4 L、易燃?xì)怏w不超過2.2 m3。 超過上述的量，應(yīng)考慮設(shè)置防護(hù)單元與其他區(qū)域安全隔離。

另外，在該標(biāo)準(zhǔn)第10 章氣體管道中對氣體使用做了專門規(guī)定。 本工程實(shí)驗(yàn)室氫氣日用量不超過1 m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），不超過1 瓶（40 L，15 MPa），因此，采用將氣瓶布置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)計方案，符合該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 結(jié)合5.2.3 條的規(guī)定，可降低氫氣灌裝量或灌裝壓力的方式使氫氣體積不超過建議量， 或者使用10 L 及以下規(guī)格氫氣瓶。

該標(biāo)準(zhǔn)10.4.2 規(guī)定：若使用高壓氣體或可燃?xì)怏w，應(yīng)有相應(yīng)的安全措施，并應(yīng)符合國家規(guī)定。 符合國家規(guī)定的安全措施和10.4.1 條所述的氣瓶安全防護(hù)措施并未在該規(guī)范及條文解釋中予以明確。 這使得如何從眾多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中選擇適用的條文成為衡量設(shè)計單位對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尺度把握的關(guān)鍵。 以下對相關(guān)規(guī)范中的條文及適用性逐一分析， 作為氫氣實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)計方案的依據(jù)。

3.3 GB50016—2014 應(yīng)用

現(xiàn)行GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[2]中“實(shí)驗(yàn)室”字樣共出現(xiàn)8 次，其中，正文出現(xiàn)1 次，即3.1.2 條。 該條規(guī)定了可不按使用介質(zhì)的火災(zāi)危險類別的廠房或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)單位容積的最大允許量，就氫氣而言，與房間體積的最大容許值為1 L/m3，總量為25 m3。 若氫氣單次使用量超過上述值，則應(yīng)按照甲類廠房（實(shí)驗(yàn)室）的要求進(jìn)行設(shè)計，其中最重要的就是泄爆面積。

氫氣實(shí)驗(yàn)室體積約639 m3，最大允許使用量為0.64 m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。 若實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)危險類別不定義為甲類實(shí)驗(yàn)室，則實(shí)驗(yàn)室氫氣瓶應(yīng)使用5 L 及以下規(guī)格氣瓶， 或使用氫氣發(fā)生器。 對該實(shí)驗(yàn)室，這樣做難以滿足單次實(shí)驗(yàn)用量，并增加了搬運(yùn)、安裝、拆卸氣瓶的工作及相關(guān)風(fēng)險，不利于科研生產(chǎn)活動。

若定義為甲類廠房（實(shí)驗(yàn)室），所需泄爆面積為183 m2。1-3 軸/A 軸墻體為隔爆墻，不作為泄爆面。 其他3 面墻體總面積為182 m2，低于標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)在屋頂開設(shè)不小于1 m2的泄爆窗。

3.4 GB4962—2008 應(yīng)用

GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定了氣態(tài)氫在使用、置換、儲存、壓縮與充（灌）裝、排放過程以及消防與緊急情況處理、安全防護(hù)方面的安全技術(shù)要求，理論上適用于氫氣實(shí)驗(yàn)室設(shè)計。 該規(guī)范對建筑物的要求著墨不多， 需依托GB 50016 進(jìn)行設(shè)計。 其中，關(guān)于氫氣瓶儲存和使用的要求為6.3.5～6.3.6 條。6.3.5 條引用了4.1.5 條對通風(fēng)條件作出了規(guī)定：保證氫氣在空氣中的濃度不超過1%（體積）。在實(shí)際中，通常執(zhí)行JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》10.4.1 的規(guī)定。 經(jīng)過實(shí)踐證明，12 次/h 的換氣次數(shù)能夠滿足絕大多數(shù)情況的通風(fēng)需求。

4 NFPA相關(guān)法規(guī)要求及應(yīng)用分析

4.1 NFPA45 相關(guān)要求

NFPA45《化學(xué)藥品實(shí)驗(yàn)室的防火保護(hù)》[4]是美國國家消防協(xié)會（簡稱NFPA）發(fā)布的一系列消防標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了實(shí)驗(yàn)室單元中不同危險性質(zhì)化學(xué)品的數(shù)量與對應(yīng)的火災(zāi)危險類別，實(shí)驗(yàn)室單元按照火災(zāi)危險類別分為A（高火災(zāi)危險）、B（中等火災(zāi)危險）、C（低火災(zāi)危險）和D（極小火災(zāi)危險）4 類。分別規(guī)定了上述類別實(shí)驗(yàn)室存儲和使用氣瓶的預(yù)期數(shù)量。 該標(biāo)準(zhǔn)將氣瓶分為兩類：在用和非在用。 后者不得存放在實(shí)驗(yàn)室單元中，應(yīng)存放在實(shí)驗(yàn)室單元之外，并符合NFPA 55 的要求。氫氣瓶用保存在符合NFPA55 規(guī)定的氣體室、 經(jīng)批準(zhǔn)的氣體柜或排氣罩內(nèi)（與GB 50646 基本一致）。該標(biāo)準(zhǔn)特別規(guī)定了區(qū)別于其他實(shí)驗(yàn)室的教育實(shí)驗(yàn)室的壓縮和液化氣體數(shù)量限制：（1）可燃?xì)怏w不得超過2.8 m3；（2）氧化氣體的最大數(shù)量不得超過2.8 m3；（3）允許使用最多兩瓶0.5 kg 的液化可燃?xì)怏w氣瓶；（4）不允許使用NFPA 55 規(guī)定的毒性或劇毒的氣體。

4.2 NFPA55 相關(guān)要求分析及應(yīng)用

NPFA55《壓縮氣體和低溫流體規(guī)范》[5]是NFPA 發(fā)布的一系列消防標(biāo)準(zhǔn)之一。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果存儲的可燃?xì)怏w（包括氫氣）不超過250 ft3（約7 m3），應(yīng)符合下列要求：

1） 所在區(qū)域應(yīng)與其他區(qū)域使用耐火極限不小于1 h 的墻體、耐火極限不小于2 h 的樓板隔開（特殊情況除外）。

2）應(yīng)設(shè)置FLS 批準(zhǔn)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)或自然通風(fēng)。

3）機(jī)械通風(fēng)、報警、探測或其他用電系統(tǒng)應(yīng)配備應(yīng)急或備用電源，否則需安裝失效安全工程系統(tǒng)。

4）容器、管道和設(shè)備需要經(jīng)過批準(zhǔn)和維護(hù)。 不得使用鑄鐵管道。

5）危險識別、“禁止吸煙”和“壓縮氣體”標(biāo)志要求安裝在含有危險材料的區(qū)域的所有入口處。 危險識別標(biāo)志也應(yīng)位于每個壓縮氣瓶上。

6）壓縮氣體容器、氣瓶和儲罐應(yīng)固定，以防止因接觸、振動或地震活動而導(dǎo)致墜落。

7）可燃材料和氫氣罐必須隔開約3 m 的距離，或在可燃材料使用區(qū)域上方和側(cè)面延伸不小于約0.45 m 的不燃墻。

8）氫氣罐應(yīng)與不相容材料（如氧氣）隔開約6 m 的距離，或與耐火等級至少為0.5 h 的不燃墻體隔開，該不燃墻體在氣瓶上方和側(cè)面延伸不小于0.45 m。

本工程氫氣實(shí)驗(yàn)室使用和存儲的氫氣量為6 m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），未超過NFPA 55 規(guī)定最大量（MAQs）。 改進(jìn)方案后實(shí)驗(yàn)室主要設(shè)備材料見表1。可見，除通風(fēng)系統(tǒng)供電外，其他均滿足要求。

表1 改進(jìn)前后方案主要設(shè)備材料對比

5 結(jié)語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及專業(yè)廣、技術(shù)難度大， 因其操作使用的物料種類繁多、 用安全風(fēng)險不一，因此，需針對具體需求，選擇適用標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行針對性設(shè)計。 本文結(jié)合工程實(shí)例， 以某使用氫氣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為對象，梳理了國內(nèi)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并就其具體適用性進(jìn)行了分析。 另外，還對比了美國國家消防協(xié)會（NFPA）的相關(guān)法規(guī)要求與該工程設(shè)計的符合性，供設(shè)計參考。