宋廷鈺，欒 青，丁春雨

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

根據(jù)海上固定平臺(tái)安全規(guī)則，電池間通風(fēng)的目的是排除和稀釋蓄電池充放電時(shí)所產(chǎn)生的熱量和易爆氣體，總充電功率小于和等于2 kW的蓄電池間應(yīng)采用自然通風(fēng)，其排風(fēng)管應(yīng)通至開(kāi)放處所；總功率大于2 kW的應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng)，即機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)，其通風(fēng)裝置應(yīng)為防爆型。進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)于低處(安全區(qū))，排風(fēng)口則應(yīng)盡量設(shè)于高處。機(jī)械通風(fēng)的電池間換氣次數(shù)應(yīng)選30次/小時(shí)，還應(yīng)按充電時(shí)散發(fā)的熱量計(jì)算通風(fēng)量，將兩者進(jìn)行比較取其大者。由于本項(xiàng)目地處渤海灣，冬季最低環(huán)境溫度可達(dá)到-17.2 ℃，根據(jù)七氟丙烷釋放條件，房間最低溫度不低于-10 ℃，故對(duì)電池間安裝了熱風(fēng)機(jī)以保證冬季房間溫度。

1 電池間的通風(fēng)計(jì)算

電池間屬于特殊房間，其設(shè)計(jì)需要考慮多方面因素，首先按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 3008—2002計(jì)算其通風(fēng)量，如圖1為電池間布置圖。

圖1 電池間布置圖

電池間的計(jì)算換氣量可按如下公式計(jì)算：

VME=v1×n1，

(1)

式中：VME為Mechanical Exhaust計(jì)算換氣量，m3/h；v1為艙室體積，m3；n1為換氣次數(shù),按每小時(shí)30次換氣次數(shù)計(jì)算的通風(fēng)量為3 229 m3/h。

由于電池組也有熱量散發(fā)，需要核對(duì)按照換氣次數(shù)計(jì)算的風(fēng)量是否可以將房間溫度降低到設(shè)計(jì)溫度，根據(jù)設(shè)備散熱量，電池組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所散發(fā)的熱功率為0.984 kW。通風(fēng)降溫所需要的最大風(fēng)量，通常在夏季室外環(huán)境溫度最高時(shí)，通過(guò)下式計(jì)算：

(2)

式中：qe為電池間夏季工況熱平衡所需送風(fēng)量，m3/h；qs為電池組運(yùn)行時(shí)表面熱輻射，W；Ca為空氣質(zhì)量熱容1 005 J/(kg·K)；ρa(bǔ)為空氣密度，1.2 kg/m3；ΔT為室內(nèi)外空氣溫差，ΔT=Tw-Tn，Tw為夏季室外計(jì)算溫度，33.5 ℃，Tn為電池間設(shè)計(jì)溫度，40 ℃。

通過(guò)對(duì)電池組散熱量的校核，達(dá)到電池間設(shè)計(jì)溫度所需要的新風(fēng)量?jī)H為452 m3/h，遠(yuǎn)低于按30次/小時(shí)換氣次數(shù)計(jì)算的通風(fēng)量，故該風(fēng)量可保證房間設(shè)計(jì)溫度。

2 可燃?xì)怏w濃度較核

根據(jù)SY/T 10041—2002《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝一級(jí)一類(lèi)和二類(lèi)區(qū)域劃分》的推薦做法，電池間屬于一級(jí)二類(lèi)B組危險(xiǎn)區(qū)。

2.1 基本參數(shù)

1)爆炸性氣體按氫氣(H2)計(jì)算，氫氣摩爾質(zhì)量M。

2)氫氣(H2)爆炸下限(LEL)：體積分?jǐn)?shù)4%～77%(數(shù)據(jù)來(lái)源于HG/T 20698—2009《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》)。

3)電池組氫氣散發(fā)量：Q=12.5 m3/h(40 ℃，1 atm)。

4)室外環(huán)境溫度-17.2～34.6 ℃，但危險(xiǎn)氣體泄漏發(fā)生在電池間內(nèi)部，所以取房間最高設(shè)計(jì)溫度，按最高40 ℃計(jì)算。

2.2 危險(xiǎn)場(chǎng)所通風(fēng)量的計(jì)算

使給定釋放的易燃物料稀釋到需要的低于爆炸低限值濃度的最小理論通風(fēng)流量值可以用如下公式計(jì)算：

(3)

LELm=0.416×10-3×M×LELv，

(4)

式中：(dV/dt)min為新鮮空氣的最小體積流量，m3/s；(dG/dt)max為釋放源的最大釋放率，kg/s；LELm為氫氣的爆炸下限值，kg/m3，需要將LELv轉(zhuǎn)換成LELm，LELv為體積分?jǐn)?shù)，%；K為用于LEL的安全系數(shù)，取0.2(持續(xù)和一級(jí)釋放，即稀釋到爆炸下限20%)；T為環(huán)境溫度，K；M為氫氣摩爾質(zhì)量，2 kg/kmol。

2.3 計(jì)算條件

假設(shè)電池組產(chǎn)生的氫氣全部泄露到電池間內(nèi)，該條件是爆炸性氣體的最大放散量。

2.4 計(jì)算過(guò)程

1)LELm換算。

LELm=0.416×10-3×M×LELv=

3.328×10-3kg/m3。

(5)

2)釋放源的最大釋放率計(jì)算。氫氣密度0.089 9 kg/m3。

(dG/dt)max=0.089 9×12.5÷3 600=

3.122×10-4kg/s。

(6)

3)通風(fēng)量的計(jì)算。

1 800 m3/h。

(7)

因SY/T 10041—2002對(duì)于充分通風(fēng)的定義為自然或人工通風(fēng)條件能滿足，以防止油蒸汽與混合物或天然氣與空氣混合的濃度聚集到超過(guò)其可燃LEL濃度的25%；本項(xiàng)目中為留有更大的設(shè)計(jì)余量，電池間可燃?xì)怏w探頭設(shè)定點(diǎn)設(shè)定為爆炸下限的20%即報(bào)警，故K值取0.2，安全級(jí)別高于規(guī)范要求的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 計(jì)算結(jié)果

電池間選擇的離心風(fēng)機(jī)排風(fēng)，1用1備，此房間風(fēng)機(jī)的控制邏輯為：當(dāng)可燃?xì)怏w儀表探頭探測(cè)到氫氣濃度達(dá)到爆炸下限的20%時(shí)，備用離心風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，此時(shí)2臺(tái)離心風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，電池間機(jī)械排風(fēng)的風(fēng)量為：

Qmax=3 300×2=6 600 m3/h。

(8)

計(jì)算的可燃?xì)怏w稀釋到爆炸下限20%所需的通風(fēng)量為：

L=1 800 m3/h。

(9)

L

故電池間間為充分通風(fēng)，滿足SY10041—2002的要求。

3 熱風(fēng)機(jī)的計(jì)算

根據(jù)七氟丙烷釋放條件，電池間溫度冬季需高于-10 ℃，熱風(fēng)機(jī)負(fù)荷為房間6個(gè)面各圍壁滲透熱與冬季室外最低環(huán)境溫度下的新風(fēng)熱功率之和。

(10)

式中：qe為電池間夏季工況熱平衡所需送風(fēng)量3 300 m3/h；qf為新風(fēng)熱功率W；Ca為空氣質(zhì)量熱容，1 005 J/kg·K；ρa(bǔ)為空氣密度，1.2 kg/m3；To為室外空氣溫度，-16 ℃；Tn為電池間設(shè)計(jì)溫度，-10 ℃；

計(jì)算出新風(fēng)熱功率為-6 633 W；滲透熱功率為1 758 W。二者之和即為熱風(fēng)機(jī)所需加熱的熱負(fù)荷，乘以1.1的系數(shù)并取整后選擇了加熱功率為6 kW的熱風(fēng)機(jī)。

4 電池間通風(fēng)系統(tǒng)的布置

電池間通風(fēng)系統(tǒng)布置圖如圖2。

圖2 電池間通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

由于海上氣候濕度大、雨水多、鹽霧大。風(fēng)管連接法蘭或通風(fēng)柵處由于冷凝的影響容易滴水，故根據(jù)電池組的布置，將通風(fēng)柵布置在電池組的過(guò)道處。

氫氣密度小于空氣，在氫氣發(fā)生泄漏時(shí)，危險(xiǎn)性氣體會(huì)上升，在房間頂部發(fā)生積聚，在設(shè)計(jì)機(jī)械排風(fēng)管時(shí)，在房間結(jié)構(gòu)允許的前提下盡量布置在高處；為了讓空氣更好的進(jìn)行循環(huán)從而帶走危險(xiǎn)氣體，自然進(jìn)風(fēng)口需布置在低處，因相對(duì)溫度較低的室外空氣吹到相對(duì)溫度較高的電池上會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，且由于風(fēng)速較高，雨水容易吹到電池組機(jī)柜上從而會(huì)引起電池組的短路及燒毀，自然風(fēng)口需正對(duì)過(guò)道處。

根據(jù)海上固定平臺(tái)安全規(guī)則上的要求，通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣口和排風(fēng)口應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆乐顾突鹧孢M(jìn)入的結(jié)構(gòu)。其出風(fēng)管應(yīng)通至露天甲板，故將風(fēng)機(jī)出口接風(fēng)管引到舷外并在進(jìn)出風(fēng)管上設(shè)置了氣動(dòng)型防火風(fēng)閘。房間北側(cè)上方有H1200結(jié)構(gòu)梁，大梁與房間波紋板距離僅有1 850 mm，受限于逃生安全通道2 200 mm的高度，風(fēng)管只能從中間600 mm高的區(qū)域穿過(guò)。排風(fēng)管室內(nèi)標(biāo)高3 000 mm，室外標(biāo)高2 600 mm。通過(guò)風(fēng)速計(jì)算，室內(nèi)外風(fēng)管尺寸為290 mm×360 mm。經(jīng)過(guò)繪制草圖發(fā)現(xiàn)，常規(guī)風(fēng)機(jī)形式為R/L180°，若在高400 mm的落差內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭會(huì)占用逃生通道空間，故與廠家定制非標(biāo)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，防爆等級(jí)為ExdIICT4，風(fēng)機(jī)蝸殼出風(fēng)口為L(zhǎng)/R225°，從而優(yōu)化了空間，達(dá)到了所需要的設(shè)計(jì)目的。排風(fēng)口設(shè)計(jì)方案如圖3。

圖3 排風(fēng)口設(shè)計(jì)方案

風(fēng)機(jī)廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品安裝形式為支架，通過(guò)減震器與風(fēng)機(jī)底座連接。由于本項(xiàng)目空間上的特殊性，無(wú)足夠高度和空間為風(fēng)機(jī)焊接支架，故采用吊架為風(fēng)機(jī)提供支撐。常規(guī)BE型減震器為壓力承受型減震器，本項(xiàng)目為吊裝，風(fēng)機(jī)底座在電機(jī)上方，底座與支架之間需安裝拉力承受型的減震器，從而B(niǎo)E型減震器不適用于電池間風(fēng)機(jī)的安裝。通過(guò)與供貨商進(jìn)行充分的溝通，供貨商按照業(yè)主的要求設(shè)計(jì)出了新型適用于吊裝的拉力承受型減震器。

5 結(jié)束語(yǔ)

電池間屬于危險(xiǎn)氣體釋放型房間，除了考慮設(shè)備的防爆需求外，更應(yīng)從爆炸性氣體的稀釋、電氣設(shè)備對(duì)房間溫度的要求、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布置多方面考慮，從而確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和整個(gè)平臺(tái)的生產(chǎn)安全。