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        氫氣使用實(shí)驗(yàn)室防火設(shè)計(jì)探討

        2024-03-09 13:18:30劉虎平崔家文李秀王學(xué)思苗獻(xiàn)鋒
        關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范氣瓶氫氣

        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(jì)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(chǎng)所。 該場(chǎng)所常常涉及易燃易爆有毒危險(xiǎn)品, 存在不小的安全隱患。 高校實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)事故頻發(fā),引起了各級(jí)單位的重視,經(jīng)過(guò)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(jì)和運(yùn)行管理3 方面影響, 而工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理是圍繞實(shí)驗(yàn)工藝開展的。工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理相輔相成,互相補(bǔ)充,缺一不可。 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全要求是綜合我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、管理等水平制定而成, 若設(shè)計(jì)單位僅僅秉承嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)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(jì)責(zé)任,但會(huì)對(duì)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(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范針對(duì)實(shí)驗(yàn)室防爆防火的要求不夠明確, 各設(shè)計(jì)單位和各地消防部門對(duì)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(jì),由不同地方消防部門驗(yàn)收,消防設(shè)計(jì)方案不一的情況,易造成設(shè)計(jì)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(jì),對(duì)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(jiǎn)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(bào)建設(shè)了一座模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)施(簡(jiǎn)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(guò)濾器失效研究實(shí)驗(yàn)室、氫氣爆炸研究實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)16.4 m,寬6.0 m,無(wú)吊頂,三面墻體對(duì)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(píng)價(jià)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(cè)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(jì)壓力為2 MPa。壓力超過(guò)1 MPa 時(shí),貯罐自動(dòng)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(cè)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)?,均為氣瓶供氣,氣瓶貯存于三氣瓶位的報(bào)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(xiǎn)源識(shí)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)?、空氣?/p>

        氫氣為易燃?xì)怏w,存在爆炸危險(xiǎn),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(guó)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(jì)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(jì)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(guó)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(xiǎn)化學(xué)品控制不超過(guò)10 d 的實(shí)驗(yàn)用量,同時(shí)建議易燃可燃液體不超過(guò)4 L、易燃?xì)怏w不超過(guò)2.2 m3。 超過(guò)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(duì)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(guò)1 m3(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓),不超過(guò)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(jì)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(guò)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(guó)家規(guī)定。 符合國(guó)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(jì)單位對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尺度把握的關(guān)鍵。 以下對(duì)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(jì)方案的依據(jù)。

        3.3 GB50016—2014 應(yīng)用

        現(xiàn)行GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(guò)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(jì),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(xiǎn)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(duì)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(xiǎn),不利于科研生產(chǎn)活動(dòng)。

        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(chǔ)存、壓縮與充(灌)裝、排放過(guò)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(jì)。 該規(guī)范對(duì)建筑物的要求著墨不多, 需依托GB 50016 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 其中,關(guān)于氫氣瓶?jī)?chǔ)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(duì)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(guò)1%(體積)。在實(shí)際中,通常執(zhí)行JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》10.4.1 的規(guī)定。 經(jīng)過(guò)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(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)(簡(jiǎn)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(xiǎn)性質(zhì)化學(xué)品的數(shù)量與對(duì)應(yīng)的火災(zāi)危險(xiǎn)類別,實(shí)驗(yàn)室單元按照火災(zāi)危險(xiǎn)類別分為A(高火災(zāi)危險(xiǎn))、B(中等火災(zāi)危險(xiǎn))、C(低火災(zāi)危險(xiǎn))和D(極小火災(zāi)危險(xiǎn))4 類。分別規(guī)定了上述類別實(shí)驗(yàn)室存儲(chǔ)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(guò)2.8 m3;(2)氧化氣體的最大數(shù)量不得超過(guò)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(chǔ)的可燃?xì)怏w(包括氫氣)不超過(guò)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(bào)警、探測(cè)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(guò)批準(zhǔn)和維護(hù)。 不得使用鑄鐵管道。

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

        6)壓縮氣體容器、氣瓶和儲(chǔ)罐應(yīng)固定,以防止因接觸、振動(dòng)或地震活動(dòng)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?jí)Α?/p>

        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(jí)至少為0.5 h 的不燃?jí)w隔開,該不燃?jí)w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(chǔ)的氫氣量為6 m3(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓),未超過(guò)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(duì)比

        5 結(jié)語(yǔ)

        化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)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(xiǎn)不一,因此,需針對(duì)具體需求,選擇適用標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。 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(duì)象,梳理了國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)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(duì)比了美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)(NFPA)的相關(guān)法規(guī)要求與該工程設(shè)計(jì)的符合性,供設(shè)計(jì)參考。

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