涉氢厂房通风的设计分析与探讨

鲍景卫

（神华工程技术有限公司，安徽 合肥）

概述

氢是一种重要的工业原料，也是重要的工业气体和特种气体，同时也是一种理想的二次能源；在石油化工、电子工业、冶金工业、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用，涉氢厂房在工程设计中日益增多；氢气的密度极低，只有空气的1/14，是世界上已知密度最小的气体；同时氢气也是一种极易燃的气体、与空气混合后的燃烧浓度极限的范围很宽；氢气无色无味、密度极轻，扩散能力较强，极易聚集在厂房上部区域；基于上述特点，本研究针对不同类型的涉氢厂房的通风设计进行分析与探讨。

1 涉氢厂房特点及要求

1.1 涉氢厂房的特点

涉氢厂房类型较多，按其楼层高度一般主要为单层、多层厂房，特殊情况下还可能存在高层厂房；按厂房外围护结是否封闭，分为封闭厂房和敞开（半敞开）厂房；涉氢厂房的主要危险介质可能为H2单一介质或其它多种有害介质并存的情况。

1.2 针对涉氢厂房通风措施的一些特殊规定及要求

除一般的甲乙类厂房通用要求和规定外，涉氢厂房通风还应注意如下要求及规定：

文献[1] 6.3.10：“排除氢气与空气混合物时，吸风口上缘与顶棚平面或屋顶的距离不应大于0.1 m”、“应建筑构造形成的有爆炸危险气体排出的死角处应设导流设置”。

文献[2] 6.4.2：“具有自然通风的单层建筑，可燃气体密度小于空气，宜设置事故送风系统”。

文献[3] 5.5.4：“对于具有自然通风的单层建筑（装有风帽或天窗），可设置送风式事故通风，通风量不小于12 次/h”。

2 涉氢厂房通风方案的分析与探讨

根据厂房的楼层高度、建筑围护结构是否封闭以及厂房内主要危险介质特点等因素，下面对不同类型厂房的通风方案进行分析与探讨。

2.1 厂房通风量的确定

2.1.1 平时通风量的确定

涉氢厂房均属于易燃易爆的甲乙类的生产厂房，根据文献[1]- 文献[3]等相关规范要求厂房需设置平时通风及事故通风系统；平时通风量可按稀释通风量计算法和换气次数计算法确定。其中稀释通风量计算法需根据有害物的放散量和国家卫生标准规定的车间空气有害物的容许浓度进行计算，计算公式（1）如下[2]：

式中：L- 计算通风量（m3/h）；W- 车间内有害气体散发量（kg/h）；M- 有害物质的分子量；TLV-车间有害物质的容许浓度（按国家卫生标准确定）；K- 风量修正系数，根据车间内的气流组织状态和有害物的危害程度确定，取值范围3～11，可参考文献[2]附录B.2 选取。

由于厂房工艺生产较为复杂，很难确定阀门、法兰以及设备密封面可能放散的有害物的量；故一般均采用换气次数计算法确定，换气次数计算法计算公式如下：

式中：L- 计算通风量（m3/h）；n- 换气次数的取值，可参考文献[1]中附录C、D 选取，或参考文献[2]中附录B.1～B.3 选取；S- 房间的面积（m2）；H- 房间的高度（高度大于6 m 时，取值6 m；高度小于6 m 时取实际高度值）。

当涉氢厂房的有害介质仅为H2时，按上述方法计算平时通风量即可；当车间还存在其它有害介质时，还应按下述原则进行计算复核：数种溶剂的蒸汽或数种刺激性气体同时散于空气中可产生相加作用，通风换气量应按各种气体所需的空气量的总和计算；除上述情况外，通风量应仅按需要空气量最大的有害物计算。

2.1.2 事故通风量的确定

事故通风量按换气次数计算法进行计算，换气次数应不小于12 次/h，事故通风量可由平时通风和另设的事故通风共同保证；若厂房为泵房或压缩机厂房类，应在正常排风量外，再附加不小于8 次/h 的事故排风量，且总风量须满足不小于12 次/h 的换气风量，计算方法及要求参见上述公式（1）。

2.2 涉氢厂房上部排风系统典型方式及措施

2.2.1 厂房通风量分配及风口原则及要求

厂房的通风量分配应遵循以下原则：

（1） 当放散气体的相对密度小于或等于0.75，视卫比室内空气轻，或虽比室内空气重但建筑内放散的显热能全年形成稳定的上升气流时，宜从房间上部区域排出。

（2） 当放散气体的相对密度大于0.75，视为比空气重，且建筑放散的显热不足以形成稳定的上升气流而沉积在下部区域时，宜从下部区域或排出总排风量的2/3、上部区域排出总排风量的1/3。

（3） 上、下部区域的排风量中应包括该区域的局部排风量，地面以上2 m 为上部区域，以下应为下部区域。

排风口的布置应遵循以下原则：

（1） 排风口应尽量设置在有害介质散发量大或聚集较多的区域。

（2） 吸风口上缘均顶棚或屋顶平面的间距不大于0.1 m。

（3） 位于房间下部区域的吸风口，其下缘均地面间距不大于0.3 m。

（4） 因建筑物结构造成有爆炸危险气体的排除死角处，应设置导流设施。

2.2.2 厂房通风方案的设计原则及要求

涉氢厂房常见结构形式为单层或多层厂房，其屋面的结构形式为混凝土屋面或轻钢结构屋面；不同类型的厂房还应根据厂房内可能散发的有害物的介质的特性，根据2.2.1 节风量分配和风口布置的要求进行设置[4-5]。

（1） 对于厂房的有害介质仅为H2或含有其他有害介质但密度均小于空气密度0.75 倍时，可仅设置上排风口且须满足“吸风口上缘与顶棚平面或屋顶的距离不应大于0.1 m”要求，厂房的上排风口主要采用以下方式。

图1、图2 上排方案主要适用于单层轻钢屋面的厂房或当多层厂房屋面采用轻钢屋面时的顶层部分；其中图2 所示的方案，屋顶排风机直接安装于屋面，优点：实施简单，风机的布置对厂房内的空间及工艺设备管道无任何影响；缺点：屋顶排风机需在屋面开洞，若施工时封堵及防水措施处理不当容易造成屋面渗漏水。其中图1 所示的方案，管道排风机吊装于室内屋面下，通过风管连接排风口；优点：排风口可以多点均匀布置，排风效果更好；缺点：排风管道及风口较多，占用厂房空间且可能影响工艺管道设备，排风系统较为复杂。屋面为混凝土的单多层厂房，因需满足排风口距屋面及楼板间距不大于100 mm 的要求，混凝土楼板结构梁的影响，只能采用如图3 所示的排风方式。

图1 轻钢屋面屋顶风机上排风口示意

图2 轻钢屋面管道风机上排风口示意

图3 混凝土屋面管道风机上排风口示意

（2） 对于轻钢屋面厂房且屋面设置通风天窗或风帽等自然通风措施时，可结合平时自然通风措施，设置送风式事故通风系统，如图4 所示的通风方案。

图4 送风式事故通风系统示意

本方式特点是机械通风与自然通风相结合，实施简单方便，可兼顾平时自然通风，有利于节能；但本通风方式仅适用于厂房内的有害介质的相对密度均小于空气且厂房为单层轻钢屋面并屋面设置通风天窗或风帽等自然通风措施的情况。

（3） 对于厂房的有害介质除H2外，还有其它密度大于空气的有害介质时，则应参考上述2.2.1 节的原则和要求设置上、下排风口，一般为下述三种通风方案，如图5 至图7 所示。

图5 事故通风方案一示意

图6 事故通风方案二示意

图7 事故通风方案三示意

图5 至图7 所示的方案为常用的三种通风方式，上排部分风口可采用屋顶排风机或管道风机实现，下排部分可采用管道风机下接排风口或采用边墙风机直接外排至室外，采用边墙风机安装实施方便，但对于进深大或仅单面有外墙的房间排风效果稍差；管道风机下接排风口的方式，可根据厂房车间的情况灵活设置下排风口，气流组织较好，但风管系统较为复杂，排风管道大及风口较多，占用厂房空间且可能影响工艺管道设备。

（4） 防止H2上部聚集的措施

由于氢气的密度极小，易在厂房上部区域聚集，因此应合理采取有效的防聚集措施：a.对于轻钢屋面厂房，上排风口应尽量在屋脊处多布置排风口；同时应该保证在两组结构钢梁围合的区域内应有上排风口。b.对于混凝土楼面的单、多层厂房，应尽量保证每个“#”梁格区域设置上排风口，因工艺设备布置要求不能设置排风口的区域，应在“#”梁格区域设置格栅孔，以利于H2向上部扩散，防止其聚集。

3 结论

由于氢气易燃易爆、密度小且易聚集、扩散能力较强等特点，合理、有效的通风措施关系到厂房的安全运行及工程投资费用；本研究通过对不同结构形式和类型的涉氢厂房的通风方式进行分析和探讨，为类似项目的工程设计提供一定的参考，通风设计应根据项目的实际情况并结合当地的环评、安评要求进行综合考虑，制定经济合理、有效的通风措施。