氢气使用实验室防火设计探讨

刘虎平，崔家文，李秀，王学思，苗献锋

（中核第四研究设计工程有限公司，石家庄 050021）

1 引言

高校和科研院所是培养高素质人才的重要基地， 而化学实验室是实验实训基地的重要组成部分， 是师生完成化学化工教学和科研任务的重要场所。 该场所常常涉及易燃易爆有毒危险品， 存在不小的安全隐患。 高校实验室近年来事故频发，引起了各级单位的重视，经过多年摸索，根据实验室的运行管理特点，逐渐建立健全了化学实验室安全规程。

但是，实验室安全主要受实验工艺、工程设计和运行管理3 方面影响， 而工程设计和运行管理是围绕实验工艺开展的。工程设计和运行管理相辅相成，互相补充，缺一不可。 工程设计标准规范的安全要求是综合我国当前的经济、社会、管理等水平制定而成， 若设计单位仅仅秉承严格执行国家标准规范的原则， 而不充分考虑使用单位的实验制度和实际运行管理水平，看似免除了事故的设计责任，但会对用户后续的安全管理造成较大的负担。 另外，当前国内的标准规范针对实验室防爆防火的要求不够明确， 各设计单位和各地消防部门对规范的理解、把握尺寸度也不尽相同，可能出现同一功能规模的实验室由不同单位设计，由不同地方消防部门验收，消防设计方案不一的情况，易造成设计人员困惑。

因此， 本文结合某科研院所化学实验室工程防火防爆设计，对执行标准规范的量度进行分析探讨。

2 氢气爆炸研究实验室简介

2.1 工程概况

某科研院所根据科研生产任务需求， 申报建设了一座模拟实验设施（简称实验设施）。 该设施建筑面积约600 m2，为单层混凝土框架结构， 主要布置了放射性泄漏研究实验室及卫生出入口、高效过滤器失效研究实验室、氢气爆炸研究实验室（简称氢气实验室）、有机相燃烧研究实验室、控制室、门厅、送风机房、配电室、排风机房、卫生间等。

实验设施平面呈矩形，建筑长36.6 m，宽16.4 m，地上1 层，层高6.5 m，建筑高度7.95 m。 氢气实验室布置于矩形短边一侧，长16.4 m，宽6.0 m，无吊顶，三面墙体对外，另一侧与其他实验室相邻，设隔墙。①～③轴墙体设置外开平开门两樘。

2.2 实验工艺

氢气实验室主要功能为： 开展某类事故应急评价需要的释放源项估算模型和基础参数的实验研究。 实验装置主要组成有：贮罐模拟系统、测试系统、监视系统、辅助系统等。

贮罐模拟系统是氢气爆炸实验的主体， 包括爆炸试验容器、点火器、爆破片、氢气进口、空气进口、进液口，排液口、排气口以及相应的管线、阀门等。 试验容器设计压力为2 MPa。压力超过1 MPa 时，贮罐自动泄压。

实验流程主要步骤如下： 检查装置气密性—吹扫系统—充氢—充空气—点火，测量实验数据—清洗系统。

实验装置用气主要为氢气和氮气，均为气瓶供气，气瓶贮存于三气瓶位的报警气瓶柜中，置于实验室内。 设备布置如图1 所示。

图1 氢气实验室平面布置

2.3 实验频次

根据科研生产需求，实验频次约10～20 次/a。

2.4 建筑物定性和危险源识别

该建筑物定性为科研建筑。 涉及甲类物质氢气和戊类物质氮气、空气。

氢气为易燃气体，存在爆炸危险，爆炸极限是4.0%～75.6%，最大爆炸压力为740 kPa， 产生最大爆炸压力浓度为32.3%。氮气为不燃气体，但是一旦泄漏至室内，易导致人员窒息。

3 国内相关标准规范分析应用

3.1 JGJ91—2019 应用

JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》[1]涉及防爆安全的条款主要为5.2.3～6.2.6 条。 除5.2.3 条外，其他要求均较为具体，设计可直接落实。5.2.3 条文解释规定了关于量的控制，参考国际上的相关规范和标准， 建议在科研建筑内的危险化学品控制不超过10 d 的实验用量，同时建议易燃可燃液体不超过4 L、易燃气体不超过2.2 m3。 超过上述的量，应考虑设置防护单元与其他区域安全隔离。

另外，在该标准第10 章气体管道中对气体使用做了专门规定。 本工程实验室氢气日用量不超过1 m3（标准大气压），不超过1 瓶（40 L，15 MPa），因此，采用将气瓶布置在实验室内的设计方案，符合该标准规定。 结合5.2.3 条的规定，可降低氢气灌装量或灌装压力的方式使氢气体积不超过建议量， 或者使用10 L 及以下规格氢气瓶。

该标准10.4.2 规定：若使用高压气体或可燃气体，应有相应的安全措施，并应符合国家规定。 符合国家规定的安全措施和10.4.1 条所述的气瓶安全防护措施并未在该规范及条文解释中予以明确。 这使得如何从众多标准规范中选择适用的条文成为衡量设计单位对标准规范尺度把握的关键。 以下对相关规范中的条文及适用性逐一分析， 作为氢气实验室安全设计方案的依据。

3.3 GB50016—2014 应用

现行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[2]中“实验室”字样共出现8 次，其中，正文出现1 次，即3.1.2 条。 该条规定了可不按使用介质的火灾危险类别的厂房或实验室内单位容积的最大允许量，就氢气而言，与房间体积的最大容许值为1 L/m3，总量为25 m3。 若氢气单次使用量超过上述值，则应按照甲类厂房（实验室）的要求进行设计，其中最重要的就是泄爆面积。

氢气实验室体积约639 m3，最大允许使用量为0.64 m3（标准大气压）。 若实验室火灾危险类别不定义为甲类实验室，则实验室氢气瓶应使用5 L 及以下规格气瓶， 或使用氢气发生器。 对该实验室，这样做难以满足单次实验用量，并增加了搬运、安装、拆卸气瓶的工作及相关风险，不利于科研生产活动。

若定义为甲类厂房（实验室），所需泄爆面积为183 m2。1-3 轴/A 轴墙体为隔爆墙，不作为泄爆面。 其他3 面墙体总面积为182 m2，低于标准要求，应在屋顶开设不小于1 m2的泄爆窗。

3.4 GB4962—2008 应用

GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》[3]规定了气态氢在使用、置换、储存、压缩与充（灌）装、排放过程以及消防与紧急情况处理、安全防护方面的安全技术要求，理论上适用于氢气实验室设计。 该规范对建筑物的要求着墨不多， 需依托GB 50016 进行设计。 其中，关于氢气瓶储存和使用的要求为6.3.5～6.3.6 条。6.3.5 条引用了4.1.5 条对通风条件作出了规定：保证氢气在空气中的浓度不超过1%（体积）。在实际中，通常执行JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》10.4.1 的规定。 经过实践证明，12 次/h 的换气次数能够满足绝大多数情况的通风需求。

4 NFPA相关法规要求及应用分析

4.1 NFPA45 相关要求

NFPA45《化学药品实验室的防火保护》[4]是美国国家消防协会（简称NFPA）发布的一系列消防标准之一。该标准规定了实验室单元中不同危险性质化学品的数量与对应的火灾危险类别，实验室单元按照火灾危险类别分为A（高火灾危险）、B（中等火灾危险）、C（低火灾危险）和D（极小火灾危险）4 类。分别规定了上述类别实验室存储和使用气瓶的预期数量。 该标准将气瓶分为两类：在用和非在用。 后者不得存放在实验室单元中，应存放在实验室单元之外，并符合NFPA 55 的要求。氢气瓶用保存在符合NFPA55 规定的气体室、 经批准的气体柜或排气罩内（与GB 50646 基本一致）。该标准特别规定了区别于其他实验室的教育实验室的压缩和液化气体数量限制：（1）可燃气体不得超过2.8 m3；（2）氧化气体的最大数量不得超过2.8 m3；（3）允许使用最多两瓶0.5 kg 的液化可燃气体气瓶；（4）不允许使用NFPA 55 规定的毒性或剧毒的气体。

4.2 NFPA55 相关要求分析及应用

NPFA55《压缩气体和低温流体规范》[5]是NFPA 发布的一系列消防标准之一。 标准规定，如果存储的可燃气体（包括氢气）不超过250 ft3（约7 m3），应符合下列要求：

1） 所在区域应与其他区域使用耐火极限不小于1 h 的墙体、耐火极限不小于2 h 的楼板隔开（特殊情况除外）。

2）应设置FLS 批准的机械通风系统或自然通风。

3）机械通风、报警、探测或其他用电系统应配备应急或备用电源，否则需安装失效安全工程系统。

4）容器、管道和设备需要经过批准和维护。 不得使用铸铁管道。

5）危险识别、“禁止吸烟”和“压缩气体”标志要求安装在含有危险材料的区域的所有入口处。 危险识别标志也应位于每个压缩气瓶上。

6）压缩气体容器、气瓶和储罐应固定，以防止因接触、振动或地震活动而导致坠落。

7）可燃材料和氢气罐必须隔开约3 m 的距离，或在可燃材料使用区域上方和侧面延伸不小于约0.45 m 的不燃墙。

8）氢气罐应与不相容材料（如氧气）隔开约6 m 的距离，或与耐火等级至少为0.5 h 的不燃墙体隔开，该不燃墙体在气瓶上方和侧面延伸不小于0.45 m。

本工程氢气实验室使用和存储的氢气量为6 m3（标准大气压），未超过NFPA 55 规定最大量（MAQs）。 改进方案后实验室主要设备材料见表1。可见，除通风系统供电外，其他均满足要求。

表1 改进前后方案主要设备材料对比

5 结语

化学实验室的设计是一项复杂的系统工程，涉及专业广、技术难度大， 因其操作使用的物料种类繁多、 用安全风险不一，因此，需针对具体需求，选择适用标准，并进行针对性设计。 本文结合工程实例， 以某使用氢气的化学实验室作为对象，梳理了国内相关设计标准规范，并就其具体适用性进行了分析。 另外，还对比了美国国家消防协会（NFPA）的相关法规要求与该工程设计的符合性，供设计参考。