廠區(qū)常見氫氣站房類設(shè)施的建筑防爆設(shè)計(jì)

□趙坤輝

一、項(xiàng)目背景

在《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177-2005中，定義了三種與氫氣相關(guān)的建筑設(shè)施。一是氫氣站，采用相關(guān)的工藝(如水電解，天然氣轉(zhuǎn)化氣、甲醇轉(zhuǎn)化氣、焦?fàn)t煤氣、水煤氣等為原料氣的變壓吸附等)制取氫氣所需的工藝設(shè)施、灌充設(shè)施、壓縮和儲(chǔ)存設(shè)施、輔助設(shè)施及其建筑物、構(gòu)筑物或場(chǎng)所的統(tǒng)稱[1]。二是供氫站，不含氫氣發(fā)生設(shè)備，以瓶裝或/和管道供應(yīng)氫氣的建筑物、構(gòu)筑物、氫氣罐或場(chǎng)所的統(tǒng)稱[2]。三是氫氣灌裝站，設(shè)有灌充氫氣用氫氣壓縮、灌充設(shè)施及其必要的輔助設(shè)施的建筑物、構(gòu)筑物或場(chǎng)所的統(tǒng)稱[3]。

通過參與若干某工業(yè)廠區(qū)內(nèi)部氫氣儲(chǔ)存供應(yīng)類站房設(shè)施的設(shè)計(jì)工作，如氫氣增壓站、低壓氫氣儲(chǔ)存站、高壓氫氣儲(chǔ)存站等項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)施基本可以歸類為供氫站和氫氣灌裝站，其功能構(gòu)成、方案布局十分類似，而制作氫氣的氫氣站在已知的核電廠項(xiàng)目中很少出現(xiàn)。所以本文就以此類供氫站、氫氣灌裝站(以下簡(jiǎn)稱為此類建筑，低壓氫氣儲(chǔ)存站站房建筑較為簡(jiǎn)單，本文不做詳細(xì)介紹)為例進(jìn)行分析總結(jié)。

二、方案設(shè)計(jì)

此類建筑一般規(guī)模不大，功能也相對(duì)簡(jiǎn)單，主要通過控制室對(duì)氫氣進(jìn)行分配、裝瓶、儲(chǔ)存，為核電廠提供瓶裝氫氣。

由于此類建筑屬于《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為甲類的廠房，且屬于有爆炸危險(xiǎn)的廠房，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)置泄壓設(shè)施，“有爆炸危險(xiǎn)的廠房或廠房?jī)?nèi)有爆炸危險(xiǎn)的部位應(yīng)設(shè)置泄壓設(shè)施?！盵4]而《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50177—2005)有這樣的規(guī)定：“有爆炸危險(xiǎn)房間與無爆炸危險(xiǎn)房間之間，應(yīng)采用耐火極限不低于3.0h的不燃燒體防爆防護(hù)墻隔開。當(dāng)設(shè)置雙門斗相通時(shí)，門的耐火極限不應(yīng)低于1.2h?！盵5]所以，此類建筑方案在房間的功能布置時(shí)，由于功能相對(duì)簡(jiǎn)單且對(duì)防爆設(shè)計(jì)的要求較高，防爆設(shè)計(jì)屬于功能布置必須考慮的因素之一，并且應(yīng)該作為首要考慮的因素。

(一)功能布置中的防爆因素。供氫站、氫氣灌裝站的一般房間由充瓶間、壓縮及分配間、氣瓶間、控制間組成。這些房間可以分為兩類，一是控制操作類房間，此類房間通常只有一個(gè)房間且屬于無爆炸危險(xiǎn)類房間；另一類房間是氫氣灌裝、操作、存儲(chǔ)的功能性房間，此類房間通常可能有兩個(gè)或多個(gè)房間且屬于有爆炸危險(xiǎn)類房間。具體這些用房的排布主要由工藝專業(yè)設(shè)計(jì)，但受防爆因素的影響，也需要建筑專業(yè)進(jìn)行合理的調(diào)整。下面以某高壓氫氣儲(chǔ)存站為例進(jìn)行說明。

圖1圖2

如圖1所示，一般此類房間要與有爆炸危險(xiǎn)類房間用防爆防護(hù)墻分開布置，所以通常布置在整座建筑的一端，以盡量少占用有爆炸危險(xiǎn)房間的泄壓墻體面積為原則。上述高壓氫氣儲(chǔ)存站經(jīng)過計(jì)算，有爆炸危險(xiǎn)房間都已經(jīng)滿足泄壓面積的要求，假如氫氣瓶間泄壓面積不足，在滿足工藝需求的前提下可以有如下改良方案。方案一，將控制室布置在高壓氫氣貯存及分配間和氫氣瓶間之間，三個(gè)房間之間用耐火極限≥3小時(shí)的抗爆墻分隔，這樣可以為兩個(gè)有爆炸危險(xiǎn)房間每個(gè)房間贏得四個(gè)泄壓面(三個(gè)側(cè)墻面和一個(gè)屋頂面)。此方案類型可以總結(jié)為控制室在中間型，如圖2所示。方案二，將控制室布置在高壓氫氣貯存及分配間或氫氣瓶間側(cè)面山墻貼臨處，這樣可以為氫氣瓶間贏得一個(gè)面積更大的泄壓面。此方案類型與原設(shè)計(jì)類似，可以總結(jié)為控制室在端部型，只是房間布置時(shí)可以考慮預(yù)留更大的外墻面作為泄壓面，如圖3所示。

圖3

由上所述，可以總結(jié)得到如下結(jié)論，通常方案布置時(shí)無爆炸危險(xiǎn)房間在滿足工藝需求的條件下，宜布置在整座建筑的一端，以盡量少占用有爆炸危險(xiǎn)房間的泄壓墻體面積為原則進(jìn)行布置，具體到此類建筑方案布置中可以總結(jié)為控制室在中間型、和控制室在端部型。

(二)房間的防爆設(shè)計(jì)。從方案設(shè)計(jì)的角度上講，房間的防爆設(shè)計(jì)可以分為有爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)、無爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)。

1.有爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)。有爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)主要是對(duì)有爆炸危險(xiǎn)的房間進(jìn)行泄壓設(shè)計(jì)，《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)此有相關(guān)規(guī)定，“有爆炸危險(xiǎn)的廠房或廠房?jī)?nèi)有爆炸危險(xiǎn)的部位應(yīng)設(shè)置些壓設(shè)施”[4]，“泄壓設(shè)施宜采用輕質(zhì)屋面板、輕質(zhì)墻體和易于泄壓的門、窗等……”[6],這些泄壓設(shè)施的面積需要滿足最小限值，具體而言就是通過泄壓公式泄壓計(jì)算，也就是通過泄壓面積計(jì)算公式計(jì)算泄壓設(shè)施的面積需要滿足的最小值。然后，通過計(jì)算結(jié)果對(duì)房間初始設(shè)計(jì)的泄壓面積反向考慮，進(jìn)而對(duì)具體的尺寸設(shè)計(jì)甚至是房間布置進(jìn)行合理的調(diào)整。具體步驟以某氫氣增壓站氫氣壓縮及分配間的泄壓設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。

圖4

(1)房間泄壓面布置。如圖4所示，氫氣壓縮及分配間屬于有爆炸危險(xiǎn)房間，應(yīng)該考慮泄壓布置，實(shí)際設(shè)計(jì)中，三面墻體和房間屋頂四個(gè)面作為泄壓面。

(2)泄壓計(jì)算。房間長(zhǎng)約13.79m，橫截面周長(zhǎng)約27.76m,橫截面面積約48.18m2，長(zhǎng)徑比約為13.79X27.76/48.18X4=1.91，小于規(guī)定值3，所以可以直接應(yīng)用泄壓面積計(jì)算公式A=10CV2/3進(jìn)行泄壓計(jì)算，房間易燃易爆氣體為氫氣，C值取0.25，容積V經(jīng)計(jì)算約為664.40m3，那么A值(最小泄壓面積)公式計(jì)算如下，A=10X0.25X664.402/3=190.35m2，即此方案泄壓面積應(yīng)≥190.35m2。

(3)計(jì)算結(jié)果衡量。由房間泄壓面布置可知，本建筑氫氣壓縮及分配間的泄壓面有四個(gè)，經(jīng)計(jì)算四個(gè)泄壓面面積合計(jì)約為240m2，此結(jié)果大于泄壓計(jì)算中本房間應(yīng)滿足的最小泄壓面積190.35m2，泄壓設(shè)施的泄壓面積滿足規(guī)范要求。

(4)增加房間泄壓面積以滿足規(guī)范要求的方法。由前可知，本方案泄壓設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，如果本方案設(shè)計(jì)泄壓面積小于泄壓計(jì)算中由泄壓面積公式計(jì)算得出的值，即泄壓設(shè)施面積不能滿足規(guī)范要求的話，需要對(duì)房間尺寸進(jìn)行調(diào)整，增加設(shè)計(jì)泄壓設(shè)施的面積以滿足規(guī)范公式值的要求。

由泄壓面積公式A=10CV2/3可以看出體積與泄壓面積成反比關(guān)系，也就是說，增加長(zhǎng)、寬、高的單一或多個(gè)尺寸都可以增加建筑容積，增加建筑泄壓面面積，與此同時(shí)降低建筑的最小泄壓面積要求值，從而使得建筑實(shí)際設(shè)計(jì)泄壓面面積滿足(即大于等于)規(guī)范要求的最小泄壓面積(A值)的可能性提高。故此可以考慮通過增加長(zhǎng)、寬、高的某個(gè)或多個(gè)值以滿足規(guī)范對(duì)泄壓設(shè)施面積的要求。但是，在長(zhǎng)徑比突破3的情況下，還要對(duì)建筑進(jìn)行分段計(jì)算，所以為調(diào)整尺寸、計(jì)算權(quán)衡方便，通常不考慮增加建筑長(zhǎng)度，盡量避免長(zhǎng)徑比突破3，通常情況下是考慮增加寬、高兩項(xiàng)的尺寸。

2.無爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)。無爆炸危險(xiǎn)房間的防爆設(shè)計(jì)主要是抗爆墻設(shè)計(jì)?？贡瑝υO(shè)計(jì)主要是依據(jù)《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.6條規(guī)定，“有爆炸危險(xiǎn)房間與無爆炸危險(xiǎn)房間之間，應(yīng)采用耐火極限不低于3.0h的不燃燒體防爆防護(hù)墻隔開……”。為防止有爆炸危險(xiǎn)房間在發(fā)生危險(xiǎn)的情況下影響到無爆炸危險(xiǎn)房間，在兩者之間設(shè)置防爆防護(hù)墻即抗爆墻，通常由建筑專業(yè)確定抗爆墻的具體位置、范圍，由結(jié)構(gòu)或其他專業(yè)進(jìn)行具體的墻體設(shè)計(jì)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中在有爆炸危險(xiǎn)房間與無爆炸危險(xiǎn)房間之間、有爆炸危險(xiǎn)房間與有爆炸危險(xiǎn)房間之間都需要設(shè)置防爆防護(hù)墻，目的是避免其中某一間房間發(fā)生爆炸危險(xiǎn)時(shí)相關(guān)建筑構(gòu)件、泄壓設(shè)施等影響到其他房間。

三、細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于防爆設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，此類用房有一些需要注意的細(xì)部節(jié)點(diǎn)，這里將其中較為常見的類型總結(jié)如下。

(一)屋面及通風(fēng)設(shè)施。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.5條的規(guī)定，“散發(fā)較空氣輕的可燃?xì)怏w、可燃蒸汽的甲類廠房，宜采用輕質(zhì)屋面板作為泄壓面積。頂棚應(yīng)盡量平整、無死角，廠房上部空間應(yīng)通風(fēng)良好?！盵7]《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177-2005規(guī)范中第7.0.10條規(guī)定，“有爆炸危險(xiǎn)房間的上部空間，應(yīng)通風(fēng)良好。頂棚內(nèi)表面應(yīng)平整，避免死角?！盵8]第7.0.11條規(guī)定，“制氫間、氫氣壓縮機(jī)間、氫氣純化間、氫氣灌瓶間等的廠房跨度大于9.Om時(shí)，宜設(shè)天窗。天窗、排氣孔應(yīng)設(shè)在最高處?！盵9]

由于氫氣比空氣輕，所以對(duì)于此類建筑通?？蓛?yōu)先考慮將屋面板作為泄壓面，而為得到良好的排除氫氣的通風(fēng)效果，此類建筑中有爆炸危險(xiǎn)的房間通常采用坡屋頂，并在屋頂最高點(diǎn)設(shè)置通風(fēng)排氣設(shè)施，如圖5所示，若建筑所在地區(qū)無較大風(fēng)沙雨雪，本類項(xiàng)目通常優(yōu)先采用壓型鋼板屋面開敞式采光通風(fēng)屋脊(圖5中A)，若建筑所在地區(qū)有較大風(fēng)沙雨雪，可采用壓型鋼板屋面避風(fēng)式采光通風(fēng)屋脊(圖5中B)。

圖5 有爆炸危險(xiǎn)房間屋面剖面示意

(二)抗爆墻與泄壓構(gòu)件銜接處理?？贡瑝κ欠指粲斜ㄎｋU(xiǎn)房間和無爆炸危險(xiǎn)房間的防爆防護(hù)墻，有時(shí)也是分隔兩間有爆炸危險(xiǎn)房間的防爆防護(hù)墻。無論哪種情況，抗爆墻都需要將兩側(cè)房間的構(gòu)件完全分隔開來，充分發(fā)揮防爆防護(hù)作用。下面以前文所述某高壓氫氣儲(chǔ)存站為例進(jìn)行分析。

圖6 某高壓氫氣站平面示意

1.抗爆墻和泄壓墻的關(guān)系處理。如圖6所示，泄壓墻A、泄壓墻B、普通墻A三者應(yīng)該由抗爆墻A、抗爆墻B完全分隔開，這樣可以避免其中一間房間發(fā)生爆炸墻體泄壓時(shí)對(duì)相鄰另一間房間的泄壓墻體產(chǎn)生影響。

圖7 某高壓氫氣站剖面示意

2.抗爆墻和泄壓屋面板的關(guān)系處理。如圖7所示，泄壓屋面A、泄壓屋面B、普通屋面三者應(yīng)該由抗爆墻A、抗爆墻B完全分隔開，這樣可以避免其中一間房間發(fā)生爆炸屋面板泄壓時(shí)對(duì)相鄰另一間房間屋面構(gòu)件、泄壓構(gòu)件產(chǎn)生影響。

由上述分析，可以得到如下結(jié)論，即抗爆墻要將相鄰兩個(gè)房間的建筑構(gòu)件、泄壓構(gòu)件完全分隔開，以避免有爆炸危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，泄壓構(gòu)件由于銜接不妥而相互影響。

(三)無爆炸危險(xiǎn)房間出入口防爆。無爆炸危險(xiǎn)房間出入口的布置應(yīng)遠(yuǎn)離有爆炸危險(xiǎn)房間的泄壓設(shè)施，如圖6所示，最好不在同一方向，控制室的疏散口與高壓氫氣貯存及分配間、氫氣瓶間的泄壓設(shè)施布置間距較遠(yuǎn)、不在同一方向。當(dāng)沒有遠(yuǎn)離布置的條件時(shí)，可考慮在出入口與有爆炸危險(xiǎn)房間泄壓設(shè)施之間設(shè)置防爆防護(hù)墻，如圖4所示，電控間疏散口A與氫氣充瓶間泄壓墻相鄰，所以將抗爆墻外伸，避免氫氣充瓶間有爆炸危險(xiǎn)時(shí)泄壓設(shè)施對(duì)疏散口A區(qū)域產(chǎn)生影響，由此，抗爆墻外伸達(dá)到防爆防護(hù)、保護(hù)人員疏散安全的目的。

四、材料選用

基于防爆設(shè)計(jì)的要求，建筑的部分構(gòu)件和裝修材料都要有一些特殊的要求，這些材料基本上可以分為兩類：泄壓材料與裝修材料。

(一)泄壓材料。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.3條的規(guī)定，“泄壓設(shè)施宜采用輕質(zhì)屋面板、輕質(zhì)墻體和易于泄壓的門、窗等，應(yīng)采用安全玻璃燈在爆炸時(shí)不產(chǎn)生尖銳碎片的材料……作為泄壓設(shè)施的輕質(zhì)屋面板和墻體的質(zhì)量不宜大于60kg/m2”[6]。通常此類建筑屋頂、墻體采用的泄壓材料通常為金屬面夾芯板輕質(zhì)屋面板、彩鋼夾心板輕質(zhì)墻體和易于泄壓的門窗(≤60kg/m2)。門窗通常采用易于開啟的門窗，并且外開，為防止產(chǎn)生撞擊火花通常采用噴塑工藝。門窗玻璃采用安全玻璃防止爆炸時(shí)產(chǎn)生尖銳碎片。

(二)裝修材料。本類項(xiàng)目中需要注意的特殊裝修做法，主要是指地面做法。通常在有爆炸危險(xiǎn)房間內(nèi)，為防止地面產(chǎn)生火花引起爆炸危險(xiǎn)，其地面裝修做法采用不發(fā)火細(xì)石混凝土面層地面做法，踢腳裝修做法采用不發(fā)火水泥砂漿踢腳。無爆炸危險(xiǎn)房間一般是控制室、電控室之類的操作控制室，此類房間一般有弱電防靜電的要求，通常地面裝修采用防靜電面層的地面做法，如防靜電水泥砂漿面層地面做法。

五、結(jié)語

總體來說，本文對(duì)核電廠中的常見氫氣站房類設(shè)施的建筑防爆設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，分別從方案設(shè)計(jì)、細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、材料選用三個(gè)角度對(duì)此類建筑的防爆設(shè)計(jì)加以分析并總結(jié)了相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，以期為今后同類廠房的設(shè)計(jì)提供一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參考。