蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異分析與優(yōu)化研究

趙維剛 陳慶偉 胥金坤 張浩

國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

電力是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)命脈，數(shù)據(jù)中心則是近年來炙手可熱的新基建，電力行業(yè)和數(shù)據(jù)中心蓄電池室作為應(yīng)急保障電源，其安全運(yùn)行的重要性不言而喻。蓄電池在嚴(yán)重過充時(shí)，會將水電解成氫、氧氣體，并釋放至室內(nèi)。在 1個(gè)大氣壓，15～20 ℃的空氣環(huán)境中，氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度）。如果氫氣在空氣中的體積濃度在 4.0%～75.6%之間時(shí)，遇火源就會爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于 4.0%或大于 75.6%時(shí)，即使遇到火源，也不會爆炸。做好蓄電池室的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對于安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定差異

不同行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范對蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定有差異，即使同為電力行業(yè)，發(fā)電廠和變電站的設(shè)計(jì)規(guī)范對蓄電池室的通風(fēng)設(shè)計(jì)要求也不相同。

現(xiàn)行《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5035-2016（以下簡稱《電暖規(guī)》）對蓄電池室的通風(fēng)設(shè)計(jì)作出了具體規(guī)定?！峨娕?guī)》6 .2.2對閥控密封式蓄電池室通風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定條文[1]引述如下：

當(dāng)室內(nèi)未設(shè)置氫氣濃度檢測儀時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量應(yīng)按換氣次數(shù)不少于每小時(shí)3次計(jì)算。事故排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量應(yīng)按換氣次數(shù)不少于每小時(shí)6次計(jì)算。平時(shí)通風(fēng)用排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量宜按2×100%配置，事故排風(fēng)機(jī)可由兩臺平時(shí)通風(fēng)用排風(fēng)機(jī)共同保證。

2）當(dāng)室內(nèi)需要采取降溫措施時(shí)，應(yīng)采用直流式降溫通風(fēng)系統(tǒng)。

當(dāng)室內(nèi)設(shè)置氫氣濃度檢測儀時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）事故排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量應(yīng)按換氣次數(shù)不少于每小時(shí)6次計(jì)算。

2）事故排風(fēng)機(jī)應(yīng)與氫氣濃度檢測儀聯(lián)鎖，當(dāng)空氣中氫氣體積濃度比達(dá)到1%時(shí)，事故通風(fēng)機(jī)應(yīng)能自動投入運(yùn)行。

3）當(dāng)室內(nèi)需要采取降溫措施時(shí)，降溫設(shè)備可采用防爆型空氣調(diào)節(jié)裝置，并應(yīng)與氫氣濃度檢測儀聯(lián)鎖。

現(xiàn)行《220kV-750kV 變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL5218-2012（以下簡稱《變電規(guī)》）對蓄電池室的通風(fēng)設(shè)計(jì)作出了具體規(guī)定?！蹲冸娨?guī)》8 .2.5 相關(guān)條文[2]引述具體如下：

1）防酸隔爆蓄電池室的通風(fēng)應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng)，通風(fēng)量按空氣中最大含氫量（按體積計(jì)）不超過 0.7%計(jì)算，換氣次數(shù)不應(yīng)少于每小時(shí)6次……

2）免維護(hù)蓄電池的通風(fēng)設(shè)計(jì)，按換氣次數(shù)每小時(shí)不少于3次的事故排風(fēng)裝置，事故排風(fēng)裝置可兼做通風(fēng)用。

《35kV-110kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50059-2011中4.5.4對蓄電池室的通風(fēng)設(shè)計(jì)的規(guī)定[3]與《220kV-750kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL 5218-2012 中 8.2.5 規(guī)定[2]是一致的。

現(xiàn)行《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017 中并沒有蓄電池室的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)具體規(guī)定[4]，僅在《數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》T/CECS487-2017 第9.0.10 規(guī)定[5]：設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)的電池間，應(yīng)設(shè)置排風(fēng)裝置，換氣次數(shù)不宜小于0.5次/h。

個(gè)人認(rèn)為同為蓄電池室的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容不應(yīng)有較大差異，應(yīng)綜合各規(guī)范相關(guān)規(guī)定，通過分析研究對蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行統(tǒng)一和優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

現(xiàn)在工程中采用的蓄電池基本都為閥控密封式鉛酸（免維護(hù)）蓄電池，該蓄電池為密封結(jié)構(gòu)，在正常充、放電時(shí)，基本沒有氫氣產(chǎn)生。在嚴(yán)重過充狀態(tài)下，會將蓄電池內(nèi)的水分解成氫氣和氧氣，當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值，為安全起見，蓄電池會打開單向安全閥，排出少量氣體至室內(nèi)空氣中，大部分氫氣仍在蓄電池內(nèi)部并與氧氣進(jìn)行再化合反應(yīng)[6]。據(jù)《電暖規(guī)》相關(guān)條文說明[1]，蓄電池室所需平時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)不到1次/h，在極端過充事故時(shí)所需通風(fēng)換氣次數(shù)約4.5次/h。

《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2015（以下簡稱《工規(guī)》）6 .4 對事故通風(fēng)的規(guī)定為[7]：對可能突然放散大量有毒氣體、有爆炸危險(xiǎn)氣體或粉塵的場所，應(yīng)設(shè)置事故通風(fēng)系統(tǒng)，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于12次/h。而根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果[8-9]可知，蓄電池室采用的閥控密封式鉛酸蓄電池的析氫速率是非常緩慢的，正常工作條件下達(dá)到氫氣爆炸下限需48-84d，異常狀態(tài)2.4V浮充條件下達(dá)到氫氣爆炸下限需 1-2d，實(shí)際上氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需的時(shí)間要遠(yuǎn)大于以上計(jì)算值。所以《工規(guī)》中的事故通風(fēng)和蓄電池室的事故排風(fēng)不是一個(gè)概念，蓄電池室不存在突然放散大量爆炸危險(xiǎn)氣體的情況。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）2018 年版強(qiáng)制條文8.4.3規(guī)定[10]：“ 建筑內(nèi)可能散發(fā)可燃?xì)怏w、可燃蒸汽的場所應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警裝置?！薄痘馂?zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50116-2013 中 5.2.11 規(guī)定[11]：“下列場所宜選擇可燃?xì)怏w探測器：… …3其他散發(fā)可燃?xì)怏w和可燃蒸汽的場所”。蓄電池室屬可能散發(fā)可燃?xì)怏w、可燃蒸汽的場所，故原則上蓄電池室應(yīng)設(shè)置氫氣濃度檢測報(bào)警裝置，平時(shí)蓄電池室內(nèi)空氣中沒有氫氣或氫氣濃度較小時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)可以不運(yùn)行，只有當(dāng)報(bào)警裝置報(bào)警時(shí)，才聯(lián)鎖啟動通風(fēng)系統(tǒng)。這樣做有如下好處：

1）平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)不運(yùn)行，可節(jié)省通風(fēng)系統(tǒng)電耗。

2）夏季通風(fēng)系統(tǒng)不運(yùn)行，可節(jié)省由于排風(fēng)而帶來的冷負(fù)荷。

3）冬季通風(fēng)系統(tǒng)不運(yùn)行，也可以節(jié)省由于而排風(fēng)帶來的熱負(fù)荷。

《電暖規(guī)》[1]要求當(dāng)蓄電池室內(nèi)空氣中氫氣體積濃度比達(dá)到 1%時(shí)聯(lián)鎖事故通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，且事故排風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù)不少于6 次/h。而《變電規(guī)》[2]要求免維護(hù)蓄電池事故排風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù)不少于 3 次/h，空氣中最大含氫量（按體積計(jì)）不超過0.7%。需指出的是2017 年《電暖規(guī)》宣貫時(shí)將蓄電池室聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)啟動氫氣體積濃度由1%修正為0.4%，修正緣由為：《工規(guī)》中強(qiáng)制條文6.9.2規(guī)定[7]：“ 下列場所不得采用循環(huán)空氣：……3空氣中含有易燃易爆氣體，且氣體濃度大于或等于其爆炸下限值的 10%的其他廠房或倉庫”。國內(nèi)蓄電池室空調(diào)普遍采用分體式防爆空調(diào)方案，相當(dāng)于空調(diào)室內(nèi)機(jī)采用室內(nèi)空氣循環(huán)方式，按照 《工規(guī)》中6.9.2強(qiáng)條要求[7]，室內(nèi)氫氣濃度(體積比)不得大于或等于其爆炸下限值的10%，氫氣的爆炸下限為4%，乘以10% 計(jì)算即為 0.4% 。《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范 》GB50177-2005中強(qiáng)制條文 8.0.6 規(guī)定[12]：“ 有爆炸危險(xiǎn)房間內(nèi)，應(yīng)設(shè)氫氣檢漏報(bào)警裝置，并應(yīng)與相應(yīng)的事故排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖。當(dāng)空氣中氫氣濃度達(dá)到0.4%(體積比)時(shí)，事故排風(fēng)機(jī)應(yīng)能自動開啟。”此強(qiáng)條規(guī)定和《工規(guī)》中6.9.2強(qiáng)條[7]的要求是一致的。

綜合以上分析，為保證安全和節(jié)能運(yùn)行，建議蓄電池室統(tǒng)一按照換氣次數(shù)不少于 6 次/h 計(jì)算事故排風(fēng)量，蓄電池室內(nèi)應(yīng)設(shè)置氫氣濃度檢測報(bào)警裝置。當(dāng)氫氣濃度檢測報(bào)警裝置檢測到空氣中氫氣體積濃度比達(dá)到 0.4%時(shí)應(yīng)報(bào)警并聯(lián)鎖事故排風(fēng)機(jī)自動投入運(yùn)行，事故排風(fēng)機(jī)平時(shí)可不運(yùn)行。

另建議蓄電池室設(shè)置遠(yuǎn)程控制與故障報(bào)警裝置，對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并進(jìn)行故障報(bào)警。當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，以便運(yùn)維人員能及時(shí)檢修并采取相關(guān)應(yīng)急措施。

3 不同消防方式對通風(fēng)設(shè)計(jì)的要求

電力行業(yè)中的蓄電池室消防方式多為滅火器，而數(shù)據(jù)中心蓄電池室消防方式多為全淹沒氣體滅火方式。根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50370-2005中強(qiáng)制條文6.0.4 規(guī)定[13]：“ 滅火后的防護(hù)區(qū)應(yīng)通風(fēng)換氣，地下防護(hù)區(qū)和無窗或設(shè)固定窗扇的地上防護(hù)區(qū)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)裝置，排風(fēng)口宜設(shè)在防護(hù)區(qū)的下部并應(yīng)直通室外。通信機(jī)房、電子計(jì)算機(jī)房等場所的通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)不少于每小時(shí)5次。”所以數(shù)據(jù)中心蓄電池室除了和電力行業(yè)蓄電池室一樣設(shè)置事故排風(fēng)系統(tǒng)以外，還需設(shè)置氣體滅火后通風(fēng)換氣系統(tǒng)（災(zāi)后排風(fēng)），通風(fēng)換氣次數(shù)滿足不少于5次/h。

《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50370-2005 中強(qiáng)制條文3.2.9 規(guī)定[13]：“ 噴放滅火劑前，防護(hù)區(qū)內(nèi)除泄壓口外的開口應(yīng)能自行關(guān)閉?！薄稊?shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017 中 13.3.2 規(guī)定[4]：采用全淹沒方式滅火的區(qū)域，滅火系統(tǒng)控制器應(yīng)在滅火設(shè)備動作之前，聯(lián)動控制關(guān)閉房間內(nèi)的風(fēng)門、風(fēng)閥，并應(yīng)停止空調(diào)機(jī)、排風(fēng)機(jī)，切斷非消防電源等。故建議數(shù)據(jù)中心氣體滅火后通風(fēng)換氣系統(tǒng)（災(zāi)后排風(fēng)）風(fēng)管上設(shè)置常閉型電動防火閥或電動密閉閥，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，以保證噴放滅火氣體前防護(hù)區(qū)的密閉，待滅完火后，經(jīng)人工確認(rèn)不能復(fù)燃，聯(lián)鎖開啟電動防火閥或電動密閉閥和排風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣。

4 電力工程蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

某 220kV 變電站蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 1所示，該蓄電池室設(shè)置換氣次數(shù)不小于6次/h 的自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，用于事故排風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備采用防爆軸流風(fēng)機(jī)。事故排風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口上緣距離屋頂距離不大于0.1 m,并在被頂棚梁分隔的每個(gè)區(qū)域均設(shè)置吸風(fēng)口。蓄電池室在房間上部設(shè)置氫氣濃度檢測報(bào)警裝置，當(dāng)空氣中氫氣體積濃度達(dá)到0.4%時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖事故排風(fēng)機(jī)自動運(yùn)行，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉室內(nèi)空調(diào)，以保證及時(shí)排除泄漏的氫氣，避免室內(nèi)空氣再循環(huán)，空調(diào)為風(fēng)冷分體式防爆空調(diào)。

圖1 某220kV變電站蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)

蓄電池室內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)置遠(yuǎn)程控制與故障報(bào)警裝置。

5 數(shù)據(jù)中心蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

某數(shù)據(jù)中心蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 2 所示，采用全淹沒氣體（七氟丙烷）滅火方式。該蓄電池室設(shè)換氣次數(shù)不小于6次/h的自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，用于事故排風(fēng)（風(fēng)機(jī)1），另設(shè)置1臺換氣次數(shù)不小于5次/h氣體滅火后通風(fēng)換氣風(fēng)機(jī)（風(fēng)機(jī) 2），風(fēng)機(jī)均采用防爆軸流風(fēng)機(jī)。事故排風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口上緣距離屋頂距離不大于0.1 m，并在被頂棚梁分隔的每個(gè)區(qū)域均設(shè)置吸風(fēng)口。氣體滅火后通風(fēng)換氣系統(tǒng)（災(zāi)后排風(fēng)）吸風(fēng)口下緣距離房間地面距離不大于 0.2 m。蓄電池室在房間上部設(shè)置氫氣濃度檢測報(bào)警裝置，當(dāng)空氣中氫氣體積濃度達(dá)到 0.4%時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖開啟相應(yīng)電動密閉閥和風(fēng)機(jī)1自動運(yùn)行進(jìn)行事故排風(fēng)，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉室內(nèi)空調(diào)，以保證及時(shí)排除泄漏的氫氣，避免室內(nèi)空氣再循環(huán)，空調(diào)為風(fēng)冷分體式防爆空調(diào)。

圖2 某數(shù)據(jù)中心蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)閉蓄電池室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)人工確認(rèn)后噴放七氟丙烷氣體滅火，滅完火后經(jīng)人工確認(rèn)不能復(fù)燃，聯(lián)鎖開啟相應(yīng)電動密閉閥（常閉）和風(fēng)機(jī)2進(jìn)行通風(fēng)換氣。

蓄電池室內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)置遠(yuǎn)程控制與故障報(bào)警裝置。

6 結(jié)語

根據(jù)電力行業(yè)發(fā)電廠、變電站和數(shù)據(jù)中心蓄電池室的特點(diǎn)，分析了各規(guī)范規(guī)定的蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異，并優(yōu)化和統(tǒng)一設(shè)計(jì)方案，提出如下結(jié)論：

1）蓄電池室均應(yīng)設(shè)置氫氣濃度檢測報(bào)警裝置，平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)不運(yùn)行，節(jié)約風(fēng)機(jī)電耗的同時(shí)還可節(jié)約由于排風(fēng)而帶來的冷、熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。當(dāng)過渡季節(jié)時(shí)可運(yùn)行通風(fēng)系統(tǒng)，關(guān)閉室內(nèi)空調(diào)，減少空調(diào)能耗。

2）統(tǒng)一蓄電池室事故排風(fēng)啟動條件，當(dāng)氫氣濃度檢測報(bào)警裝置檢測到空氣中氫氣體積濃度比達(dá)到0.4%時(shí)應(yīng)報(bào)警并聯(lián)鎖事故排風(fēng)系統(tǒng)自動投入運(yùn)行，同時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉室內(nèi)空調(diào)，以保證及時(shí)排除泄漏的氫氣，避免室內(nèi)空氣再循環(huán)。

3）建議統(tǒng)一蓄電池室事故排風(fēng)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，按照換氣次數(shù)不少于6次/h計(jì)算事故排風(fēng)量更合理、安全和可靠。

4）蓄電池室除應(yīng)設(shè)計(jì)事故排風(fēng)系統(tǒng)外，當(dāng)采用全淹沒氣體滅火方式時(shí)（如數(shù)據(jù)中心蓄電池室），還應(yīng)設(shè)計(jì)獨(dú)立的氣體滅火后通風(fēng)換氣系統(tǒng)（災(zāi)后排風(fēng)），通風(fēng)換氣次數(shù)滿足不少于5次/h。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)閉蓄電池室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，保證噴放滅火氣體前防護(hù)區(qū)的密閉，經(jīng)人工確認(rèn)后噴放全淹沒氣體滅火，滅完火后經(jīng)人工確認(rèn)不能復(fù)燃，聯(lián)鎖開啟相應(yīng)的電動防火閥或電動密閉閥和排風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣。

5）建議蓄電池室設(shè)置遠(yuǎn)程控制與故障報(bào)警裝置，對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并進(jìn)行故障報(bào)警，這也是國際通行做法[14]。當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，以便運(yùn)維人員能及時(shí)檢修并采取相關(guān)應(yīng)急措施，安全系數(shù)得到大幅提高。