淺談碳纖維廠房的防排煙系統(tǒng)設(shè)計

作者簡介：

溫敏捷（1990- ），男，漢族，上海人，本科，工程師，研究方向：暖通空調(diào)、防排煙。

摘要：近年來我國碳纖維事業(yè)發(fā)展迅猛，全國多地都有碳纖維項目在進(jìn)展中。與此同時，《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251- 2017[1]也已實行了數(shù)年，筆者通過近些年參與設(shè)計的諸多碳纖維碳化車間案例，對碳纖維碳化車間的消防防排煙系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析，探討在我國不同地區(qū)建設(shè)碳纖維碳化車間的設(shè)計中所遇到的問題與解決方法。

關(guān)鍵詞：碳纖維；廠房；碳化車間；消防；防排煙

一、概況

碳纖維生產(chǎn)廠區(qū)的碳化車間生產(chǎn)線一般分為絲架段、氧化段、碳化及后處理段、收絲段四個功能段，原絲經(jīng)由聚合車間、原液車間、紡絲車間生產(chǎn)出來后依次通過以上四個功能段的工藝設(shè)備制成碳絲。氧化段是溫度逐步遞增的多級預(yù)氧化工藝，主要功能為促進(jìn)聚丙烯腈原絲大分子鏈內(nèi)的環(huán)化和分子間的交聯(lián)生成耐熱的網(wǎng)狀梯形結(jié)構(gòu)以及抑制熱解反應(yīng)產(chǎn)生的小分子；碳化及后處理段一般為溫度進(jìn)一步提高的低溫碳化+高溫碳化，進(jìn)而將絲束經(jīng)輥體進(jìn)入表面處理，以增強(qiáng)碳纖維的表面活性。

由于工藝流程較長，工藝設(shè)備較多，工藝生產(chǎn)線總長度一般為300～400多米，因而車間面積通常較大。碳化車間生產(chǎn)區(qū)域通常為單層，其輔房通常為一層或二層。我國地域遼闊，氣候環(huán)境差異較大，消防防排煙系統(tǒng)在國標(biāo)的基礎(chǔ)上又存在地方標(biāo)準(zhǔn)及地方規(guī)范，各地在碳化車間的防排煙系統(tǒng)設(shè)計上的側(cè)重點也是不盡相同。

二、防排煙系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)

碳化車間為丙類工業(yè)廠房，生產(chǎn)區(qū)域為單層，凈高為14米或18米，無噴淋，輔房為一層或二層。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014（2018年版）[2]（以下簡稱《建規(guī)》）表3.3.1，火災(zāi)危險性類別為丙類且耐火等級為一級的單層廠房，其防火分區(qū)面積為不限；多層廠房每個防火分區(qū)的最大允許面積為6000平方米。

碳化車間的生產(chǎn)區(qū)域為單層，部分項目的輔房有二層，根據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51251- 2017[2]（以下簡稱《煙標(biāo)》）在有二層輔房的樓梯間設(shè)置自然通風(fēng)措施較為容易實現(xiàn)。

根據(jù)《煙標(biāo)》總則1.0.2條文，對于有特殊用途或特殊要求的工業(yè)與民用建筑，當(dāng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有特別規(guī)定的，可從其規(guī)定。碳纖維碳化車間屬于化學(xué)纖維制造廠，屬于紡織行業(yè)，工藝及各專業(yè)均執(zhí)行《紡織工程設(shè)計防火規(guī)范》GB50565-2010[3]（以下簡稱《紡規(guī)》）。根據(jù)《紡規(guī)》8.0.4條文2，化纖廠的原液制備廠房、紡絲間、卷繞間、后加工和加彈廠房以及生產(chǎn)非織造布的廠房，可不設(shè)置排煙設(shè)施。從生產(chǎn)工藝的角度上來說，碳化車間屬于化纖廠長絲后加工的功能段，《紡規(guī)》的條文解釋中也有所說明，此類場所一是操作人員少（平均每百平方米建筑面積內(nèi)同時出現(xiàn)的操作人員不足一人），一旦發(fā)生火情能迅速撤離；二是生產(chǎn)中加工的物質(zhì)是具有密實度的絲筒、絲餅（如熔融紡的卷繞絲筒和長絲后加工的絲筒、絲餅）或由于含水率較高而呈濕態(tài)（如在濕法紡絲和短纖維后加工過程中），屬于不易被引燃的固體；三是在設(shè)計上已經(jīng)采取了可靠的安全措施（如在采用電加熱、電烘干的部位都設(shè)有火災(zāi)自動報警等）。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年內(nèi)（統(tǒng)計截至2010年），國內(nèi)建設(shè)的數(shù)百個化纖原料廠、化纖廠，均沒有在上述部位設(shè)置專門的排煙設(shè)施，實踐中并未出現(xiàn)過由于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣造成操作人員無法從生產(chǎn)崗位疏散和阻礙消防救援的情況。然而在近些年筆者參與設(shè)計的諸多案例中，各地審圖機(jī)構(gòu)均認(rèn)為不能簡單套用《紡規(guī)》來規(guī)避排煙系統(tǒng)的設(shè)計，《紡規(guī)》正式條文中沒有明確“碳纖維廠房”或“碳化車間”是屬于可以不設(shè)排煙系統(tǒng)的場所，工藝上雖屬于化纖廠后加工，但是與傳統(tǒng)的化纖廠（長纖維、短纖維或工業(yè)絲等工藝）并非完全相似，也缺少可以借鑒參考的已建成年數(shù)較長的實際工程案例。特別是在2018年《煙標(biāo)》正式實施之后，全國各地對建筑消防防排煙的重視程度又大幅度上升，所以在保證安全生產(chǎn)的前提條件下，仍然按照《建規(guī)》中8.5.2的相關(guān)條文，對碳化車間進(jìn)行排煙系統(tǒng)的設(shè)計。

值得一提的是，碳化車間的上游車間，如聚合車間、原液車間、紡絲車間，均為是在《紡規(guī)》8.0.4中有明確提及的場所，且與傳統(tǒng)化纖廠工藝相似度較高，此類車間均為能根據(jù)《紡規(guī)》8.0.4可不設(shè)置排煙設(shè)施的場所，各地審圖機(jī)構(gòu)也對此無異議。

對于輔房的房間或走道的排煙設(shè)施，通常按照《建規(guī)》8.5.2條文1、4執(zhí)行。輔房房間中建筑面積大于300平方米的房間基本均為電氣、儀表、工藝等設(shè)備用房，沒有可燃物，也沒有人員長期停留，不設(shè)置排煙設(shè)施。對于部分案例工程中出現(xiàn)的電纜夾層，位于變配電間下方，雖然平時也無人員停留，但是電纜屬于可燃物固體的范圍，就算是采用了阻燃電纜，也不能認(rèn)為是非可燃物。對于此處有爭議的場所，筆者參考《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50229-2019[4]中條文8.7.1，對于電纜較為密集的火力發(fā)電廠建筑及輔助生產(chǎn)建筑中必須設(shè)置排煙設(shè)施的場所做了明確說明，電纜夾層屬于可不設(shè)置排煙設(shè)施的場所[5]。

三、排煙系統(tǒng)方式的選擇

根據(jù)《煙標(biāo)》表4.6.3，碳化車間生產(chǎn)區(qū)域劃分為若干個防煙分區(qū)，每個防煙分區(qū)面積不大于2000平方米，且長邊不大于60米，空間凈高大于9米的無噴淋廠房每個防煙分區(qū)排煙量為211000立方米/小時；根據(jù)《煙標(biāo)》4.1.1條文，建筑的排煙系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用性質(zhì)、平面布局等因素，優(yōu)先采用自然排煙系統(tǒng)。在輔房只有一層的工程中，利用車間與輔房的高差部分的外墻開設(shè)自然排煙窗，自然排煙窗口部計算風(fēng)速為1.01米/秒，計算排煙窗有效面積為58.1平方米，排煙窗沿建筑物的兩條對邊均勻設(shè)置，采用與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動的控制方式，生產(chǎn)車間寬度一般在五十幾米不超過60米，能夠保證防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗之間的水平距離不超過30米，且不大于建筑凈高的2.8倍（約39～50米）；在輔房有二層的工程中，車間與輔房的高差部分的外墻無法滿足開窗要求，利用屋面設(shè)置自然排煙窗，自然排煙窗口部計算風(fēng)速為1.01x1.4=1.414米/秒，計算排煙窗有效面積為41.5平方米，同樣采用與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動的自動控制方式開啟，并且當(dāng)屋面斜度小于或等于12°時，每200平方米的建筑面積設(shè)置相應(yīng)的自然排煙窗（口）。

當(dāng)采用屋面排煙天窗時，經(jīng)常會有排煙天窗漏水或滲水的現(xiàn)象產(chǎn)生，且排煙天窗又是均勻布置在屋面，所以漏水情況會很大程度上影響車間生產(chǎn)。由于廠房屋面為鋼結(jié)構(gòu)屋面，排煙天窗的主要制作材料也是鋼結(jié)構(gòu)，在風(fēng)吹、日曬、雨淋、積雪等客觀的外部影響因素之下，導(dǎo)致排煙天窗與屋面的金屬連接部位發(fā)生形變或錯位，或排煙窗密封處的橡膠、硅膠等材質(zhì)老化、龜裂，進(jìn)而導(dǎo)致雨水滲透。近些年隨著排煙窗產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)與施工工藝的提升，排煙天窗滲水的現(xiàn)象有所減少，但是在東北等嚴(yán)寒地區(qū)，由于冬季屋面積雪，在融雪階段，融化的雪水滲透的現(xiàn)象會特別頻繁，所以在嚴(yán)寒地區(qū)避免采用屋面自然排煙的方式，在側(cè)墻無法設(shè)置自然排煙窗的情況下，進(jìn)而選擇采用機(jī)械排煙方式。

根據(jù)《煙標(biāo)》4.1.4，設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)的建筑面積大于2500平方米的丙類廠房還要在外墻或屋面設(shè)置固定窗。由于固定窗是在火災(zāi)時由人工破拆并且平時不可開啟，設(shè)置在屋面基本不會產(chǎn)生雨水滲透現(xiàn)象，所以機(jī)械排煙+固定窗的系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足無法設(shè)置自然排煙的車間。

當(dāng)車間進(jìn)行機(jī)械排煙設(shè)置時，通常將車間沿長邊方向劃分若干個防煙分區(qū)，排煙機(jī)房設(shè)置于短邊兩側(cè)的輔房，將一個防煙分區(qū)的排煙量由兩臺風(fēng)機(jī)從兩側(cè)排，每臺排煙風(fēng)機(jī)在每個防煙分區(qū)的計算排風(fēng)量為211000/2=105500 立方米/小時，設(shè)計風(fēng)量為105500x1.2=126600立方米/小時。這樣設(shè)計的優(yōu)勢：一是排煙風(fēng)管截面積不至于過大，同時避免風(fēng)管深入車間內(nèi)部過深；二是排煙風(fēng)機(jī)較為容易選型，如HTF-III型消防高溫排煙軸流風(fēng)機(jī)，機(jī)號No.16，風(fēng)量141086立方米/小時，全壓910帕，轉(zhuǎn)速720圈/分鐘，電機(jī)功率55千瓦/380伏。

綜合上述分析以及筆者參與設(shè)計的碳纖維成產(chǎn)車間案例，在冬季積雪現(xiàn)象不太常見的夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)均可以采用設(shè)置在側(cè)墻或屋面的自然排煙系統(tǒng)；在冬季積雪現(xiàn)象較為常見的嚴(yán)寒地區(qū)和部分的寒冷地區(qū)，建議采用設(shè)置在側(cè)墻的自然排煙系統(tǒng)或機(jī)械排煙系統(tǒng)。

四、機(jī)械排煙系統(tǒng)的優(yōu)化探討

碳化車間平時設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，按照不小于6次/每小時的換氣次數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并按照功能段對車間進(jìn)行全面送排風(fēng)。由于車間建筑面積較大，機(jī)械通風(fēng)量也較大，所以機(jī)械送排風(fēng)的風(fēng)管在車間里較為占用空間，再加上車間的工藝管架、電纜橋架、鋼平臺及工藝廢氣管道等設(shè)施，車間走管較為密集，所以在采用機(jī)械排煙系統(tǒng)的案例項目中，有業(yè)主提出能否將機(jī)械排煙系統(tǒng)與平時通風(fēng)系統(tǒng)合用，對此筆者分析如下。

《煙標(biāo)》4.4.3中條文有提及，排煙系統(tǒng)與通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)分開設(shè)置，當(dāng)確有困難時可以合用，但應(yīng)當(dāng)符合排煙系統(tǒng)的要求，且當(dāng)排煙口打開時，每個排煙合用系統(tǒng)的管道上需聯(lián)動關(guān)閉的通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制閥門不應(yīng)超過10個。在汽車庫、地鐵、人防等工程中，由于層高等因素，管道布置也較為困難，排煙系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)合用比較常見，所以在碳化車間布管較為困難的案例中，筆者認(rèn)為可以在滿足規(guī)范要求的前提下將機(jī)械排煙與車間排風(fēng)系統(tǒng)合用。

碳化車間是無噴淋廠房，然而根據(jù)《煙標(biāo)》4.4.5，對于排煙系統(tǒng)與通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)共用的系統(tǒng)，其排煙風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)的合用機(jī)房內(nèi)應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)；由于車間空氣中含有微量碳纖維（俗稱碳毛），用于平時排風(fēng)的排風(fēng)機(jī)會設(shè)置初效過濾段，然而用于排煙的排風(fēng)機(jī)不能使用過濾段，否則排煙效果將大打折扣，所以如果將排煙系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)合用，只能將車間風(fēng)管及風(fēng)口部分合用，風(fēng)機(jī)以及風(fēng)機(jī)房是無法合用的，與汽車庫常見的排風(fēng)兼排煙系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)采用雙速配置的方式有所不同。在方案制定階段，仍然需要為排煙風(fēng)機(jī)及排風(fēng)機(jī)分別設(shè)置機(jī)房，使每個系統(tǒng)中平時和火災(zāi)時需要動作的閥門數(shù)量嚴(yán)格控制在10個之內(nèi)，并且合理設(shè)計風(fēng)口及風(fēng)管尺寸，滿足不同工況下的流速要求[6]。在系統(tǒng)控制中，不同于排煙獨(dú)立設(shè)置的系統(tǒng)，各防煙分區(qū)支風(fēng)管與主風(fēng)管之間設(shè)置平時常開的280℃防火閥和電動蝶閥，火災(zāi)時相應(yīng)防煙分區(qū)所有閥門保持開啟，其余防煙分區(qū)電動蝶閥動作關(guān)閉。與此同時，風(fēng)管的規(guī)格需要從嚴(yán)按照排煙系統(tǒng)風(fēng)管安裝，風(fēng)管壁厚按《煙標(biāo)》表6.2.1或《通風(fēng)與空調(diào)工程質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50243-2016[7]中表4.2.3-1中的高壓系統(tǒng)風(fēng)管確定，耐火等級不小于1.00小時，且系統(tǒng)中所有閥門及管道連接部件應(yīng)能在280℃時連續(xù)30分鐘保證其結(jié)構(gòu)的完整性[8]。

車間消防補(bǔ)風(fēng)一般采用自然補(bǔ)風(fēng)，直接從室外引入空氣。但要注意的是，廠房內(nèi)有若干的高大卷簾門，是設(shè)備運(yùn)輸時開啟的，非疏散使用，平時處于關(guān)閉狀態(tài)，不能用于消防補(bǔ)風(fēng)。一般采用疏散外門、手動可開啟外窗作為自然補(bǔ)風(fēng)設(shè)施。

結(jié)語

消防防排煙系統(tǒng)與人民群眾的生命及財產(chǎn)安全息息相關(guān)，不僅是工業(yè)建筑暖通設(shè)計的要點，也是審圖與驗收過程的重中之重。自從2018年《煙標(biāo)》實施以來，各地對消防防排煙的重視程度也與日俱增。隨著碳纖維生產(chǎn)工程建設(shè)數(shù)量的與日俱增，設(shè)計周期的壓縮，作為工程設(shè)計人員不僅要充分學(xué)習(xí)本專業(yè)、本行業(yè)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并對相關(guān)行業(yè)的規(guī)范也要加以了解，并對相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融會貫通、分析判斷，從而更好地運(yùn)用到實際生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)

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