淺談數(shù)據(jù)中心蓄電池間爆炸性氣體環(huán)境

趙世鋒

（深圳永泰數(shù)能科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，大型數(shù)據(jù)中心作為新基建項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展。閥控式鉛酸蓄電池作為UPS和HVDC（高壓直流電源）的主流后備電源在數(shù)據(jù)中心廣泛使用，是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行的重要保障。根據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)模，閥控式鉛酸蓄電池的數(shù)量可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)只。在特殊條件下，閥控式鉛酸蓄電池會(huì)釋放出氫氣。由于閥控式鉛酸蓄電池?cái)?shù)量龐大，蓄電池間是否應(yīng)按防爆區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，值得深入探討。在多個(gè)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)各設(shè)計(jì)單位對(duì)該問(wèn)題的處理尺度偏差較大：有的設(shè)計(jì)單位不做任何防爆設(shè)計(jì)要求；有的則認(rèn)為，蓄電池室應(yīng)安裝防爆燈具，不能使用非防爆電器等[1-3]。在工程實(shí)踐中，按相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范在蓄電池間內(nèi)執(zhí)行防爆設(shè)計(jì)存在較多困難。因此，本文將依據(jù)閥控式鉛酸蓄電池的工作原理和特性、爆炸性氣體環(huán)境劃分的基本方法、數(shù)據(jù)中心電池間電氣設(shè)備現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)行國(guó)內(nèi)相關(guān)防爆設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

1 閥控式鉛酸蓄電池釋放氫氣的基本原理

鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)（二氧化鉛，PbO2）和負(fù)極的活性物質(zhì)（海綿狀鉛，Pb）均變成硫酸鉛（PbSO4），充電后又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這就是“雙極硫酸鹽化理論”[4]。

在充電過(guò)程中，充電電流除一部分用于將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbO2外，還有一部分對(duì)水進(jìn)行電解，在正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣。由于氧氣和氫氣的產(chǎn)生將使電池內(nèi)部失水而需定期補(bǔ)水，電池難以實(shí)現(xiàn)密封。因此，閥控式鉛酸蓄電池采用負(fù)極板比正極板富余10%～20%容量的設(shè)計(jì)思路，提高氫氣的析出電位，使正極出現(xiàn)氧氣先于負(fù)極出現(xiàn)氫氣。同時(shí)采取“貧液”設(shè)計(jì)，選擇高孔隙率AGM隔板吸收電解液，充電時(shí)，正極析出的氧通過(guò)隔板孔隙傳送到負(fù)極表面與氫還原為水。該過(guò)程確保了閥控式鉛酸電池在使用過(guò)程中幾乎不需要加水。為達(dá)到密封的目的，同時(shí)保持壓力平衡，閥控式鉛酸電池在其密封的外殼上設(shè)置有可靠開(kāi)啟的安全閥，以減少氣體排放和水的損失。當(dāng)電池內(nèi)部氣壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)氣壓降低后安全閥自動(dòng)閉合，防止外部空氣進(jìn)入蓄電池內(nèi)部。故這一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保了閥控式鉛酸電池只在特殊情況下（內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí)）才會(huì)向外部釋放氫氣。

2 爆炸產(chǎn)生的基本原理

爆炸三要素指的是構(gòu)成爆炸的熱量傳遞、快速和生成氣體。對(duì)于可燃?xì)怏w而言，爆炸的三要素分別是一定濃度的可燃?xì)怏w、一定量的氧氣以及熱量足夠點(diǎn)燃?xì)怏w的火源。在同時(shí)滿(mǎn)足爆炸的三個(gè)條件時(shí)，爆炸就有可能發(fā)生；消除上述三個(gè)要素中的任意一個(gè)，即可有效遏制爆炸事故的發(fā)生[5]。這就是所謂的爆炸三角形原理，如圖1所示。

圖1 爆炸三角形原理

3 蓄電池間爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

依據(jù)可燃物質(zhì)出現(xiàn)的頻繁程度及持續(xù)時(shí)間，可燃物質(zhì)釋放源可劃分為連續(xù)釋放源、一級(jí)釋放源、二級(jí)釋放源[6]。當(dāng)連續(xù)或長(zhǎng)期釋放可燃?xì)怏w時(shí)，可認(rèn)定為連續(xù)釋放源；正常情況下，可能偶爾周期性釋放可燃性氣體時(shí)，可認(rèn)定為一級(jí)釋放源；正常情況下，不太可能釋放可燃性氣體，或即使出現(xiàn)也僅是短周期釋放時(shí)，可認(rèn)定為二級(jí)釋放源[6]。由于閥控式鉛酸蓄電池正常充放電情況下不會(huì)產(chǎn)生氫氣，只在嚴(yán)重過(guò)充電導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí)，安全閥打開(kāi)，才會(huì)釋放出氫氣，故閥控式密封蓄電池可視為二級(jí)釋放源。

爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域按具體工況可劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。當(dāng)存在連續(xù)釋放源時(shí)，可認(rèn)定為0區(qū)；存在一級(jí)釋放源時(shí)，可認(rèn)定為1區(qū)；存在二級(jí)釋放源時(shí)，可認(rèn)定為2區(qū)[6]。故電池間的爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域可初判為2區(qū)。氫氣屬于易燃易爆的甲類(lèi)物質(zhì)，可與空氣形成爆炸性氣體混合物。氫氣爆炸性氣體混合物的級(jí)別為ⅡC，引燃溫度組別為T(mén)1，爆炸極限范圍為4%～75%，引燃溫度約為450 ℃，閃點(diǎn)為氣態(tài)，相對(duì)密度0.1[6]。

4 防爆電氣設(shè)備的基本選型原則

按以上分析，如蓄電池間劃定為爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)，則可根據(jù)表1和表2選定電池間內(nèi)防爆電氣設(shè)備對(duì)應(yīng)的防護(hù)等級(jí)和溫度組別。

表1 不同保護(hù)等級(jí)（EPL）下的防爆方法對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所的適用性[6]

表2 引燃溫度分組[6]

比如選用d ⅡCT1（d：隔爆型，ⅡCT1：溫度組別）類(lèi)型的設(shè)備，可滿(mǎn)足在氫氣爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)的使用要求。

5 項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)和解決問(wèn)題的方法

主流的數(shù)據(jù)中心主要有兩種蓄電池的布局設(shè)計(jì)形式：

布局形式1：蓄電池單獨(dú)布置于電池間內(nèi)。

布局形式2：蓄電池與UPS、直流開(kāi)關(guān)電源、低壓配電柜、變壓器等處于同一設(shè)備間。

無(wú)論何種布局形式，均可按GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》和GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文要求，在數(shù)據(jù)中心電池間設(shè)置防爆燈具、防爆插座、防爆按鈕箱等。但數(shù)據(jù)中心閥控式鉛酸蓄電池對(duì)運(yùn)行環(huán)境溫度有較嚴(yán)格要求，即環(huán)境溫度應(yīng)保持在20～30 ℃范圍，溫度過(guò)低會(huì)降低電池容量，溫度過(guò)高則影響電池使用壽命。故電池間內(nèi)必須配置制冷精密空調(diào)，而空調(diào)設(shè)備通常屬非防爆設(shè)備，或帶防爆形式的空調(diào)設(shè)備造價(jià)昂貴。

對(duì)于布局形式1，電池間內(nèi)還安裝有相當(dāng)數(shù)量的蓄電池直流開(kāi)關(guān)箱、動(dòng)力及機(jī)房環(huán)境采集器機(jī)柜、蓄電池巡檢儀、風(fēng)閥執(zhí)行器及氣體泄漏報(bào)警探頭等非防爆設(shè)備，很難找到可替代的防爆產(chǎn)品。

對(duì)于布局形式2，除涵蓋布局形式1情況外，蓄電池還與變壓器、低壓配電柜、UPS、直流開(kāi)關(guān)電源等非防爆設(shè)備就近布置。

暫且假定將電池間劃定為爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)，如防爆區(qū)內(nèi)有非防爆設(shè)備（此時(shí)爆炸性物質(zhì)、助燃劑和點(diǎn)火源三要素均存在），根據(jù)爆炸三角形理論，有發(fā)生可燃?xì)怏w爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。故當(dāng)防爆設(shè)備和非防爆設(shè)備共存于某一獨(dú)立的爆炸性環(huán)境空間時(shí)，該防爆設(shè)計(jì)起不到任何作用。

此外，根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，防爆設(shè)計(jì)不僅對(duì)電氣設(shè)備有嚴(yán)格要求，還對(duì)與之配套的建筑防爆整體布局、設(shè)備布局和電氣線(xiàn)路設(shè)計(jì)等有較高要求，這將會(huì)增加項(xiàng)目的整體造價(jià)，并增大運(yùn)維管理的實(shí)施難度。故應(yīng)采取更有效的措施以平衡防爆設(shè)計(jì)與客觀(guān)現(xiàn)狀的矛盾，既要安全合規(guī)，又要降低項(xiàng)目實(shí)施難度，減少項(xiàng)目造價(jià)。

5.1 通過(guò)強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)稀釋爆炸性混合氣體的濃度

根據(jù)爆炸三角形原理，消除任意一個(gè)爆炸要素即可抑制爆炸的發(fā)生，而氧氣是難以控制的，故控制爆炸性物質(zhì)和點(diǎn)火源為兩個(gè)最常用的防爆手段?？刂票ㄐ晕镔|(zhì)往往比控制點(diǎn)火源容易，最常見(jiàn)的方法是保持良好通風(fēng)。

將一個(gè)區(qū)域劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)或是非劃分區(qū)域，一定程度上取決于該區(qū)域的通風(fēng)情況[7]。釋放到大氣中的氣體會(huì)因?yàn)橄蚩諝獍l(fā)散而被稀釋?zhuān)敝疗錆舛鹊陀诒O限的下限。通風(fēng)即空氣運(yùn)動(dòng)，能使釋放源附近一個(gè)（假定的）容積內(nèi)的氣體同新鮮空氣發(fā)生置換[7]，它將對(duì)擴(kuò)散起到促進(jìn)作用。適當(dāng)?shù)耐L(fēng)同樣可以避免爆炸性氣體環(huán)境的維持，從而影響區(qū)域劃分的類(lèi)型。當(dāng)可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過(guò)爆炸下限值的10%時(shí)，可視為非爆炸性氣體環(huán)境區(qū)域[6]。

解決問(wèn)題的關(guān)鍵轉(zhuǎn)向如何保持良好的通風(fēng)條件，這無(wú)疑給工程設(shè)計(jì)、審圖和實(shí)施帶來(lái)了極大的便利，也大大降低了項(xiàng)目的實(shí)施難度和成本。

5.2 實(shí)現(xiàn)良好充分通風(fēng)的方法

需要注意的是，由于氫氣密度較低，析出的氣體將匯集于天花板附近區(qū)域，應(yīng)確保這些區(qū)域的良好通風(fēng)，維持室內(nèi)的非爆炸性氣體環(huán)境。足以防止爆炸性混合氣體以高于其燃耗（爆炸）極限25%的濃度積累的通風(fēng)量即可認(rèn)為通風(fēng)良好[6]。可通過(guò)自然通風(fēng)，也可通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)良好通風(fēng)；當(dāng)設(shè)置備用的獨(dú)立機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，封閉建筑內(nèi)可認(rèn)為通風(fēng)良好而不考慮機(jī)械通風(fēng)故障的情況[6]。

故在良好通風(fēng)條件下，數(shù)據(jù)中心電池間內(nèi)所有電氣設(shè)備和設(shè)施均可按非防爆區(qū)域工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.3 安裝氫氣探測(cè)報(bào)警裝置控制通風(fēng)系統(tǒng)

由于閥控式密封鉛酸蓄電池產(chǎn)生氫氣屬特殊情況，且電池間有維持制冷溫度的要求，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度，通風(fēng)系統(tǒng)在爆炸性氣體的濃度達(dá)到報(bào)警裝置的設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟即可，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

應(yīng)在氫氣可能聚集的天花板高度附近安裝若干氫氣探測(cè)報(bào)警裝置。當(dāng)氫氣濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，探測(cè)裝置發(fā)出報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)通風(fēng)裝置啟動(dòng)，向外界排出可燃?xì)怏w，以維持室內(nèi)的非爆炸性氣體環(huán)境。

6 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行不同規(guī)范對(duì)防爆區(qū)域認(rèn)定的差異對(duì)比

GB 50172—2012《電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范》、DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》和GB 50059—2011《35 kV～110 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)條文均對(duì)電池間設(shè)計(jì)和安裝提出了明確的電氣防爆要求，但未給出明確的解釋說(shuō)明。

根據(jù)表1和表2可知，不同爆炸環(huán)境區(qū)域?qū)υO(shè)備的爆炸防護(hù)等級(jí)（EPL）要求不一樣，視不同情況選擇合適的防爆等級(jí)設(shè)備方能滿(mǎn)足要求。而上述規(guī)范僅籠統(tǒng)地提出安裝防爆設(shè)備的寬泛要求，并未給出具體執(zhí)行的方法，難免令人產(chǎn)生困惑。筆者猜想，上述規(guī)范對(duì)電池間的防爆要求可能延續(xù)了對(duì)老式開(kāi)口鉛酸蓄電池（在充電后期不斷釋放出氫氣）間的防爆要求；而閥控式鉛酸蓄電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已實(shí)現(xiàn)大幅減少氫氣排放，安全性明顯提高。故有關(guān)規(guī)范的條文是否應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整，值得斟酌和探討。

而GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》和SY/T 6671—2006《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝區(qū)域一級(jí)、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法》則參照引用了API 500、IEC 79和NFPA 70等國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的相關(guān)防爆理論和研究成果，給出了一套根據(jù)不同工況劃分爆炸區(qū)域的方法、防爆區(qū)域升級(jí)和降級(jí)的措施，給相關(guān)項(xiàng)目管理及技術(shù)人員帶來(lái)了較大便利性，更具嚴(yán)謹(jǐn)性、可操作性、權(quán)威性和說(shuō)服力。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了閥控式鉛酸蓄電池在特殊情況下“析氫”的基本原理及爆炸形成的三要素，分析了形成氫氣爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境的可能性，探討了電池間按非防爆區(qū)設(shè)計(jì)的方法，并對(duì)國(guó)家現(xiàn)行不同規(guī)范對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分的規(guī)定和方法差異給出了初步的建議。