氫氣使用實驗室防火設計探討

劉虎平，崔家文，李秀，王學思，苗獻鋒

（中核第四研究設計工程有限公司，石家莊 050021）

1 引言

高校和科研院所是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要基地， 而化學實驗室是實驗實訓基地的重要組成部分， 是師生完成化學化工教學和科研任務的重要場所。 該場所常常涉及易燃易爆有毒危險品， 存在不小的安全隱患。 高校實驗室近年來事故頻發(fā)，引起了各級單位的重視，經(jīng)過多年摸索，根據(jù)實驗室的運行管理特點，逐漸建立健全了化學實驗室安全規(guī)程。

但是，實驗室安全主要受實驗工藝、工程設計和運行管理3 方面影響， 而工程設計和運行管理是圍繞實驗工藝開展的。工程設計和運行管理相輔相成，互相補充，缺一不可。 工程設計標準規(guī)范的安全要求是綜合我國當前的經(jīng)濟、社會、管理等水平制定而成， 若設計單位僅僅秉承嚴格執(zhí)行國家標準規(guī)范的原則， 而不充分考慮使用單位的實驗制度和實際運行管理水平，看似免除了事故的設計責任，但會對用戶后續(xù)的安全管理造成較大的負擔。 另外，當前國內(nèi)的標準規(guī)范針對實驗室防爆防火的要求不夠明確， 各設計單位和各地消防部門對規(guī)范的理解、把握尺寸度也不盡相同，可能出現(xiàn)同一功能規(guī)模的實驗室由不同單位設計，由不同地方消防部門驗收，消防設計方案不一的情況，易造成設計人員困惑。

因此， 本文結合某科研院所化學實驗室工程防火防爆設計，對執(zhí)行標準規(guī)范的量度進行分析探討。

2 氫氣爆炸研究實驗室簡介

2.1 工程概況

某科研院所根據(jù)科研生產(chǎn)任務需求， 申報建設了一座模擬實驗設施（簡稱實驗設施）。 該設施建筑面積約600 m2，為單層混凝土框架結構， 主要布置了放射性泄漏研究實驗室及衛(wèi)生出入口、高效過濾器失效研究實驗室、氫氣爆炸研究實驗室（簡稱氫氣實驗室）、有機相燃燒研究實驗室、控制室、門廳、送風機房、配電室、排風機房、衛(wèi)生間等。

實驗設施平面呈矩形，建筑長36.6 m，寬16.4 m，地上1 層，層高6.5 m，建筑高度7.95 m。 氫氣實驗室布置于矩形短邊一側，長16.4 m，寬6.0 m，無吊頂，三面墻體對外，另一側與其他實驗室相鄰，設隔墻。①～③軸墻體設置外開平開門兩樘。

2.2 實驗工藝

氫氣實驗室主要功能為： 開展某類事故應急評價需要的釋放源項估算模型和基礎參數(shù)的實驗研究。 實驗裝置主要組成有：貯罐模擬系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。

貯罐模擬系統(tǒng)是氫氣爆炸實驗的主體， 包括爆炸試驗容器、點火器、爆破片、氫氣進口、空氣進口、進液口，排液口、排氣口以及相應的管線、閥門等。 試驗容器設計壓力為2 MPa。壓力超過1 MPa 時，貯罐自動泄壓。

實驗流程主要步驟如下： 檢查裝置氣密性—吹掃系統(tǒng)—充氫—充空氣—點火，測量實驗數(shù)據(jù)—清洗系統(tǒng)。

實驗裝置用氣主要為氫氣和氮氣，均為氣瓶供氣，氣瓶貯存于三氣瓶位的報警氣瓶柜中，置于實驗室內(nèi)。 設備布置如圖1 所示。

圖1 氫氣實驗室平面布置

2.3 實驗頻次

根據(jù)科研生產(chǎn)需求，實驗頻次約10～20 次/a。

2.4 建筑物定性和危險源識別

該建筑物定性為科研建筑。 涉及甲類物質(zhì)氫氣和戊類物質(zhì)氮氣、空氣。

氫氣為易燃氣體，存在爆炸危險，爆炸極限是4.0%～75.6%，最大爆炸壓力為740 kPa， 產(chǎn)生最大爆炸壓力濃度為32.3%。氮氣為不燃氣體，但是一旦泄漏至室內(nèi)，易導致人員窒息。

3 國內(nèi)相關標準規(guī)范分析應用

3.1 JGJ91—2019 應用

JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[1]涉及防爆安全的條款主要為5.2.3～6.2.6 條。 除5.2.3 條外，其他要求均較為具體，設計可直接落實。5.2.3 條文解釋規(guī)定了關于量的控制，參考國際上的相關規(guī)范和標準， 建議在科研建筑內(nèi)的危險化學品控制不超過10 d 的實驗用量，同時建議易燃可燃液體不超過4 L、易燃氣體不超過2.2 m3。 超過上述的量，應考慮設置防護單元與其他區(qū)域安全隔離。

另外，在該標準第10 章氣體管道中對氣體使用做了專門規(guī)定。 本工程實驗室氫氣日用量不超過1 m3（標準大氣壓），不超過1 瓶（40 L，15 MPa），因此，采用將氣瓶布置在實驗室內(nèi)的設計方案，符合該標準規(guī)定。 結合5.2.3 條的規(guī)定，可降低氫氣灌裝量或灌裝壓力的方式使氫氣體積不超過建議量， 或者使用10 L 及以下規(guī)格氫氣瓶。

該標準10.4.2 規(guī)定：若使用高壓氣體或可燃氣體，應有相應的安全措施，并應符合國家規(guī)定。 符合國家規(guī)定的安全措施和10.4.1 條所述的氣瓶安全防護措施并未在該規(guī)范及條文解釋中予以明確。 這使得如何從眾多標準規(guī)范中選擇適用的條文成為衡量設計單位對標準規(guī)范尺度把握的關鍵。 以下對相關規(guī)范中的條文及適用性逐一分析， 作為氫氣實驗室安全設計方案的依據(jù)。

3.3 GB50016—2014 應用

現(xiàn)行GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[2]中“實驗室”字樣共出現(xiàn)8 次，其中，正文出現(xiàn)1 次，即3.1.2 條。 該條規(guī)定了可不按使用介質(zhì)的火災危險類別的廠房或?qū)嶒炇覂?nèi)單位容積的最大允許量，就氫氣而言，與房間體積的最大容許值為1 L/m3，總量為25 m3。 若氫氣單次使用量超過上述值，則應按照甲類廠房（實驗室）的要求進行設計，其中最重要的就是泄爆面積。

氫氣實驗室體積約639 m3，最大允許使用量為0.64 m3（標準大氣壓）。 若實驗室火災危險類別不定義為甲類實驗室，則實驗室氫氣瓶應使用5 L 及以下規(guī)格氣瓶， 或使用氫氣發(fā)生器。 對該實驗室，這樣做難以滿足單次實驗用量，并增加了搬運、安裝、拆卸氣瓶的工作及相關風險，不利于科研生產(chǎn)活動。

若定義為甲類廠房（實驗室），所需泄爆面積為183 m2。1-3 軸/A 軸墻體為隔爆墻，不作為泄爆面。 其他3 面墻體總面積為182 m2，低于標準要求，應在屋頂開設不小于1 m2的泄爆窗。

3.4 GB4962—2008 應用

GB 4962—2008《氫氣使用安全技術規(guī)程》[3]規(guī)定了氣態(tài)氫在使用、置換、儲存、壓縮與充（灌）裝、排放過程以及消防與緊急情況處理、安全防護方面的安全技術要求，理論上適用于氫氣實驗室設計。 該規(guī)范對建筑物的要求著墨不多， 需依托GB 50016 進行設計。 其中，關于氫氣瓶儲存和使用的要求為6.3.5～6.3.6 條。6.3.5 條引用了4.1.5 條對通風條件作出了規(guī)定：保證氫氣在空氣中的濃度不超過1%（體積）。在實際中，通常執(zhí)行JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》10.4.1 的規(guī)定。 經(jīng)過實踐證明，12 次/h 的換氣次數(shù)能夠滿足絕大多數(shù)情況的通風需求。

4 NFPA相關法規(guī)要求及應用分析

4.1 NFPA45 相關要求

NFPA45《化學藥品實驗室的防火保護》[4]是美國國家消防協(xié)會（簡稱NFPA）發(fā)布的一系列消防標準之一。該標準規(guī)定了實驗室單元中不同危險性質(zhì)化學品的數(shù)量與對應的火災危險類別，實驗室單元按照火災危險類別分為A（高火災危險）、B（中等火災危險）、C（低火災危險）和D（極小火災危險）4 類。分別規(guī)定了上述類別實驗室存儲和使用氣瓶的預期數(shù)量。 該標準將氣瓶分為兩類：在用和非在用。 后者不得存放在實驗室單元中，應存放在實驗室單元之外，并符合NFPA 55 的要求。氫氣瓶用保存在符合NFPA55 規(guī)定的氣體室、 經(jīng)批準的氣體柜或排氣罩內(nèi)（與GB 50646 基本一致）。該標準特別規(guī)定了區(qū)別于其他實驗室的教育實驗室的壓縮和液化氣體數(shù)量限制：（1）可燃氣體不得超過2.8 m3；（2）氧化氣體的最大數(shù)量不得超過2.8 m3；（3）允許使用最多兩瓶0.5 kg 的液化可燃氣體氣瓶；（4）不允許使用NFPA 55 規(guī)定的毒性或劇毒的氣體。

4.2 NFPA55 相關要求分析及應用

NPFA55《壓縮氣體和低溫流體規(guī)范》[5]是NFPA 發(fā)布的一系列消防標準之一。 標準規(guī)定，如果存儲的可燃氣體（包括氫氣）不超過250 ft3（約7 m3），應符合下列要求：

1） 所在區(qū)域應與其他區(qū)域使用耐火極限不小于1 h 的墻體、耐火極限不小于2 h 的樓板隔開（特殊情況除外）。

2）應設置FLS 批準的機械通風系統(tǒng)或自然通風。

3）機械通風、報警、探測或其他用電系統(tǒng)應配備應急或備用電源，否則需安裝失效安全工程系統(tǒng)。

4）容器、管道和設備需要經(jīng)過批準和維護。 不得使用鑄鐵管道。

5）危險識別、“禁止吸煙”和“壓縮氣體”標志要求安裝在含有危險材料的區(qū)域的所有入口處。 危險識別標志也應位于每個壓縮氣瓶上。

6）壓縮氣體容器、氣瓶和儲罐應固定，以防止因接觸、振動或地震活動而導致墜落。

7）可燃材料和氫氣罐必須隔開約3 m 的距離，或在可燃材料使用區(qū)域上方和側面延伸不小于約0.45 m 的不燃墻。

8）氫氣罐應與不相容材料（如氧氣）隔開約6 m 的距離，或與耐火等級至少為0.5 h 的不燃墻體隔開，該不燃墻體在氣瓶上方和側面延伸不小于0.45 m。

本工程氫氣實驗室使用和存儲的氫氣量為6 m3（標準大氣壓），未超過NFPA 55 規(guī)定最大量（MAQs）。 改進方案后實驗室主要設備材料見表1?？梢?，除通風系統(tǒng)供電外，其他均滿足要求。

表1 改進前后方案主要設備材料對比

5 結語

化學實驗室的設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及專業(yè)廣、技術難度大， 因其操作使用的物料種類繁多、 用安全風險不一，因此，需針對具體需求，選擇適用標準，并進行針對性設計。 本文結合工程實例， 以某使用氫氣的化學實驗室作為對象，梳理了國內(nèi)相關設計標準規(guī)范，并就其具體適用性進行了分析。 另外，還對比了美國國家消防協(xié)會（NFPA）的相關法規(guī)要求與該工程設計的符合性，供設計參考。