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高素質人才的重要基地， 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，引起了各級單位的重視，經過多年摸索，根據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。 工程設計標準規范的安全要求是綜合我國當前的經濟、社會、管理等水平制定而成， 若設計單位僅僅秉承嚴格執行國家標準規范的原則， 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，但會對用戶后續的安全管理造成較大的負擔。 另外，當前國內的標準規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范的理解、把握尺寸度也不盡相同，可能出現同一功能規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，對執行標準規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

某科研院所根據科研生產任務需求， 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的實驗研究。 實驗裝置主要組成有：貯罐模擬系統、測試系統、監視系統、輔助系統等。

貯罐模擬系統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—充氫—充空氣—點火，測量實驗數據—清洗系統。

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。 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

根據科研生產需求，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。 涉及甲類物質氫氣和戊類物質氮氣、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，易導致人員窒息。

3 國內相關標準規范分析應用

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 條文解釋規定了關于量的控制，參考國際上的相關規范和標準， 建議在科研建筑內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的設計方案，符合該標準規定。 結合5.2.3 條的規定，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 及以下規格氫氣瓶。

該標準10.4.2 規定：若使用高壓氣體或可燃氣體，應有相應的安全措施，并應符合國家規定。 符合國家規定的安全措施和10.4.1 條所述的氣瓶安全防護措施并未在該規范及條文解釋中予以明確。 這使得如何從眾多標準規范中選擇適用的條文成為衡量設計單位對標準規范尺度把握的關鍵。 以下對相關規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。

3.3 GB50016—2014 應用

現行GB 50016—2014《建筑設計防火規范》[2]中“實驗室”字樣共出現8 次，其中，正文出現1 次，即3.1.2 條。 該條規定了可不按使用介質的火災危險類別的廠房或實驗室內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 及以下規格氣瓶， 或使用氫氣發生器。 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程》[3]規定了氣態氫在使用、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，通常執行JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》10.4.1 的規定。 經過實踐證明，12 次/h 的換氣次數能夠滿足絕大多數情況的通風需求。

4 NFPA相關法規要求及應用分析

4.1 NFPA45 相關要求

NFPA45《化學藥品實驗室的防火保護》[4]是美國國家消防協會（簡稱NFPA）發布的一系列消防標準之一。該標準規定了實驗室單元中不同危險性質化學品的數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。分別規定了上述類別實驗室存儲和使用氣瓶的預期數量。 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 規定的氣體室、 經批準的氣體柜或排氣罩內（與GB 50646 基本一致）。該標準特別規定了區別于其他實驗室的教育實驗室的壓縮和液化氣體數量限制：（1）可燃氣體不得超過2.8 m3；（2）氧化氣體的最大數量不得超過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范》[5]是NFPA 發布的一系列消防標準之一。 標準規定，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） 所在區域應與其他區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或自然通風。

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

4）容器、管道和設備需要經過批準和維護。 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工程，涉及專業廣、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，梳理了國內相關設計標準規范，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會（NFPA）的相關法規要求與該工程設計的符合性，供設計參考。