BZ28-3/4項目電池間通風計算及設計方法

宋廷鈺，欒 青，丁春雨

(海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津 300451)

根據海上固定平臺安全規(guī)則，電池間通風的目的是排除和稀釋蓄電池充放電時所產生的熱量和易爆氣體，總充電功率小于和等于2 kW的蓄電池間應采用自然通風，其排風管應通至開放處所；總功率大于2 kW的應采用機械通風，即機械排風、自然進風，其通風裝置應為防爆型。進風口應設于低處(安全區(qū))，排風口則應盡量設于高處。機械通風的電池間換氣次數應選30次/小時，還應按充電時散發(fā)的熱量計算通風量，將兩者進行比較取其大者。由于本項目地處渤海灣，冬季最低環(huán)境溫度可達到-17.2 ℃，根據七氟丙烷釋放條件，房間最低溫度不低于-10 ℃，故對電池間安裝了熱風機以保證冬季房間溫度。

1 電池間的通風計算

電池間屬于特殊房間，其設計需要考慮多方面因素，首先按照企業(yè)標準Q/HS 3008—2002計算其通風量，如圖1為電池間布置圖。

圖1 電池間布置圖

電池間的計算換氣量可按如下公式計算：

VME=v1×n1，

(1)

式中：VME為Mechanical Exhaust計算換氣量，m3/h；v1為艙室體積，m3；n1為換氣次數,按每小時30次換氣次數計算的通風量為3 229 m3/h。

由于電池組也有熱量散發(fā)，需要核對按照換氣次數計算的風量是否可以將房間溫度降低到設計溫度，根據設備散熱量，電池組在滿負荷運行時所散發(fā)的熱功率為0.984 kW。通風降溫所需要的最大風量，通常在夏季室外環(huán)境溫度最高時，通過下式計算：

(2)

式中：qe為電池間夏季工況熱平衡所需送風量，m3/h；qs為電池組運行時表面熱輻射，W；Ca為空氣質量熱容1 005 J/(kg·K)；ρa為空氣密度，1.2 kg/m3；ΔT為室內外空氣溫差，ΔT=Tw-Tn，Tw為夏季室外計算溫度，33.5 ℃，Tn為電池間設計溫度，40 ℃。

通過對電池組散熱量的校核，達到電池間設計溫度所需要的新風量僅為452 m3/h，遠低于按30次/小時換氣次數計算的通風量，故該風量可保證房間設計溫度。

2 可燃氣體濃度較核

根據SY/T 10041—2002《石油設施電氣設備安裝一級一類和二類區(qū)域劃分》的推薦做法，電池間屬于一級二類B組危險區(qū)。

2.1 基本參數

1)爆炸性氣體按氫氣(H2)計算，氫氣摩爾質量M。

2)氫氣(H2)爆炸下限(LEL)：體積分數4%～77%(數據來源于HG/T 20698—2009《化工采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》)。

3)電池組氫氣散發(fā)量：Q=12.5 m3/h(40 ℃，1 atm)。

4)室外環(huán)境溫度-17.2～34.6 ℃，但危險氣體泄漏發(fā)生在電池間內部，所以取房間最高設計溫度，按最高40 ℃計算。

2.2 危險場所通風量的計算

使給定釋放的易燃物料稀釋到需要的低于爆炸低限值濃度的最小理論通風流量值可以用如下公式計算：

(3)

LELm=0.416×10-3×M×LELv，

(4)

式中：(dV/dt)min為新鮮空氣的最小體積流量，m3/s；(dG/dt)max為釋放源的最大釋放率，kg/s；LELm為氫氣的爆炸下限值，kg/m3，需要將LELv轉換成LELm，LELv為體積分數，%；K為用于LEL的安全系數，取0.2(持續(xù)和一級釋放，即稀釋到爆炸下限20%)；T為環(huán)境溫度，K；M為氫氣摩爾質量，2 kg/kmol。

2.3 計算條件

假設電池組產生的氫氣全部泄露到電池間內，該條件是爆炸性氣體的最大放散量。

2.4 計算過程

1)LELm換算。

LELm=0.416×10-3×M×LELv=

3.328×10-3kg/m3。

(5)

2)釋放源的最大釋放率計算。氫氣密度0.089 9 kg/m3。

(dG/dt)max=0.089 9×12.5÷3 600=

3.122×10-4kg/s。

(6)

3)通風量的計算。

1 800 m3/h。

(7)

因SY/T 10041—2002對于充分通風的定義為自然或人工通風條件能滿足，以防止油蒸汽與混合物或天然氣與空氣混合的濃度聚集到超過其可燃LEL濃度的25%；本項目中為留有更大的設計余量，電池間可燃氣體探頭設定點設定為爆炸下限的20%即報警，故K值取0.2，安全級別高于規(guī)范要求的設定標準。

2.5 計算結果

電池間選擇的離心風機排風，1用1備，此房間風機的控制邏輯為：當可燃氣體儀表探頭探測到氫氣濃度達到爆炸下限的20%時，備用離心風機同時開啟，此時2臺離心風機同時工作，電池間機械排風的風量為：

Qmax=3 300×2=6 600 m3/h。

(8)

計算的可燃氣體稀釋到爆炸下限20%所需的通風量為：

L=1 800 m3/h。

(9)

L

故電池間間為充分通風，滿足SY10041—2002的要求。

3 熱風機的計算

根據七氟丙烷釋放條件，電池間溫度冬季需高于-10 ℃，熱風機負荷為房間6個面各圍壁滲透熱與冬季室外最低環(huán)境溫度下的新風熱功率之和。

(10)

式中：qe為電池間夏季工況熱平衡所需送風量3 300 m3/h；qf為新風熱功率W；Ca為空氣質量熱容，1 005 J/kg·K；ρa為空氣密度，1.2 kg/m3；To為室外空氣溫度，-16 ℃；Tn為電池間設計溫度，-10 ℃；

計算出新風熱功率為-6 633 W；滲透熱功率為1 758 W。二者之和即為熱風機所需加熱的熱負荷，乘以1.1的系數并取整后選擇了加熱功率為6 kW的熱風機。

4 電池間通風系統(tǒng)的布置

電池間通風系統(tǒng)布置圖如圖2。

圖2 電池間通風系統(tǒng)布置圖

由于海上氣候濕度大、雨水多、鹽霧大。風管連接法蘭或通風柵處由于冷凝的影響容易滴水，故根據電池組的布置，將通風柵布置在電池組的過道處。

氫氣密度小于空氣，在氫氣發(fā)生泄漏時，危險性氣體會上升，在房間頂部發(fā)生積聚，在設計機械排風管時，在房間結構允許的前提下盡量布置在高處；為了讓空氣更好的進行循環(huán)從而帶走危險氣體，自然進風口需布置在低處，因相對溫度較低的室外空氣吹到相對溫度較高的電池上會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，且由于風速較高，雨水容易吹到電池組機柜上從而會引起電池組的短路及燒毀，自然風口需正對過道處。

根據海上固定平臺安全規(guī)則上的要求，通風系統(tǒng)的進氣口和排風口應有適當的防止水和火焰進入的結構。其出風管應通至露天甲板，故將風機出口接風管引到舷外并在進出風管上設置了氣動型防火風閘。房間北側上方有H1200結構梁，大梁與房間波紋板距離僅有1 850 mm，受限于逃生安全通道2 200 mm的高度，風管只能從中間600 mm高的區(qū)域穿過。排風管室內標高3 000 mm，室外標高2 600 mm。通過風速計算，室內外風管尺寸為290 mm×360 mm。經過繪制草圖發(fā)現(xiàn)，常規(guī)風機形式為R/L180°，若在高400 mm的落差內使用標準90°彎頭會占用逃生通道空間，故與廠家定制非標風機產品，防爆等級為ExdIICT4，風機蝸殼出風口為L/R225°，從而優(yōu)化了空間，達到了所需要的設計目的。排風口設計方案如圖3。

圖3 排風口設計方案

風機廠家標準產品安裝形式為支架，通過減震器與風機底座連接。由于本項目空間上的特殊性，無足夠高度和空間為風機焊接支架，故采用吊架為風機提供支撐。常規(guī)BE型減震器為壓力承受型減震器，本項目為吊裝，風機底座在電機上方，底座與支架之間需安裝拉力承受型的減震器，從而BE型減震器不適用于電池間風機的安裝。通過與供貨商進行充分的溝通，供貨商按照業(yè)主的要求設計出了新型適用于吊裝的拉力承受型減震器。

5 結束語

電池間屬于危險氣體釋放型房間，除了考慮設備的防爆需求外，更應從爆炸性氣體的稀釋、電氣設備對房間溫度的要求、通風系統(tǒng)優(yōu)化布置多方面考慮，從而確保設備的穩(wěn)定運行和整個平臺的生產安全。