風(fēng)幕式通風(fēng)柜在潤滑油實驗室中的應(yīng)用

張志飛，岳 彬

（1.中國石化潤滑油有限公司濟南分公司，山東濟南 250101；2.山東龍騰電力科技有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

潤滑油行業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品質(zhì)量的控制及研發(fā)能力成為企業(yè)競爭力的決定因素，而潤滑油實驗室的建設(shè)是質(zhì)量控制和研發(fā)的重要手段。實驗室不僅要求精良的分析設(shè)備及出色的分析人員來決定出廠產(chǎn)品能否符合質(zhì)量標準，而實驗環(huán)境的完善與否，會在過程控制中更好提高檢測品質(zhì)，提高操作人員的舒適性，減少環(huán)境上的隱患。為此，為了提高產(chǎn)品在市場中的競爭力，實驗室進行了通風(fēng)改造。通過對通風(fēng)設(shè)施的選擇，重點介紹了風(fēng)幕式通風(fēng)柜的優(yōu)缺點及應(yīng)用情況，為其他實驗室的通風(fēng)設(shè)計提供參考。

1 實驗室改造前狀況

中國石化潤滑油有限公司濟南分公司的實驗室已經(jīng)使用多年，并且是由生產(chǎn)車間改建而成。實驗室布局不合理，檢測流程不規(guī)范，特別是實驗室的通風(fēng)效果差、噪聲大，實驗室環(huán)境溫度冬天可達0 ℃以下，夏天高達37～38 ℃，像黏度試驗氣味大、油品揮發(fā)性高、嚴重危害職工安全。而ICP 儀器達不到特定風(fēng)速不工作，電子顯微鏡、質(zhì)譜色譜對噪聲、溫濕度要求高，現(xiàn)有工作環(huán)境影響設(shè)備的檢測精度。因此本次改造的目標是有兩個：一是要滿足先進、安全、舒適、方便、專業(yè)、節(jié)能的要求，滿足提高新產(chǎn)品檢驗標準，促進產(chǎn)品研發(fā)的功能；二是要有針對性設(shè)計，采用新技術(shù)減少投資，降低運行維護成本，實現(xiàn)實驗室環(huán)境溫、濕度平穩(wěn)，噪聲低、無氣味、達到安全、舒適、美觀的現(xiàn)代化實驗室。

2 實驗室改造

實驗室計劃安裝通風(fēng)柜25 臺，排風(fēng)罩2 個，采用傳統(tǒng)方式排風(fēng)量經(jīng)計算高達40 000 m3/h，要實現(xiàn)溫濕度平穩(wěn)、噪聲低、無氣味，技術(shù)上存在困難，計劃采用風(fēng)幕式通風(fēng)柜和風(fēng)幕式排風(fēng)罩，以及可關(guān)斷式文丘里閥，通過自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)排風(fēng)量為傳統(tǒng)排風(fēng)量的20%，運行成本為傳統(tǒng)方式的15%，維護成本為傳統(tǒng)方式10%的目的。

2.1 通風(fēng)柜的選型

通風(fēng)柜是一種排除有害氣體，避免操作人員受有害氣體危害的密閉罩，與全面通風(fēng)和旁側(cè)排氣罩相比，比較節(jié)能。在實驗室?guī)缀醭蔀楸夭豢缮俚脑O(shè)備。通風(fēng)柜的設(shè)計要求主要是：滿足通風(fēng)柜內(nèi)各種操作條件，及時排除柜內(nèi)的有害氣體，防止有害氣體積聚集和外逸。所以在設(shè)計時應(yīng)注意：①結(jié)構(gòu)布置合理，不側(cè)流，要有隔離功能；②有足夠的排風(fēng)量，保證操作口有一定的控制風(fēng)速；③操作口的控制風(fēng)速分布盡量均勻；④風(fēng)機選型適當；⑤做好管網(wǎng)設(shè)計計算；⑥必要時使用凈化器。有些人以為通風(fēng)柜很簡單，一個柜型排氣罩，加上一臺排氣風(fēng)扇就行了。其實，通風(fēng)柜的設(shè)計有它的規(guī)律和科學(xué)性。要考慮的不只是通風(fēng)柜本身，還應(yīng)包括排氣管道、風(fēng)機及凈化裝備等。

（1）自然通風(fēng)式通風(fēng)柜。可以日夜連續(xù)換氣，因為沒有機械設(shè)備，沒有噪聲和振動，保養(yǎng)起來比較容易；構(gòu)造簡單，價格低廉，不耗電。但是它的使用會受到一定條件的限制，凡是毒性較高或者不產(chǎn)生熱量的實驗，都不適合采用，有的房間，在夏季也不適宜使用。

（2）頂抽式通風(fēng)柜。一般用于需要加熱的實驗，實驗過程中間會產(chǎn)生大量的熱量，頂抽式通風(fēng)具有良好的排風(fēng)效果，缺點是通風(fēng)柜操作口處風(fēng)速不均勻，靠近臺面處有旋渦氣流產(chǎn)生，存在隱患。

（3）狹縫式通風(fēng)柜。通風(fēng)柜頂部和后側(cè)留有排風(fēng)狹縫，后側(cè)可以在中部和下部設(shè)置兩條狹縫，由于上中下都有排風(fēng)口，氣流流經(jīng)狹縫時會產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，變靜壓為動壓，再變動壓為靜壓，使通風(fēng)柜內(nèi)產(chǎn)生一股較強的負壓氣流，使操作口的風(fēng)速達到均勻，對各種工況都有良好的排風(fēng)效果。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作麻煩。

（4）旁通式通風(fēng)柜。通風(fēng)柜排風(fēng)量是按操作口全開時的截面積及設(shè)計風(fēng)速來計算的，不需要人操作時會把柜門關(guān)小些。由于排風(fēng)量保持恒定，在操作口調(diào)節(jié)門下進氣口的風(fēng)速變大，對有些實驗產(chǎn)生不良影響。所以通風(fēng)柜設(shè)置了旁通口來解決問題，當調(diào)節(jié)門上移開大時，旁通口被調(diào)節(jié)門阻擋，不起旁通作用?？諝庥刹僮骺谥苯舆M入通風(fēng)柜。當調(diào)節(jié)門下移關(guān)閉時，旁通口開啟，一部分空氣從旁通流入柜內(nèi)，使操作口風(fēng)速基本穩(wěn)定。旁通式通風(fēng)柜優(yōu)化了進氣系統(tǒng)的設(shè)計，保證了進風(fēng)調(diào)節(jié)門升降時柜內(nèi)氣流的平衡。缺點是當通風(fēng)柜內(nèi)產(chǎn)生的有毒有害氣體較重時，會發(fā)生有害氣體外泄。

（5）風(fēng)幕式通風(fēng)柜。風(fēng)幕隔絕通風(fēng)柜與實驗室氣體的交流，可以用較小的排風(fēng)量實現(xiàn)排除有害氣體，顯示其節(jié)能降噪的優(yōu)越性能。

根據(jù)實驗室的排風(fēng)需求及國家的環(huán)保節(jié)能的要求，本次改造選用了風(fēng)幕式通風(fēng)柜。

2.2 風(fēng)幕式通風(fēng)柜

2.2.1 風(fēng)幕式通風(fēng)柜的特點

（1）工作時，通風(fēng)柜補風(fēng)從補風(fēng)管道，經(jīng)散流罩均勻進入柜體，攜帶著實驗產(chǎn)生的有毒有害氣體一起進入通風(fēng)柜排風(fēng)槽，通過排風(fēng)管道排出，柜內(nèi)排風(fēng)口風(fēng)速為2.4～2.6 m/s（圖1）。

（2）風(fēng)幕隔絕通風(fēng)柜內(nèi)外氣體交換，即阻止室內(nèi)空氣補入通風(fēng)柜又防止通風(fēng)柜內(nèi)有毒有害氣體溢出。

（3）采用VAV（Variable Air Volume System）變風(fēng)量控制系統(tǒng)，每臺通風(fēng)設(shè)備可單獨控制，不影響其他設(shè)備的使用，任何一個可以首先開啟，也可以最后關(guān)閉系統(tǒng)。

（4）風(fēng)機的排風(fēng)量隨通風(fēng)設(shè)備開啟個數(shù)的增加而增加，減少而減少。

（5）風(fēng)幕報警系統(tǒng)：風(fēng)幕無風(fēng)時可實現(xiàn)就地和遠程報警，風(fēng)幕風(fēng)速為1.3～1.5 m/s。

圖1 風(fēng)幕式通風(fēng)柜

（6）采用VAV 變風(fēng)量控制系統(tǒng)，無論單臺或多臺通風(fēng)設(shè)備工作時，能夠精確控制風(fēng)機（轉(zhuǎn)速）排風(fēng)量與設(shè)備總排風(fēng)量需求相同步，平滑調(diào)節(jié)。保證同一套系統(tǒng)內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備風(fēng)量均衡，通風(fēng)柜柜體內(nèi)產(chǎn)生負壓，室外風(fēng)自然補入。

（7）A 點與B 點風(fēng)速配合（圖2）。經(jīng)過多次試驗測試：①當A 點風(fēng)幕風(fēng)速在1.3～1.5 m/s 時，B 點風(fēng)速在2.4～2.6 m/s時，無泄漏、無面風(fēng)速；②當A 點風(fēng)幕風(fēng)速不變時，B 點排風(fēng)口風(fēng)速低于2 m/s，泄漏率隨風(fēng)速降低而增加；③當A 點風(fēng)幕風(fēng)速不變時，B 點風(fēng)速超過3.5 m/s 時，視窗的面風(fēng)速隨風(fēng)速增加而增加；④為保證泄漏率小于0.05×10-6和面風(fēng)速為零，選用了可關(guān)斷文丘里定風(fēng)量閥，保證了泄漏率符合要求，同時又消除了面風(fēng)速。

圖2 風(fēng)幕式通風(fēng)柜A 點與B 點風(fēng)速配合

2.2.2 通風(fēng)罩工作原理

（1）風(fēng)幕隔絕排風(fēng)罩內(nèi)外氣體交換，即阻止室內(nèi)空氣補入排風(fēng)罩又防止排風(fēng)罩區(qū)域內(nèi)有毒有害氣體溢出；

（2）風(fēng)幕可以根據(jù)實驗需求進行調(diào)速控制；

（3）排風(fēng)罩補風(fēng)從進風(fēng)口均勻進入風(fēng)幕區(qū)域，攜帶實驗產(chǎn)生的有毒有害氣體一起進入，經(jīng)頂端的排風(fēng)口排出室外；

（4）改造后風(fēng)幕式排風(fēng)罩風(fēng)量比排風(fēng)罩風(fēng)量減少80%（圖3）。

2.2.3 文丘里定風(fēng)量閥工作原理

常規(guī)文丘里閥最小風(fēng)量為200 m3/h，不能關(guān)斷。圖4 所示文丘里閥是定風(fēng)量閥，為ABS+PBT 材質(zhì)，具有良好的防腐性，可以抵御實驗室腐蝕性氣體腐蝕。另外還增加了關(guān)斷功能，方便使用。

文丘里閥在150～750 Pa 范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)，壓力無關(guān)型。保證閥體的氣密性。

圖3 通風(fēng)罩工作原理

圖4 文丘里定風(fēng)量閥

圖5 免調(diào)試系統(tǒng)工作原理

2.2.4 免調(diào)試系統(tǒng)工作原理

風(fēng)幕式通風(fēng)柜由于風(fēng)幕可以隔絕通風(fēng)柜內(nèi)外氣體交換。即防止通風(fēng)柜內(nèi)有毒有害氣體溢出，又阻止室內(nèi)的空氣流入通風(fēng)柜。通過各種試驗測試：當風(fēng)幕式通風(fēng)柜視窗開啟最大時，通風(fēng)柜的排風(fēng)量保證300 m3/h，就能確保通風(fēng)柜的泄漏率小于0.05×10-6。而在視窗高度變小時，通風(fēng)柜則會更安全。因此無論視窗如何變化，風(fēng)幕式通風(fēng)柜只要保證300 m3/h 的風(fēng)量都是安全的。為了控制系統(tǒng)簡單、準確，可以設(shè)定風(fēng)幕式通風(fēng)柜的風(fēng)量為300 m3/h。在此基礎(chǔ)上，配上一臺可關(guān)斷文丘里定風(fēng)量閥（300 m3/h），通風(fēng)柜只能有兩種狀態(tài)，停用和300 m3/h 的排風(fēng)量，因此可實現(xiàn)整個排風(fēng)系統(tǒng)的免調(diào)試。

3 實施方案

本項目共有通風(fēng)柜25 臺、排風(fēng)罩2 個，換風(fēng)口18 個，共設(shè)計4 套控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)1：二層西側(cè)9 臺通風(fēng)柜、2 個排風(fēng)罩；三層西側(cè)6 臺通風(fēng)柜分別穿北墻通至樓頂，在樓頂匯合成一條主管道，連接一臺5.5 kW 風(fēng)機，經(jīng)光催化過濾合格后排到大氣中，通風(fēng)柜的補風(fēng)由管道通至北墻自然補入。

系統(tǒng)2：二層?xùn)|側(cè)4 臺通風(fēng)柜；三層?xùn)|側(cè)6 臺通風(fēng)柜分別穿北墻通至樓頂，在樓頂匯合成一條主管道，連接一臺5.5 kW 風(fēng)機，經(jīng)光催化過濾合格后排到大氣中，通風(fēng)柜的補風(fēng)由管道通至北墻自然補入。

系統(tǒng)3：二層、三層西側(cè)環(huán)境換風(fēng)正常運行按照1 次/h，設(shè)備按3 次/h 來選型，當污染嚴重時，可實現(xiàn)2 次/h、3 次/h 運行。管道穿北墻通至樓頂，匯合成一條主管道連接一臺風(fēng)機排風(fēng)。環(huán)境補風(fēng)與排風(fēng)聯(lián)動控制，新風(fēng)由樓頂西側(cè)新風(fēng)機組補入各樓各房間內(nèi)，每個房間設(shè)有手動風(fēng)閥可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)4：二層、三層?xùn)|側(cè)環(huán)境換風(fēng)正常運行按照1 次/h，設(shè)備按3 次/h 來選型，當污染嚴重時，可實現(xiàn)2 次/h、3 次/h 運行。管道穿北墻通至樓頂，匯合成一條主管道連接一臺風(fēng)機排風(fēng)。環(huán)境補風(fēng)與排風(fēng)聯(lián)動控制，新風(fēng)由樓頂東側(cè)新風(fēng)機組補入各樓各房間內(nèi)，每個房間設(shè)有手動風(fēng)閥可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)。

4 改造前后設(shè)備的運行對比

4.1 設(shè)備運行參數(shù)對比

通風(fēng)柜共計27 臺，改造后與傳統(tǒng)方式（VAV+空調(diào)）風(fēng)量的比較見表1，系統(tǒng)數(shù)量、風(fēng)機功率及主管道尺寸比較見表2。

表1 2 種模式的風(fēng)量比較 m3/h

表2 系統(tǒng)數(shù)量、風(fēng)機功率及主管道尺寸比較

4.2 運行費用比較

（1）單臺通風(fēng)柜風(fēng)機運行費用比較。改造前，傳統(tǒng)通風(fēng)柜單臺排風(fēng)量為1500 m3/h，風(fēng)機功率0.7 kW；改造后風(fēng)幕通風(fēng)柜的單臺排風(fēng)量為300 m3/h，風(fēng)機功率0.14 kW。按每天工作8 h（每小時用電0.8 元）、每年365 d 計算，改造前后單臺通風(fēng)柜風(fēng)機運行費用分別為1635 元和327 元。單臺每年節(jié)省風(fēng)機運行費用1308 元。

（2）單臺通風(fēng)柜每年冷暖空調(diào)運行費用比較。改造前，傳統(tǒng)通風(fēng)柜每小時排風(fēng)量為1500 m3/h、補風(fēng)量為1500 m3/h，使用率為70%；改造后風(fēng)幕通風(fēng)柜的單臺排風(fēng)量為300 m3/h、補風(fēng)量為0，按每天工作8 h（每小時用電0.8 元）、每年180 d（冬天夏天各使用3 個月）計算，改造前后單臺通風(fēng)柜每年冷暖空調(diào)運行費用分別為12 096 元和0 元。這樣，改造后單臺通風(fēng)柜每年節(jié)省冷暖空調(diào)運行費用12 096 元。

單臺每年節(jié)省運行費用1308+12 096=13 404 元，即1.340 4 萬元。本項目中共有27 臺通風(fēng)柜，每年節(jié)省運行費用1.3404×27=36.19 萬元。

4.3 實驗室環(huán)境對比

（1）改造前后實驗室環(huán)境溫度對比見圖6。

（2）噪聲比較：單臺開啟≤42 dB，一半開啟≤50 dB，全部開啟≤55 dB，環(huán)境排風(fēng)噪聲≤55 dB。

圖6 實驗室溫度比

（3）風(fēng)量比較：單臺通風(fēng)量300 m3/h，整體通風(fēng)量8100 m3/h。

（4）安全性比較：傳統(tǒng)通風(fēng)柜泄漏率0.5×10-6（JG/T 222—2007），風(fēng)幕式通風(fēng)柜泄漏率0.05×10-6：①在多臺通風(fēng)柜開啟、關(guān)閉過程中，視窗的變化，傳統(tǒng)的通風(fēng)柜，由于風(fēng)機反應(yīng)速度慢，瞬間會有毒有害氣體溢出；②實驗室人員在視窗前快速走動時，影響氣流，造成有毒有害氣體溢出；③實驗人員在視窗前做試驗時，系統(tǒng)風(fēng)量發(fā)生變化時，易產(chǎn)生有毒有害氣體溢出（圖7）。

（5）風(fēng)量均衡比較：多臺通風(fēng)柜風(fēng)量均衡。

圖7 通風(fēng)柜泄漏測試

5 結(jié)論

通過一年的運行，證明了風(fēng)幕式通風(fēng)柜及其控制系統(tǒng)完全適應(yīng)潤滑油行業(yè)。它具有如下特點：①用較少的運行成本實現(xiàn)實驗室溫濕度的平穩(wěn)；②減少了排風(fēng)量，降低了風(fēng)機功率，降低了噪聲；③減少了泄漏率，消除了實驗室氣味；④解決了不同數(shù)量通風(fēng)設(shè)備的均衡性；⑤控制系統(tǒng)的可操作性，可維護性良好。