近十年,随着我国石油化工行业的飞速发展,作为承担石油化工工厂各装置原料、中间产品,以及出厂产品质量监督检查和其他辅助任务的全厂性化验室,其通风空调系统的可靠性越来越受到重视。在实际运行中,要求在满足化验室工艺要求的前提下,本着“以人为本、健康安全、节能环保”的理念对中心化验室的通风空调系统进行设计;同时,近年为了满足我国的能源供应,我国石化企业也与国外公司在国内外合作建设了众多石油化工项目,这些国际合作项目,尤其是在国外建设的项目,采用了部分美国标准。因此,笔者结合国内外相关标准及手册,从室内环境控制、排风设计、全新风设计、通风系统控制、防火设计及节能等方面,提出一些在设计过程中不同的方法。

　　 图1为某中心化验室1层空调系统流程图。该系统主要由全新风空气处理机组(FAHU)、多联空调系统(VRF)、单元式空调机(AC)、风冷式冷凝器(ACCU)、变风量文丘里阀(VAV)、定风量文丘里阀(CAV)、防火阀(FD)等组成。工作时,新风经过温湿度处理后由风管送入各个房间。

　　 图2为该中心化验室1层排风系统流程图。主要由排风机(EF)、通风柜、万向罩、通风试剂柜、变风量文丘里阀、定风量文丘里阀、电动调节阀(MD)、防火阀等组成。工作时,由风管送入各个房间的新鲜空气经过通风柜、万向罩、通风试剂柜等局部排风设备后从屋面排出。屋面排风机采用一用一备的模式,当其中1台发生故障时,备用风机能自动切换运行,保证排风系统的安全可靠。

　　 在排风风管及新风风管上安装文丘里阀,用于实时调节化验室通风柜的排风量及房间的补风量,从而保证化验室的分析化验房间相对于其他相邻房间维持一定的负压。该阀门具有响应快速(其变风量响应时间小于1 s)、与压力无关(阀门前后压差在150～750 Pa之间时其通过的风量与压力变化无关)及高精度(其压力无关风量控制精度可达到当前风量的±5%)等特点。由于文丘里阀具有上述特性,因此在石油化工行业的中心化验室变风量系统中已大规模应用。图3为某型号文丘里阀的风量控制示意图。在较低静压时,加在锥体上的力较小,锥体中的弹簧张开,将锥体从文丘里管中拉开,较低压力与较大的打开面积保证了所需流量。随着加在锥体上的静压增加,弹簧压缩且锥体移入文丘里管,打开面积减小,较高压力与较小的打开面积保证了所需要的流量。

　　 考虑到石油化工行业的高风险性及化验室对生产装置安全运行和产品质量监督的重要性,从室内环境控制、排风设计、全新风设计、通风系统控制及节能等方面来分析和探讨。

　　 通常,由于中心化验室采用的是全新风空调系统,因此室内温湿度参数的取值直接影响机组性能参数、系统初始投资及运行成本。同时,由于中心化验室的分析化验房间设有各种精密检测仪器,这些仪器对温湿度都有一定的要求。表1给出了我国行业推荐性标准对分析化验房间温湿度环境的要求 ^[1],当工艺专业对分析化验房间的室内温湿度无特殊要求时可按表1执行。通过查阅美国相关设计手册及标准,笔者发现在这些标准及手册中并没有对化验室分析化验房间的温湿度作明确规定,而是提醒设计人员应结合各个房间分析仪器的温湿度要求逐一确定其室内的温湿度设计参数 ^[2,3]。

　　 此外,由于分析化验房间内设有大量的手动及自动分析仪,而通常设计人员很难得到这些分析仪器对室内环境要求的详细参数,且国内设计手册也没有针对化验室给出此类房间估算的设备发热量,因此在设计中心化验室时,对其室内设备发热量的选取存在困难。ASHRAE手册给出了50～270 W/m²的分析化验室设备发热量估算值 ^[3],并且罗列了部分分析化验仪器的发热量供设计人员选取 ^[4]。

　　 表2给出了我国行业推荐性标准对分析化验房间换气次数的要求 ^[1,5]。从表2中可以看出,国内规范对于其换气次数的要求并不一致。通过查阅美国相关设计手册及标准,笔者发现在这些标准及手册中,给出了换气次数4～12 h^-1供设计人员选用,同时指出:当其换气次数超过8 h^-1时,其稀释通风效果是递减的,设计人员应根据房间内释放物质的危险性逐一确定房间的通风换气次数 ^[3]。综上所述,建议一般分析化验房间的换气次数取8 h^-1,部分含有剧毒及有防爆要求的房间按照最小换气次数12 h^-1计算,同时宜验算分析化验房间处于非工作状态时,其换气次数不小于4 h^-1。

　　 分析化验房间一般设有各种类型的通风柜,因此,中心化验室的排风系统一般采用的都是变风量排风系统。通风柜排风量的取值可直接选用国家建筑标准设计图集07J901-2《实验室建筑设备(二)》中对应的型号。

　　 表3给出了图1,2所示中心化验室1层各房间排风量计算结果。表中正常运行工况下排风量的大小取决于室内通风柜的同时使用系数,该系数一般取0.6～0.7 ^[5],但是对于中试装置及带有科研性质的中心化验室,其同时使用系数可与业主充分沟通,在了解其建成后预期使用情况下可适当减小。需要注意的是,为了保证在极端条件下房间内通风柜的面风速能达到规定要求,房间的排风量宜在最大排风量与最小排风量之间波动。当室内通风柜的数量较少时,室内的最大排风量按通风柜全部使用考虑;当房间内通风柜的数量较多时,室内最大排风量也可适当选取一个通风柜的同时使用系数,但是该系数应与业主沟通并经过业主批准。

　　 当室内通风柜全部处于关闭状态时,其房间内全部局部排风设施排风量的总和不应小于其理论最小排风量,当其局部排风设施的排风量小于理论最小排风量时,应增加全面通风设施以满足最小排风量的要求。需要注意的是,当通风柜的柜门处于关闭状态时,仍然应考虑20%的正常排风量以维持通风柜内一定负压,防止污染物逃逸进入室内。

　　 表4给出了图1,2所示的中心化验室P-1排风系统排风量计算结果。在计算排风量前,应根据工艺专业所提供的资料将房间划分为若干个排风系统,划分原则如下:1) 防爆与非防爆房间分开设置;2) 当不同的物质混合后会形成毒害更大或腐蚀性的混合物、化合物时,须分开设置;3) 混合后易使蒸汽凝结并聚集粉尘时,应分开设置;4) 散发剧毒物质的房间单独设置。为了保证在极端条件下,通风柜的面风速能达到规定要求,建议排风系统的排风量在最大排风量与最小排风量之间波动,如图2所示。

　　 图4显示了某型号化验室专用高空排放风机,通过调节设置在风机吸入口处的旁通阀开度大小,达到室内侧变风量、出风口定风量的目的。采用此类风机的最大好处是能将出风口的风速相对稳定地控制在15～20 m/s范围内 ^[6],具有较好的射流速度,便于高空排放稀释。但是由于风机采用的是定频运行,后期的运行费用、振动及噪声相对变频风机更大。为了解决上述问题,对于排风量较大的排风系统可以采用多风机并联的模式,如图5所示。通过设置在最不利环路末端的静压传感器调节风机频率,以维持风管内静压恒定;再通过设置在静压箱内的静压传感器控制风机的启停、调节旁通风阀开度,以维持静压箱内静压恒定。当旁通阀处于全开状态,且静压箱内静压超过设定的最高限值时,关闭1台风机;当旁通风阀处于关闭状态,且静压箱内的静压低于设定的最低限值时,开启1台风机。由于该多风机并联控制模式设备数量多、控制复杂,因此目前很少采用。

　　 当化验室排风系统采用变频风机时,应着重注意在低排风量下排风口风速的要求。表5给出了我国标准与美国相关手册推荐的高空排放稀释通风时的排风口风速。结合表5中各标准对排风口风速的要求,应验算其排风口在最小排风量下射流速度不应小于10 m/s。

　　 石油化工中心化验室一般采用全新风空调系统,用于补偿室内的排风。补风系统的设计直接关系到化验室内各房间之间相对压力的控制。表6显示了我国行业推荐性标准与美国相关手册关于相邻房间相对压力的对比 ^[1,5]。从表6中可以发现,对于释放污染物的房间,我国标准要求的压力值相对于美国标准要求的数值更小。为了防止污染物逃逸到其他房间,建议需要维持负压的房间取高负压值,由于走道将办公类房间与释放污染物质的房间隔离开来,因此办公类房间可选取较低的正压值。

　　 相邻房间在不同的压差下,通过门窗缝隙渗透的风量可采用缝隙法(见式(1) ^[2])或换气次数法(压差为5 Pa时,换气次数取1～2 h^-1;压差为10 Pa时,换气次数取2～4 h^-1) ^[8]计算。

　　 $Q{}_{\text{s}}=CA\sqrt{\frac{2\text{Δ}p}{\rho }}(1)$

　　 式中 C为流量系数,一般取0.65;A为缝隙面积,m²;Δp为两侧的压差,Pa;ρ为空气密度,kg/m³。

　　 表7给出了图1,2所示中心化验室1层新风系统风量计算结果。在计算办公类房间的新风量时,应选取满足人员最小新风量需求与维持室内正压所需新风量中的较大值。在计算各层新风系统风量时,新风机组的最大送风量应按照所在层各房间实际送风量(即考虑通风柜同时使用系数)的总和来计算。

　　 房间变风量送排风系统常用的控制方式有3种,分别是直接压差控制、风量追踪控制、串级控制。目前,越来越多的中心化验室变风量系统采用串级控制模式。

　　 串级控制是将风量追踪控制及直接压差控制综合成一体的控制模式,如图6所示。首先,通过风量追踪控制根据预先设定好的风量,实时调节送入房间的补风量;然后,通过设置在房间内的压差传感器验证房间内的压差是否满足设定值;再根据结果输出反馈信号,调整补风量。采用此种控制方法能较好地解决因开关门而引起的压力波动。

　　 当房间补风量发生变化时,新风机组通过设置在送风管上最不利环路末端的静压传感器调节风机频率,以维持风管内静压恒定。

　　 表8为我国标准与美国标准对化验室防火控制的要求 ^[9,10,11]。我国标准与美国标准最大的区别为:美国标准明确规定了连接有通风柜的排风系统上不允许设置带自动关闭功能的防火阀,且排风系统不应与火灾自动报警系统联动。该规定的目的主要是在发生火灾时,其排风系统能有效地控制烟气向其他区域扩散,从而减少人员及财产的损失 ^[11]。当海外项目采用美国标准的做法时,应注意需将排风支管顺气流方向插入竖向风道,且支管到支管出口的高度不应小于600 mm ^[9,11]。

　　 中心化验室通常采用全新风系统,这就造成了新风处理能耗非常大。文献[12]已对石油化工中心化验室湿度控制、新风送风参数及空调系统节能设计作了详细的介绍。需要补充的是,由于化验室排风系统通常含有腐蚀性气体,且排风系统划分相对分散,因此在采用排风热回收时应注意泄漏风险 ^[2]。

　　 通过对石油化工中心化验室室内环境控制、排风设计、全新风设计、通风系统控制、防火设计及节能等方面中美两国设计标准的对比分析,得出以下建议:

　　 1) 分析化验室内的温湿度设计参数及室内设备发热量参数应由工艺专业确认,当工艺专业无法提供详细要求时,可按规范SH/T 3103—2019及ASHRAE手册中给出的推荐值选取。

　　 2) 在设计中心化验室变风量排风系统及变风量送风系统之前,应与业主充分沟通,确认通风柜的同时使用系数。一般分析化验房间的换气次数可取8 h^-1,而含有剧毒物质及有防爆要求房间的最小换气次数可取12 h^-1。

　　 3) 当排风机采用变风量控制时,应验算其排风口在最小排风量下的射流速度不小于10 m/s。

　　 4) 分析化验室释放污染物质房间的负压不宜小于10 Pa,而办公室等不释放污染物质房间的正压取10 Pa。

　　 5) 在初始投资能负担得起的情况下,房间变风量送排风系统控制方式建议采用串级控制。

　　 6) 当海外项目采用美国标准时,应注意排风系统火灾连锁控制及防火阀的设置要求。

　　 7) 当设置热回收装置,特别是利用排风时,应慎重考虑排风泄漏污染新风的风险。