含鈉廠房的消防設計

□胡 朝 焦保良

某工藝設施的試驗裝置采用鈉作為工藝介質，液態鈉在試驗裝置、凈化罐、管道內;試驗裝置在運行過程持續發熱，由循環水冷卻系統將熱量導出。由于鈉特殊的物理化學特性，事故情況下容易發生火災、爆炸危險，需對工藝設施采取完善的消防設計，降低火災、爆炸危險。

一、工藝設施概況

某項目建設一棟建筑面積約7，000m2，內含多個研究試驗設施和普通辦公區的綜合廠房，研究試驗設施建筑面積約4，000m2，普通區面積約3，000m2。在廠房東側的研究試驗設施內設有建筑面積150 m2的試驗大廳。大廳內設有有含鈉試驗裝置，見圖1。

該研究試驗設施包括電氣、控制等輔助房間和試驗大廳，北側和西側區域為建筑物內其他設施。大廳頂部設有1臺電動雙梁起重機，軌頂標高12m，大廳內設有1套工藝試驗裝置，試驗裝置的輔助系統有鈉回路系統、循環冷卻水系統、測量系統等。鈉回路系統含鈉約100kg，主要儲存在位于儲鈉罐坑的鈉凈化罐內，通過泵和管道在試驗裝置和鈉凈化罐內密閉循環。試驗裝置運行過程中，循環冷卻水通過試驗裝置將熱量帶走。

圖1 試驗大廳工藝布局示意圖

二、火災危險性分析

(一)鈉的物理化學性質。鈉具有低熔點、高沸點的特點，具有很強的化學特性。鈉使用過程中需考慮鈉火和鈉水反應的危險。

1.鈉與氧的反應。在室溫下，鈉與氧迅速反應，可生成氧化鈉，當氧過量時可生成過氧化鈉。當鈉溫度高于125℃時，在空氣中與氧反應而發生燃燒，生成氧化鈉煙霧。氧化鈉煙霧是強堿性氧化物，對人的呼吸道、眼粘膜產生強烈刺激。

2.鈉水反應。鈉與水或水蒸氣生成氫氧化鈉和氫氣，氫氣屬于易燃易爆氣體。

(二)試驗大廳火災危險性。試驗大廳為整棟廠房的局部區域，廠房其他區域為普通的研究試驗場所和辦公區，有火災爆炸危險的試驗大廳占本層面積少于5%，根據《建筑設計防火規范》GB50016-2006第3.1.2條，廠房整體火災危險分類按廠房主體區域火災危險性確定為丁類廠房。

試驗大廳內存儲使用較大量的鈉，鈉封閉在管道和設備內，不與空氣接觸;試驗裝置采用水冷卻。在發生鈉泄漏的情況下，極容易發生鈉火事故;在鈉、水泄漏情況下會產生氫氣，具有爆炸危險;因此，試驗大廳存在較大的火災、爆炸危險，試驗大廳區域火災危險性為甲類。

三、消防設計

(一)概述。針對鈉的物理化學性質和工程的實際情況，應保守考慮鈉火和鈉水危險性及事故后果，從廠房和工藝布置、管路設計、火災探測、電氣設備選型、建筑結構以及火災后的滅火措施等方面考慮安全、合理、經濟的消防措施。

(二)廠房布置。根據廠房研究試驗情況確定廠房的火災危險性為丁類，與周圍建筑物的間距要求應滿足規范要求。同時，試驗大廳為局部甲類，應盡可能遠離其他建筑物布置。本工程試驗大廳東側和南側有廠區現有的廠房，均為多層耐火等級三級的丁類廠房。試驗大廳外墻距離鄰近建筑物距離均大于14m，滿足國家規范防火間距的要求。試驗大廳南側和東側設有廠房的環形道路，滿足消防需要;南側和東側道路不是廠區主要道路，通行人員少，在發生火災危險情況下，對廠房人員影響較小。

(三)設備布置。試驗大廳內的試驗裝置、鈉回路系統、循環冷卻水系統和測量系統等應在滿足工藝研究試驗的前提下考慮分區布置，降低火災危險性。試驗裝置設于大廳中央，鈉回路系統和循環冷卻水系統分別布置在試驗裝置的兩側。在試驗裝置左側設儲鈉罐坑，鈉回路系統的凈化罐、鈉循環泵和大部分閥門布置于坑內。在試驗裝置停運期間鈉可以全部回流至鈉儲罐內;在事故工況下鈉集中于坑內，可避免火災迅速蔓延。循環冷卻系統包括冷卻塔、冷卻泵、閥門和管道。冷卻塔設于室外，室外標高低于室內，在冷卻塔泄漏時冷卻水對廠房沒有影響。大廳內東北角設水泵間，循環泵和大部分閥門布置于水泵間，水泵間入口設門檻、房間內設地漏，在閥門和泵泄漏情況下，避免水流入試驗大廳。

(四)管道和閥門。管道和閥門的設計對鈉和水的泄露起著關鍵作用，設計中主要考慮:一是物料管道(包括鈉、水等)管道均采用無縫不銹鋼管道，管道之間采用焊接方式;二是鈉回路系統選用較好密封性能的電磁閥;三是與鈉凈化罐底部出口管道設兩道閥門;四是管道布置時考慮在檢修時能將物料全部排空;五是考慮廠房內其他物項對管路可能造成的損壞，設置相應的防護措施。

(五)煙霧和氫探測。鈉火反應時產生大量的煙霧，為及時發現火災，在大廳內設感煙探測器系統，該系統主要由感煙探測器和聲光報警器組成，聲光報警信號在廠房消防控制室顯示。鈉水反應時產生氫氣，為及時探測氫氣濃度，在大廳設置氫氣探測系統，該系統由探測器和控制器組成，當氫氣濃度超過爆炸下限25%時，位于消防控制室的可燃性氣體探測控制器發出聲光報警，并輸出控制信號至電氣配電箱，用于啟動風機進行房間排風。

(六)電氣設備。該設施主要的配電柜、控制柜設于輔助房間內，試驗大廳主要有吊車、泵、電動閥門、測量儀表及照明等用電設備。考慮到氫氣積聚于房間頂部，照明采用防爆燈具，吊車在試驗裝置運行過程中斷電停止使用不需特殊考慮。大廳空間較大，泵、閥門、測量儀表等均布置于大廳內地面區域，為降低投資，可不考慮這部分用電設備的防爆要求。

(七)建筑結構。整棟研究試驗廠房為重要的研究試驗設施，試驗大廳僅為廠房的局部區域。廠房存在極低可能的爆炸危險，應盡可能降低爆炸產生的危害，外墻采用彩鋼板材質并設大面積玻璃作為泄壓面積，泄壓面積大于10×0.11×V2/3滿足防火規范要求。試驗大廳與其他區域隔墻采用防爆墻避免爆炸對廠房其他區域的危害;試驗大廳地面采用不發火環氧砂漿地面降低火災危險性。

(八)滅火裝置。廠房主要的火災源為鈉火，廠房配置移動式膨脹石墨滅火器、膨脹石墨箱及消防鏟。發生火災時對準火源噴撒膨脹石墨滅火劑，能夠有效地抑制火災的進一步擴展，并迅速恢復房間內的能見度，有利于操作人員采取進一步防護措施。滅火器放置于大廳入口處滅火器箱內，應穩固設置，銘牌朝外，其底部距所在地面的高度不宜小于0.15m，并應定期進行檢查和必要維護。

四、結語

為確保廠房的安全可靠和安全投入的經濟合理性，含鈉廠房的消防設施和日常消防管理均應基于考慮鈉特殊的物理化學性質，從廠房和工藝實際情況對鈉火、鈉水(產氫)的危險性進行具體分析研究，采取必要的、經濟的消防措施。

［1］邱仁森.鈉技術和液金屬鈉回路［M］.北京:科學出版社，1987

［2］GB50016-2006《建筑設計防火規范》［M］.北京:中國計劃出版社，2006