風幕式通風柜在潤滑油實驗室中的應用

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

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

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使用多年，并且是由生產車間改建而成。實驗室布局不合理，檢測流程不規范，特別是實驗室的通風效果差、噪聲大，實驗室環境溫度冬天可達0 ℃以下，夏天高達37～38 ℃，像黏度試驗氣味大、油品揮發性高、嚴重危害職工安全。而ICP 儀器達不到特定風速不工作，電子顯微鏡、質譜色譜對噪聲、溫濕度要求高，現有工作環境影響設備的檢測精度。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、節能的要求，滿足提高新產品檢驗標準，促進產品研發的功能；二是要有針對性設計，采用新技術減少投資，降低運行維護成本，實現實驗室環境溫、濕度平穩，噪聲低、無氣味、達到安全、舒適、美觀的現代化實驗室。

2 實驗室改造

實驗室計劃安裝通風柜25 臺，排風罩2 個，采用傳統方式排風量經計算高達40 000 m3/h，要實現溫濕度平穩、噪聲低、無氣味，技術上存在困難，計劃采用風幕式通風柜和風幕式排風罩，以及可關斷式文丘里閥，通過自動控制系統，實現排風量為傳統排風量的20%，運行成本為傳統方式的15%，維護成本為傳統方式10%的目的。

2.1 通風柜的選型

通風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，與全面通風和旁側排氣罩相比，比較節能。在實驗室幾乎成為必不可少的設備。通風柜的設計要求主要是：滿足通風柜內各種操作條件，及時排除柜內的有害氣體，防止有害氣體積聚集和外逸。所以在設計時應注意：①結構布置合理，不側流，要有隔離功能；②有足夠的排風量，保證操作口有一定的控制風速；③操作口的控制風速分布盡量均勻；④風機選型適當；⑤做好管網設計計算；⑥必要時使用凈化器。有些人以為通風柜很簡單，一個柜型排氣罩，加上一臺排氣風扇就行了。其實，通風柜的設計有它的規律和科學性。要考慮的不只是通風柜本身，還應包括排氣管道、風機及凈化裝備等。

（1）自然通風式通風柜。可以日夜連續換氣，因為沒有機械設備，沒有噪聲和振動，保養起來比較容易；構造簡單，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）頂抽式通風柜。一般用于需要加熱的實驗，實驗過程中間會產生大量的熱量，頂抽式通風具有良好的排風效果，缺點是通風柜操作口處風速不均勻，靠近臺面處有旋渦氣流產生，存在隱患。

（3）狹縫式通風柜。通風柜頂部和后側留有排風狹縫，后側可以在中部和下部設置兩條狹縫，由于上中下都有排風口，氣流流經狹縫時會產生節流效應，變靜壓為動壓，再變動壓為靜壓，使通風柜內產生一股較強的負壓氣流，使操作口的風速達到均勻，對各種工況都有良好的排風效果。但是結構復雜，制作麻煩。

（4）旁通式通風柜。通風柜排風量是按操作口全開時的截面積及設計風速來計算的，不需要人操作時會把柜門關小些。由于排風量保持恒定，在操作口調節門下進氣口的風速變大，對有些實驗產生不良影響。所以通風柜設置了旁通口來解決問題，當調節門上移開大時，旁通口被調節門阻擋，不起旁通作用。空氣由操作口直接進入通風柜。當調節門下移關閉時，旁通口開啟，一部分空氣從旁通流入柜內，使操作口風速基本穩定。旁通式通風柜優化了進氣系統的設計，保證了進風調節門升降時柜內氣流的平衡。缺點是當通風柜內產生的有毒有害氣體較重時，會發生有害氣體外泄。

（5）風幕式通風柜。風幕隔絕通風柜與實驗室氣體的交流，可以用較小的排風量實現排除有害氣體，顯示其節能降噪的優越性能。

根據實驗室的排風需求及國家的環保節能的要求，本次改造選用了風幕式通風柜。

2.2 風幕式通風柜

2.2.1 風幕式通風柜的特點

（1）工作時，通風柜補風從補風管道，經散流罩均勻進入柜體，攜帶著實驗產生的有毒有害氣體一起進入通風柜排風槽，通過排風管道排出，柜內排風口風速為2.4～2.6 m/s（圖1）。

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

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

（4）風機的排風量隨通風設備開啟個數的增加而增加，減少而減少。

（5）風幕報警系統：風幕無風時可實現就地和遠程報警，風幕風速為1.3～1.5 m/s。

圖1 風幕式通風柜

（6）采用VAV 變風量控制系統，無論單臺或多臺通風設備工作時，能夠精確控制風機（轉速）排風量與設備總排風量需求相同步，平滑調節。保證同一套系統內的通風設備風量均衡，通風柜柜體內產生負壓，室外風自然補入。

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

圖2 風幕式通風柜A 點與B 點風速配合

2.2.2 通風罩工作原理

（1）風幕隔絕排風罩內外氣體交換，即阻止室內空氣補入排風罩又防止排風罩區域內有毒有害氣體溢出；

（2）風幕可以根據實驗需求進行調速控制；

（3）排風罩補風從進風口均勻進入風幕區域，攜帶實驗產生的有毒有害氣體一起進入，經頂端的排風口排出室外；

（4）改造后風幕式排風罩風量比排風罩風量減少80%（圖3）。

2.2.3 文丘里定風量閥工作原理

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

文丘里閥在150～750 Pa 范圍內自動調節，壓力無關型。保證閥體的氣密性。

圖3 通風罩工作原理

圖4 文丘里定風量閥

圖5 免調試系統工作原理

2.2.4 免調試系統工作原理

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

3 實施方案

本項目共有通風柜25 臺、排風罩2 個，換風口18 個，共設計4 套控制系統。

系統1：二層西側9 臺通風柜、2 個排風罩；三層西側6 臺通風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 風機，經光催化過濾合格后排到大氣中，通風柜的補風由管道通至北墻自然補入。

系統2：二層東側4 臺通風柜；三層東側6 臺通風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 風機，經光催化過濾合格后排到大氣中，通風柜的補風由管道通至北墻自然補入。

系統3：二層、三層西側環境換風正常運行按照1 次/h，設備按3 次/h 來選型，當污染嚴重時，可實現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機排風。環境補風與排風聯動控制，新風由樓頂西側新風機組補入各樓各房間內，每個房間設有手動風閥可根據需求進行調節。

系統4：二層、三層東側環境換風正常運行按照1 次/h，設備按3 次/h 來選型，當污染嚴重時，可實現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機排風。環境補風與排風聯動控制，新風由樓頂東側新風機組補入各樓各房間內，每個房間設有手動風閥可根據需求進行調節。

4 改造前后設備的運行對比

4.1 設備運行參數對比

通風柜共計27 臺，改造后與傳統方式（VAV+空調）風量的比較見表1，系統數量、風機功率及主管道尺寸比較見表2。

表1 2 種模式的風量比較 m3/h

表2 系統數量、風機功率及主管道尺寸比較

4.2 運行費用比較

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

（2）單臺通風柜每年冷暖空調運行費用比較。改造前，傳統通風柜每小時排風量為1500 m3/h、補風量為1500 m3/h，使用率為70%；改造后風幕通風柜的單臺排風量為300 m3/h、補風量為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，改造前后單臺通風柜每年冷暖空調運行費用分別為12 096 元和0 元。這樣，改造后單臺通風柜每年節省冷暖空調運行費用12 096 元。

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

4.3 實驗室環境對比

（1）改造前后實驗室環境溫度對比見圖6。

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

圖6 實驗室溫度比

（3）風量比較：單臺通風量300 m3/h，整體通風量8100 m3/h。

（4）安全性比較：傳統通風柜泄漏率0.5×10-6（JG/T 222—2007），風幕式通風柜泄漏率0.05×10-6：①在多臺通風柜開啟、關閉過程中，視窗的變化，傳統的通風柜，由于風機反應速度慢，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，系統風量發生變化時，易產生有毒有害氣體溢出（圖7）。

（5）風量均衡比較：多臺通風柜風量均衡。

圖7 通風柜泄漏測試

5 結論

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