濕式造紙聯合廠房排煙系統設計

安寧

摘要：根據《建筑設計防火規范》（2018年版）（GB 50016-2014）和《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251-2017），就日前正在設計的濕式造紙聯合廠房排煙系統進行自然排煙系統和機械排煙系統對比分析，為以后濕式造紙聯合廠房排煙系統的設計提供參考。

關鍵詞：濕式造紙聯合廠房;自然排煙;機械排煙;補風系統

中圖分類號：TS78

文獻標識碼：A DOI： 10. 11980/j. issn.0254-508X. 2019. 12. 009

隨著我國經濟的快速發展，所暴露出的生產生活安全問題也日益突出。各類火災事故頻發，損失巨大，而火災事故中產生的煙氣，其遮光性、毒性和高溫是造成火災人員傷亡的最主要因素[1]。因此國家現行的《建筑設計防火規范》（2018年版）GB 50016-2014（以下簡稱建規）在建筑防煙、排煙系統設計中必須嚴格執行。由于建規只是對建筑防煙排煙系統設計提出原則性規定和做法，為完善建筑防煙、排煙系統設計各方面具體細節，國家最新頒布了《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251-2017（以下簡稱標準），并規定自2018年8月1日起實施。自標準實施以來，截至目前尚未有根據標準設計完成并投產運行的濕式造紙聯合廠房。本文對目前正在設計的某一濕式造紙聯合廠房結合建規、標準要求，就如何依廠房自身設計來設置排煙系統進行了分析。

1濕式造紙聯合廠房建筑特征

造紙行業近年來發展迅速，為增加產能，紙機逐步向高車速大幅寬方向發展，濕式造紙聯合廠房的建筑長度和高度也隨之增大，目前現代化大型紙機的廠房長度通常為300～ 500 m，高度24～ 30 m。而排煙系統設計的基本依據是建筑的火災危險性類別。在設計排煙系統之前，濕式造紙聯合廠房的建筑特征必須明確。本文中所提到的濕式造紙聯合廠房針對的一般都是中、大型或者特大型造紙項目。造紙項目生產能力的計算以復卷后的產量為依據。造紙產能的劃分如表1所示[2]。

濕式造紙聯合廠房主跨一般為二層，廠房外墻、屋面保溫，基本不設或少設外窗，廠房高度大于24 m但要≤30 m。廠房一層與二層之間有吊物孔，吊物孔設蓋板，平時密封。

根據《制漿造紙廠設計規范》GB 51092-2015的規定，造紙車間的火災危險性分類為丙類。根據建規3.3.1注3的規定：一、二級耐火等級的濕式造紙聯合廠房，當紙機烘缸罩內設置自動滅火系統，完成工段設置有效滅火設施保護時，廠房每個防火分區的最大允許建筑面積可按工藝要求確定[3]。實際項目中紙機烘缸罩內由紙機廠家設有自動滅火系統，且完成工段設有滅火設施保護裝置，因此濕式造紙聯合廠房的防火分區面積根據工藝要求確定。一般濕式造紙聯合廠房劃分為兩個防火分區，一層為一個防火分區，二層為一個防火分區。

根據建規第8.5.2規定，廠房或倉庫的下列場所或部位應設置排煙設施：人員或可燃物較多的丙類生產場所，丙類廠房內建筑面積大于300 m2且經常有人停留或可燃物較多的地上房間。但濕式造紙聯合廠房一層一般為各種槽罐、漿泵和紙機，可燃物極少（僅有占地面積幾個平方米的小潤滑油站，濕式造紙聯合廠房一層的建筑面積一般為上萬平米左右），人員極少且不停留，不符合建規8.5.2第1條設置排煙設施的條件。另外根據建規第3.1.2條“當生產過程中使用或產生易燃、可燃物的量較少，不足以構成爆炸或火災危險時，可按實際情況確定;當符合下列條件時，可按火災危險性較小的部分確定：火災危險性較大的生產部分占本層或本防火分區建筑面積的比例小于5%”及其條文說明，濕式造紙聯合廠房一層的火災危險性為戊類，一層車間可以看做是整個丙類濕式造紙聯合廠房的戊類生產場所。建規對戊類生產場所沒有排煙要求，因此，濕式造紙聯合廠房一層不設排煙系統。廠房二層根據標準的要求設置排煙系統。

2濕式造紙聯合廠房排煙量計算

本文以山西某年產30萬t石膏板護面紙及包裝紙工程為例，對濕式造紙聯合廠房排煙系統進行分析。該濕式造紙聯合廠房長度301.5m，主跨寬度30 m，主跨屋面為雙T板坡屋面，造紙聯合廠房一層凈空高度7.5 m，二層凈空高度約19.5 m。根據防排煙標準的規定進行排煙量的計算。

濕式造紙聯合廠房二層為一個防火分區，凈空高度約19.5 m，根據標準空間凈高大于9m時，防煙分區之間可不設置擋煙垂壁[1]。因此，車間二層劃分為6個防煙分區，且每個防煙分區的面積<2000 m2，長邊長度≤60 m。6個防煙分區之間不設擋煙設施。各防煙分區的劃分如表2所示。

濕式造紙聯合廠房二層主跨車間是一個高大空間，中間沒有分隔，煙羽流質量流量的計算可參照軸對稱型煙羽流方法。根據標準規定，火災熱釋放速率取值有查表和按照公式計算兩種方法。按照公式計算火災熱釋放速率時，首先要明確設計的火災規模，設計的火災規模取決于燃燒材料性質、時間等因素和自動滅火設施的設置情況。但從生產實際情況來看，著火時的火災規模無法提前判斷，由什么材料引起的燃燒、燃燒持續的時間等都無法提前判斷，且公式中的火災增長時間也無法確定，因此火災熱釋放速率按照標準中表4.6.7取值。濕式造紙聯合廠房二層車間內只在完成工段設有自動噴水滅火系統，完成工段屬于防煙分區6的一部分。但二層有6個防煙分區且凈空高度為19.5 m，大于標準第4.6.7條條文說明中采用自動噴水滅火系統時允許最大凈空高度12～ 18 m的要求，因此應按無噴淋場所對待。查標準中表4.6.7可知，二層車間火災達到穩態時的熱釋放速率取8 MW。若濕式造紙聯合廠房二層整個車間設有自動噴水滅火系統，且凈空高度≤18 m，則熱釋放速率按照有噴淋時的取值，查標準中表4.6.7，熱釋放速率取2.5 MW，車間二層最小清晰高度為3.55 m。根據標準規定，自然排煙和機械排煙儲煙倉的最小厚度不同，但都不應小于500 mm。保守計算，儲煙倉的厚度取空間凈高的20%，即3.9 m。儲煙倉底部距車間二層地面的高度為15.6 m，大于最小清晰高度3.55 m。濕式造紙聯合廠房整體為高溫、高濕的車間，車間二層局部相對濕度約80%。壓榨部和網部向車間散發大量的濕氣，前干燥部和后干燥部采用密閉氣罩，罩內設有白動滅火系統，僅完成部暫存的成品紙可能會引起火災，因此假設燃料面的高度為0，即燃料面到煙層底部的高度為15.6 m。由此計算出煙羽流質量流量為132.9 kg/s。采用自然排煙時，煙層平均溫度與環境溫度差為20.9℃，每個防煙分區的排煙量為427008 m3/h。采用機械排煙時，煙層平均溫度與環境溫度差為41.7℃，每個防煙分區的排煙量為455378 m3/h。

3 自然排煙系統

上述計算自然排煙量為427008 m3/h。根據標準規定，按照公式計算出的排煙量不應小于標準表4.6.3中的數值。查標準表4.6.3，對于工業建筑中空間凈高>9 m的場所，無噴淋的排煙量為21.1X104 m3/h，設計值還需考慮1.2倍的系數，即排煙量為25.32X104 m3/h。根據公式計算出的自然排煙量大于此數值，理論上應該按照計算值確定防煙分區的排煙量。濕式造紙聯合廠房由于車間內散發大量的高溫、高濕氣體，車間自身需要設置通風，一般在屋頂設置屋頂排風機進行機械排風或者在屋頂設置自然通風器進行自然通風。兩種通風方式均占用屋面面積，因此根據實際情況，濕式造紙聯合廠房的自然排煙系統最好選擇設置自然排煙側窗。根據標準計算的自然排煙窗（口）截面積與排煙系統吸入口最低點之下煙氣層厚度有關，此煙氣層厚度與設置的自然排煙側窗高度有關，為方便計算，自然排煙側窗的面積根據標準4.6.3規定的自然排煙窗處風速計算。查標準表4.6.3，對應的自然排煙側窗風速為1.01 m/s。根據計算出的自然排煙量427008 m3/h，得出每個防煙分區所需的自然排煙側窗面積為117.5 m2，據此得出的自然排煙窗面積為有效面積。

按照6個防煙分區中的長邊長度最大（長邊長度60 m）的一個防煙分區來設置自然排煙窗，需設置寬2m、高2m的自然排煙窗30個，即該防煙分區沿濕式造紙聯合廠房的兩個外墻需各設置15個寬2 m、高2m的自然排煙窗。但其他5個防煙分區的長邊長度都較小，若為建筑外立面美觀著想，最好設置相同規格的自然排煙窗，但這5個防煙分區設置的寬2 m、高2m的自然排煙窗面積不能滿足排煙要求。如果為滿足排煙要求，這5個防煙分區需根據各自的長邊長度設置不同規格的排煙窗，建筑外立面較亂。且自然排煙窗的面積是根據開窗有效面積系數為1計算的，實際需設置的自然排煙窗面積大于117.5 m2。根據標準第4.3.7條的要求，設置自然排煙系統的濕式造紙聯合廠房還需在屋面上增設可溶性采光帶（窗），由于濕式造紙聯合廠房采用的是預應力鋼筋混凝土屋面板，其可溶性采光帶的面積不應小于樓地面面積的10%[1]。

4機械排煙系統

根據標準計算得出的該濕式造紙聯合廠房機械排煙量為455378 m3/h。由于該濕式造紙聯合廠房的屋面采用的是預應力雙T板鋼筋混凝土屋面板，因此屋頂通風機在屋面的開孔大小受到限制，按照開孔尺寸選定的屋頂軸流通風機的排風量為44000 m3/h，每個防煙分區需要設置11臺屋頂立式排煙風機，不接風管。6個防煙分區一共需設置66臺屋頂立式排煙風機。

根據標準的規定排煙風機應設置在專用機房內。標準中解釋此要求主要是為了保證排煙風機在排煙工作條件下能正常連續運行30 min，防止風機直接被火焰威脅，并保證排煙風機的電機能夠有效散熱和方便維修。據此要求，濕式造紙聯合廠房屋面需設66個排煙專用機房，且根據標準的規定設置機械排煙時，仍需在外墻或屋頂設置固定窗。固定窗設置在頂層區域或者外墻，其要求也不同。根據要求也可采用可溶性采光帶（窗）替代固定窗，可溶性采光帶（窗）面積不應小于樓地面面積的10%[1]。即使排煙風機不設置在屋面，設置在輔跨也需要設專用機房，且此種做法排煙風機需要接排煙管道，但就目前車間內輔跨房間的布置和廠房內各專業的管道、電纜橋架的布置情況，此種方案實施起來更加困難。

5兩種排煙系統分析

若根據上述兩種排煙方式計算出的排煙量來設置自然排煙窗或者屋頂立式排煙風機，則對目前的濕式造紙聯合廠房的建筑結構形式及工藝生產產生重大影響。濕式造紙聯合廠房由于造紙工藝自身的特點，是高溫高濕的密閉廠房。廠房的圍護結構按照防結露設計，保溫外墻的傳熱系數一般為0.3～0.5 W/（ m2·K）[4]。而目前國內的排煙窗和采光帶的保溫性能一般較差，現有排煙窗即使在保溫效果較好的情況下其傳熱系數也才可能達到2.1～2.7 W/（ m2·K），在北方其內表面溫度大大低于車間露點溫度。若按照自然排煙設置大量的自然排煙窗，則在北方冬季窗戶嚴重結露，并大量淌水，甚至結冰[5]，不僅降低圍護結構使用壽命，還會引發斷紙的可能性，影響工藝生產。對于設置機械排煙系統的北方造紙廠冬季面臨同樣問題。若按照機械排煙設置屋頂立式排煙風機，根據標準要求排煙風機設置專用機房，則需在屋面設排煙專用機房，機房過多、過重，對于現有廣泛使用大跨度輕鋼結構或預制混凝土屋面的造紙廠來說，屋面結構從技術上無法做到，但若改為現澆屋面，需要在車間中間增加排柱，但工藝生產條件不允許在車間中間設柱子。若在車間地面或樓面設排煙風機專用機房，則需布置大量大截面豎向主風管和屋面下大量排煙風管，將會改變車間整體建筑和工藝布局，嚴重影響車間合理使用。

在此標準未頒布實施之前，屋頂立式排煙風機經常用于濕式造紙聯合廠房進行機械排煙，直接露天布置，不設置專用機房。這是因為安裝在室外的屋頂立式排煙風機本身就是為露天使用專門設計的，其電氣防護等級、絕緣等級都較高，機械部分的材料、構造、防腐等均按露天條件設計、制作。僅從防排煙標準的條文解釋中理解，屋頂立式排煙風機完全能夠滿足在排煙工作條件下連續運行30 min，且不受火焰威脅，并能保證電機有效散熱。而且造紙車間的屋頂立式排煙風機一般都是排煙和平時通風使用。作為平時通風用的屋頂立式排煙風機由于工藝條件的要求，需要全年運行，風機運行的可靠性更高。經與有關消防部門溝通，同意濕式造紙聯合廠房的屋頂立式排煙風機可不設置專用機房，直接露天布置。

由此考慮計算出的單個防煙分區的自然排煙量427008 m3/h，機械排煙量455378 m3/h是否合理。此處的排煙量是根據標準規定的最小儲煙倉厚度3.9 m計算的，實際濕式造紙聯合廠房二層的凈空高度19.5 m，因此，儲煙倉的厚度可以加大，儲煙倉底部距二層樓板的高度大于最小清晰高度3.55 m即可，但標準規定，按照公式計算出的排煙量不應小于表4.6.3中的數值，所以儲煙倉的厚度不能無限加大。濕式造紙聯合廠房單個防煙分區的排煙量按照標準表4.6.3查取，即25.32×104 m3/h。由此計算出的自然排煙系統每個防煙分區需設置的自然排煙窗有效面積約70 m2，需設置寬2m、高2m的自然排煙窗18個。機械排煙系統每個防煙分區需要設置6臺屋頂立式排煙風機，單臺排煙量44000 m3/h。根據防煙分區排煙量25. 32×104 m3/h倒推儲煙倉的高度，得出自然排煙系統儲煙倉的厚度為8.86 m，機械排煙系統儲煙倉的厚度為9.82 m，滿足標準要求的儲煙倉厚度不應小于空間凈高的20%，且不應小于500 mm的要求。自然排煙系統儲煙倉底部距二層地面高度為10.64 m，機械排煙系統儲煙倉底部距二層地面高度為9.68 m。

濕式造紙聯合廠房設置排煙系統，不管是采用自然排煙還是機械排煙，都需設置補風系統，補風系統根據標準的要求設置即可。

6結論

《建筑防煙排煙系統技術標準》的頒布和實施對防排煙設計起到了很好的指導作用。但對于濕式造紙聯合廠房排煙系統的設計和實施也帶來了以下問題并給出建議。

6.1設置自然排煙系統，屋頂或側墻設置的自然排煙窗和可溶性采光帶，大大增加了北方造紙廠冬季結露的可能性，嚴重影響廠房圍護結構、梁、柱等的使用壽命。

6.2設置機械排煙系統，若根據防排煙標準要求設置專用機房，則需改變現有濕式造紙聯合廠房的建筑結構形式。且側墻或屋頂設置的固定窗或可溶性采光帶，對于北方造紙廠同樣帶來結露問題。

6.3就目前來看，對于北方的濕式造紙聯合廠房，盡量不采用自然排煙系統。但是隨著現代科技的飛速發展，不排除未來有保溫性能好的自然排煙窗和可溶性采光帶的出現。濕式造紙聯合廠房采用機械排煙系統時，采用屋頂立式排煙風機，但不設排煙機房，考慮到濕式造紙聯合廠房生產工藝的要求，不設側墻的固定窗或者屋頂的可溶性采光帶。對于不設側墻的固定窗或者屋頂的可溶性采光帶的問題，還需與項目所在地的消防部門溝通，力爭不設。

參 考 文 獻

[1]GB 51251-2017.Technical standard for smoke management sys-tems in buildings[S].GB51251-2017.建筑防煙排煙系統技術標準[S].

[2]GB51092-2015.Code for design of pulp and papermaking plant[S].GB51092-2015.制漿造紙廠設計規范[S].

[3]SUN Liang，ZHANG Yanbin，CHEN Lei.The Solution for Safety Evacuation Problem of Large Integrated Plant in Paper Mill[J].Chi-na Pulp&Paper，2015，34（1）：49.孫亮，張延斌，陳笛.大型造紙聯合廠房安全疏散難題的解決方案[J].中國造紙，2015，34（1）：49.

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（責任編輯：黃舉）