淺談碳纖維廠房的防排煙系統設計

作者簡介：

溫敏捷（1990- ），男，漢族，上海人，本科，工程師，研究方向：暖通空調、防排煙。

摘要：近年來我國碳纖維事業發展迅猛，全國多地都有碳纖維項目在進展中。與此同時，《建筑防煙排煙系統技術標準》GB51251- 2017[1]也已實行了數年，筆者通過近些年參與設計的諸多碳纖維碳化車間案例，對碳纖維碳化車間的消防防排煙系統設計進行分析，探討在我國不同地區建設碳纖維碳化車間的設計中所遇到的問題與解決方法。

關鍵詞：碳纖維；廠房；碳化車間；消防；防排煙

一、概況

碳纖維生產廠區的碳化車間生產線一般分為絲架段、氧化段、碳化及后處理段、收絲段四個功能段，原絲經由聚合車間、原液車間、紡絲車間生產出來后依次通過以上四個功能段的工藝設備制成碳絲。氧化段是溫度逐步遞增的多級預氧化工藝，主要功能為促進聚丙烯腈原絲大分子鏈內的環化和分子間的交聯生成耐熱的網狀梯形結構以及抑制熱解反應產生的小分子；碳化及后處理段一般為溫度進一步提高的低溫碳化+高溫碳化，進而將絲束經輥體進入表面處理，以增強碳纖維的表面活性。

由于工藝流程較長，工藝設備較多，工藝生產線總長度一般為300～400多米，因而車間面積通常較大。碳化車間生產區域通常為單層，其輔房通常為一層或二層。我國地域遼闊，氣候環境差異較大，消防防排煙系統在國標的基礎上又存在地方標準及地方規范，各地在碳化車間的防排煙系統設計上的側重點也是不盡相同。

二、防排煙系統的設計依據

碳化車間為丙類工業廠房，生產區域為單層，凈高為14米或18米，無噴淋，輔房為一層或二層。根據《建筑設計防火規范》GB50016-2014（2018年版）[2]（以下簡稱《建規》）表3.3.1，火災危險性類別為丙類且耐火等級為一級的單層廠房，其防火分區面積為不限；多層廠房每個防火分區的最大允許面積為6000平方米。

碳化車間的生產區域為單層，部分項目的輔房有二層，根據現行國標《建筑防煙排煙系統技術標準》GB51251- 2017[2]（以下簡稱《煙標》）在有二層輔房的樓梯間設置自然通風措施較為容易實現。

根據《煙標》總則1.0.2條文，對于有特殊用途或特殊要求的工業與民用建筑，當專業標準有特別規定的，可從其規定。碳纖維碳化車間屬于化學纖維制造廠，屬于紡織行業，工藝及各專業均執行《紡織工程設計防火規范》GB50565-2010[3]（以下簡稱《紡規》）。根據《紡規》8.0.4條文2，化纖廠的原液制備廠房、紡絲間、卷繞間、后加工和加彈廠房以及生產非織造布的廠房，可不設置排煙設施。從生產工藝的角度上來說，碳化車間屬于化纖廠長絲后加工的功能段，《紡規》的條文解釋中也有所說明，此類場所一是操作人員少（平均每百平方米建筑面積內同時出現的操作人員不足一人），一旦發生火情能迅速撤離；二是生產中加工的物質是具有密實度的絲筒、絲餅（如熔融紡的卷繞絲筒和長絲后加工的絲筒、絲餅）或由于含水率較高而呈濕態（如在濕法紡絲和短纖維后加工過程中），屬于不易被引燃的固體；三是在設計上已經采取了可靠的安全措施（如在采用電加熱、電烘干的部位都設有火災自動報警等）。

根據數據統計，在過去的幾十年內（統計截至2010年），國內建設的數百個化纖原料廠、化纖廠，均沒有在上述部位設置專門的排煙設施，實踐中并未出現過由于火災產生的煙氣造成操作人員無法從生產崗位疏散和阻礙消防救援的情況。然而在近些年筆者參與設計的諸多案例中，各地審圖機構均認為不能簡單套用《紡規》來規避排煙系統的設計，《紡規》正式條文中沒有明確“碳纖維廠房”或“碳化車間”是屬于可以不設排煙系統的場所，工藝上雖屬于化纖廠后加工，但是與傳統的化纖廠（長纖維、短纖維或工業絲等工藝）并非完全相似，也缺少可以借鑒參考的已建成年數較長的實際工程案例。特別是在2018年《煙標》正式實施之后，全國各地對建筑消防防排煙的重視程度又大幅度上升，所以在保證安全生產的前提條件下，仍然按照《建規》中8.5.2的相關條文，對碳化車間進行排煙系統的設計。

值得一提的是，碳化車間的上游車間，如聚合車間、原液車間、紡絲車間，均為是在《紡規》8.0.4中有明確提及的場所，且與傳統化纖廠工藝相似度較高，此類車間均為能根據《紡規》8.0.4可不設置排煙設施的場所，各地審圖機構也對此無異議。

對于輔房的房間或走道的排煙設施，通常按照《建規》8.5.2條文1、4執行。輔房房間中建筑面積大于300平方米的房間基本均為電氣、儀表、工藝等設備用房，沒有可燃物，也沒有人員長期停留，不設置排煙設施。對于部分案例工程中出現的電纜夾層，位于變配電間下方，雖然平時也無人員停留，但是電纜屬于可燃物固體的范圍，就算是采用了阻燃電纜，也不能認為是非可燃物。對于此處有爭議的場所，筆者參考《火力發電廠與變電站設計防火標準》GB50229-2019[4]中條文8.7.1，對于電纜較為密集的火力發電廠建筑及輔助生產建筑中必須設置排煙設施的場所做了明確說明，電纜夾層屬于可不設置排煙設施的場所[5]。

三、排煙系統方式的選擇

根據《煙標》表4.6.3，碳化車間生產區域劃分為若干個防煙分區，每個防煙分區面積不大于2000平方米，且長邊不大于60米，空間凈高大于9米的無噴淋廠房每個防煙分區排煙量為211000立方米/小時；根據《煙標》4.1.1條文，建筑的排煙系統設計應當根據使用性質、平面布局等因素，優先采用自然排煙系統。在輔房只有一層的工程中，利用車間與輔房的高差部分的外墻開設自然排煙窗，自然排煙窗口部計算風速為1.01米/秒，計算排煙窗有效面積為58.1平方米，排煙窗沿建筑物的兩條對邊均勻設置，采用與火災自動報警系統聯動的控制方式，生產車間寬度一般在五十幾米不超過60米，能夠保證防煙分區內任一點與最近的自然排煙窗之間的水平距離不超過30米，且不大于建筑凈高的2.8倍（約39～50米）；在輔房有二層的工程中，車間與輔房的高差部分的外墻無法滿足開窗要求，利用屋面設置自然排煙窗，自然排煙窗口部計算風速為1.01x1.4=1.414米/秒，計算排煙窗有效面積為41.5平方米，同樣采用與火災自動報警系統聯動的自動控制方式開啟，并且當屋面斜度小于或等于12°時，每200平方米的建筑面積設置相應的自然排煙窗（口）。

當采用屋面排煙天窗時，經常會有排煙天窗漏水或滲水的現象產生，且排煙天窗又是均勻布置在屋面，所以漏水情況會很大程度上影響車間生產。由于廠房屋面為鋼結構屋面，排煙天窗的主要制作材料也是鋼結構，在風吹、日曬、雨淋、積雪等客觀的外部影響因素之下，導致排煙天窗與屋面的金屬連接部位發生形變或錯位，或排煙窗密封處的橡膠、硅膠等材質老化、龜裂，進而導致雨水滲透。近些年隨著排煙窗產品設計技術與施工工藝的提升，排煙天窗滲水的現象有所減少，但是在東北等嚴寒地區，由于冬季屋面積雪，在融雪階段，融化的雪水滲透的現象會特別頻繁，所以在嚴寒地區避免采用屋面自然排煙的方式，在側墻無法設置自然排煙窗的情況下，進而選擇采用機械排煙方式。

根據《煙標》4.1.4，設置機械排煙系統的建筑面積大于2500平方米的丙類廠房還要在外墻或屋面設置固定窗。由于固定窗是在火災時由人工破拆并且平時不可開啟，設置在屋面基本不會產生雨水滲透現象，所以機械排煙+固定窗的系統設計能夠滿足無法設置自然排煙的車間。

當車間進行機械排煙設置時，通常將車間沿長邊方向劃分若干個防煙分區，排煙機房設置于短邊兩側的輔房，將一個防煙分區的排煙量由兩臺風機從兩側排，每臺排煙風機在每個防煙分區的計算排風量為211000/2=105500 立方米/小時，設計風量為105500x1.2=126600立方米/小時。這樣設計的優勢：一是排煙風管截面積不至于過大，同時避免風管深入車間內部過深；二是排煙風機較為容易選型，如HTF-III型消防高溫排煙軸流風機，機號No.16，風量141086立方米/小時，全壓910帕，轉速720圈/分鐘，電機功率55千瓦/380伏。

綜合上述分析以及筆者參與設計的碳纖維成產車間案例，在冬季積雪現象不太常見的夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區均可以采用設置在側墻或屋面的自然排煙系統；在冬季積雪現象較為常見的嚴寒地區和部分的寒冷地區，建議采用設置在側墻的自然排煙系統或機械排煙系統。

四、機械排煙系統的優化探討

碳化車間平時設置機械通風系統，按照不小于6次/每小時的換氣次數進行設計，并按照功能段對車間進行全面送排風。由于車間建筑面積較大，機械通風量也較大，所以機械送排風的風管在車間里較為占用空間，再加上車間的工藝管架、電纜橋架、鋼平臺及工藝廢氣管道等設施，車間走管較為密集，所以在采用機械排煙系統的案例項目中，有業主提出能否將機械排煙系統與平時通風系統合用，對此筆者分析如下。

《煙標》4.4.3中條文有提及，排煙系統與通風、空氣調節系統應當分開設置，當確有困難時可以合用，但應當符合排煙系統的要求，且當排煙口打開時，每個排煙合用系統的管道上需聯動關閉的通風和空氣調節系統的控制閥門不應超過10個。在汽車庫、地鐵、人防等工程中，由于層高等因素，管道布置也較為困難，排煙系統與排風系統合用比較常見，所以在碳化車間布管較為困難的案例中，筆者認為可以在滿足規范要求的前提下將機械排煙與車間排風系統合用。

碳化車間是無噴淋廠房，然而根據《煙標》4.4.5，對于排煙系統與通風空氣調節系統共用的系統，其排煙風機與排風風機的合用機房內應設置自動噴水滅火系統；由于車間空氣中含有微量碳纖維（俗稱碳毛），用于平時排風的排風機會設置初效過濾段，然而用于排煙的排風機不能使用過濾段，否則排煙效果將大打折扣，所以如果將排煙系統與排風系統合用，只能將車間風管及風口部分合用，風機以及風機房是無法合用的，與汽車庫常見的排風兼排煙系統中風機采用雙速配置的方式有所不同。在方案制定階段，仍然需要為排煙風機及排風機分別設置機房，使每個系統中平時和火災時需要動作的閥門數量嚴格控制在10個之內，并且合理設計風口及風管尺寸，滿足不同工況下的流速要求[6]。在系統控制中，不同于排煙獨立設置的系統，各防煙分區支風管與主風管之間設置平時常開的280℃防火閥和電動蝶閥，火災時相應防煙分區所有閥門保持開啟，其余防煙分區電動蝶閥動作關閉。與此同時，風管的規格需要從嚴按照排煙系統風管安裝，風管壁厚按《煙標》表6.2.1或《通風與空調工程質量驗收規范》GB50243-2016[7]中表4.2.3-1中的高壓系統風管確定，耐火等級不小于1.00小時，且系統中所有閥門及管道連接部件應能在280℃時連續30分鐘保證其結構的完整性[8]。

車間消防補風一般采用自然補風，直接從室外引入空氣。但要注意的是，廠房內有若干的高大卷簾門，是設備運輸時開啟的，非疏散使用，平時處于關閉狀態，不能用于消防補風。一般采用疏散外門、手動可開啟外窗作為自然補風設施。

結語

消防防排煙系統與人民群眾的生命及財產安全息息相關，不僅是工業建筑暖通設計的要點，也是審圖與驗收過程的重中之重。自從2018年《煙標》實施以來，各地對消防防排煙的重視程度也與日俱增。隨著碳纖維生產工程建設數量的與日俱增，設計周期的壓縮，作為工程設計人員不僅要充分學習本專業、本行業的設計標準和規范，并對相關行業的規范也要加以了解，并對相關行業的標準進行融會貫通、分析判斷，從而更好地運用到實際生產中。

參考文獻

[1]GB50016-2014（2018年版）.建筑設計防火規范[S].

[2]GB51251- 2017.建筑防煙排煙系統技術標準[S].

[3]GB50565-2010.紡織工程設計防火規范[S].

[4]GB50229-2019.火力發電廠與變電站設計防火標準[S].

[5]談瑩瑩，王超.變電所電纜夾層排煙設計標準爭議探討[J].安徽建筑，2020，27（02）.

[6]GB50019-2015.工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[7]GB50243-2016.通風與空調工程質量驗收規范[S].

[8]20K607.防排煙及暖通防火設計審查與安裝[S].