封閉空間CO2濃度限值及呼吸空氣供應

楊 悅 馬臨川

(惠生工程(中國)有限公司,北京)

0 引言

在某涉外石化項目執行過程中,業主提出了將中央控制室(整體抗爆結構建筑物)內的控制室和餐廳設計成緊急狀態的“安全防護區”(safe havens),當石化廠區內發生爆炸或有毒有害氣體泄漏等事故時,中央控制室內的人員都集中到安全防護區內,以保證在救援人員到來之前的一定時間內人員的安全。該建筑物本身為無外窗的抗爆結構,且當外界發生事故時,為防止外界有害氣體侵入,新風及排風系統關閉,此時整個安全防護區可視為封閉空間。隨著時間的推移,封閉在安全防護區內的人員(該項目安全防護區緊急情況聚集人數設定為150人)呼吸產生的CO2濃度逐漸增大,O2濃度逐漸減小,為保證封閉空間內人員呼吸的基本需求,需要把CO2濃度控制在限值以下。

1 主要問題

安全防護區不僅僅是一個空間概念,還需要在建筑平面設計、通風空調系統及配電照明設計中滿足一定的要求,才能保證人員的安全。

正常情況下,中央控制室安全防護區的空調通風系統為“恒溫恒濕空調機組+新風(凈化)機組”的一次回風全空氣系統。當廠區內發生事故,設置在新風入口的有毒有害及可燃氣體探測器報警時,連鎖關閉新風入口及排風出口的電動氣密閥,并連鎖關閉新風機及排風機。此時,恒溫恒濕空調機組保持運行狀態,空調系統送回風內循環,只保證中央控制室(抗爆結構,無外窗,當通風系統停止運行時,可視為封閉空間)內的溫濕度。此時,需設置呼吸空氣供應系統(breathing air supply system),向中央控制室安全防護區內的空調送風系統補充壓縮空氣,以防止安全防護區內CO2積聚,保證內部人員呼吸所需的空氣量。

那么封閉空間內CO2濃度應該控制在什么限值以下,才能保證內部人員呼吸的基本要求?需要向空調送風系統內補充多少壓縮空氣才能滿足安全防護區內或者某個封閉空間內CO2濃度不超過其限值?呼吸空氣系統如何設計,才能保證封閉空間內呼吸空氣滿足需求?下面對這些問題逐一進行分析探討。

1.1 業主對安全防護區的要求

業主在安全防護區的設計要求文件中提出：安全防護區內CO2體積分數需控制在1%以下,并保持2 h(keep the CO2concentration below 1% for 2 hours);呼吸空氣量建議每人2 m3/h(The recommended flow rate is 2 m3/h per person)。

1.2 CO2濃度限值

通過查閱國內外標準或規范,發現對封閉空間CO2濃度的限值要求各有不同,為利于比較,將各規范統一單位進行比對,如表1所示。

表1 CO2體積分數限值比對

1.3 在不同CO2濃度環境中人的狀態(見表2)

表2 在不同CO2濃度環境中人的狀態[1]

通過上述分析比較發現,不同的持續時間對CO2濃度限值要求是不同的,但是設定CO2濃度限值的目的是一致的,就是為了保證封閉空間環境內人員基本的呼吸生存需要。業主提出的“安全防護區內CO2體積分數控制在1%以下,并保持2 h”基本符合石化廠區中央控制室外界發生事故時,封閉空間內人員2 h等待救援期間基本的呼吸生存需要。

1.4 CO2濃度限值與呼吸空氣供應量之間的關系

O2消耗量和CO2生成率取決于身體活動,如圖1所示。實驗室和實地研究表明,對于久坐不動的人來說,CO2的生成率為0.31 L/min。

圖1 O2消耗量及CO2生成率與身體活動的關系[2]

CO2的質量平衡關系如圖2及式(1)所示。

圖2 CO2的質量平衡關系

(1)

式中Vo為人均新風量或人均送入空氣量,m3/h;N為人均CO2生成率,m3/h,取0.018 6 m3/h(0.31 L/min);Cs為空間中的CO2體積分數,10-6,取10 000×10-6(1%);Co為室外空氣(或送入的空氣)中的CO2體積分數,10-6,取400×10-6。

將相關數據代入式(1),計算得到保證中央控制室安全防護區2 h內CO2體積分數不超過限值要求(1%)時需要向安全防護區內補充的人均呼吸空氣量Vo=1.94 m3/h≈2 m3/h。

此計算結果與業主對安全防護區設計要求中為控制CO2濃度而要求的送入安全防護區的呼吸空氣量建議每人2 m3/h是基本吻合的。

2 呼吸空氣供應系統

1) 呼吸空氣供應系統原理圖見圖3。

圖3 呼吸空氣供應系統原理圖

2) 呼吸防護用壓縮空氣技術要求見表3。

表3 呼吸防護用壓縮空氣技術要求[3]

5) 閥前狀態下(壓縮空氣瓶組內空氣狀態,即減壓閥組前呼吸空氣狀態)呼吸空氣供應量。

3) 呼吸空氣來源：安全防護區的呼吸空氣供應一般來自廠區壓縮空氣管網或壓縮空氣瓶。該項目設置壓縮空氣瓶作為呼吸空氣源,壓縮空氣瓶就地保存。

4) 標準狀態(20 ℃,101.3 kPa)下(即減壓閥組后管網內呼吸空氣狀態)呼吸空氣供應量。

呼吸空氣系統需計算出2個空氣量：一是防護時間內的總供應量,用以確定總供氣量,特別是用以確定壓縮空氣瓶的儲氣量;二是小時流量,用以確定管網。

壓縮空氣瓶組的壓縮空氣供應量需依據壓縮空氣狀態參數計算：

(2)

式中p1為送入安全防護區的呼吸空氣壓力,MPa,取0.1 MPa;V1為送入安全防護區的呼吸空氣量,m3或m3/h;T1為送入安全防護區的呼吸空氣溫度,K,取293 K;p2為減壓前壓縮空氣瓶組出口的空氣壓力,MPa;V2為壓縮空氣供應量,m3或m3/h;T2為壓縮空氣溫度,K。

壓縮空氣瓶組空氣狀態參數為p2=40 MPa,T2=293 K,計算得到該項目呼吸空氣系統壓縮空氣瓶組空氣需求量V2=1.5 m3。

該項目選用單個容積為50 L的壓縮空氣瓶(40 MPa,293 K),共需設置30個壓縮空氣瓶,組成壓縮空氣瓶組。

6) 壓縮空氣管網及儲罐技術要求。

① 壓縮空氣管網管徑：依據HG/T 20570.6—1995《管徑選擇》中表2.0.1規定的管道內介質流速(8～12 m/s(0.3 MPa))計算,確定管徑為100 mm。

② 壓縮空氣瓶存儲技術要求：鋼瓶宜集中布置在鋼瓶間;鋼瓶間不應設在主建筑物內,不應設在主入口側,使用鋼瓶氣的房間宜布置在靠近鋼瓶間的一側;鋼瓶間宜采用自然通風,當自然通風不能滿足要求時,應采用機械通風或機械與自然聯合通風。

3 結束語

通過分析封閉空間內CO2濃度限值及其與呼吸空氣供應量的關系,確定了緊急情況下向空調系統提供的呼吸空氣量,以滿足緊急狀況下特定封閉空間內CO2含量不超過其限值的要求,并通過項目實例介紹了呼吸空氣系統方案及設計要點,闡述了如何保證封閉空間內人員呼吸的基本需求。