风幕式通风柜在润滑油实验室中的应用

2019-05-03张志飞

设备管理与维修 2019年19期

张志飞，岳彬

（1.中国石化润滑油有限公司济南分公司，山东济南 250101；2.山东龙腾电力科技有限公司，山东济南 250101）

0 引言

润滑油行业的竞争日趋激烈，产品质量的控制及研发能力成为企业竞争力的决定因素，而润滑油实验室的建设是质量控制和研发的重要手段。实验室不仅要求精良的分析设备及出色的分析人员来决定出厂产品能否符合质量标准，而实验环境的完善与否，会在过程控制中更好提高检测品质，提高操作人员的舒适性，减少环境上的隐患。为此，为了提高产品在市场中的竞争力，实验室进行了通风改造。通过对通风设施的选择，重点介绍了风幕式通风柜的优缺点及应用情况，为其他实验室的通风设计提供参考。

1 实验室改造前状况

中国石化润滑油有限公司济南分公司的实验室已经使用多年，并且是由生产车间改建而成。实验室布局不合理，检测流程不规范，特别是实验室的通风效果差、噪声大，实验室环境温度冬天可达0 ℃以下，夏天高达37～38 ℃，像黏度试验气味大、油品挥发性高、严重危害职工安全。而ICP 仪器达不到特定风速不工作，电子显微镜、质谱色谱对噪声、温湿度要求高，现有工作环境影响设备的检测精度。因此本次改造的目标是有两个：一是要满足先进、安全、舒适、方便、专业、节能的要求，满足提高新产品检验标准，促进产品研发的功能；二是要有针对性设计，采用新技术减少投资，降低运行维护成本，实现实验室环境温、湿度平稳，噪声低、无气味、达到安全、舒适、美观的现代化实验室。

2 实验室改造

实验室计划安装通风柜25 台，排风罩2 个，采用传统方式排风量经计算高达40 000 m3/h，要实现温湿度平稳、噪声低、无气味，技术上存在困难，计划采用风幕式通风柜和风幕式排风罩，以及可关断式文丘里阀，通过自动控制系统，实现排风量为传统排风量的20%，运行成本为传统方式的15%，维护成本为传统方式10%的目的。

2.1 通风柜的选型

通风柜是一种排除有害气体，避免操作人员受有害气体危害的密闭罩，与全面通风和旁侧排气罩相比，比较节能。在实验室几乎成为必不可少的设备。通风柜的设计要求主要是：满足通风柜内各种操作条件，及时排除柜内的有害气体，防止有害气体积聚集和外逸。所以在设计时应注意：①结构布置合理，不侧流，要有隔离功能；②有足够的排风量，保证操作口有一定的控制风速；③操作口的控制风速分布尽量均匀；④风机选型适当；⑤做好管网设计计算；⑥必要时使用净化器。有些人以为通风柜很简单，一个柜型排气罩，加上一台排气风扇就行了。其实，通风柜的设计有它的规律和科学性。要考虑的不只是通风柜本身，还应包括排气管道、风机及净化装备等。

（1）自然通风式通风柜。可以日夜连续换气，因为没有机械设备，没有噪声和振动，保养起来比较容易；构造简单，价格低廉，不耗电。但是它的使用会受到一定条件的限制，凡是毒性较高或者不产生热量的实验，都不适合采用，有的房间，在夏季也不适宜使用。

（2）顶抽式通风柜。一般用于需要加热的实验，实验过程中间会产生大量的热量，顶抽式通风具有良好的排风效果，缺点是通风柜操作口处风速不均匀，靠近台面处有旋涡气流产生，存在隐患。

（3）狭缝式通风柜。通风柜顶部和后侧留有排风狭缝，后侧可以在中部和下部设置两条狭缝，由于上中下都有排风口，气流流经狭缝时会产生节流效应，变静压为动压，再变动压为静压，使通风柜内产生一股较强的负压气流，使操作口的风速达到均匀，对各种工况都有良好的排风效果。但是结构复杂，制作麻烦。

（4）旁通式通风柜。通风柜排风量是按操作口全开时的截面积及设计风速来计算的，不需要人操作时会把柜门关小些。由于排风量保持恒定，在操作口调节门下进气口的风速变大，对有些实验产生不良影响。所以通风柜设置了旁通口来解决问题，当调节门上移开大时，旁通口被调节门阻挡，不起旁通作用。空气由操作口直接进入通风柜。当调节门下移关闭时，旁通口开启，一部分空气从旁通流入柜内，使操作口风速基本稳定。旁通式通风柜优化了进气系统的设计，保证了进风调节门升降时柜内气流的平衡。缺点是当通风柜内产生的有毒有害气体较重时，会发生有害气体外泄。

（5）风幕式通风柜。风幕隔绝通风柜与实验室气体的交流，可以用较小的排风量实现排除有害气体，显示其节能降噪的优越性能。

根据实验室的排风需求及国家的环保节能的要求，本次改造选用了风幕式通风柜。

2.2 风幕式通风柜

2.2.1 风幕式通风柜的特点

（1）工作时，通风柜补风从补风管道，经散流罩均匀进入柜体，携带着实验产生的有毒有害气体一起进入通风柜排风槽，通过排风管道排出，柜内排风口风速为2.4～2.6 m/s（图1）。

（2）风幕隔绝通风柜内外气体交换，即阻止室内空气补入通风柜又防止通风柜内有毒有害气体溢出。

（3）采用VAV（Variable Air Volume System）变风量控制系统，每台通风设备可单独控制，不影响其他设备的使用，任何一个可以首先开启，也可以最后关闭系统。

（4）风机的排风量随通风设备开启个数的增加而增加，减少而减少。

（5）风幕报警系统：风幕无风时可实现就地和远程报警，风幕风速为1.3～1.5 m/s。

图1 风幕式通风柜

（6）采用VAV 变风量控制系统，无论单台或多台通风设备工作时，能够精确控制风机（转速）排风量与设备总排风量需求相同步，平滑调节。保证同一套系统内的通风设备风量均衡，通风柜柜体内产生负压，室外风自然补入。

（7）A 点与B 点风速配合（图2）。经过多次试验测试：①当A 点风幕风速在1.3～1.5 m/s 时，B 点风速在2.4～2.6 m/s时，无泄漏、无面风速；②当A 点风幕风速不变时，B 点排风口风速低于2 m/s，泄漏率随风速降低而增加；③当A 点风幕风速不变时，B 点风速超过3.5 m/s 时，视窗的面风速随风速增加而增加；④为保证泄漏率小于0.05×10-6和面风速为零，选用了可关断文丘里定风量阀，保证了泄漏率符合要求，同时又消除了面风速。

图2 风幕式通风柜A 点与B 点风速配合

2.2.2 通风罩工作原理

（1）风幕隔绝排风罩内外气体交换，即阻止室内空气补入排风罩又防止排风罩区域内有毒有害气体溢出；

（2）风幕可以根据实验需求进行调速控制；

（3）排风罩补风从进风口均匀进入风幕区域，携带实验产生的有毒有害气体一起进入，经顶端的排风口排出室外；

（4）改造后风幕式排风罩风量比排风罩风量减少80%（图3）。

2.2.3 文丘里定风量阀工作原理

常规文丘里阀最小风量为200 m3/h，不能关断。图4 所示文丘里阀是定风量阀，为ABS+PBT 材质，具有良好的防腐性，可以抵御实验室腐蚀性气体腐蚀。另外还增加了关断功能，方便使用。

文丘里阀在150～750 Pa 范围内自动调节，压力无关型。保证阀体的气密性。

图3 通风罩工作原理

图4 文丘里定风量阀

图5 免调试系统工作原理

2.2.4 免调试系统工作原理

风幕式通风柜由于风幕可以隔绝通风柜内外气体交换。即防止通风柜内有毒有害气体溢出，又阻止室内的空气流入通风柜。通过各种试验测试：当风幕式通风柜视窗开启最大时，通风柜的排风量保证300 m3/h，就能确保通风柜的泄漏率小于0.05×10-6。而在视窗高度变小时，通风柜则会更安全。因此无论视窗如何变化，风幕式通风柜只要保证300 m3/h 的风量都是安全的。为了控制系统简单、准确，可以设定风幕式通风柜的风量为300 m3/h。在此基础上，配上一台可关断文丘里定风量阀（300 m3/h），通风柜只能有两种状态，停用和300 m3/h 的排风量，因此可实现整个排风系统的免调试。

3 实施方案

本项目共有通风柜25 台、排风罩2 个，换风口18 个，共设计4 套控制系统。

系统1：二层西侧9 台通风柜、2 个排风罩；三层西侧6 台通风柜分别穿北墙通至楼顶，在楼顶汇合成一条主管道，连接一台5.5 kW 风机，经光催化过滤合格后排到大气中，通风柜的补风由管道通至北墙自然补入。

系统2：二层东侧4 台通风柜；三层东侧6 台通风柜分别穿北墙通至楼顶，在楼顶汇合成一条主管道，连接一台5.5 kW 风机，经光催化过滤合格后排到大气中，通风柜的补风由管道通至北墙自然补入。

系统3：二层、三层西侧环境换风正常运行按照1 次/h，设备按3 次/h 来选型，当污染严重时，可实现2 次/h、3 次/h 运行。管道穿北墙通至楼顶，汇合成一条主管道连接一台风机排风。环境补风与排风联动控制，新风由楼顶西侧新风机组补入各楼各房间内，每个房间设有手动风阀可根据需求进行调节。

系统4：二层、三层东侧环境换风正常运行按照1 次/h，设备按3 次/h 来选型，当污染严重时，可实现2 次/h、3 次/h 运行。管道穿北墙通至楼顶，汇合成一条主管道连接一台风机排风。环境补风与排风联动控制，新风由楼顶东侧新风机组补入各楼各房间内，每个房间设有手动风阀可根据需求进行调节。

4 改造前后设备的运行对比

4.1 设备运行参数对比

通风柜共计27 台，改造后与传统方式（VAV+空调）风量的比较见表1，系统数量、风机功率及主管道尺寸比较见表2。

表1 2 种模式的风量比较 m3/h

表2 系统数量、风机功率及主管道尺寸比较

4.2 运行费用比较

（1）单台通风柜风机运行费用比较。改造前，传统通风柜单台排风量为1500 m3/h，风机功率0.7 kW；改造后风幕通风柜的单台排风量为300 m3/h，风机功率0.14 kW。按每天工作8 h（每小时用电0.8 元）、每年365 d 计算，改造前后单台通风柜风机运行费用分别为1635 元和327 元。单台每年节省风机运行费用1308 元。

（2）单台通风柜每年冷暖空调运行费用比较。改造前，传统通风柜每小时排风量为1500 m3/h、补风量为1500 m3/h，使用率为70%；改造后风幕通风柜的单台排风量为300 m3/h、补风量为0，按每天工作8 h（每小时用电0.8 元）、每年180 d（冬天夏天各使用3 个月）计算，改造前后单台通风柜每年冷暖空调运行费用分别为12 096 元和0 元。这样，改造后单台通风柜每年节省冷暖空调运行费用12 096 元。

单台每年节省运行费用1308+12 096=13 404 元，即1.340 4 万元。本项目中共有27 台通风柜，每年节省运行费用1.3404×27=36.19 万元。

4.3 实验室环境对比

（1）改造前后实验室环境温度对比见图6。

（2）噪声比较：单台开启≤42 dB，一半开启≤50 dB，全部开启≤55 dB，环境排风噪声≤55 dB。

图6 实验室温度比

（3）风量比较：单台通风量300 m3/h，整体通风量8100 m3/h。

（4）安全性比较：传统通风柜泄漏率0.5×10-6（JG/T 222—2007），风幕式通风柜泄漏率0.05×10-6：①在多台通风柜开启、关闭过程中，视窗的变化，传统的通风柜，由于风机反应速度慢，瞬间会有毒有害气体溢出；②实验室人员在视窗前快速走动时，影响气流，造成有毒有害气体溢出；③实验人员在视窗前做试验时，系统风量发生变化时，易产生有毒有害气体溢出（图7）。

（5）风量均衡比较：多台通风柜风量均衡。