封闭空间CO2浓度限值及呼吸空气供应

杨 悦 马临川

(惠生工程(中国)有限公司,北京)

0 引言

在某涉外石化项目执行过程中,业主提出了将中央控制室(整体抗爆结构建筑物)内的控制室和餐厅设计成紧急状态的“安全防护区”(safe havens),当石化厂区内发生爆炸或有毒有害气体泄漏等事故时,中央控制室内的人员都集中到安全防护区内,以保证在救援人员到来之前的一定时间内人员的安全。该建筑物本身为无外窗的抗爆结构,且当外界发生事故时,为防止外界有害气体侵入,新风及排风系统关闭,此时整个安全防护区可视为封闭空间。随着时间的推移,封闭在安全防护区内的人员(该项目安全防护区紧急情况聚集人数设定为150人)呼吸产生的CO2浓度逐渐增大,O2浓度逐渐减小,为保证封闭空间内人员呼吸的基本需求,需要把CO2浓度控制在限值以下。

1 主要问题

安全防护区不仅仅是一个空间概念,还需要在建筑平面设计、通风空调系统及配电照明设计中满足一定的要求,才能保证人员的安全。

正常情况下,中央控制室安全防护区的空调通风系统为“恒温恒湿空调机组+新风(净化)机组”的一次回风全空气系统。当厂区内发生事故,设置在新风入口的有毒有害及可燃气体探测器报警时,连锁关闭新风入口及排风出口的电动气密阀,并连锁关闭新风机及排风机。此时,恒温恒湿空调机组保持运行状态,空调系统送回风内循环,只保证中央控制室(抗爆结构,无外窗,当通风系统停止运行时,可视为封闭空间)内的温湿度。此时,需设置呼吸空气供应系统(breathing air supply system),向中央控制室安全防护区内的空调送风系统补充压缩空气,以防止安全防护区内CO2积聚,保证内部人员呼吸所需的空气量。

那么封闭空间内CO2浓度应该控制在什么限值以下,才能保证内部人员呼吸的基本要求?需要向空调送风系统内补充多少压缩空气才能满足安全防护区内或者某个封闭空间内CO2浓度不超过其限值?呼吸空气系统如何设计,才能保证封闭空间内呼吸空气满足需求?下面对这些问题逐一进行分析探讨。

1.1 业主对安全防护区的要求

业主在安全防护区的设计要求文件中提出：安全防护区内CO2体积分数需控制在1%以下,并保持2 h(keep the CO2concentration below 1% for 2 hours);呼吸空气量建议每人2 m3/h(The recommended flow rate is 2 m3/h per person)。

1.2 CO2浓度限值

通过查阅国内外标准或规范,发现对封闭空间CO2浓度的限值要求各有不同,为利于比较,将各规范统一单位进行比对,如表1所示。

表1 CO2体积分数限值比对

1.3 在不同CO2浓度环境中人的状态(见表2)

表2 在不同CO2浓度环境中人的状态[1]

通过上述分析比较发现,不同的持续时间对CO2浓度限值要求是不同的,但是设定CO2浓度限值的目的是一致的,就是为了保证封闭空间环境内人员基本的呼吸生存需要。业主提出的“安全防护区内CO2体积分数控制在1%以下,并保持2 h”基本符合石化厂区中央控制室外界发生事故时,封闭空间内人员2 h等待救援期间基本的呼吸生存需要。

1.4 CO2浓度限值与呼吸空气供应量之间的关系

O2消耗量和CO2生成率取决于身体活动,如图1所示。实验室和实地研究表明,对于久坐不动的人来说,CO2的生成率为0.31 L/min。

图1 O2消耗量及CO2生成率与身体活动的关系[2]

CO2的质量平衡关系如图2及式(1)所示。

图2 CO2的质量平衡关系

(1)

式中Vo为人均新风量或人均送入空气量,m3/h;N为人均CO2生成率,m3/h,取0.018 6 m3/h(0.31 L/min);Cs为空间中的CO2体积分数,10-6,取10 000×10-6(1%);Co为室外空气(或送入的空气)中的CO2体积分数,10-6,取400×10-6。

将相关数据代入式(1),计算得到保证中央控制室安全防护区2 h内CO2体积分数不超过限值要求(1%)时需要向安全防护区内补充的人均呼吸空气量Vo=1.94 m3/h≈2 m3/h。

此计算结果与业主对安全防护区设计要求中为控制CO2浓度而要求的送入安全防护区的呼吸空气量建议每人2 m3/h是基本吻合的。

2 呼吸空气供应系统

1) 呼吸空气供应系统原理图见图3。

图3 呼吸空气供应系统原理图

2) 呼吸防护用压缩空气技术要求见表3。

表3 呼吸防护用压缩空气技术要求[3]

5) 阀前状态下(压缩空气瓶组内空气状态,即减压阀组前呼吸空气状态)呼吸空气供应量。

3) 呼吸空气来源：安全防护区的呼吸空气供应一般来自厂区压缩空气管网或压缩空气瓶。该项目设置压缩空气瓶作为呼吸空气源,压缩空气瓶就地保存。

4) 标准状态(20 ℃,101.3 kPa)下(即减压阀组后管网内呼吸空气状态)呼吸空气供应量。

呼吸空气系统需计算出2个空气量：一是防护时间内的总供应量,用以确定总供气量,特别是用以确定压缩空气瓶的储气量;二是小时流量,用以确定管网。

压缩空气瓶组的压缩空气供应量需依据压缩空气状态参数计算：

(2)

式中p1为送入安全防护区的呼吸空气压力,MPa,取0.1 MPa;V1为送入安全防护区的呼吸空气量,m3或m3/h;T1为送入安全防护区的呼吸空气温度,K,取293 K;p2为减压前压缩空气瓶组出口的空气压力,MPa;V2为压缩空气供应量,m3或m3/h;T2为压缩空气温度,K。

压缩空气瓶组空气状态参数为p2=40 MPa,T2=293 K,计算得到该项目呼吸空气系统压缩空气瓶组空气需求量V2=1.5 m3。

该项目选用单个容积为50 L的压缩空气瓶(40 MPa,293 K),共需设置30个压缩空气瓶,组成压缩空气瓶组。

6) 压缩空气管网及储罐技术要求。

① 压缩空气管网管径：依据HG/T 20570.6—1995《管径选择》中表2.0.1规定的管道内介质流速(8～12 m/s(0.3 MPa))计算,确定管径为100 mm。

② 压缩空气瓶存储技术要求：钢瓶宜集中布置在钢瓶间;钢瓶间不应设在主建筑物内,不应设在主入口侧,使用钢瓶气的房间宜布置在靠近钢瓶间的一侧;钢瓶间宜采用自然通风,当自然通风不能满足要求时,应采用机械通风或机械与自然联合通风。

3 结束语

通过分析封闭空间内CO2浓度限值及其与呼吸空气供应量的关系,确定了紧急情况下向空调系统提供的呼吸空气量,以满足紧急状况下特定封闭空间内CO2含量不超过其限值的要求,并通过项目实例介绍了呼吸空气系统方案及设计要点,阐述了如何保证封闭空间内人员呼吸的基本需求。