濕式造紙聯(lián)合廠房排煙系統(tǒng)設計

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，所暴露出的生產(chǎn)生活安全問題也日益突出。各類火災事故頻發(fā)，損失巨大，而火災事故中產(chǎn)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(xiàn)行的《建筑設計防火規(guī)范》（2018年版）GB50016—2014（以下簡稱建規(guī)）在建筑防煙、排煙系統(tǒng)設計中必須嚴格執(zhí)行。由于建規(guī)只是對建筑防煙排煙系統(tǒng)設計提出原則性規(guī)定和做法，為完善建筑防煙、排煙系統(tǒng)設計各方面具體細節(jié)，國家最新頒布了《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》GB51251—2017（以下簡稱標準），并規(guī)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(jù)標準設計完成并投產(chǎn)運行的濕式造紙聯(lián)合廠房。本文對目前正在設計的某一濕式造紙聯(lián)合廠房結(jié)合建規(guī)、標準要求，就如何依廠房自身設計來設置排煙系統(tǒng)進行了分析。

1濕式造紙聯(lián)合廠房建筑特征

造紙行業(yè)近年來發(fā)展迅速，為增加產(chǎn)能，紙機逐步向高車速大幅寬方向發(fā)展，濕式造紙聯(lián)合廠房的建筑長度和高度也隨之增大，目前現(xiàn)代化大型紙機的廠房長度通常為300～500m，高度24～30m。而排煙系統(tǒng)設計的基本依據(jù)是建筑的火災危險性類別。在設計排煙系統(tǒng)之前，濕式造紙聯(lián)合廠房的建筑特征必須明確。本文中所提到的濕式造紙聯(lián)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(chǎn)能力的計算以復卷后的產(chǎn)量為依據(jù)。造紙產(chǎn)能的劃分如表1所示[2]。

濕式造紙聯(lián)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24m但要≤30m。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(jù)《制漿造紙廠設計規(guī)范》GB51092—2015的規(guī)定，造紙車間的火災危險性分類為丙類。根據(jù)建規(guī)3.3.1注3的規(guī)定：一、二級耐火等級的濕式造紙聯(lián)合廠房，當紙機烘缸罩內(nèi)設置自動滅火系統(tǒng)，完成工段設置有效滅火設施保護時，廠房每個防火分區(qū)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(nèi)由紙機廠家設有自動滅火系統(tǒng)，且完成工段設有滅火設施保護裝置，因此濕式造紙聯(lián)合廠房的防火分區(qū)面積根據(jù)工藝要求確定。一般濕式造紙聯(lián)合廠房劃分為兩個防火分區(qū)，一層為一個防火分區(qū)，二層為一個防火分區(qū)。

根據(jù)建規(guī)第8.5.2規(guī)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(chǎn)場所，丙類廠房內(nèi)建筑面積大于300m2且經(jīng)常有人停留或可燃物較多的地上房間。但濕式造紙聯(lián)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(lián)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(guī)8.5.2第1條設置排煙設施的條件。另外根據(jù)建規(guī)第3.1.2條“當生產(chǎn)過程中使用或產(chǎn)生易燃、可燃物的量較少，不足以構(gòu)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(chǎn)部分占本層或本防火分區(qū)建筑面積的比例小于5%”及其條文說明，濕式造紙聯(lián)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(lián)合廠房的戊類生產(chǎn)場所。建規(guī)對戊類生產(chǎn)場所沒有排煙要求，因此，濕式造紙聯(lián)合廠房一層不設排煙系統(tǒng)。廠房二層根據(jù)標準的要求設置排煙系統(tǒng)。

2濕式造紙聯(lián)合廠房排煙量計算

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

濕式造紙聯(lián)合廠房二層為一個防火分區(qū)，凈空高度約19.5m，根據(jù)標準空間凈高大于9m時，防煙分區(qū)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(qū)，且每個防煙分區(qū)的面積<2000m2，長邊長度≤60m。6個防煙分區(qū)之間不設擋煙設施。各防煙分區(qū)的劃分如表2所示。

濕式造紙聯(lián)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(zhì)量流量的計算可參照軸對稱型煙羽流方法。根據(jù)標準規(guī)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(guī)模，設計的火災規(guī)模取決于燃燒材料性質(zhì)、時間等因素和自動滅火設施的設置情況。但從生產(chǎn)實際情況來看，著火時的火災規(guī)模無法提前判斷，由什么材料引起的燃燒、燃燒持續(xù)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(lián)合廠房二層車間內(nèi)只在完成工段設有自動噴水滅火系統(tǒng)，完成工段屬于防煙分區(qū)6的一部分。但二層有6個防煙分區(qū)且凈空高度為19.5m，大于標準第4.6.7條條文說明中采用自動噴水滅火系統(tǒng)時允許最大凈空高度12～18m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(wěn)態(tài)時的熱釋放速率取8MW。若濕式造紙聯(lián)合廠房二層整個車間設有自動噴水滅火系統(tǒng)，且凈空高度≤18m，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2.5MW，車間二層最小清晰高度為3.55m。根據(jù)標準規(guī)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500mm。保守計算，儲煙倉的厚度取空間凈高的20%，即3.9m。儲煙倉底部距車間二層地面的高度為15.6m，大于最小清晰高度3.55m。濕式造紙聯(lián)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(wǎng)部向車間散發(fā)大量的濕氣，前干燥部和后干燥部采用密閉氣罩，罩內(nèi)設有自動滅火系統(tǒng)，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15.6m。由此計算出煙羽流質(zhì)量流量為132.9kg/s。采用自然排煙時，煙層平均溫度與環(huán)境溫度差為20.9℃，每個防煙分區(qū)的排煙量為427008m3/h。采用機械排煙時，煙層平均溫度與環(huán)境溫度差為41.7℃，每個防煙分區(qū)的排煙量為455378m3/h。

3自然排煙系統(tǒng)

上述計算自然排煙量為427008m3/h。根據(jù)標準規(guī)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(shù)值。查標準表4.6.3，對于工業(yè)建筑中空間凈高>9m的場所，無噴淋的排煙量為21.1×104m3/h，設計值還需考慮1.2倍的系數(shù)，即排煙量為25.32×104m3/h。根據(jù)公式計算出的自然排煙量大于此數(shù)值，理論上應該按照計算值確定防煙分區(qū)的排煙量。濕式造紙聯(lián)合廠房由于車間內(nèi)散發(fā)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(jù)實際情況，濕式造紙聯(lián)合廠房的自然排煙系統(tǒng)最好選擇設置自然排煙側(cè)窗。根據(jù)標準計算的自然排煙窗（口）截面積與排煙系統(tǒng)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(cè)窗高度有關，為方便計算，自然排煙側(cè)窗的面積根據(jù)標準4.6.3規(guī)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(cè)窗風速為1.01m/s。根據(jù)計算出的自然排煙量427008m3/h，得出每個防煙分區(qū)所需的自然排煙側(cè)窗面積為117.5m2，據(jù)此得出的自然排煙窗面積為有效面積。

按照6個防煙分區(qū)中的長邊長度最大（長邊長度60m）的一個防煙分區(qū)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(qū)沿濕式造紙聯(lián)合廠房的兩個外墻需各設置15個寬2m、高2m的自然排煙窗。但其他5個防煙分區(qū)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(guī)格的自然排煙窗，但這5個防煙分區(qū)設置的寬2m、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(qū)需根據(jù)各自的長邊長度設置不同規(guī)格的排煙窗，建筑外立面較亂。且自然排煙窗的面積是根據(jù)開窗有效面積系數(shù)為1計算的，實際需設置的自然排煙窗面積大于117.5m2。根據(jù)標準第4.3.7條的要求，設置自然排煙系統(tǒng)的濕式造紙聯(lián)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(lián)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(tǒng)

根據(jù)標準計算得出的該濕式造紙聯(lián)合廠房機械排煙量為455378m3/h。由于該濕式造紙聯(lián)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44000m3/h，每個防煙分區(qū)需要設置11臺屋頂立式排煙風機，不接風管。6個防煙分區(qū)一共需設置66臺屋頂立式排煙風機。

根據(jù)標準的規(guī)定排煙風機應設置在專用機房內(nèi)。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(xù)運行30min，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(jù)此要求，濕式造紙聯(lián)合廠房屋面需設66個排煙專用機房，且根據(jù)標準的規(guī)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(qū)域或者外墻，其要求也不同。根據(jù)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(nèi)輔跨房間的布置和廠房內(nèi)各專業(yè)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(tǒng)分析

若根據(jù)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(lián)合廠房的建筑結(jié)構(gòu)形式及工藝生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。濕式造紙聯(lián)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(jié)構(gòu)按照防結(jié)露設計，保溫外墻的傳熱系數(shù)一般為0.3～0.5W/（m2·K）[4]。而目前國內(nèi)的排煙窗和采光帶的保溫性能一般較差，現(xiàn)有排煙窗即使在保溫效果較好的情況下其傳熱系數(shù)也才可能達到2.1～2.7W/（m2·K），在北方其內(nèi)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(jié)露，并大量淌水，甚至結(jié)冰[5]，不僅降低圍護結(jié)構(gòu)使用壽命，還會引發(fā)斷紙的可能性，影響工藝生產(chǎn)。對于設置機械排煙系統(tǒng)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(jù)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(xiàn)有廣泛使用大跨度輕鋼結(jié)構(gòu)或預制混凝土屋面的造紙廠來說，屋面結(jié)構(gòu)從技術上無法做到，但若改為現(xiàn)澆屋面，需要在車間中間增加排柱，但工藝生產(chǎn)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(jīng)常用于濕式造紙聯(lián)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(gòu)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(xù)運行30min，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(jīng)與有關消防部門溝通，同意濕式造紙聯(lián)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(qū)的自然排煙量427008m3/h，機械排煙量455378m3/h是否合理。此處的排煙量是根據(jù)標準規(guī)定的最小儲煙倉厚度3.9m計算的，實際濕式造紙聯(lián)合廠房二層的凈空高度19.5m，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3.55m即可，但標準規(guī)定，按照公式計算出的排煙量不應小于表4.6.3中的數(shù)值，所以儲煙倉的厚度不能無限加大。濕式造紙聯(lián)合廠房單個防煙分區(qū)的排煙量按照標準表4.6.3查取，即25.32×104m3/h。由此計算出的自然排煙系統(tǒng)每個防煙分區(qū)需設置的自然排煙窗有效面積約70m2，需設置寬2m、高2m的自然排煙窗18個。機械排煙系統(tǒng)每個防煙分區(qū)需要設置6臺屋頂立式排煙風機，單臺排煙量44000m3/h。根據(jù)防煙分區(qū)排煙量25.32×104m3/h倒推儲煙倉的高度，得出自然排煙系統(tǒng)儲煙倉的厚度為8.86m，機械排煙系統(tǒng)儲煙倉的厚度為9.82m，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500mm的要求。自然排煙系統(tǒng)儲煙倉底部距二層地面高度為10.64m，機械排煙系統(tǒng)儲煙倉底部距二層地面高度為9.68m。

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

6結(jié)論

《建筑防煙排煙系統(tǒng)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(lián)合廠房排煙系統(tǒng)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(tǒng)，屋頂或側(cè)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(jié)露的可能性，嚴重影響廠房圍護結(jié)構(gòu)、梁、柱等的使用壽命。

6.2設置機械排煙系統(tǒng)，若根據(jù)防排煙標準要求設置專用機房，則需改變現(xiàn)有濕式造紙聯(lián)合廠房的建筑結(jié)構(gòu)形式。且側(cè)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(jié)露問題。

6.3就目前來看，對于北方的濕式造紙聯(lián)合廠房，盡量不采用自然排煙系統(tǒng)。但是隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)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(xiàn)。濕式造紙聯(lián)合廠房采用機械排煙系統(tǒng)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(lián)合廠房生產(chǎn)工藝的要求，不設側(cè)墻的固定窗或者屋頂?shù)目扇苄圆晒鈳?。對于不設側(cè)墻的固定窗或者屋頂?shù)目扇苄圆晒鈳У膯栴}，還需與項目所在地的消防部門溝通，力爭不設。

來源：《中國造紙》：http://www.00559.cn/w/zw/24523.html