浅谈碳纤维厂房的防排烟系统设计

作者简介：

温敏捷（1990- ），男，汉族，上海人，本科，工程师，研究方向：暖通空调、防排烟。

摘要：近年来我国碳纤维事业发展迅猛，全国多地都有碳纤维项目在进展中。与此同时，《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251- 2017[1]也已实行了数年，笔者通过近些年参与设计的诸多碳纤维碳化车间案例，对碳纤维碳化车间的消防防排烟系统设计进行分析，探讨在我国不同地区建设碳纤维碳化车间的设计中所遇到的问题与解决方法。

关键词：碳纤维；
厂房；
碳化车间；
消防；
防排烟

一、概况

碳纤维生产厂区的碳化车间生产线一般分为丝架段、氧化段、碳化及后处理段、收丝段四个功能段，原丝经由聚合车间、原液车间、纺丝车间生产出来后依次通过以上四个功能段的工艺设备制成碳丝。氧化段是温度逐步递增的多级预氧化工艺，主要功能为促进聚丙烯腈原丝大分子链内的环化和分子间的交联生成耐热的网状梯形结构以及抑制热解反应产生的小分子；
碳化及后处理段一般为温度进一步提高的低温碳化+高温碳化，进而将丝束经辊体进入表面处理，以增强碳纤维的表面活性。

由于工艺流程较长，工艺设备较多，工艺生产线总长度一般为300～400多米，因而车间面积通常较大。碳化车间生产区域通常为单层，其辅房通常为一层或二层。我国地域辽阔，气候环境差异较大，消防防排烟系统在国标的基础上又存在地方标准及地方规范，各地在碳化车间的防排烟系统设计上的侧重点也是不尽相同。

二、防排烟系统的设计依据

碳化车间为丙类工业厂房，生产区域为单层，净高为14米或18米，无喷淋，辅房为一层或二层。根据《建筑设计防火规范》GB50016-2014（2018年版）[2]（以下简称《建规》）表3.3.1，火灾危险性类别为丙类且耐火等级为一级的单层厂房，其防火分区面积为不限；
多层厂房每个防火分区的最大允许面积为6000平方米。

碳化车间的生产区域为单层，部分项目的辅房有二层，根据现行国标《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251- 2017[2]（以下简称《烟标》）在有二层辅房的楼梯间设置自然通风措施较为容易实现。

根据《烟标》总则1.0.2条文，对于有特殊用途或特殊要求的工业与民用建筑，当专业标准有特别规定的，可从其规定。碳纤维碳化车间属于化学纤维制造厂，属于纺织行业，工艺及各专业均执行《纺织工程设计防火规范》GB50565-2010[3]（以下简称《纺规》）。根据《纺规》8.0.4条文2，化纤厂的原液制备厂房、纺丝间、卷绕间、后加工和加弹厂房以及生产非织造布的厂房，可不设置排烟设施。从生产工艺的角度上来说，碳化车间属于化纤厂长丝后加工的功能段，《纺规》的条文解释中也有所说明，此类场所一是操作人员少（平均每百平方米建筑面积内同时出现的操作人员不足一人），一旦发生火情能迅速撤离；
二是生产中加工的物质是具有密实度的丝筒、丝饼（如熔融纺的卷绕丝筒和长丝后加工的丝筒、丝饼）或由于含水率较高而呈湿态（如在湿法纺丝和短纤维后加工过程中），属于不易被引燃的固体；
三是在设计上已经采取了可靠的安全措施（如在采用电加热、电烘干的部位都设有火灾自动报警等）。

根据数据统计，在过去的几十年内（统计截至2010年），国内建设的数百个化纤原料厂、化纤厂，均没有在上述部位设置专门的排烟设施，实践中并未出现过由于火灾产生的烟气造成操作人员无法从生产岗位疏散和阻碍消防救援的情况。然而在近些年笔者参与设计的诸多案例中，各地审图机构均认为不能简单套用《纺规》来规避排烟系统的设计，《纺规》正式条文中没有明确“碳纤维厂房”或“碳化车间”是属于可以不设排烟系统的场所，工艺上虽属于化纤厂后加工，但是与传统的化纤厂（长纤维、短纤维或工业丝等工艺）并非完全相似，也缺少可以借鉴参考的已建成年数较长的实际工程案例。特别是在2018年《烟标》正式实施之后，全国各地对建筑消防防排烟的重视程度又大幅度上升，所以在保证安全生产的前提条件下，仍然按照《建规》中8.5.2的相关条文，对碳化车间进行排烟系统的设计。

值得一提的是，碳化车间的上游车间，如聚合车间、原液车间、纺丝车间，均为是在《纺规》8.0.4中有明确提及的场所，且与传统化纤厂工艺相似度较高，此类车间均为能根据《纺规》8.0.4可不设置排烟设施的场所，各地审图机构也对此无异议。

对于辅房的房间或走道的排烟设施，通常按照《建规》8.5.2条文1、4执行。辅房房间中建筑面积大于300平方米的房间基本均为电气、仪表、工艺等设备用房，没有可燃物，也没有人員长期停留，不设置排烟设施。对于部分案例工程中出现的电缆夹层，位于变配电间下方，虽然平时也无人员停留，但是电缆属于可燃物固体的范围，就算是采用了阻燃电缆，也不能认为是非可燃物。对于此处有争议的场所，笔者参考《火力发电厂与变电站设计防火标准》GB50229-2019[4]中条文8.7.1，对于电缆较为密集的火力发电厂建筑及辅助生产建筑中必须设置排烟设施的场所做了明确说明，电缆夹层属于可不设置排烟设施的场所[5]。

三、排烟系统方式的选择

根据《烟标》表4.6.3，碳化车间生产区域划分为若干个防烟分区，每个防烟分区面积不大于2000平方米，且长边不大于60米，空间净高大于9米的无喷淋厂房每个防烟分区排烟量为211000立方米/小时；
根据《烟标》4.1.1条文，建筑的排烟系统设计应当根据使用性质、平面布局等因素，优先采用自然排烟系统。在辅房只有一层的工程中，利用车间与辅房的高差部分的外墙开设自然排烟窗，自然排烟窗口部计算风速为1.01米/秒，计算排烟窗有效面积为58.1平方米，排烟窗沿建筑物的两条对边均匀设置，采用与火灾自动报警系统联动的控制方式，生产车间宽度一般在五十几米不超过60米，能够保证防烟分区内任一点与最近的自然排烟窗之间的水平距离不超过30米，且不大于建筑净高的2.8倍（约39～50米）；
在辅房有二层的工程中，车间与辅房的高差部分的外墙无法满足开窗要求，利用屋面设置自然排烟窗，自然排烟窗口部计算风速为1.01x1.4=1.414米/秒，计算排烟窗有效面积为41.5平方米，同样采用与火灾自动报警系统联动的自动控制方式开启，并且当屋面斜度小于或等于12°时，每200平方米的建筑面积设置相应的自然排烟窗（口）。

当采用屋面排烟天窗时，经常会有排烟天窗漏水或渗水的现象产生，且排烟天窗又是均匀布置在屋面，所以漏水情况会很大程度上影响车间生产。由于厂房屋面为钢结构屋面，排烟天窗的主要制作材料也是钢结构，在风吹、日晒、雨淋、积雪等客观的外部影响因素之下，导致排烟天窗与屋面的金属连接部位发生形变或错位，或排烟窗密封处的橡胶、硅胶等材质老化、龟裂，进而导致雨水渗透。近些年随着排烟窗产品设计技术与施工工艺的提升，排烟天窗渗水的现象有所减少，但是在东北等严寒地区，由于冬季屋面积雪，在融雪阶段，融化的雪水渗透的现象会特别频繁，所以在严寒地区避免采用屋面自然排烟的方式，在侧墙无法设置自然排烟窗的情况下，进而选择采用机械排烟方式。

根据《烟标》4.1.4，设置机械排烟系统的建筑面积大于2500平方米的丙类厂房还要在外墙或屋面设置固定窗。由于固定窗是在火灾时由人工破拆并且平时不可开启，设置在屋面基本不会产生雨水渗透现象，所以机械排烟+固定窗的系统设计能够满足无法设置自然排烟的车间。

当车间进行机械排烟设置时，通常将车间沿长边方向划分若干个防烟分区，排烟机房设置于短边两侧的辅房，将一个防烟分区的排烟量由两台风机从两侧排，每台排烟风机在每个防烟分区的计算排风量为211000/2=105500 立方米/小时，设计风量为105500x1.2=126600立方米/小时。这样设计的优势：一是排烟风管截面积不至于过大，同时避免风管深入车间内部过深；
二是排烟风机较为容易选型，如HTF-III型消防高温排烟轴流风机，机号No.16，风量141086立方米/小时，全压910帕，转速720圈/分钟，电机功率55千瓦/380伏。

综合上述分析以及笔者参与设计的碳纤维成产车间案例，在冬季积雪现象不太常见的夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区均可以采用设置在侧墙或屋面的自然排烟系统；
在冬季积雪现象较为常见的严寒地区和部分的寒冷地区，建议采用设置在侧墙的自然排烟系统或机械排烟系统。

四、機械排烟系统的优化探讨

碳化车间平时设置机械通风系统，按照不小于6次/每小时的换气次数进行设计，并按照功能段对车间进行全面送排风。由于车间建筑面积较大，机械通风量也较大，所以机械送排风的风管在车间里较为占用空间，再加上车间的工艺管架、电缆桥架、钢平台及工艺废气管道等设施，车间走管较为密集，所以在采用机械排烟系统的案例项目中，有业主提出能否将机械排烟系统与平时通风系统合用，对此笔者分析如下。

《烟标》4.4.3中条文有提及，排烟系统与通风、空气调节系统应当分开设置，当确有困难时可以合用，但应当符合排烟系统的要求，且当排烟口打开时，每个排烟合用系统的管道上需联动关闭的通风和空气调节系统的控制阀门不应超过10个。在汽车库、地铁、人防等工程中，由于层高等因素，管道布置也较为困难，排烟系统与排风系统合用比较常见，所以在碳化车间布管较为困难的案例中，笔者认为可以在满足规范要求的前提下将机械排烟与车间排风系统合用。

碳化车间是无喷淋厂房，然而根据《烟标》4.4.5，对于排烟系统与通风空气调节系统共用的系统，其排烟风机与排风风机的合用机房内应设置自动喷水灭火系统；
由于车间空气中含有微量碳纤维（俗称碳毛），用于平时排风的排风机会设置初效过滤段，然而用于排烟的排风机不能使用过滤段，否则排烟效果将大打折扣，所以如果将排烟系统与排风系统合用，只能将车间风管及风口部分合用，风机以及风机房是无法合用的，与汽车库常见的排风兼排烟系统中风机采用双速配置的方式有所不同。在方案制定阶段，仍然需要为排烟风机及排风机分别设置机房，使每个系统中平时和火灾时需要动作的阀门数量严格控制在10个之内，并且合理设计风口及风管尺寸，满足不同工况下的流速要求[6]。在系统控制中，不同于排烟独立设置的系统，各防烟分区支风管与主风管之间设置平时常开的280℃防火阀和电动蝶阀，火灾时相应防烟分区所有阀门保持开启，其余防烟分区电动蝶阀动作关闭。与此同时，风管的规格需要从严按照排烟系统风管安装，风管壁厚按《烟标》表6.2.1或《通风与空调工程质量验收规范》GB50243-2016[7]中表4.2.3-1中的高压系统风管确定，耐火等级不小于1.00小时，且系统中所有阀门及管道连接部件应能在280℃时连续30分钟保证其结构的完整性[8]。

车间消防补风一般采用自然补风，直接从室外引入空气。但要注意的是，厂房内有若干的高大卷帘门，是设备运输时开启的，非疏散使用，平时处于关闭状态，不能用于消防补风。一般采用疏散外门、手动可开启外窗作为自然补风设施。

结语

消防防排烟系统与人民群众的生命及财产安全息息相关，不仅是工业建筑暖通设计的要点，也是审图与验收过程的重中之重。自从2018年《烟标》实施以来，各地对消防防排烟的重视程度也与日俱增。随着碳纤维生产工程建设数量的与日俱增，设计周期的压缩，作为工程设计人员不仅要充分学习本专业、本行业的设计标准和规范，并对相关行业的规范也要加以了解，并对相关行业的标准进行融会贯通、分析判断，从而更好地运用到实际生产中。

参考文献

[1]GB50016-2014（2018年版）.建筑设计防火规范[S].

[2]GB51251- 2017.建筑防烟排烟系统技术标准[S].

[3]GB50565-2010.纺织工程设计防火规范[S].

[4]GB50229-2019.火力发电厂与变电站设计防火标准[S].

[5]谈莹莹，王超.变电所电缆夹层排烟设计标准争议探讨[J].安徽建筑，2020，27（02）.

[6]GB50019-2015.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[7]GB50243-2016.通风与空调工程质量验收规范[S].

[8]20K607.防排烟及暖通防火设计审查与安装[S].

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