室内气体泄漏通风稀释设计计算书

室内气体泄漏通风稀释设计计算书——天然气调压计量间通风稀释及事故通风系统专项计算——工程名称：××工业园区天然气输配工程子项名称：天然气调压计量间（1#）文件名称：室内气体泄漏通风稀释设计计算书文件编号：RQFS-2026-VD-001设计阶段：施工图设计文件类型：设计计算书版本号：A/0编制日期：2026年11月1日编制：＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿审核：＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿批准：＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿××燃气工程设计有限公司目录TOC\o"1-1"\h\z\u1概述与编制说明 页1概述与编制说明1.1项目概况本计算书为××工业园区天然气输配工程配套的天然气调压计量间（以下简称"调压计量间"）通风稀释及事故通风系统专项设计计算书。调压计量间为地上单层封闭式房间，室内净面积54.00m²，平面净尺寸9.00m×6.00m，室内净高4.20m，房间容积226.80m³。房间内布置有燃气调压器、过滤器、流量计量管段及其前后阀门组、法兰连接件等工艺设备，燃气由中压管道引入，管道设计工作压力（表压）为0.40MPa，经调压计量后以低压送至用气设施。房间属封闭式建筑，仅设一处向外开启的外门及固定高窗，不具备形成有效稀释气流的自然通风条件。燃气主要成分为甲烷，属易燃气体，常温常压下与空气混合可形成爆炸性混合物，且爆炸下限较低、最小点火能小，一旦发生泄漏，室内燃气浓度将随泄漏时间累积上升，进而可能进入爆炸极限范围，直接威胁人员安全与相邻设施安全。按照现行国家标准的规定，本房间应同时设置平时通风（日常换气，兼作运行环境保障）与事故通风（与可燃气体检测报警联锁，快速稀释泄漏燃气），并配置可燃气体检测报警、紧急切断及防爆电气设备。本计算书以"泄漏特性计算—稀释风量计算—气流组织与系统水力计算—设备选型—安全核验—结果分析与工程指导"为主线，给出完整、可复核、可直接用于报审的计算过程与设计结论。1.2编制目的与适用范围本计算书的编制目的如下：（1）识别房间内的控制性泄漏源，确定其等效泄漏孔径，判别孔口流动状态，量化泄漏气体的质量流率与体积流率；（2）依据爆炸下限确定安全稀释控制浓度，计算全面通风稀释所需的最小风量，并与规范规定的换气次数下限比较，确定事故通风设计风量；（3）计算室内甲烷浓度随时间的变化规律，验证检测报警与联动动作的时间裕量；（4）完成气流组织、送排风口布置、风管水力计算与风机选型计算；（5）对稀释效果、换气次数、报警设定、探测器布置、电气防爆、静电导除、排风口安全距离、应急切断与供电可靠性等逐项进行安全核验；（6）分析计算结果对施工、调试、运行维护与应急处置的指导意义。本计算书适用于上述单一封闭房间机械通风稀释系统及事故通风系统的设计计算。其边界与不适用范围包括：不含建筑结构、防火分区、消防给水、防雷接地等土建及消防专业设计内容；不含室外埋地管道泄漏至土壤及周边环境的扩散计算；不含燃气工艺系统（调压器、流量计、切断阀）的本体设计；当房间用途、介质种类与组分、运行压力、管径、房间几何尺寸或泄漏源条件发生变化时，应按本计算书的方法重新计算。1.3设计依据本计算书主要依据下列现行标准、规范的有关规定编制，表1-1列出所引用标准及其主要引用条款。表1-1主要设计依据及引用条款序号标准编号标准名称主要引用条款及内容1GB55037—2022建筑防火通用规范第9.1.1条（有燃烧或爆炸危险性物质的场所空气不应循环使用）、第9.3.1条（应设置通风换气设施的场所）、第9.3.2条（通风系统应单独设置）、第9.3.3条（排风系统静电导除与金属管道直通室外）2GB50028—2006（2020年版）城镇燃气设计规范第6.6.6条（专用调压装置设置条件及室内通风换气次数）、第6.6.12条（地上式调压站建筑物通风要求）3GB50019—2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范第6.4.1条（事故通风系统设置）、第6.4.3条（事故通风量计算与换气次数下限）、第6.4.5条（事故排风口布置）、第6.4.7条（事故通风机电气开关设置）、第6.9.2条（循环空气的限制）、第6.9.15条（防爆型设备的适用条件）4GB50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范第6.3.9条（事故通风设置、风量计算、检测报警与控制系统要求）5GB50016—2014（2018年版）建筑设计防火规范第9.3.4条（含有易燃易爆危险物质房间通风设备的防爆要求）、第9.3.9条（排风系统接地与管道敷设）、第9.3.11条（70℃防火阀设置）6GB/T50493—2019石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准第4.2节（检测点确定与探测器覆盖距离）、第5.5节（测量范围与报警值设定）7GB50058—2014爆炸危险环境电力装置设计规范爆炸性气体混合物的分级分组、爆炸危险区域划分与电气设备选型8GBZ1—2010工业企业设计卫生标准第6.1.5.2条（事故通风装置及与泄漏报警装置的联锁要求）9GBZ2.1—2019工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素化学有害因素职业接触限值规定及甲烷限值适用性判定10GB18218—2018危险化学品重大危险源辨识危险化学品临界量与重大危险源辨识方法11GB12358—2006作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求报警仪技术要求与响应时间要求12HG/T20698—2009化工采暖通风与空气调节设计规范第5.5.4条（易燃易爆物质房间独立通风系统）、第5.6.3条（事故排风量计算与换气次数下限）13GB55009—2021燃气工程项目规范燃气工程安全运行的通用要求1.4设计原则与技术路线本设计遵循以下原则：（1）安全优先原则。以控制室内燃气浓度不进入爆炸危险浓度区间为根本目标，通风系统的设置与风量计算均以最不利工况为控制条件。（2）控制性泄漏工况原则。以工程中最易发生、最难瞬时察觉的法兰垫片及密封失效形成的小孔泄漏作为控制性泄漏工况，避免以"完全断裂"等极端工况代替常规设计工况而使系统失去工程适用性。（3）双重保障原则。平时通风与事故通风分别设置、互为补充；正常工况下由平时通风保证房间换气与运行环境，事故工况下由事故通风系统按设计风量投入运行。（4）计算与规范双控原则。事故通风设计风量取"泄漏稀释计算值"与"规范换气次数下限对应值"两者中的较大值，两者互为校核，避免漏项。（5）联动可靠原则。可燃气体检测报警、事故通风机启动、紧急切断阀关闭、补风系统启动构成完整联锁链条，并保留室内、室外两处手动控制作为后备手段。（6）气流组织与防爆并重原则。依据介质密度确定吸风口高度与探测器位置，同时从防爆电气选型、静电导除、金属管道敷设等方面控制点火源。技术路线为：泄漏源识别与等效孔径确定→泄漏流动状态判别→泄漏质量流率与体积流率计算→稀释控制浓度确定→全面通风稀释风量计算→安全裕量修正与规范下限校核→设计风量确定→浓度瞬态响应与时间裕量校核→气流组织与风口布置→风管规格与水力计算→系统阻力与风机选型→补风与压力控制→安全核验→结果分析与工程指导。2设计基础参数2.1房间几何参数房间几何参数按建筑专业提供的图纸取定，见表2-1。表2-1房间几何参数项目符号数值单位说明室内净长L9.00m内墙饰面之间室内净宽B6.00m内墙饰面之间室内净高H4.20m地面至结构梁底室内净面积A54.00m²A=L×B房间容积V226.80m³V=L×B×H外门—1处向外开启，设闭门器固定高窗—2处镶固定玻璃，不可开启房间计算体积按下列公式计算： V=L×B×H （2-1）代入数据得V=9.00×6.00×4.20=226.80m³。因房间净高4.20m小于或等于6m，依据GB50019—2015第6.4.3条的规定，事故通风量计算体积按房间实际体积226.80m³计取，不作折减。2.2泄漏介质物性与危险特性本工程天然气以甲烷为主要组分，为保证计算的可复核性并留有必要安全余量，本计算书按甲烷的物性参数进行全部计算。甲烷主要物性与危险特性参数见表2-2。表2-2甲烷主要物性与危险特性参数参数名称符号数值单位来源及说明化学式—CH4—主要组分摩尔质量M16.043g/mol物性手册标准状态密度ρ0.717kg/m³0℃、101.325kPa20℃密度ρ0.6681kg/m³按式(2-3)换算相对蒸气密度φ0.554—相对空气（空气＝1）爆炸下限y5.0%（体积）GB50058—2014爆炸上限y15.0%（体积）GB50058—2014爆炸下限质量浓度ρ35.79g/m³按式(2-2)计算绝热指数（比热比）k1.30—常温常压天然气自燃温度—537℃物性数据最小点火能—0.28mJ物性数据最大爆炸压力—0.717MPa物性数据危险货物分类—第2.1类易燃气体—GB6944爆炸下限对应的质量浓度按理想气体状态方程换算： ρLEL=yLEL式中Vm为标准状态下的摩尔体积，取0.022414m³/mol。代入yLEL=0.05、M=0.016043kg/mol得ρLEL相对蒸气密度按介质摩尔质量与空气摩尔质量之比计算： φ=MMair 取空气摩尔质量Mair=28.96g/mol，代入得φ=16.043/28.96=0.554，小于环境温度下的气体密度按理想气体状态方程修正： ρg=ρN取标准状态温度TN=273.15K、环境温度T1=293.15K（20℃），压力按常压修正，得甲烷对人体基本无毒，其危害主要表现为高浓度时排挤氧气而形成的单纯窒息性作用。现行GBZ2.1—2019未对甲烷规定职业接触限值，因此本设计以爆炸下限的浓度分数（%LEL）作为通风稀释的安全控制指标，同时将室内含氧量不低于19.5%（体积分数）作为防止窒息性危害的辅助控制指标。2.3环境与工艺参数设计基础参数汇总见表2-3。表2-3设计基础参数汇总参数名称符号数值单位当地大气压力p101.325kPa环境（泄漏气体）温度T293.15（20℃）K标准状态温度T273.15K燃气管道设计工作压力（表压）p0.40MPa泄漏点上游绝对压力p0.5013MPa排放系数（圆形孔口）C0.85—安全裕量系数K1.25—稀释控制倍数（相对爆炸下限）m0.10—事故通风最小换气次数n12次/h平时通风换气次数n不小于2次/h局部排风量L600m³/h其中泄漏点上游绝对压力按工作压力与当地大气压力之和取定，即p1=0.40+0.1013=0.50133气体泄漏特性计算3.1泄漏源识别与等效泄漏孔径房间内可能发生泄漏的部位包括：调压器阀杆密封与膜片、过滤器排污阀与放散阀、管道法兰垫片、压力表及取压管接口、流量计前后连接件等。工程实践统计表明，法兰垫片局部失效与阀杆密封磨损是燃气管道系统最常见的泄漏形式，其形成的泄漏孔口接近圆形且面积较小，泄漏气体直接进入室内空间，可按小孔模型（孔口出流模型）计算。等效泄漏孔径的确定采用"控制性泄漏工况＋校核工况"双工况方式：（1）控制性（设计）工况：等效孔径d1=2.0（2）校核工况：等效孔径d2=4.0圆形泄漏孔口的面积按下列公式计算： Ao=πd代入d1=0.002m得Ao1=3.142×10-6m²；代入d2=0.004m得表3-1泄漏孔口参数泄漏工况等效孔径d/mm孔口面积A_o/m²面积比说明控制性（设计）工况2.03.142×10⁻⁶1.00垫片局部失效，单一圆形孔口校核工况4.01.257×10⁻⁵4.00垫片大面积失效或多点泄漏3.2泄漏流动状态判别管内燃气为有压可压缩气体，泄漏孔口两侧压差大，气体在孔口内的停留时间极短，与外界几乎无热量交换，故孔口出流过程可按绝热（等熵）流动处理。当孔口外压力低于某一临界值时，孔口处燃气流速达到该温度下的当地音速，此后继续降低外部压力不再使流量增加，此种状态称为临界流动（音速流动）；若孔口外压力高于临界值，则为亚音速流动，其流量随外部压力降低而增大。判别流动状态的关键参数为临界压力比： β=2k+1kk-1代入k=1.30得β=(2/2.30)临界压力为： pc=βp1代入p1=0.5013MPa得临界压力p pc≥pa当式(3-4)成立，即临界压力不小于环境大气压力时，孔口流动为音速（临界）流动，泄漏量按音速流公式计算；反之则为亚音速流动。本设计pc=0.2736MPa大于环境大气压力pa=0.1013MPa，因此孔口流动为音速（临界）流动。需要指出的是，若错误地按亚音速公式计算，所得泄漏质量流率为1.642×10-3kg/s，仅为音速流计算结果（2.292×3.3泄漏质量流率计算音速（临界）流动条件下的泄漏质量流率按下式计算： G=CdAo式中R为摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)。式中的无量纲组合按下列步骤逐项计算： kMRT1= 2k+1k+1k-1= G=0.85×3.142×10-6×501300×8.557×即设计工况下泄漏质量流率为2.292×10-3kg/s，折合8.25kg/h。校核工况下孔口面积为设计工况的4倍，在音速流动条件下泄漏质量流率与孔口面积成正比，故G2=9.167×作为方法对照，亚音速流动条件下的泄漏质量流率按下列公式计算（本设计不适用，仅列出备用）： G=CdAo3.4泄漏体积流率与泄漏量泄漏气体的体积流率按泄漏质量流率与环境温度下气体密度之比计算： Qv=Gρ代入设计工况数据得Qv1=2.292×10-3/0.6681=3.430×10-3m³/s，即12.349m³/h一定时间内的泄漏总量按下列公式计算： Vleak=Qv设计工况下10min的泄漏量为12.349×10/60=2.06m³；校核工况下为8.23m³。泄漏量计算结果汇总见表3-2。表3-2泄漏量计算结果汇总工况d/mm流动状态质量流率/(kg·s⁻¹)质量流率/(kg·h⁻¹)体积流率/(m³·h⁻¹)控制性（设计）2.0音速（临界）流2.292×10⁻³8.2512.349校核（最不利）4.0音速（临界）流9.167×10⁻³33.0049.39610min内设计工况泄漏的甲烷体积为2.06m³，相对于房间容积226.80m³约为0.91%；若在房间内完全混合，室内平均体积分数即达到0.91%，已超过一级报警设定值（25%LEL，即1.25%体积分数）的70%。这说明泄漏一旦发生，必须在数分钟内完成报警响应与气源切断，仅靠自然扩散无法保障安全，也从侧面印证了设置与报警联锁的事故通风系统的必要性。4通风稀释计算4.1稀释控制浓度的确定稀释控制浓度应同时满足"不进入爆炸危险浓度区间"和"留有必要安全裕度"两方面的要求。依据GB55037—2022第9.1.1条与GB50019—2015第6.9.2条的规定，当空气中易燃易爆气体体积分数达到爆炸下限的10%时，该空气不应循环使用；当浓度达到爆炸下限的25%时，即认为已形成爆炸危险性环境。综合考虑安全性与经济性，工程设计中通常将稀释控制浓度取为爆炸下限的10%，即： y2=m yLEL代入m=0.10、yLEL=5.0%得稀释控制浓度y2=0.50%（体积分数），即10%LEL。该值低于一级报警设定值25%LEL，可使报警在浓度达到控制值之前动作，形成"报警对应的质量浓度按式(2-2)的同一换算口径计算： ρ2=y2代入得ρ2=0.005×0.016043/0.022414=3.579×10-3kg/m³，即3.579g/m³。可燃气体报警设定值按GB/T50493—2019第5.5.2条取一级25%LEL（1.25%体积分数）、二级4.2全面通风稀释风量计算按有害物质量平衡原理，泄漏进入房间的气体经充分混合后由通风稀释至控制浓度，所需全面通风量分别按体积分数法与质量浓度法计算，并取其较大值作为控制值。体积分数法（进风侧不含该气体，即y1 Lv=Qv代入Qv=12.349m³/h、y2=0.005得质量浓度法： Lm=Gρ代入G=2.292×10-3kg/s、ρ2=3.579×10-3kg/m³（ρ1两种方法的差异源于体积流率计算所采用的基准状态不同：体积分数法采用20℃环境状态下的泄漏体积流率（对应密度0.6681kg/m³），质量浓度法中的控制质量浓度则按标准状态下摩尔体积换算，二者相差约6.7%。考虑到房间内空气温度接近环境温度、混合过程按环境状态计量，本计算书取体积分数法结果2469.8m³/h作为控制值，结果偏于安全。不同稀释控制浓度所需风量的对比见表4-1。表4-1不同稀释控制浓度所需通风量对比稀释控制浓度体积分数/%对应%LEL体积分数法L/(m³·h⁻¹)质量浓度法L/(m³·h⁻¹)换气次数/(次·h⁻¹)5%LEL（偏严取值）0.2554939.64610.921.7810%LEL（本设计取用）0.50102469.82305.310.8925%LEL（一级报警值）1.2525987.9922.24.36由表4-1可见，稀释控制浓度由10%LEL提高至5%LEL时，所需风量将翻倍（由2469.8m³/h增至4939.6m³/h），风机与管道规格、能耗与噪声均显著增加，而对应的安全收益有限；稀释控制浓度取10%LEL是安全性与经济性较为合理的平衡点，且10%LEL恰为规范规定的"空气不应循环使用"的界限浓度，具有明确的规范支撑。4.3安全裕量与风量修正考虑到实际泄漏孔口形状不规则、垫片压缩后可能形成细长缝隙流、多点微量泄漏可能同时存在以及气流组织不均匀等因素，对计算风量引入安全裕量系数K=1.25： L1=KLv代入得L1=1.25×2469.8=3087.2 n1=L1代入得n1=3087.2/226.80=13.61次/h4.4事故通风量下限校核依据GB50019—2015第6.4.3条，事故通风量宜根据工艺设计条件通过计算确定，且换气次数不应小于12次/h；GB50736—2012第6.3.9条、HG/T20698—2009第5.6.3条亦有相同量级的规定。据此，事故通风量的规范下限为： L2=nmin代入nmin=12次/h、V=226.80m³得L4.5设计风量确定事故通风设计风量取稀释计算修正风量与规范下限风量中的较大值： Ld=maxL代入得Ld=max(3087.2, 2721.6)=3087.2m³/h。考虑风机标准风量档、系统漏风及风管积尘等因素，设计（选型）风量取 nd=Ld代入得nd=3200/226.80=14.11次/h，大于规范规定的12次/h，满足要求。风量比较与设计风量确定过程见表表4-2风量比较与设计风量确定项目风量/(m³·h⁻¹)换气次数/(次·h⁻¹)控制性质采用情况稀释所需风量（未修正）2469.810.89浓度控制—稀释所需风量（K=1.25）3087.213.61浓度控制＋安全裕量控制值事故通风量规范下限（12次/h）2721.612.00规范下限满足并校核设计（选型）风量3200.014.11设计采用事故通风机选型风量由表4-2可知，本工程稀释控制所需风量（3087.2m³/h）略大于规范换气次数下限对应风量（2721.6m³/h），二者量级相当，说明在低压力、小孔径泄漏工况下，依据泄漏量计算得到的稀释风量与规范经验数值互相印证，计算结果具有较好的工程合理性。4.6室内浓度瞬态响应计算通风稀释系统的安全性不仅取决于风量，还取决于浓度随时间的发展过程。为校核检测报警与联动动作的时间裕量，分别计算"事故通风未投入"与"事故通风投入后"两种情形下室内甲烷浓度随时间的变化。（1）事故通风未投入时。此时泄漏气体在房间内不断累积，忽略少量自然通风的影响，按完全混合假设，室内体积分数随时间的变化为： c(t)=QvtV达到一级报警浓度（25%LEL，1.25%体积分数）所需时间： t25=0.25y代入数据得t25=0.0125×226.80/(12.349÷3600)=826.6s，即13.8min。同理，达到二级报警浓度（50%LEL，2.5%）所需时间为27.5min，达到爆炸下限（5.0%）所需时间为55.1min，达到爆炸上限（15.0%）所需时间为（2）事故通风投入后。泄漏持续、通风连续运行的条件下，室内浓度按指数规律趋于稳态值： c(t)=c∞1-e其中稳态浓度按下式计算： c∞=Qv代入得c∞=12.349/3200=0.386%（体积分数），相当于7.72%LEL，低于 τ=VLd 代入得τ=226.80/3200h=0.0709h，即4.25min。系统投入运行后约3τ（约12.8min）时浓度接近稳态值，全过程浓度均低于控制浓度，不存在进入爆炸极限范围的可能。（3）泄漏源切断后。紧急切断阀关闭后，室内浓度按指数规律衰减： c(t)=c0e-由一级报警浓度25%LEL（1.25%）降至控制浓度10%LEL（0.50%）所需时间为： tr=1n代入nd=14.11次/h得tr=0.709×0.9163=0.0650h，即3.9min。说明"报警—切断—通风表4-3室内甲烷浓度瞬态响应计算结果工况控制浓度体积分数/%时间/min说明通风未投入25%LEL（一级报警）1.2513.8报警动作最迟时限通风未投入50%LEL（二级报警）2.5027.5强化报警与撤离时限通风未投入爆炸下限LEL5.0055.1达到爆炸下限通风投入后10%LEL（稀释控制值）0.386—稳态值，低于控制浓度切断气源后由25%LEL降至10%LEL1.25→0.503.9通风稀释恢复安全4.7局部排风与气流组织要求调压器、过滤器等设备宜设置密闭型工艺柜或采取局部排风措施，在泄漏源附近形成定向气流，避免泄漏燃气先在房间内扩散再由全面通风稀释而导致的浓度累积。局部排风量按泄漏量的300～600倍取用，本设计取Lp=600m³/h，约为全面通风设计风量的19%，与全面通风同期运行；局部排风不单独计入事故通风量，事故通风量仍由全面通风系统按14.11次气流组织方面：由于甲烷密度小于空气，泄漏后易于上升并在房间顶部、梁下及通风死角处积聚，因此室内吸风口应布置在房间上部，吸风口上缘距顶棚不宜大于0.40m，并在房间顶部四角及梁间死角处增设吸风口，使气流"由顶取走"；送风（补风）口应布置在房间下部及人员活动区一侧，避免送风口气流将顶部积聚的燃气吹向人员活动区。吸风口与送风口宜对称布置，形成自上而下的整体置换气流，并避免气流短路。事故通风量汇总见表4-4。表4-4事故通风量汇总项目数值单位依据或说明稀释所需风量（体积分数法）2469.8m³/h式(4-3)安全裕量修正后风量3087.2m³/h式(4-5)，K=1.25规范换气次数下限对应风量2721.6m³/h12次/h，GB50019—2015第6.4.3条设计（选型）风量3200m³/h式(4-8)设计风量对应换气次数14.11次/h式(4-9)局部排风量600m³/h按泄漏量倍数法取用平时通风量454～680m³/h2～3次/h，兼顾日常换气5通风系统设计与水力计算5.1系统构成与风口布置事故通风系统独立设置，不与其他房间的通风系统共用管道与风机，符合GB55037—2022第9.3.2条关于通风系统应单独设置的规定。系统构成为：4个室内上部吸风口→排风支管→排风干管→70℃防火阀→防爆排风机（屋面或侧墙高位安装）→屋面排放口（防雨风帽）。系统设计风量3200m³/h，排风设备不布置在地下或半地下建筑内，排风管采用金属管道并直接通向室外安全地点，管道及设备均设置静电导除接地装置，符合GB55037—2022第9.3.3条与GB50016—2014（2018年版）第9.3.9条的规定。5.2风口规格与风速校核室内吸风口风速宜取2.0～3.0m/s，流速过高会引起噪声增大与二次扬尘，流速过低则不能有效捕获上升的燃气。吸风口数量按房间面积与气流覆盖要求确定，取4个，每个风口风量为3200/4＝800m³/h。风口有效面积按下式计算： A0=L0代入L0=800m³/h、v0=2.8m/s得A0=0.0794 v0=L0代入得v0=800/(3600×0.080)=2.78m/s，处于2.0～3.0m/s的适宜范围内。排风支管采用200mm×150mm断面，风速v=800/(3600×0.030)=7.41m/s，处于6～10m/s的合理区间。风口规格与风速校核结果见表表5-1风口规格与风速校核风口类别数量/个单个风量/(m³·h⁻¹)规格/(mm×mm)有效面积/m²风速/(m·s⁻¹)校核室内上部吸风口4800400×2000.0802.78适宜补风（机械送风）口21360500×2500.1253.02适宜排风支管（每支）4800200×1500.0307.41合宜5.3风管规格与管内流速排风干管风量为3200m³/h。输送含可燃气体的管道，风速宜控制在6～10m/s区间：流速过低易造成燃气在管内滞留积聚，流速过高则显著增加系统阻力与气流噪声，并可能因气流夹带颗粒物碰撞而增加点火风险。取干管断面400mm×250mm，其有效面积为： A=a×b （5-3）代入a=0.40m、b=0.25m得A=0.100m²，管内风速为： v=Ld3600A 代入得v=3200/(3600×0.100)=8.89m/s，处于6～10m/s的合理区间，满足要求。矩形风管的当量直径按下式计算： de=2aba+b代入得de=2×0.40×0.25/(0.40+0.25)=0.3085.4风管阻力计算风管沿程阻力按通用达西公式计算，动压为： pd=ρv取空气密度ρ=1.2kg/m³，代入v=8.89m/s得pd=1.2×8.89 Δpm=λl摩擦阻力系数按阿尔特舒利公式计算： λ=0.11Ksde取镀锌钢板风管的绝对粗糙度Ks=0.15mm，代入得λ=0.11×(0.15/308)0.25=0.0163 Δpm=0.0163×28.0相应的比摩阻Rm=Δ Δpj=∑ζ p弯头4个（R/b=1.5，每个局部阻力系数取0.22），局部阻力系数合计∑ζ=0.88，则局部阻力Δpj5.5系统总阻力与风机选型系统总阻力为沿程阻力、局部阻力与设备（构件）阻力之和： Δp=∑Δpm+∑Δp系统阻力构成明细见表5-2。表5-2系统阻力构成序号阻力构件计算方法阻力/Pa1室内上部吸风口（4个，含网罩、百叶）按风口局部阻力估算45.02排风干管沿程阻力（l=28.0m）式(5-6)～式(5-9)70.53弯头4个（R/b=1.5，Σζ=0.88）式(5-10)41.7470℃防火阀（常开，熔断关闭）产品阻力参数40.05风机进出口变径及软接按同类工程估算30.06屋面排放口（防雨风帽＋防虫网）产品阻力参数60.0合计——287.2计入裕量按15%附加阻力裕量计287.2×1.15330.3由表5-2可知，系统计算总阻力为287.2Pa，计入15%附加阻力裕量后为330.3Pa。风机设计全压取400Pa，约为计算总阻力的1.21倍，可覆盖系统漏风、过滤器网罩积尘与管道内表面粗糙度随时间增大所引起的阻力增长。风机轴功率按下式计算： N=LdΔp3600×1000×η取风机全压效率η=0.65（防爆型离心通风机在选型工况点的效率），代入Ld=3200m³/h、Δp=400Pa得N=0.547 Nm=Km取电机容量安全系数Km=1.2，得Nm=1.2×0.547=0.656kW，据此选配表5-3事故通风机主要技术参数项目技术参数备注风机型式防爆离心式通风机叶轮采用铝制，避免碰摩产生火花设计风量3200m³/h不小于计算值3087.2m³/h设计全压400Pa不小于计算值330.3Pa选型工况点效率0.65按产品性能曲线确定风机轴功率0.547kW按式(5-12)计算配套电机功率1.1kW防爆型，ExdⅡBT4，IP55传动方式直联或皮带传动皮带应抗静电防爆等级ExdⅡBT4甲烷属ⅡA类、T1组，选型留有余量供电电源双电源自动切换＋UPS断电后连续供电不小于30min安装位置屋面或外墙高位不布置在地下或半地下5.6补风与压力控制事故通风运行时，若补风量不足，房间将形成较大负压，导致外门开启困难、相邻房间气流倒灌，且不利于泄漏燃气从房间上部吸风口有效排除。本设计补风量取事故通风量的85%： Lb=φLd代入φ=0.85、Ld=3200m³/h得Lb=2720m³/h，房间维持约−5Pa的微负压，既防止泄漏燃气向相邻房间渗漏，又保证系统风量平衡。补风系统与事故通风系统联锁启动。补风管室外取风口的位置应避免与事故排风口短路：二者水平距离不应小于20m；当水平距离不足20m时，排风口应高出进风口且不得小于6安全核验6.1稀释浓度核验在设计风量3200m³/h条件下，设计工况泄漏持续且通风连续运行时，室内甲烷稳态浓度为： c∞=Qv代入得c∞=12.349/3200=0.386%（体积分数），相当于7.72%LEL，低于稀释控制浓度10%LEL（0.50%体积分数），亦远低于 ks=y2代入得ks=0.50/0.386=1.30，即设计工况下室内浓度低于控制浓度约6.2换气次数与风量校核按式(4-9)计算，实际换气次数为： nd=Ld即换气次数为14.11次/h，大于GB50019—2015第6.4.3条规定的12次/h；设计风量3200m³/h大于稀释控制所需风量3087.2m³/h，同时满足浓度控制与规范下限两方面的要求，核验合格。6.3可燃气体检测报警核验依据GB/T50493—2019第5.5.1条，可燃气体探测器的测量范围应为0～100%LEL；依据第5.5.2条，一级报警设定值应小于或等于25%LEL，二级报警设定值应小于或等于50%LEL。本设计一级报警设定值取25%LEL（1.25%体积分数），二级报警设定值取50%LEL（2.50%体积分数），符合标准规定。探测器布置核验：甲烷相对蒸气密度为0.554，明显轻于空气，泄漏后向上浮升。依据GB/T50493—2019第4.2.3条的规定，比空气轻的可燃气体释放源处于封闭或局部通风不良的半敞开厂房内时，除应在释放源上方设置探测器外，还应在厂房内最高点气体易于积聚处设置探测器；依据第4.2.2条的规定，释放源处于封闭式厂房内时，可燃气体探测器距其所覆盖范围内的任一释放源的水平距离不宜大于5m；检测比空气轻的气体时，探测器安装高度宜在释放源上方2.0m以内。据此，本房间设置4台可燃气体探测器：调压器上方1台、过滤器及阀门组上方1台、房间最高点（顶棚下）1台、房间气流死角1台，各探测器覆盖半径均不大于5m，布置方案符合标准要求。时间裕量核验：通风未投入时，室内浓度达到25%LEL所需时间为13.8min；而可燃气体探测器的响应时间（达到稳定指示值90%的时间）不大于30s，报警控制器联动启动事故通风机与紧急切断阀的动作时间不大于5s，二者合计约35s，远小于13.8min，时间裕量充足。在校核工况（d=4.0mm）下，达到25%LEL的时间缩短至3.4min，仍显著大于报警与联动所需的35s，说明报警联动设计在更不利的泄漏条件下同样有效。此外，探测器信号应送至有人值守的值班室或控制室，并具备现场声光报警与远程报警双重功能；报警仪表应符合GB12358—2006的技术要求，标定周期不超过1年。6.4电气防爆与静电防护核验依据GB50019—2015第6.9.15条的规定，排除、输送或处理含有甲、乙类物质的空气且其浓度达到爆炸下限10%及以上时，通风设备应采用防爆型；GB50016—2014（2018年版）第9.3.4条亦规定，空气中含有易燃、易爆危险物质的房间，其送、排风系统应采用防爆型的通风设备。本房间事故工况下的瞬时浓度可能超过10%LEL，故排风机、配电及控制系统均按防爆型设计，全部电气设备选用防爆型产品。甲烷在GB50058—2014中属ⅡA类可燃气体、温度组别T1（自燃温度537℃），本设计防爆等级按ExdⅡBT4、防护等级IP55选型，较最低要求提高一个等级，以覆盖室内可能存在的其他可燃组分与设备温升的影响。静电防护核验：排风系统设置导除静电的接地装置，风管采用金属管道并以法兰跨接线保证电气连续性，管道与设备接地电阻不大于4Ω；法兰垫料采用不燃或难燃且具有导电性的材料；风管内不设置易积聚静电的非金属构件；房间内不使用易产生火花的工具。上述要求符合GB55037—2022第9.3.3条与GB50016—2014（2018年版）第9.3.9条的规定。6.5事故排风口布置与安全距离核验依据GB50019—2015第6.4.5条的规定，事故排风的室外排风口不应布置在人员经常停留或经常通行的地点；排风口与机械送风系统进风口的水平距离不应小于20m，当水平距离不足20m时，排风口应高于进风口且不得小于6m；当排气中含有可燃气体时，事故通风系统排风口距可能火花溅落地点应大于20m；排风口不得朝向室外空气动力阴影区和正压区。本设计核验结果见表6-1。表6-1事故排风口安全距离核验核验项目规范要求本设计取值核验结论布置位置不应布置在人员经常停留或通行的地点屋面高处，远离人员活动区合格与机械送风系统进风口水平距离不应小于20m取24m合格水平距离不足时的垂直高差排风口应高出进风口，且不得小于6m排风口高出进风口9.5m合格与可能火花溅落地点距离应大于20m取22m合格排风口朝向不得朝向空气动力阴影区和正压区位于屋面负压区，朝向开阔侧合格排放浓度应低于稀释控制浓度0.386%体积分数（7.72%LEL）合格排放浓度核验：事故通风排放气流中甲烷体积分数为0.386%（7.72%LEL），远低于爆炸下限，也低于GB55037—2022第9.1.1条规定的10%LEL"不应循环使用"界限，不会在排放口附近形成爆炸危险性环境。6.6应急切断、联动与供电可靠性核验联动逻辑核验：可燃气体探测器一级报警（25%LEL）触发后，应同时完成现场声光报警、启动事故通风机、关闭紧急切断阀、联锁开启补风系统；二级报警（50%LEL）触发后，应强化声光报警、切断燃气总阀，并联锁停止房间内非防爆电气设备（事故通风机与应急照明除外）。依据GBZ1—2010第6.1.5.2条，事故通风装置及与事故排风系统相连锁的泄漏报警装置为必须设置项，本设计满足该要求。手动控制核验：依据GB50019—2015第6.4.7条，事故通风的通风机应分别在室内及靠近外门的外墙上设置电气开关。本设计在两处设置防爆型手动启停按钮，安装高度1.3～1.5m，并有明显标识。供电可靠性核验：事故通风机、可燃气体报警控制器与紧急切断阀由双电源（正常电源为主、应急电源为备）供电并自动切换，报警系统配置UPS，断电后连续工作时间不小于30min，符合GB/T50493—2019对系统备用电源的要求。平时通风核验：依据GB50028—2006（2020年版）第6.6.6条、第6.6.12条关于调压装置设置房间的通风要求，房间平时通风换气次数不应小于2次/h，本设计平时通风量取454～680m³/h（2～3次/h），事故时由事故通风系统按3200m³/h投入运行。6.7重大危险源与职业接触限值判定本房间燃气在线存量按泄漏源上游50m、DN100管道在绝压0.5013MPa、20℃条件下估算，管内存气质量约为0.0013t，远小于GB18218—2018规定的甲烷（天然气）临界量50t，按该标准的辨识方法，本房间不构成危险化学品重大危险源。甲烷属单纯窒息性气体，现行GBZ2.1—2019未规定其职业接触限值，故本设计以爆炸下限的浓度分数（%LEL）作为通风稀释的安全控制指标，并将室内含氧量不低于19.5%（体积分数）作为窒息性危害的辅助控制指标；房间平时通风换气次数不小于2次/h，可在正常工况下保证室内空气品质。安全核验结论汇总见表6-2。表6-2安全核验结论汇总序号核验项目规范或设计要求计算与设计结果结论1稀释后稳态浓度不大于10%LEL（0.50%）0.386%（7.72%LEL）合格2浓度安全余量不小于1.01.30合格3事故通风换气次数不小于12次/h14.11次/h合格4设计风量不小于稀释所需风量3087.2m³/h3200m³/h合格5一级、二级报警设定值不大于25%LEL、50%LEL25%LEL、50%LEL合格6探测器布置封闭厂房水平距离不大于5m不大于5m，共4台合格7报警与联动动作时间小于达到25%LEL的时间13.8min约35s合格8通风设备防爆浓度达10%LEL时采用防爆型防爆离心风机ExdⅡBT4合格9静电导除设接地装置，接地电阻不大于4Ω金属风管＋法兰跨接接地合格10排风口与进风口水平距离不小于20m24m合格11排风口与进风口垂直高差不小于6m（水平距离不足时）9.5m合格12补风量比例取排风量的0.8～0.90.85合格13供电可靠性双电源，UPS不小于30min双电源自动切换＋UPS30min合格14平时通风换气次数不小于2次/h2～3次/h合格7计算结果分析与讨论7.1关键计算结果汇总本计算书主要计算结果汇总见表7-1。表7-1主要计算结果汇总序号计算项目符号计算值单位1房间容积V226.80m³2临界压力比β0.5457—3临界压力p_c0.2736MPa4设计工况泄漏质量流率G2.292×10⁻³（8.25kg/h）kg/s5设计工况泄漏体积流率Q_v12.349m³/h6稀释控制浓度y_20.50%（体积）7稀释所需风量L_v2469.8m³/h8安全裕量修正后风量L_13087.2m³/h9规范下限对应风量L_22721.6m³/h10设计风量L_d3200m³/h11实际换气次数n_d14.11次/h12稳态浓度c_∞0.386（7.72%LEL）%（体积）13排风干管风速v8.89m/s14系统计算总阻力Δp287.2Pa15风机设计全压Δp_f400Pa16风机轴功率N0.547kW7.2稀释控制的敏感性分析由式(3-5)与式(4-3)可以导出泄漏量与稀释风量对等效泄漏孔径的敏感程度：在孔口流动保持音速（临界）流的条件下，泄漏质量流率与孔口面积成正比，即与孔径的平方成正比；稀释所需风量又与泄漏量成正比，因此： G∝Ao∝d L∝G∝d2 （定义敏感度系数为风量相对变化与孔径相对变化之比： S=ΔL/LΔd/d=2 即等效孔径每增大1%，稀释所需风量增大2%；孔径由2.0mm增大至4.0mm时，所需风量增至4倍。不同等效孔径下的计算结果见表7-2，对应关系曲线见图7-1。表7-2等效泄漏孔径灵敏度分析等效孔径d/mm泄漏体积流率/(m³·h⁻¹)稀释所需风量/(m³·h⁻¹)修正后风量/(m³·h⁻¹)换气次数/(次·h⁻¹)相对设计风量倍数0.50.772154.4193.00.850.061.03.087617.4771.83.400.241.56.9461389.31736.67.660.542.0（设计工况）12.3492469.83087.213.610.962.519.2953859.04823.821.271.513.027.7855557.06946.330.632.174.0（校核工况）49.3969879.112348.954.453.865.077.18115436.119295.185.086.03图7-1等效泄漏孔径与所需稀释风量、换气次数关系曲线由图7-1可见，本设计选型风量3200m³/h可覆盖等效孔径不大于约2.04mm的泄漏并将其稀释至10%LEL以下，即覆盖了设计工况（2.0mm）；当等效孔径达到3.0mm时，稀释所需风量增至6946.3m³/h（30.63次/h），为设计风量的2.2倍；当达到校核工况的4.0mm时，所需风量高达12348.9m³/h（54.45次/h），为设计风量的3.9倍。这表明：依靠单纯加大通风量来应对孔径增大的泄漏，在技术上不合理、在经济上不可行——风机风量、管道断面、电气容量与机房面积的增加速度远快于安全收益，且大风量系统的投资、能耗与噪声代价显著。对大孔径泄漏，正确的工程对策是"提前切断"而非"加大通风"，即通过可燃气体检测报警联动紧急切断阀，在泄漏源上游快速切断气源，从根本上消除泄漏，这也是本设计将紧急切断阀动作时间控制在5s以内的原因所在。7.3时间维度安全性分析通风稀释系统的有效性与可靠性不仅取决于风量的大小，还取决于浓度随时间的发展过程。图7-2给出了设计工况下两种情形的室内甲烷体积分数随时间变化曲线。图7-2设计工况下室内甲烷体积分数随时间变化曲线（1）事故通风未投入时，室内甲烷浓度近似线性上升，13.8min达到一级报警浓度25%LEL，27.5min达到二级报警浓度50%LEL，55.1min达到爆炸下限5.0%。这段时间构成了检测报警、气源切断、人员撤离与通风启动的全部可用时间窗口，其中"13.8min"是本设计报警与联动系统的关键校核指标。（2）事故通风投入后，室内浓度按指数规律趋于稳态值0.386%，时间常数τ＝4.25min，投入运行约12.8min后接近稳态，全过程浓度均显著低于10%LEL的稀释控制浓度，不存在进入爆炸极限浓度范围的可能。（3）泄漏源切断后，室内浓度由25%LEL降至10%LEL仅需3.9min，说明"报警—切断—通风"的组合措施可以在数分钟内消除危险状态，气体浓度控制具有明确的时效性。需要特别说明的是，上述计算均基于"泄漏气体在房间内完全混合"的理想假设。实际泄漏初期，燃气在泄漏源上方以射流形式上升，局部浓度显著高于按完全混合计算的平均浓度，其影响范围与泄漏孔径、压力及房间气流组织有关。因此，可燃气体探测器应靠近释放源上方布置（本设计控制在释放源上方2.0m以内），而不应仅按完全混合的平均浓度布置；通风吸风口亦应设置在燃气易于积聚的房间上部，以保证在燃气扩散至人员活动区之前即被有效捕集排出。7.4与规范限值的符合性分析将本设计计算结果与所引规范限值逐项比对，结果如下：（1）稀释控制浓度取10%LEL（0.50%体积分数），与GB55037—2022第9.1.1条、GB50019—2015第6.9.2条关于"浓度达到爆炸下限10%时空气不应循环使用"的规定一致，设计工况稳态浓度7.72%LEL低于该界限；（2）事故通风换气次数14.11次/h，大于GB50019—2015第6.4.3条、GB50736—2012第6.3.9条与HG/T20698—2009第5.6.3条规定的12次/h；（3）平时通风换气次数不小于2次/h，符合GB50028—2006（2020年版）第6.6.6条、第6.6.12条关于调压装置设置房间的通风要求；（4）事故通风系统独立设置，符合GB55037—2022第9.3.2条要求；排风管采用金属管道、直通室外安全地点并设静电导除接地，符合GB55037—2022第9.3.3条与GB50016—2014（2018年版）第9.3.9条要求；（5）排风口布置与安全距离符合GB50019—2015第6.4.5条要求，见表6-1；（6）探测器布置与报警设定值符合GB/T50493—2019第4.2节、第5.5节要求；（7）通风设备的防爆选型符合GB50019—2015第6.9.15条与GB50016—2014（2018年版）第9.3.4条要求；（8）事故通风装置与泄漏报警装置的联锁符合GBZ1—2010第6.1.5.2条要求。综上，本设计计算在浓度控制、风量、报警联动、防爆、安全距离等方面均满足所引现行标准规范的规定。7.5不确定性与计算偏差来源分析本计算书的结果存在以下不确定性来源，工程应用时应予以关注：（1）排放系数的取值。圆形孔口出流的排放系数在0.61～1.00之间变化，取决于孔口形状、边缘锐度与雷诺数。本设计取0.85，处于偏安全一侧；但若实际泄漏为垫片压溃形成的环缝或长缝隙形泄漏，其有效面积与流动特性与理想圆孔存在差异，实际泄漏量可能高于或低于计算值，故设计引入1.25倍安全裕量予以包络。（2）完全混合假设。稀释风量按泄漏气体与室内空气完全混合计算，对浓度控制而言偏于保守；若气流组织不良、形成死角或短路，局部浓度可能高于按完全混合计算的平均值。为此本设计在房间顶部死角增设吸风口与探测器，并要求送、吸风口错开布置以避免气流短路。（3）介质组分差异。计算按纯甲烷物性取值，实际天然气中可能含有少量乙烷、丙烷及惰性组分，其相对分子质量略高、密度略大、爆炸下限略低，对风量要求偏大。1.25倍安全裕量已包含约10%的介质组分修正余量；当气质分析数据齐备时，宜按实际组分复核爆炸下限与密度参数。（4）压力波动。在音速（临界）流动条件下，泄漏质量流率与上游绝对压力近似成正比，调压器出口压力波动或环网工况变化均会使泄漏量增大。因此本设计要求调压器设置出口超压切断保护装置，并通过紧急切断阀将泄漏持续时间压缩至最低。（5）温度影响。环境温度升高时气体密度降低、同一质量泄漏对应的体积流率增大，稀释风量需求随之增加。经计算，夏季环境温度由20℃升至35℃时，泄漏体积流率约增大5.1%，处于安全裕量范围之内。8工程指导意义8.1对设计工作的指导意义（1）事故通风风量应由"泄漏稀释计算"与"规范换气次数下限"两者取大值确定，不能仅凭12次/h的换气次数经验值取值，也不能仅按泄漏计算结果取值而忽略规范下限。本工程中浓度控制要求的风量（3087.2m³/h）略高于规范下限对应风量（2721.6m³/h），说明在低压力、小孔径泄漏工况下，二者量级相当、互为校核，这种"双控"取值方式可有效避免漏项。（2）泄漏流动状态的判别不可省略。本工程孔口流动为音速（临界）流，若误按亚音速公式计算，泄漏量将低估约28%，并直接导致通风量不足，属于典型的隐性设计错误。（3）稀释控制浓度取10%LEL是安全性与经济性的合理平衡点。若提高到5%LEL，所需风量将由2469.8m³/h增至4939.6m³/h，系统规格与运行能耗显著增加，而安全收益有限。（4）通风稀释的能力有限，安全不能仅依靠加大风量。敏感性分析表明所需风量与孔径的平方成正比，因此必须将"报警—切断"作为与通风并重的安全措施同步设计。（5）气流组织与泄漏介质密度密切相关。甲烷轻于空气，吸风口与探测器应集中布置在房间上部与积聚死角处，避免按"重气"习惯布置在房间下部而失去作用。8.2施工与安装要求（1）风管应采用镀锌钢板咬口或法兰连接，接缝处应保证严密，漏风率不应大于5%；输送含可燃气体风管不得使用可燃材料制作的柔性接头，法兰垫料应为不燃或难燃且具有导电性的材料。（2）风管及设备的静电接地跨接不得遗漏，每段风管、每个法兰均应保证电气连续性，接地电阻不大于4Ω，接地连接点应有明显标识并做好隐蔽工程记录。（3）排风机基础与支架应做减振处理，风机进出口设置柔性接管并保证跨接连续；风机安装完成后应做动平衡检查，避免运行时振动导致连接件松动。（4）室内吸风口应按设计图纸定位安装，吸风口上缘距顶棚不大于0.40m，与照明灯具、电缆桥架等保持不小于0.30m的间距，不得被桥架、管道或吊顶遮挡，风口不得随意增设风阀或调节装置。（5）事故通风机安装在屋面或外墙高位，其手动启动按钮应分别设置于室内与靠近外门的外墙处，安装高度1.3～1.5m，标识明显、便于紧急操作。（6）风管穿越防火分区、通风机房隔墙及重要房间隔墙处应设置70℃防火阀（GB50016—2014（2018年版）第9.3.11条），防火阀应设独立支吊架，熔断后应能可靠关闭并输出信号。（7）可燃气体探测器的安装位置应避开强电磁干扰、高温高湿与气流直吹部位，探测器周围应留有不小于0.50m的检修空间，探测器与释放源的水平距离不大于5m，安装高度在释放源上方2.0m以内。8.3调试与运行维护要求（1）系统调试内容应包括：各风口风量实测（与设计值的偏差不应大于±10%）、房间换气次数实测（不应小于14次/h）、房间负压实测（约−5Pa）、事故通风机与检测报警系统联动的动作时间测试。（2）报警联动试验应使用标准甲烷气体分别触发一级、二级报警，检查声光报警、事故通风机启动、紧急切断阀关闭、补风系统启动等动作是否在5s内完成，并核查信号是否正确送达值班室或控制室。（3）可燃气体探测器应按GB/T50493—2019的要求定期标定，标定周期不超过1年，标定气体浓度宜覆盖量程的10%～50%；探测器故障或失效后应在8h内修复或更换。（4）事故