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如何在船舶工业中合理进行大跨度涂装工场的设计

2020-02-16 457 上传者：管理员

摘要：近年来，随着造船建造工艺的不断进步，大跨度分段涂装工场在船舶建造过程中的影响越来越重要。基于此，本文对其工程概况以及工程设计进行了阐述，明确指出：在满足泄爆要求的同时尽可能降低涂装工场的工程造价及运行费用，并优化涂装工场的通风设计，选择高效的污染物治理措施，才是在保证达标排放的前提下尽量节约能源的有效途径。

关键词：
大跨度
工程设计
污染治理
泄爆
通风设计
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1、引言

近年来，船舶涂装污染物排放的控制可以说是从无到有，从在露天进行船舶涂装施工，污染物排放完全不受监控，到在分段涂装工场内进行表面处理和涂漆施工。然而，由于我国船舶工业的跨越式发展，造船总量的增加以及国际海事组织(IMO)颁布并强制执行的《所有类型船舶专用压载水舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准》(以下简称《涂层性能标准》)(PSPC)的实施，船厂分段涂装的工作量明显增大，现有的涂装车间已无法满足生产需要。我国骨干船舶制造企业大都投入了数以亿元计的资金，积极挖掘现有分段涂装工场的生产潜力，并对新建分段涂装工场的面积提出了较高的要求，其中，包括涂装污染物治理系统，涂装工场的设计面蹄断的挑战。

2、工程概况

大跨度分段涂装工场长度和跨度均为60m，净空高度为15.0m。分段涂装工场二侧设中间机房。由于《涂层性能标准》的实施，涂装工作应在控制湿度和表面温度的条件下进行，下述情况下不应进行涂装：相对湿度超过85%或钢材表面温度低于露点以上3℃。故新建分段涂装工场内设置压缩空气接头、防爆插座及有机废气治理装置、加热、去湿装置等，满足标准要求。由于车间跨度较大，厂房部分屋面采用正放四角锥网架，网架端部高度约3.0m，在冬季生产时耗能较高，为此提出在车间内增设吊顶。

3、工程设计

3.1 建筑设计

分段涂装工场作业的有机溶剂含二甲苯，其闪点大于28℃，因此，按生产的火灾危险性分类，分段涂装工场的火灾危险性为乙类。整个厂房的耐火等级设计为一级。

分段涂装工场为有爆炸危险的乙类厂房，设计时设置了必要的泄压设施。设计中采用彩色压型镀铝锌钢板的屋面及屋顶机械成型暗扣式透光板天窗作为泄压面积。该轻质屋盖每平方米重量不应超过600N(60kg)。设计泄压比超过0.11，泄压面积经计算满足厂房的防爆要求。

为节约涂装工场的加热能耗，在网架下方设置吊顶，吊顶材料的选型参数通过FLACS数值模拟技术来确定，以满足在分段涂装工场发生爆炸时能有效泄爆。

经过数值模拟吊顶材料的燃烧性能必须满足耐火极限不小于0.25h的不燃烧体，采用耐火极限不低于0.25h的防火石膏板，与屋面彩色压型镀铝锌钢板的屋面及屋顶机械成型暗扣式透光板天窗共同泄爆。涂装工场吊顶内为密闭空间，在涂装作业中部分有机废气扩散至吊顶内，因此，在涂装工场吊顶内增设可燃气体报警装置，其设置报警极限为爆炸下限的25%。整个分段涂装工场分为2个防火分区，每个防火分区的面积为4986m2,小于5000m2，满足GB50016--2014{建筑设计防火规范》^[1]的相关要求，防火分区间用防火墙与其他部分分隔，每个防火分区的面积均小于规范规定的最大面积要求。所有的穿防火墙的管道均加装防火阀，满足生产工艺的要求，同时又符合防火规范。

3.2 送排风设计

根据GB50019--2015(-V业建筑供暖通风与空气调节设计规范》^[2]的规定，涂装工场涂装作业采取全新风的全室通风换气措施。国内造船厂涂装车间的外形尺寸多为30mx48mxl3m，外形较大，并且涂装车间数量众多。随着新标准的实施^[3]，涂装车间的外形尺寸逐渐增大，目前最大的涂装车间尺寸为60re×60mxl5m。考虑到涂装工场建筑尺寸大，如参考相关规范，则过大的换气次数必然导致排风，送风系统的庞大和运行费用的浪费，因此，涂装车间的换气次数选择尤为关键^[4]。由于涂装作业喷漆时采取个体防护，因此，喷漆时换气次数控制在6次/ll左右，固化时换气次数控制在3次/Il左右，满足二甲苯爆炸下限值的25%。经实际工程应用，车间内各项技术参数均能满足喷漆工艺要求，尤其在冬季，由于排风量的减少，室内升温迅速，采用机械加热，热源可采用天然气、蒸汽和电。该换气次数已在国内船厂涂装车间中广泛应用，已成为涂装车间设计中重要的设计依据。60mx60m×15m的分段涂装工场喷漆时排风量为300000m3/h；固化时排风量为150000m3/h。通过栅械通风措施后车间内二甲苯浓度远低于其爆炸下限409/m3的25%的限值。为使涂装车间呈微负压状，涂装工场的送风量按排风量的90%确定^[5]。

在夏季，车间内湿度相对较高，采用去湿机进行去湿处理；在冬季，采用机械加热装置进行加热。考虑到分段涂装工场的建筑面积大，送风方式采用侧送风与屋顶送风相结合的方式将新鲜空气直接送至操作面，稀释作业区周围空气。在屋顶内布置送风管，每根送风管在穿越防火分区处时均设有重力式防火阀，送风管采用镀锌钢板制作，送风介质为车间外的新鲜空气^[6]。考虑到车间面积大，车间内的温度梯度非常明显，大量的热量累积车间的顶部，无法得到有效的利用，车间升温非常困难，能耗较高等问题，在设计送风形式时就显得尤为重要，通常送风采用球形送风口，该风口属喷射型风口，出口风速大于14rids，能有效地将热风送至操作面，直接稀释作业区周围空气。球形送风口具有噪声低、射程长的特点。

3.3 有机废气治理

上海市DB31/934--2015《船舶工业大气污染物排放标准》^[7]中挥发性有机物(VOCs)污染物主要排放指标为苯、甲苯、二甲苯、苯系物及非甲烷总烃。与原有国家综合排放标准相比，苯排放限值由12mg/m3下降为1mg/m3；甲苯排放限值由40mg/m3下降为3mg/m3；二甲苯排放限值由70mg/m3下降为25mg/m3；新增苯系物排放限值45mg/m，；同时各污染物排放速率更为严格，规定对于有机废气处理规模大于10000m3/h(含)的废气末端处理装置应配置在线监测系统。在线检测设备的技术参数及技术要求需满足《上海市固定污染源非甲烷总烃在线监测系统安装及联网技术要求(试行)》。增加在线监测系统后对VOCs治理设备的稳定性和可靠性提出了更高的要求，杜绝了环保设施不运行的情况出现。经多方比选并根据工程实例，分段涂装工场的VOCs治理采用沸石转轮+RTO工艺，同时在系统的进出口各配置一套VOCs在线监测设备。

沸石转轮+RTO治理系统工作原理：待处理的涂装工场有栅昆合废气经引风机作用，先经过预处理过滤装置去除废气中的粉尘及杂质部分，经过初步过滤后“相对纯净的有机废气”进人沸石转轮吸附装置进行吸附净化处理，有机物质被转轮沸石特有的作用力截留在其内部，洁净气体排出，净化效率为95%。经过一段时间吸附后，沸石转轮达到饱和状态，转轮按照一定的速度进入高温脱附区域。沸石中的有机物受到热空气影响后从沸石中挥发出来，此时脱附出来的废气属于高浓度、小风量、高温度的有机废气，此废气直接进入RTO氧化处理，高浓度气体释放出大量能量，有机物利用自身氧化燃烧释放出的热量维持自燃，RTO正常使用时，需要很少量的天然气甚至不需要天然气加热，做到真正的节能、环保，同时，整套装置安全、可靠、无任何二次污染^[8]。生产过程中可根据涂装车间喷漆和固化工况变化对主风机进行变频控制。同时，为了维持废气排放浓度的稳定，降低RTO运行费用，通过控制转轮转速实现维持脱附废气浓度相对稳定，节省RTO正常运行费的燃气费用。石转轮+RTO原理图如图1所示。

图1 沸石转轮+RTO原理图

3.4 防排烟设计

虽然本工程设计中屋面采光带面积满足上海市DGJ08—88--2006((建筑防排烟技术规程》的相关要求，且屋面采光带采用可熔材料，在温度大于80℃时能自行熔化，并不产生熔滴的可燃材料。但是，由于分段涂装工场增设吊顶，排烟不符合消防规范，无法满足自然排烟的要求，需增设机械排烟系统。涂装工场划分为2个防烟分区。排烟风机位于机房内；风机后排烟管上翻出屋面排烟；每个防烟分区的侧墙高处或吊顶下设置常闭排烟风口^[9]。

3.5 电气设计

增加吊顶后，照明需重新设计。具体变更如下：1)分段涂装工场吊顶按爆炸性气体环境危险区域划分为2区。2)分段涂装工场吊顶内电力、照明装置以及线路按爆炸性气体环境危险区域2区的要求配置。3)配置1套区域型火灾报警系统，火灾自动报警系统按二级保护对象设计，控制分段涂装工场的火灾自动报警及排烟风机的联动控制。分段涂装工场一旦发生火灾，火焰探测器报警，经确认后，报警主机发出火灾信号，同时自动打开对应防烟分区电动排烟口，自动启动对应排烟风机进行排烟。4)火灾报警系统、电动排烟口、排烟风机电源二级用电负荷供电，双重电源在末端自动切换。

3.6 给排水设计

车间的消防系统对保障车间的安全运行、减少爆燃的发生，起到了重要的作用。车间属单层建筑，主要依靠消防队员外部救援，内部消防系统主要用于人员疏散保护。

3.6.1 室外消防

由厂区供水管网上的室外消火栓负责保护，供消防车及消防队员临时从室外消火栓取水灭火，室外消火栓供水压力P>0.25MPa。

3.6.2 室内消防

由于车间跨度大、净空高，常规消火栓系统无法满足保护要求，参照飞机库等类似工程，车间室内采用消防炮系统，其作用有二：一是作为室内自救措施；二是用于打开疏散通道。由于本车间属乙类，以防爆为主，故消防炮考虑采用手动型，低平台安装。

3.6.3 灭火器系统

室内按消防要求均配置一定数量手提式干粉灭火器及推车式干粉灭火器。

4、结语

通过FLACS数值模拟技术指导大跨度分段涂装工场的设计工作，使涂装工场在满足泄爆要求的同时降低车间内的温度梯度，节约能耗。经计算，增加吊顶后加热、去湿能耗降低30%左右，节约设备投资费用20%左右。涂装工场具有排风风量大，有机废气浓度低，需要的采暖、去湿新风量大，车间能耗大等特点。合理布置送排风系统，结合最新颁布的环保标准，采用沸石转轮+RTO的有机废气治理技术，使有机废气的排放情况持续稳定的满足上海市DB31/934--2015(船舶工业大气污染物排放标准》所规定的限制。通过造船工艺的不断升级，进一步完善涂装工场的通风，降低涂装工场的能耗，降低对周边环境的污染。通过本项目的实施，为其他类似涂装工程提供一定的指导意义。

参考文献:

[1]GB50016--2014建筑设计防火规范[S].

[2]GB50019--2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3]GBZ2.1—2007工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素[S].

[4]GB50058--2014爆炸和火灾危险环境装置电力设计规范[S].

[5]GB50140--2005建筑灭火器配置设计规范[S].

[6]GB50338--2003固定消防炮灭火系统设计规范[S].

[7]DB31/934--2015船舶工业大气污染物排放标准[S].

[8]郝吉明,马广大.大气污染控制工程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[9]中国商品大词典编委会.中国大商品大词典:4t学-试剂分册[M].北京:中国商业出版社,1994.

王晨昊.船舶工业大跨度涂装工场的设计[J].工程建设与设计,2019,(19):8-11.