数据中心：电池间是否需要按防爆要求设计？

通风、电气设计及运维策略。

 

1、《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014 相关规定

1.1相关条文

危险区域划分：

首先按可燃物质的释放频繁程度和持续时间长短分级，分为:

? 连续级释放源

? 一级释放源

? 二级释放源

【二级释放源：正常运行时预计不可释放，当出现释放时，仅是偶尔或短期释放的释放源】

 

再根据释放源的级别和通风条件划分区域。

【根据爆炸性气体环境出现的频度和持续时间把危险场所分为：

0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。

1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。

2区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境的场所如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。】

 

3.1.2 在爆炸气体环境中发生爆炸应符合的条件是：

1、存在可燃气体、可燃液体的蒸气或薄雾，浓度在爆炸极限内；

2、存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。

 

3.2.2 符合下列条件之一时，可划为非爆炸危险区域：

2、可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%。

【发生爆炸的前提条件是浓度在爆炸极限内。将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的10%，可视为无爆炸危险；将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的25%，可视为通风环境良好，爆炸危险较小，可降低安全防范级别。】

3.2.4 当爆炸危险区域内通风的空气流量能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的25%以下时，可定为通风良好。并应符合下列规定：

1、以下场所可定为通风良好场所：

1)露天场所；

2)敞开式建筑物。在建筑物的壁和/或屋顶开口，其尺寸和位置保证建筑物内部通风效果等效于露天场所；

3)非敞开建筑物，建有永久性的开口，使其具有自然通风的条件；

4)对于封闭区域、每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m³的空气或至少1h 换气6 次，则可认为是良好通风场所。这种通风速率可由自然通风或机械通风来实现。

当采用机械通风时下列情况可不计机械通风故障的影响：

1）封闭式或半封闭式的建筑物设置备用的独立通风系统；

2）当通风设备发生故障时，设置自动报警或停止工艺流程等确保能阻止可燃物质释放的预防措施，或使设备断电的预防措施。

 

附录B的B.0.1中第23款蓄电池危险等级划分：

1）蓄电池应属于ⅡC级划分；

5）当所有的蓄电池都能直接或者间接地向封闭区域的外部排气，该区域可划为非危险区域。

6）当配有蓄电池、通风较差的封闭区域具备至少能保证该区域的通风情况不低于满足通风情况不低于满足通风良好条件的25%及蓄电池的充电系统有防止过充电的设计时，可划为2区；

当不满足此条件时，可划为1区。

 

附录C：氢气爆炸性混合物的分级、分组参数：

?级别是          ⅡC

?引燃温度组别    T1

?引燃温度        500℃

?闪点为          气态

?爆炸极限下限为  4%

?爆炸极限上限为  75%

?相对密度        0.1

?在满足爆炸的条件时会发生爆炸。

 

【氢气的爆炸极限下限为4%。将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的10%，即0.4%，可视为无爆炸危险；将最高浓度控制在不超过爆炸下限值的25%，即1%，可视为通风环境良好，爆炸危险较小，可降低安全防范级别，可划为2区。】

 

1.2、小结：

蓄电池房间的危险区域划分如下：

类别	最高浓度	通风要求
为非危险区域	10%	当所有的蓄电池都能直接或者间接地向封闭区域的外部排气
2区	25%	通风良好
1区	/	/

2、数据中心用阀控式密封铅酸蓄电池特点及运行规律

2.1阀控式密封铅酸蓄电池特点：    

——采用多元优质合金板栅，提高气体释放过电位(由2.30V至2.35V)相对减少气体释放量；    

——负极比正极多出10%容量，充电后期正极释放的氧气与负极复合    

——负极由于氧气作用处于欠充电状态，不产生氢气    

——正负极间隔板采用超细玻璃纤维隔板，利于氧气迅速流通到负极    

——采用密封式阀控滤酸结构，酸雾无法逸出；

 

2.2阀控式密封铅酸电池不逸出气体的状态和条件

    ——开路存放期间

    ——充电电压在2.35V单体以下(25摄氏度)

    ——放电期间

【只有当充电电压超过2.35V单体时就有可能使气体逸出，原因是电池内短时间产生的大量气体来不及被负极吸收(复合)；超压后安全阀排气。】

  

2.3、阀控式密封铅酸电池氢气逸出量计算

以下图为为例，该电池布置方案在数据中心应用中电池放置密度基本属于最大密度。4组蓄电池架布置在电池间内，每组蓄电池架均放置230AH电池44节X4层，12V电池节数为:4X4X44=704节。按2V的总AH为：6X704X230=971520AH。

设房间层高为3.8m，则该房间体积为：3.8x9.2x8.6=300.66m³，扣除蓄电池占用空间1.3X5.7X1.6X4=47.4m³,房间内空气体积为：300.66-11.9=253.23m³。

  

 按蓄电池密封反应效率η应不低于95%计算，电池971520AH每小时逸出气体体积为0.03323m³,按氢气占90%计算为0.03323X0.9=0.0299m³。

 

如下表可见：电池逸出氢气到达爆炸下限4%浓度需要338小时，达到为非危险区域标准即下限浓度的10%需要33小时，到达通风良好即下限浓度的25%需要84小时。

【本计算是基于电池密封反应效率η为95%计算，实际厂家电池的η为99%左右，气体逸出量远小于计算量】

 

类别		4%	4%*10%	4%*25%
空气体积（m3）	253.23	10.13	1.01	2.53
氢气体积（m3/h）	0.0299	338.77	33.88	84.69

  

2.4阀控式密封铅酸电池运行状态

    ——浮充电状态

——放电状态    

——充电状态

 

? 在数据中心UPS后备电池长期运行状态为浮充电状态，充电电流和电压均较低，不会产生气体逸出；

? 在正常电源故障，UPS由电池逆变为负载供电，放电过程中也不会产生气体逸出；

? 电池长期处于浮充电状态2~3个月未放电的情况下，为保持电池的活性，需要进行一次放电，在放电过程中也不会产生气体逸出；

? 电池放电后，需要进行约8小时的充电，在此过程中充电电压大于2.35V等因素部分电池会产生气体逸出。

【电池只有在充电时会产生气体逸出，充电时间即产生气体逸出的时间是可控的，产生的时间长度（充电时间长度）也是可控的。逸出气体是缓慢的，没有突发性，安全性很高。】

 

3、电池间暖通设计

 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736 - 2012

6.3.2建筑物全面排风系统吸风口的布置，应符合下列规定：

1）位于房间上部区域的吸风口，除用于排除氢气与空气混合物时，吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.4m；

2）用于排除氧气与空气混合物时，吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.1m;

3）用于排出密度大于空气的有害气体时，位于房间下部区域的排风口，其下缘至地板距离不大于0.3m；

 

《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014

4)对于封闭区域、每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m³的空气或至少1h 换气6 次，则可认为是良好通风场所。这种通风速率可由自然通风或机械通风来实现。

《通用用电设备配电设计规范》GB 50055-2011

6.0.8 ——3 充电间应通风良好，当自然通风不能满足要求时，应采用机械通风，每小时通风换气次数不应少于8次。条文说明：根据我国现行行业标准《电信专用房屋设计规范》YD/T 5003的规定：安装有防爆式酸式蓄电池的电池室，通风量不应小于每小时换气5次。参照上述规定，并考虑到蓄电池充电至后期时将产生较多的腐蚀性气体和氢气，所以本规范规定每小时通风换气次数不应少于8次。

【良好通风条件：根据规范要求要达到良好通风条件每小时通风换气次数不应少于6次/8次。】

【非危险区域：根据上文氢气逸出量的计算，要达到爆炸下限的10%，蓄电池需要持续充电时间33小时以上。通常蓄电池的单次充电时间为8小时，所以要想达到非危险区域的标准是很容易实现的。规范没有要求每小时通风换气此处，假设每小时换气次数1次，也能将氢气含量控制在爆炸下限的10%以下。】

【规范对通风换气次数的要求在数据中心的使用环境下是不合理的。】

《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》GB50172-2012

3.0.7 蓄电池室应采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座。

 

综上按非危险区域设计：

【  1、通风机采用防爆型；满足非危险区域是否必须为防爆型？    

    2、吸风口上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.1m；    

    3、通风换气次数每小时按换气次数不小于8次设计？有待商榷。】

 

4、电池间电气设计

 

《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》GB50172-2012

3.0.7 蓄电池室应采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座。

 

综上按非危险区域设计：

【采用防爆型灯具，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座；满足非危险区域是否必须采取防爆措施？】

【1、实际运行的大量数据中心中，蓄电池和UPS及配电柜放置在一个房间内的案例很多，其UPS及配电柜等均未按防爆型产品，也能保证长期安全可靠运行。

  2、仅对照明及插座进行防爆设计，不对配电柜等设备进行要求也难于达到防爆设计目的。】

5、运维管理建议

由于规范相关条文的要求，为满足审图要求，许多项目设计中通风换气次数任按不小于每小时6~8次的要求设计。

而电池间的温度通常按20~25度设置空调系统。

在室外温度较高的情况下，通风换气会增加大量的制冷需求，不利于节能。

蓄电池仅在充电期间有气体逸出，且充电时间和时长是受运维安排控制的。在充电期间气体逸出也是微量缓慢的逸出，没有突发风险。

环控系统通常也在电池间设置氢气探测器监控氢气含量，可防止氢气含量超警戒量。

建议采取以下策略进行运维：

1、由于蓄电池在充电区间才会逸出气体，故仅在充电期间开启通风机。浮充电区间视情况部分时间段开启。

2、在夏季温度较高的气候环境，仅在夜间开启通风机一段时间进行通风换气，避免氢气的累积。夜间电费更便宜，气温相对更低，能耗更小。

3、在温度适宜时，可停用制冷空调，采用通风机进行降温；

总结：随着电池技术的进步，阀控式密封铅酸蓄电池运行过程中氢气等有害气体的逸出量已经很少，而规范规定相对保守给合理设计带来困难。按规范要求运行将造成能耗损失，增加运维成本。在运维过程中应结合UPS充放电情况及环境合理调整策略，在保证安全的情况下可降低运维成本。

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知识点：数据中心：电池间是否需要按防爆要求设计？通风、电气设计及运维策略。