Хрюкин - Вентиляция и отопление аккумуляторных помещений (1979)

Хрюкин Н. С.

Вентиляция и отопление аккумуляторных  помещений.1979.

В книге рассмотрены вредные выделения из кислотных и  щелочных аккумуляторов, требования к параметрам воздушной среды в  помещениях и меры по снижению количества вредных выделений из аккумуляторов и противоэлементов. Приведены формулы для  определения количества вредных веществ, выделяющихся в воздух  аккумуляторных помещений во время заряда, подзаряда, разряда и бездействия аккумуляторов и при работе противоэлементов. Рекомендованы способы расчета вентиляционного воздуха, и рассмотрены вопросы отопления и вентиляции помещений для аккумуляторов и противоэлементов. Книга предназначена для инженерно-технических работников,  занятых проектированием и обслуживанием аккумуляторных помещений электростанций, подстанций и промышленных помещений.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В «Основных направлениях развития народного  хозяйства СССР на 1976—1980 годы» указано, что в  электротехнической промышленности быстрыми темпами будет развиваться производство аккумуляторов с  повышенными удельными характеристиками. Вместе с тем будут непрерывно возрастать количество и емкость  аккумуляторных батарей, устанавливаемых на  электрических станциях, в технологических процессах, системах автоматизации, средствах связи.

Статья 42 новой Конституции СССР гарантирует право граждан на охрану труда. Это право  обеспечивается бесплатной квалифицированной медицинской  помощью, развитием и совершенствованием техники  безопасности и производственной санитарии, проведением широких профилактических мероприятий, мерами по улучшению окружающей среды, развертыванием  научных исследований, направленных на предупреждение и снижение заболеваемости. В связи с этим необходимо сосредоточить внимание проектировщиков и  эксплуатационного персонала на совершенствовании условий  труда в аккумуляторных помещениях. Значительная роль в обеспечении условий, о которых идет речь, отводится системам вентиляции и отопления.

Аккумуляторные батареи представляют определенную опасность, так как их работа сопровождается  электролизом воды и выделением водорода, который с кислородом воздуха образует взрывоопасную смесь.  Зарегистрировано несколько взрывов в помещениях для аккумуляторов. Наиболее мощный из них произошел в 1903 г. на  электростанции в Баку, где после монтажа аккумуляторная батарея из 60 элементов емкостью 4000 А-ч заряжалась током 500 А. Взрыв водородно-воздушной смеси  произошел от папиросы, с которой вошел в аккумуляторное помещение помощник мастера. Взрывом сдвинуло  фасадную стену станции на 20 мм, полностью разрушило железобетонный пол, отделяющий помещение от расположенного ниже зарядного помещения, выбило двери и стекла в соседних помещениях.

Вместе с газами из аккумуляторов выносятся  капельки электролита, которые загрязняют воздух в помещении, ухудшают условия труда и вызывают коррозию  металлических деталей. Для удаления из помещения водорода и аэрозолей электролита необходимо устройство вентиляционных  систем. Следует отметить, что изменение режима  эксплуатации аккумуляторов значительно улучшило параметры воздушной среды в аккумуляторных помещениях. В  настоящее время аккумуляторные батареи на  электростанциях, предприятиях связи эксплуатируются, как правило, в режиме постоянного подзаряда, и при этом  концентрация серной кислоты в воздухе рабочей зоны значительно ниже предельно допустимой концентрации, так как  расчет вентиляционного воздуха выполняется из условий заряда аккумуляторов, который производится редко.

Масштабы строительно-монтажных работ, связанных с созданием новых аккумуляторных установок,  непрерывно возрастают, между тем наряду с широким  освещением в литературе вопросов устройства, размещения и режимов эксплуатации аккумуляторных установок  вопросы отопления и вентиляции аккумуляторных  помещений рассмотрены недостаточно. В связи с этим нередко обнаруживаются ошибки в расчетах объемов  вентиляционного воздуха, в выборе и расположении  вентиляционных устройств для аккумуляторных помещений. 

Несмотря на то, что аккумуляторные батареи давно  используются в стационарных установках, до настоящего времени недостаточно изучены вопросы определения количества выделяемых газов и электролита из аккумуляторов в  зависимости от способа их заряда, распределения  вредностей в аккумуляторных помещениях, оценки различных схем вентиляции и определения расходов воздуха для вентиляции. Решению указанных вопросов на основе  теоретических и экспериментальных исследований и анализа  отечественных и зарубежных литературных источников  посвящена настоящая книга.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В АККУМУЛЯТОРНЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Вредные выделения из аккумуляторов являются следствием побочных химических реакций, прежде всего электролиза воды. Из кислотных  аккумуляторов выделяются газы (водород, кислород и газовые примеси) и серная кислота. Газовыделения из  аккумуляторов происходят во всех его состояниях: во время  заряда, подзаряда, разряда и бездействия. Наибольшее  количество газов выделяется в конце заряда  аккумуляторов, причем эти газы в основном состоят из водорода и кислорода в соотношении по объему 2:1.

Газы, образующиеся в аккумуляторе при электролизе воды, всплывают в электролите в виде пузырьков и  лопаются на его поверхности. При разрыве пузырей газа образуются мельчайшие капельки электролита, которые выбрасываются в воздух. Таким образом, образуется туман серной кислоты в аккумуляторном помещении.

Известно, что при низкой относительной влажности  воздуха в аккумуляторном помещении уровень электролита в кислотных аккумуляторах понижается (электролит «испаряется»). Наличие серной кислоты в воздухе  помещений иногда в литературе объясняют испарением  серной кислоты. Выражение о загрязнении воздуха  «парами» серной кислоты неверно. В действительности серная кислота практически не испаряется (при тех  температурах и концентрациях электролита, которые характерны для аккумуляторов и капелек серной кислоты), так как незначительная упругость паров серной кислоты делает невозможным испарение ее с поверхности электролита в баке или капельке даже при малой массовой  концентрации тумана. При испарении и кипении водных  растворов серной кислоты в фазу пара переходит из  электролита практически только вода. Это свойство водных растворов серной кислоты используется для  концентрирования серной кислоты до 98,3% путем нагревания и выпаривания. Серная кислота присутствует в воздухе аккумуляторных помещений не в виде пара, а в виде тумана, т. е. капельно-жидком состоянии.

В кислотных аккумуляторах сурьмянистый водород SbH3 образуется в результате взаимодействия  атомарного водорода с металлической сурьмой, которая может присутствовать на отрицательном электроде и как  составная часть решетки и как результат  электролитического отложения. Выделение сурьмянистого водорода наблюдается в основном в конце заряда, когда  напряжение аккумулятора превышает 2,45 В и выделение  водорода увеличивается в результате электролиза воды [1].

Количество выделяющегося из аккумуляторов  сурьмянистого водорода зависит от типа и возраста  аккумулятора, от содержания сурьмы в свинцово-сурьмяном сплаве. Установлено, что логарифм концентрации SbH3 в  газовой смеси, выделяющейся из аккумулятора, является линейной функцией напряжения, т. е. количество этого газа резко возрастает с увеличением конечного  напряжения. В связи с этим одним из способов снижения  скорости выделения сурьмянистого водорода может служить проведение заряда при постоянном низком значении  напряжения (менее 2,45 В на аккумулятор). Весьма  эффективным методом является также применение в качестве материала для решеток положительного электрода свинцово-сурьмяно-серебряного сплава, отличающегося  высокой 'Коррозионной стойкостью. Часть сурьмянистого водорода разлагается в  электролите, активной массе и сепараторах, а значительная часть совместно с водородом поступает в воздух  помещения. При вентиляции аккумуляторного помещения  сурьмянистый водород удаляется с вытяжным воздухом в наружную атмосферу. Если вентиляция отсутствует, то сурьмянистый водород в воздухе помещения постепенно (в течение десятков часов) разлагается, при этом, через несколько часов появляются белые частицы  сурьмянистого ангидрида (и более высоких окислов сурьмы)  размером 0,1—5 мкм [1]. Пыль сурьмянистого ангидрида  постепенно осаждается и из-за крайне незначительной концентрации практически не влияет на человека.

В результате реакции между мышьяком и серной кислотой образуется в небольшом количестве  мышьяковистый водород, так как свинец и серная кислота  загрязнены мышьяком. Согласно ГОСТ 667-73  содержание мышьяка не должно превышать в аккумуляторной серной кислоте сорта А 0,00005%.

Углекислый газ выделяется из кислотных  аккумуляторов в незначительном количестве, в случае  использования в них сепараторов из дерева. Образование сернистого ангидрида SO2 в  аккумуляторных помещениях возможно согласно реакции H2SO4 + + H2=2H2O + SO2. В аккумуляторах используется  водный раствор серной кислоты, и при температуре до 45°С этот процесс не имеет места или протекает .крайне  медленно. Однако в литературе .иногда встречаются  указания на наличие сернистого ангидрида в воздухе аккумуляторных помещений. Учитывая, что SO2 ядовит и  обладает однонаправленным действием вместе с серной кислотой, были определены концентрации газа в рабочей зоне и на высоте 0,2 м от пола во время заряда 'кислотных аккумуляторов типа СК при напряжении 2,5—2,7 В на аккумулятор и «кипении» электролита. Определение сернистого ангидрида в воздухе производилось  следующим образом: серная кислота задерживалась перхлорвиниловым фильтром, укрепленным в патроне  (аллонже). К аллонжу присоединялись два последовательно соединенных поглотительных прибора (с пористой  стеклянной пластинкой), содержащих по 5 мл раствора  хлората калия.

Поскольку сернистый ангидрид может содержаться в наружном воздухе, одновременно отбирались пробы на содержание SO2 в приточном воздухе. Результаты испытаний показали, что сернистый  ангидрид в приточном воздухе отсутствует. При заряде  аккумуляторов сернистый ангидрид в воздухе  обнаруживается в незначительном количестве или не поддается определению вследствие незначительного содержания. Содержание серной кислоты в воздухе значительно  превышает содержание сернистого ангидрида: в опытах отношение H2SO4: SO2 находилось в пределах от 80 до 260 или было выше. Таким образом, основным вредным химическим веществом, подлежащим определению в воздухе помещения во время заряда кислотных  аккумуляторов, является серная кислота.

При зачистке пластин свинцовых аккумуляторов  перед пайкой, пайке пластин, разборке и сборке  аккумуляторов и правке пластин в воздух выделяется свинцовая пыль. Зачистка ушек пластин металлическими щетками сопровождается выделением в воздух мельчайшей  свинцовой пыли. При пайке свинцовых пластин образуются пары свинца и сурьмы, а также окислы свинца. Пары, попадая в воздух помещения, конденсируются и  превращаются в аэрозоль конденсации, частицы которой по своей дисперсности приближаются к дымам. Нужно иметь в виду, что воздух загрязняется свинцовой пылью и парами не только у рабочего места, но и во всем  объеме помещения. Вредные выделения из щелочных  аккумуляторов и противоэлементов. Из щелочных аккумуляторов и противоэлементов выделяются водород, кислород, образующиеся в основном в результате  электролиза воды, и щелочь. Газовыделения из щелочных аккумуляторов происходят во время их заряда, подзаряда, бездействия и разряда. Газовыделения из  противоэлементов имеют место только в случае, если они  находятся под нагрузкой. Пузыри газа лопаются на  поверхности электролита. Образующиеся при этом капельки электролита газами выносятся из газового пространства аккумулятора или противоэлемента в помещение. Избытки тепла. При работе оборудования в электромашинных помещениях выделяется тепло. Источником тепловыделений являются выпрямительные устройства, электрические машины, электроприборы управления и контроля, приборы освещения, люди и в теплый период года солнечные излучения. Характеристика вредных выделений и предельно допустимые концентрации их в воздухе. Серная кислота H2SO4 — маслянистая прозрачная жидкость, плотность 1840 кг/м3, жадно  соединяется с водой, отнимает последнюю у многих  органических соединений, обугливая некоторые из них.

По степени воздействия на организм человека серная кислота согласно Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий СН 245-71 относится ко 2-му классу. Предельно допустимая концентрация (ПДК) серной кислоты в воздухе рабочей зоны  промышленных предприятий согласно СН 245-71 равна 1 мг/м3, причем эта концентрация является и предельной разовой,

Под ПДК следует понимать такую концентрацию  химического соединения в воздухе рабочей зоны, которая не должна вызывать у работающих при ежедневном  вдыхании в пределах 8 ч в течение всего рабочего стажа  каких-либо заболеваний или отклонений в состоянии здоровья. Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих.

Необходимо отметить, что предельно допустимая  концентрация серной кислоты в воздухе рабочей зоны  аккумуляторных помещений достигается только во время заряда аккумуляторов. Аккумуляторные батареи на электростанциях и подстанциях, как правило, должны эксплуатироваться согласно ПТЭ [2] по методу  постоянного подзаряда и при этом концентрация серной кислоты в рабочей зоне значительно ниже ПДК.

Едкий калий КОН — твердое кристаллическое  вещество, хорошо растворимое в воде. Концентрированный раствор едкого калия разрушающе действует на ткани животного и растительного происхождения. При  попадании едкого калия на кожу человека необходимо  пораженный участок обмыть водой, затем сделать примочки из 5%-ного раствора уксусной кислоты. Обращаться с твердым едким калием и его раствором нужно очень осторожно.

Едкий натрий (гидрат окиси натрия, каустическая сода) действует так же, как и едкий калий. По  санитарным нормам ПДК щелочи (едкого калия и едкого  натрия) в воздухе равна 0,5 мг/м3 при длительности  воздействия 8 ч в сутки. Эта же концентрация является предельной разовой (СН 245-71).

Мышьяковистый водород (арсин)  — бесцветный, тяжелый газ, имеет относительную плотность по воздуху 2,69. В чистом виде при обычной температуре довольно стоек, при нагревании разлагается. ПДК  мышьяковистого водорода в воздухе 0,3 мг/м3.

Сурьмянистый водород (стибин)  — бесцветный газ с удушливым запахом, немного напоминающим запах сероводорода, в 4,36 раза тяжелее воздуха. Легко  разлагается уже при обычной температуре и моментально при 150°С. ПДК SbH3 равна 0,3 мг/м3.

Свинец РЬ — яд, действующий на все живое. При чистке, правке и пайке свинцовых пластин рабочие подвергаются бездействию свинцовой пыли й парой: вредные вещества оседают на поверхности кожного покрова, попадают на слизистую оболочку полости рта, верхних дыхательных путей, со слюной заглатываются в  пищеварительный тракт, вдыхаются в легкие. ПДК свинца в воздухе 0,01 мг/м3.

Расчетная концентрация водорода в воздухе. Водород Н2 — физиологически инертный нетоксичный газ, могущий лишь в очень высоких  концентрациях вызывать ухудшение самочувствия. 

Действие его на органы дыхания подобно действию азота. Он вреден только потому, что снижает содержание  кислорода в воздухе. Однако водород представляет опасность в аккумуляторных помещениях ввиду того, что он в  смеси с воздухом может образовать взрывоопасную смесь. Плотность водорода при 0°С и 760 мм рт. ст. A01 кПа) равна 0,0899 кг/м3, водород легче воздуха в 14,38 раза. Водород обладает высокой проницаемостью. Водород может взрываться в смеси с воздухом только при определенных концентрациях. Взрывоопасность  вещества характеризуется величиной нижнего и верхнего пределов взрываемости, периодом индукции и  температурой воспламенения. Нижним пределом взрыва  называется наименьшая концентрация водорода в воздухе, при которой уже возможен взрыв. Соответственно верхним пределом взрыва называется наибольшая концентрация водорода в воздухе, при которой еще возможен взрыв.

Пределы взрывоопасных концентраций водорода в водородно-воздушной смеси при температуре 20°С « давлении 760 мм рт. ст. равны: нижний предел 4%. верхний— 74% [3]. Температура воспламенения водорода в смеси с воздухом составляет 625°С при длительности  воздействия источника нагрева 0,15 с и 575°С с увеличением  длительности нагрева до 15 с. Взрывоопасная водородно- воздушная смесь может воспламениться от открытого пламени, горящей сигареты, накаленного предмета, искры любого происхождения.

При расчете потребного воздухообмена критерием, регламентирующим пожарной взрывобезопасность  вентиляционной установки и обслуживаемого ею помещения, должна быть определенная норма допустимой  концентрации водорода в воздухе. При расчетах допустимую концентрацию водорода в воздухе аккумуляторных  помещений принимают меньше нижнего предела взрывоопасной концентрации, т. е. с некоторым коэффициентом запаса от взрыва. Этот коэффициент запаса. К  характеризуется числом, получающимся при делении нижнего предела взрывоопасной концентрации водорода в  воздухе на допустимое содержание водорода в помещении. Выбор коэффициента запаса от взрыва имеет большое значение для определения требований к системам  вентиляции. В воздухе аккумуляторных помещений предприятий электросвязи и гидрометеослужбы допустимая  концентрация водорода равна 0,7%, К=Ь,7% [4, 5].На основании опыта нормирования водорода ввиду возможности расслоения водорода в воздухе  аккумуляторного помещения, а также с учетом того, что расход вентиляционного воздуха для разбавления серной  кислоты в воздухе до предельно допустимой концентрации выше, чем для разбавления водорода (см. ниже),  следует принять расчетную концентрацию водорода при определении расхода воздуха, необходимого для  вентиляции аккумуляторного помещения, равной 0,8%, т. е. 20% нижнего предела взрывоопасное™ водородно-воздушной смеси.

Требования к параметрам  внутреннего воздуха. Помещения для кислотных  аккумуляторов. Емкость кислотных аккумуляторов зависит от температуры электролита, следовательно, от температуры окружающей среды. При понижении температуры  увеличиваются вязкость и электрическое сопротивление  электролита, замедляется диффузия электролита в толщу активной массы пластин, емкость аккумулятора  существенно падает. При этом чем больше ток разряда, тем больше относительное снижение емкости. Если при  температуре + 25°С емкость аккумуляторов составляет 100%, то при +10°С и разряде 6-часовым режимом емкость составляет 90%, при разряде 1-часовым  режимом— 72% [8]. Низкая температура электролита  отрицательно влияет и на зарядные характеристики  кислотных аккумуляторов. Для удовлетворительного заряда аккумуляторов температура электролита должна быть не ниже +5°С.

Номинальные параметры аккумуляторов типов С(СК) и СН отнесены к температуре + 25°С.  Оптимальная температура для кислотных аккумуляторов, исходя из отдачи емкости во время разряда, находится в  пределах от 15 до 25°С. Учитывая, однако, затруднительность поддержания такой температуры в ряде случаев, а  также незначительное ухудшение характеристик  аккумуляторов при снижении температуры до —j— 10°C, ПТЭ  электростанций и сетей регламентируют температуру  аккумуляторного помещения не ниже +10°С.

Однако на подстанциях без постоянного дежурного персонала иногда трудно осуществить надзор за  отопительными устройствами. Для таких подстанций  допускается понижение температуры до +5°С [2], если батарея не имеет длительной аварийной нагрузки, а снижение емкости аккумуляторов не скажется на обеспечении  необходимого уровня напряжения при толчках нагрузки. Повышенная температура воздуха в помещении  также вредна для кислотных аккумуляторов. При  постоянной повышенной температуре электролита C0—35°С) сокращается срок службы аккумуляторов, повышается саморазряд, усложняется уход за аккумуляторами из-за повышенного испарения воды. Максимальная  температура воздуха в помещении по условиям хранения и заряда аккумуляторов не должна превышать + 30°С.  Температура электролита в процессе заряда не должна  превышать + 40°С. Относительная влажность воздуха в аккумуляторных помещениях не нормируется, Однако следует учитывать, что при низкой относительной влажности из электролита испаряется вода, а при повышенной относительной влажности (выше 75%) электролит поглощает водяные пары яз воздуха; и в том и другом случаях значительно усложняется эксплуатация аккумуляторов.

Помещения для щелочных аккумуляторов. Э. д. с. щелочных аккумуляторов почти не зависит от  температуры. Только при температурах, близких к нулю, э. д. с. резко понижается. С повышением температуры  разрядное напряжение несколько повышается. Для  аккумуляторов никель-кадмиевых (НК) и никель-железных (НЖ) за номинальную емкость принимается емкость  8-часового разрядного режима при температуре электролита от + 15 до + 35, для серебряно-цинковых  аккумуляторов— емкость при 10-часовом разрядном режиме при + 15- +50°С. Нормальная температура воздуха в  помещениях для аккумуляторов НК и НЖ по условиям их хранения и заряда равна 20±5°С, допустимая  температура находится в пределах +10- +35°С. Длительно хранить аккумуляторы в заряженном состоянии  рекомендуется в прохладных помещениях. Повышение  температуры при хранении заряженных аккумуляторов уменьшает величину остаточных емкостей.

В помещениях для противоэлементов температура воздуха принимается, как в помещениях для щелочных аккумуляторов. В помещениях для аккумуляторов и  противоэлементов не допускаются резкие перепады температур  воздуха, поскольку это приводит к «отпотеванию»  аккумуляторов и стеллажей и, как следствие, к снижению  сопротивления изоляции батареи и появлению коррозии металлических деталей аккумуляторов. Электромашинные помещения. Параметры воздуха в помещениях следует принимать на теплый, холодный и переходный периоды года согласно табл. 1.

Большая скорость движения воздуха соответствует максимальной температуре воздуха, меньшая — минимальной. За расчетную температуру наружного воздуха при проектировании систем вентиляции в аккумуляторном помещении, помещении для  приготовления электролита и 'помещении для противоэлементов принимают зимой расчетные параметры Б для  холодного периода года; для электромашинных и  выпрямительных помещений принимают расчетные параметры А для голодного периода года. Летом для всех помещений при проектировании вентиляции принимается средняя  температура самого жаркого месяца в 13 ч (расчетные параметры А для теплого периода).

ГЛАВА ВТОРАЯ

МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ КОЛИЧЕСТВА ВЫДЕЛЯЕМЫХ ВРЕДНОСТЕЙ

При проектировании и эксплуатации аккумуляторных помещений следует предусматривать мероприятия, при которых может быть обеспечено снижение  выделений вредных веществ в воздух помещений. К таким  мероприятиям относятся: выбор типа и конструкции  аккумуляторов с наименьшим выделением вредностей,  применение конструктивных мероприятий (покрытие  открытых аккумуляторов стеклами, использование вытяжных зонтов, укрытий, вытяжных шкафов, стеллажей с  щелевыми отсосами), покрытие поверхности электролита маслом, выбор способа заряда аккумуляторов с  минимальным выделением вредностей. Благодаря  комплексному применению мероприятий можно снизить  выделения водорода, серной кислоты и щелочи в воздух  помещений до таких значений, при которых можно  пользоваться естественной вентиляцией. Выбор аккумуляторов. При установке  закрытых аккумуляторов (с крышками) значительно  сокращается выделение туманообразной серной кислоты в помещение, уменьшается испарение воды,  предотвращается попадание в электролит пыли и случайных  загрязнений. При установке герметичных аккумуляторов вредные выделения из них в виде газов и капелек  электролита отсутствуют. Такие аккумуляторы можно  устанавливать в одном помещении вместе с оборудованием, что уменьшает требуемую площадь, упрощает уход за ними. Однако они обладают высокой стоимостью и  емкости аккумуляторов невелики.

Применение конструктивных  мероприятий. Самым простым способом сокращения выноса капелек электролита с газом является покрытие  открытых аккумуляторов типов С и СК стеклянными  пластинами. Вместо стекла можно применять пластины из кислотоупорного пластика. Капли электролита вылетают в воздух при разрыве пузырей газа, ударяются о стекло, и происходит частичная сепарация их из газового  потока. При этом образующиеся на нижней стороне стекол крупные капли электролита отрываются и падают в  сосуд. Исследованиями установлено, что при правильно установленных стеклах содержание серной кислоты в воздухе в рабочей зоне уменьшается в 3,5—4 раза [9], что улучшает условия труда в помещении. Кроме того, при этом достигается экономия кислоты, защита  электролита от загрязнения пылью, сокращается расход дистиллированной воды на испарение, удлиняется срок между очередными доливками воды в 2 раза,  уменьшается разрушающее действие туманообразной серной  кислоты на конструкции, оборудование в помещении и  воздуховоды.