高校實(shí)驗(yàn)室安全供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探索

柯丁寧，王 凱，高 尚，況 婷，宋琳琳

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，廣東 深圳 518055；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 資產(chǎn)處，廣東 深圳 518055；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2016 年實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的93 例火災(zāi)爆炸事故中，21 起安全事故與易燃?xì)怏w及加壓氣體的使用有關(guān)[1]。2015 年4 月，江蘇某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室因甲烷氣體泄漏發(fā)生爆炸事故，造成1 人死亡、4 人受傷[2]；2015 年12 月，北京某高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室因使用氫氣發(fā)生爆炸起火事故，造成一名博士后死亡[3]。實(shí)驗(yàn)室氣體安全事故的發(fā)生，不僅帶來(lái)了人身傷害與國(guó)家財(cái)產(chǎn)的巨大損失，還造成了惡劣的社會(huì)影響[4]。

除了常見(jiàn)的氣體鋼瓶外，高校實(shí)驗(yàn)室的供氣系統(tǒng)還包括氣體管道、調(diào)壓裝置與監(jiān)控等裝置[3]。部分高校將氣體鋼瓶的規(guī)范使用與管理作為實(shí)驗(yàn)室氣體安全的主要工作[2,5-7]，而較少關(guān)注實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)[8-9]，缺乏實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃和集中管理。其主要原因是部分老舊實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)樓的供氣系統(tǒng)沒(méi)有更新改造。目前，高校實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，部分新建高校實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)樓供氣系統(tǒng)無(wú)規(guī)劃，無(wú)監(jiān)督，無(wú)據(jù)可依[8]。

2015 年11 月5 日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)。建設(shè)一流的實(shí)驗(yàn)室是推進(jìn)“雙一流”建設(shè)的客觀要求，而實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)是一流實(shí)驗(yàn)室不可或缺的部分。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心為例，針對(duì)多學(xué)科的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的不同供氣需求，系統(tǒng)地介紹我校實(shí)驗(yàn)室安全供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心的供氣需求特點(diǎn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心內(nèi)設(shè)13 個(gè)基礎(chǔ)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及16 類專業(yè)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，共計(jì)192 間實(shí)驗(yàn)室，主要集中在實(shí)驗(yàn)樓的1～9 層。實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心各實(shí)驗(yàn)室的供氣需求見(jiàn)表1，主要有以下3 個(gè)特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心供氣需求共7 種，一般氣體3 種，易燃與助燃?xì)怏w4 種，無(wú)有毒氣體；

（2）3 種一般氣體，供氣樓層多，分布實(shí)驗(yàn)室廣；

（3）4 種易燃與助燃?xì)怏w的用量小，涉及實(shí)驗(yàn)室數(shù)量少，分散在較高樓層。

表1 實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心的供氣需求

2 一般氣體的供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前實(shí)驗(yàn)室供氣的模式主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的獨(dú)立鋼瓶分散供氣模式，一種是較為先進(jìn)的集中供氣模式[3,10-11]。分散供氣模式是在每臺(tái)儀器設(shè)備附近單獨(dú)配置鋼瓶，分別滿足每臺(tái)儀器設(shè)備的使用[10]。集中供氣模式將中央儲(chǔ)氣設(shè)備中的氣體經(jīng)切換與調(diào)壓裝置后通過(guò)管路系統(tǒng)輸送到各個(gè)分散的終端供氣點(diǎn)[3]，它主要是由氣源、切換裝置、調(diào)壓裝置、終端供氣點(diǎn)、監(jiān)控及報(bào)警裝置組成[11]。集中供氣模式的主要優(yōu)勢(shì)是能做到“人瓶分離”，有效降低氣體鋼瓶事故發(fā)生的幾率[3]。實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心需求一般氣體的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備較多，如果采用傳統(tǒng)的分散供氣方式，實(shí)驗(yàn)室將存在大量的氣體鋼瓶，極大地增加了氣體鋼瓶事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心的一般氣體設(shè)計(jì)為集中供氣模式。

2.1 氣源與氣源間的設(shè)計(jì)

集中供氣的氣源主要有三種不同形式：儲(chǔ)槽、杜瓦罐以及氣體鋼瓶。儲(chǔ)槽一般用于供氣量大的企業(yè)或機(jī)構(gòu)，其壓力低，充裝氣體由專業(yè)人員完成，具有非常高的安全性。但儲(chǔ)罐前期投入較大，需要較大的室外空間。杜瓦罐儲(chǔ)氣量較大，壓力低，放置位置靈活，其使用范圍非常廣泛。儲(chǔ)槽與杜瓦罐存儲(chǔ)是液態(tài)氣體，存在較高的揮發(fā)性，以氮?dú)鉃槔?，氮?dú)饷刻斓膿]發(fā)率約為2.2%，三種氣體的不同氣源形式的儲(chǔ)氣量與氣體出口壓力見(jiàn)表2?？紤]到經(jīng)濟(jì)環(huán)保與更換頻次，氮?dú)夂蜌鍤獾臍庠丛O(shè)計(jì)為1 個(gè)杜瓦罐和1 個(gè)氣體鋼瓶的聯(lián)用。二氧化碳的氣源選擇2 個(gè)氣體鋼瓶聯(lián)用。

表2 三種氣體的不同氣源形式的儲(chǔ)氣量與氣體出口壓力

為了避免氣源間在實(shí)驗(yàn)樓的主入口與消防登高面附近，一般氣體的氣源間設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)樓的次入口側(cè)。氣源間采取了遮陽(yáng)防曬措施，靠近建筑的隔墻應(yīng)為防爆墻。氣源間內(nèi)設(shè)置連續(xù)機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)，滿足房間最小通風(fēng)換氣次數(shù)不低于每小時(shí)6 次的要求。氣源間室內(nèi)地面和電氣設(shè)置防火花、防靜電與防爆措施。同時(shí)，在氣源間內(nèi)設(shè)置氧氣濃度報(bào)警探頭，并在室外安裝指示燈。

2.2 氣體管道的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室供氣管道體采用光亮退火型的優(yōu)質(zhì)無(wú)縫不銹鋼316 L BA 材質(zhì)（表面處理Ra＜=0.7 μm）[11]，經(jīng)過(guò)酸洗鈍化與高純氮吹掃后進(jìn)行全程無(wú)縫焊接[3]。所有管道管徑的選擇均根據(jù)供氣量及壓力配置的情況而定[11]。對(duì)需要穿過(guò)實(shí)驗(yàn)室墻體的管路要設(shè)置預(yù)埋套管，管道與預(yù)埋套管之間填充非燃燒材料，套管內(nèi)的供氣管路不能有焊道[10]。架空管道支架采用不銹鋼材料，不與電纜、導(dǎo)電線路與高溫管道敷設(shè)在同一支架上。氣體管道通過(guò)管道井進(jìn)入不同的樓層，在相應(yīng)的各樓層分別安裝氣體總閥門。對(duì)事故樓層可單獨(dú)切斷氣源，而不影響其他樓層的供氣使用。管道井內(nèi)氣管為密閉設(shè)計(jì)，并安裝泄漏偵測(cè)探頭。

2.3 終端供氣點(diǎn)的設(shè)計(jì)

氣體管道進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，氣體管道可以沿著實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的功能柱或墻面到達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的終端用氣點(diǎn)，并安裝開(kāi)關(guān)控制閥、調(diào)壓閥與壓力顯示器。在使用一般氣體的實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置氧氣濃度報(bào)警探測(cè)器，該報(bào)警器聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)，保證使用點(diǎn)供氣安全。

3 易燃與助燃?xì)怏w的供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 氣源與氣瓶安全柜的設(shè)計(jì)

考慮到4 種易燃與助燃?xì)怏w的供氣量小，選擇儲(chǔ)罐和杜瓦罐作為氣源會(huì)因氣體揮發(fā)造成極大的浪費(fèi)，故選擇氣體鋼瓶作為其氣源。經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，氣體鋼瓶的主要事故類型有：傾倒、泄漏與爆炸，而爆炸是造成重大傷亡的類型[12]。通過(guò)集中供氣模式，可以降低氣瓶安全事故的發(fā)生幾率[13-14]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心對(duì)易燃與助燃?xì)庥昧可偾沂褂命c(diǎn)分散，采用集中供氣模式會(huì)不可避免地使用較長(zhǎng)的氣體管路，長(zhǎng)距離輸送易燃與助燃?xì)怏w會(huì)增加氣體管路、閥件和儀表等泄漏的潛在風(fēng)險(xiǎn)[11]。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們采用全自動(dòng)特殊氣體安全柜作為氣源的配套設(shè)備以減少分散供氣中氣體鋼瓶的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證易燃與助燃?xì)怏w的管路盡量短[11]。

全自動(dòng)特殊氣體安全柜通過(guò)配備可調(diào)節(jié)的氣體鋼瓶移動(dòng)擱板與鋼瓶固定架和鋼瓶鏈條皮帶來(lái)降低氣體鋼瓶?jī)A倒的潛在風(fēng)險(xiǎn)。氣體安全柜使用時(shí)柜內(nèi)一直保持負(fù)壓，氣體不會(huì)向安全柜外溢。在全自動(dòng)特殊氣體安全柜內(nèi)有氣體濃度探測(cè)器，一旦氣體鋼瓶發(fā)生泄漏，氣體安全柜立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)[7]，并緊急切斷氣動(dòng)閥切斷氣源，啟動(dòng)安全柜中的排風(fēng)系統(tǒng)，將泄漏的氣體強(qiáng)制排出實(shí)驗(yàn)室。全自動(dòng)特殊氣體安全柜如圖1 所示。

圖1 全自動(dòng)特殊氣體安全柜示意圖

按照氣體鋼瓶爆炸的機(jī)理，爆炸可分為三類：物理爆炸，化學(xué)爆炸以及混合爆炸[15]。全自動(dòng)特殊氣體安全柜內(nèi)裝有溫度與紫外線探頭，能有效避免氣體鋼瓶長(zhǎng)時(shí)間熱源或紫外線照射引起的物理爆炸[16]。化學(xué)爆炸主要是由于易燃易爆氣體遇到明火導(dǎo)致[15]。安全柜配置冷軋?zhí)间?.5 mm 厚的外殼與防爆玻璃視窗，可降低氣體鋼瓶與明火的接觸可能。煙霧探測(cè)器幫助氣體鋼瓶識(shí)別實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，一旦實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)燃燒等危險(xiǎn)時(shí)，氣體安全柜立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，緊急切斷氣動(dòng)閥并同時(shí)切斷氣源，極大降低因其他設(shè)備發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致氣體鋼瓶的混合爆炸的可能性。全自動(dòng)特殊氣體安全柜能夠有效降低氣體鋼瓶事故發(fā)生幾率，同時(shí)還能將氣體使用過(guò)程信息與遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控軟件相連，實(shí)時(shí)收集氣體輸送過(guò)程中各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)

對(duì)于使用易燃助燃?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)室，安裝易燃助燃?xì)怏w濃度報(bào)警器尤為重要[17]。由于各種氣體的特性不同，易燃助燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理也有差異[18]。氣體偵測(cè)器一般安裝在供氣設(shè)備上或其附近，這樣可加快采樣的速率并減少采樣泵的壽命損耗。每種氣體相對(duì)于空氣的密度有大有小，安裝位置也有所差別[18]。對(duì)于防爆區(qū)域的氣體報(bào)警器需要配置防爆箱體，達(dá)到防爆的要求。

4 遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控管理軟件

高校實(shí)驗(yàn)室使供氣體種類較多，涉及實(shí)驗(yàn)室供氣環(huán)境復(fù)雜，如何管理實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)，保障實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)安全，一直是實(shí)驗(yàn)室管理人員關(guān)注的問(wèn)題[3]。遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控管理軟件能夠及時(shí)識(shí)別與反饋供氣系統(tǒng)中的異常情況，還能實(shí)現(xiàn)供氣系統(tǒng)的智能管理，大大提高實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)的管理效率。遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控管理系統(tǒng)通過(guò)各傳感器收集實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)中的氣體壓力、流量以及泄漏率等數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街醒胩幚砥鳎幚砥鲗⑦@些數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)各氣體的運(yùn)行狀態(tài)，并分別在顯示器上顯示[19]。當(dāng)供氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施[19]。遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)有3 個(gè)主要作用：（1）警報(bào)作用。一旦發(fā)生泄漏，立即將泄漏信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚砥?，通過(guò)語(yǔ)音廣播系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等通知實(shí)驗(yàn)室氣體使用人員與實(shí)驗(yàn)室管理人員。（2）氣源緊急切斷。遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有緊急切斷按鈕，主要用于遠(yuǎn)程關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)供氣設(shè)備的氣動(dòng)閥門。當(dāng)泄漏達(dá)到一定量時(shí)，中控室人員可對(duì)供氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)關(guān)閉操作，及時(shí)關(guān)閉供氣設(shè)備的氣動(dòng)閥門。（3）緊急排風(fēng)。遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室的緊急排風(fēng)機(jī)相連。當(dāng)泄漏達(dá)到一定量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)泄漏區(qū)域的排風(fēng)機(jī)組，進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)室區(qū)域排風(fēng)，避免泄漏氣體的濃度增加到其爆炸極限。除此之外，遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)怏w鋼瓶中的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，判斷氣體使用狀態(tài)，并可以對(duì)氣體鋼瓶進(jìn)行及時(shí)調(diào)度與配送。

圖2 遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的重要組成部分。本文以建設(shè)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中心實(shí)驗(yàn)室的供氣系統(tǒng)為例，從實(shí)驗(yàn)室供氣需求出發(fā)，圍繞著一般氣體與易燃助燃?xì)怏w的不同供氣模式進(jìn)行探討，介紹了集中供氣與分散供氣模式的硬件設(shè)施，在諸多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面具有一定的借鑒意義。將實(shí)驗(yàn)室供氣設(shè)施的硬件與遠(yuǎn)程氣體監(jiān)控軟件相結(jié)合，不但能夠保障實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)安全，還能提高實(shí)驗(yàn)室供氣系統(tǒng)的管理效率。