探討實驗室集中供氣系統設計

摘要:

完善的實驗室供氣系統是實驗室儀器設備正常工作的基礎，對實驗室集中供氣的優點進行了分析和優化。實驗室供氣系統的設計涉及到諸多因素，從氣瓶室、管道鋪設、材料選擇、管道連接、安全技術要求等多方面考慮，設計的目的性要強，安全應放在一位，并按照實驗室的用氣種類進行統籌規劃。對實驗室集中供氣系統設計進行了探討，為實驗室規劃設計提供參考

實驗室集中供氣系統由于操作簡單、氣流穩定、使用安全、運行成本低等特點，已作為當前廣泛使用的現代供氣方式。其系統主要由氣源切換、供氣管道、調壓裝置、用氣點、監控及報警等系統組成。實驗室集中供氣系統涉及到管道如何布置、材料質量及規格如何選用、各階段安裝步驟和要求、工程驗收等方面工作，一個好的實驗室集中供氣系統的設計需要統一考慮氣體使用的安全性、便利性、以及管理和維護等問題，同時要考慮到實驗室今后發展的需要，對于特殊氣體還要考慮特殊的技術解決方案。因此，在實驗室集中供氣的設計時需要統籌規劃，結合用戶的實際情況，按照相關標準和規范進行設計。

01、集中供氣系統優點

實驗室一些儀器或設備的工作都需要各種各樣的氣體供應，通常使用氣體的種類有高純氧氣、氮氣; 氬氣、氫氣、氦氣; 甲烷、乙炔、二氧化碳、，還有混合氣體等甚至還有些設備還會用到有毒有害氣體。有些氣體用于儀器設備的驅動控制，如壓縮空氣。實驗室供氣的方式有兩種，一種是傳統的獨立鋼瓶分散供氣模式，這種供氣模式為每臺儀器設備單獨配置氣體鋼瓶，分別滿足每臺儀器設備的使用。另一種模式為集中供氣模式，該方式以儲氣罐、杜瓦瓶、氣體發生器等作為氣源，配置氣體發生系統或自動切換或手動切換等系統，實現氣體的不間斷供應，通過耐壓不銹鋼管道將氣體輸送到用氣端，每個端口的壓力和流量可以按照儀器的要求進行單獨控制，滿足各種儀器設備的使用要求。實驗室集中供氣系統的主要優點表現在以下幾個方面。

( 1) 穩壓效果好。集中供氣可采用二級減壓或多級減壓方式獲得較好的穩壓效果。例如，系統二級減壓后，加上儀器內部的調壓裝置，可以說是三級穩壓，氣源在一級減壓后，主管路上保持較高壓力，便于遠距離管道輸送，在儀器前端采用二級低壓減壓閥，將壓力調整到儀器工作范圍內，再進入儀器內部的壓力調整后，進入儀器的氣體能夠確保達到儀器使用要求。

( 2) 保證氣體純度。通過大型的儲罐( 液壓) 和輸送管道將載氣輸送給儀器，在儲罐出口安裝有單向閥，可避免更換儲罐時空氣或水分混入，另外，還可在高壓段之后安裝有泄壓開關球閥，將多余的空氣或水分排放，從而保證氣體的純度。

( 3) 安全性提高。一般瓶裝氣體的充氣壓力大于或等于 14MPa/cm2，集中供氣可根據需要降低系統壓力，而且遠離實驗區域，提高了使用的安全性。另外，集中供氣可將空氣壓縮機安放在供氣室內，減少壓縮機產生電火花帶來的安全隱患，并可避免噪音對實驗室的干擾。

( 4) 改善工作環境。實驗室內鋼瓶、空壓機等供氣源的取消減少了占地面積，便于實驗室設備和設施的布置，避免了其與實驗室操作人員在一處造成的混亂和不便。

( 5) 降低運行成本。集中供氣系統可采用儲氣量較大的液態儲罐供氣，可大大節省采購成本，減少更換氣瓶、氣罐的頻次，節省勞動成本，減輕了維護人員的勞動強度，便于管理、維修和保養。

( 6) 持續和及時。集中供氣系統采用手動、半自動或全自動切換系統，平時每個供氣源為一開一備狀態，可根據儀器工作條件對局部或整體氣體壓力、流量進行調節，能保證儀器用氣的流量和壓力的穩定性、持續性，也能保證量值傳遞不發生變化。

( 7) 擴展性靈活。集中供氣管道上可預留接氣點以及能夠擴展的點，并安裝控制開關或堵頭，方便擴展。所有用氣的儀器前端均裝控制閥。因此，可以在不影響其他儀器正常工作的情況下，擴展新的用氣端點。

02、集中供氣系統設計

2.1設計依據

集中供氣系統的設計應符合《工業金屬管道設計規范》GB 50316－2000、《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB 50235－2010、《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》GB 50236－2010、《氧氣站設計規范( 附條文說明) 》GB 50030－2013、《氫氣站設計規范( 附條文說明) 》GB 50177－2005、《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》GB 16912－2008、《氫氣使用安全技術規程》GB 4962－2008、《壓縮空氣站設計規范( 附條文說明) 》GB 50029－2014、《潔凈廠房設計規范( 附條文說明) 》 GB 50073 － 2013、《城鎮燃氣設計規范( 附條文說明) 》GB 50028－2006、《工業企業煤氣安全規程》GB 6222－2005 等標準及規程的要求。

2.2氣瓶室

集中供氣系統需要規劃設計一個獨立的氣瓶室，根據實驗室的布局和用氣情況在實驗室的每層或幾層設置一個氣瓶室，也可在實驗室外部設計一個為整個實驗室供氣的氣瓶室，鋼瓶儲存區應合理布置，保持可燃性容器和助燃性容器間的安全間距。氣瓶室墻宜采用實體結構，門應設計為防爆門，安裝防爆燈以及防爆風機，萬一發生事故可減少實驗室區域的破壞性。存放鋼瓶屋內不宜吊頂。氣瓶室內還應設有氣體泄漏、低壓換氣報警設施，及排風裝置，同時設計時還應考慮防雷、防靜電、空調設備等設施。為了保證氣體純度和壓力的穩定性，需采用多級減壓方式供氣，宜設置氣路吹掃、排空、雜質過濾、水分和油汽凈化等裝置，有條件的可采用雙氣源自動切換模式供氣。

2．3管線設計

( 1) 按標準單元組合設計的通用實驗室，各種氣體管道也應按標準單元組合設計。

( 2) 根據實驗室用氣量，計算供氣壓力、流量和管 道 內 徑，所 有 氣 體 主 管 道 原 則 上 不 低 于9. 52mm (  in，儀器空氣管道直徑為 12．7mm) 。管道末端，原則上不低于 6．35mm(  in，也可根據實際使用量而定) 。

( 3) 氫氣、氧氣和乙炔甲烷等管道以及引入實驗室的各種氣體管道支管明敷。在管道井、管道技術層內敷設有可然氣體氫氣、氧氣和乙炔甲烷等管路時，應有通風裝置保證有每小時( 1～3) 次的換氣次數150。

( 4) 需穿過實驗室墻體或樓板的部位應設有預埋套管，管路經套管穿過，套管內的管段不應有焊接。管道與套管之間應采用非燃燒材料封堵嚴密。

( 5) 氫氣、氧氣管道的末端和高點宜設放空管。放空管應高出層頂 2m 以上，并應設置在防雷保護區內。氫氣管道上還應設取樣口和吹掃口。放空管、取樣口和吹掃口的位置應能滿足管道內氣體吹掃置換的要求。

( 6) 氫氣、氧氣管道應有導除靜電的接地裝置。有接地要求的其它管道，其接地和跨接方法應按現行有效的國家標準執行。

( 7) 管道的敷設應按照以下的幾個方面考慮:

① 干燥氣體的管道宜水平布置，如氣體中含較高水分，其管道應有≤0．3%坡度，坡度向冷凝液體收集器方向。

② 其它氣體管道與氧氣管道需同架安裝時，其管道間距離≤0．25m。氧氣管道應在其它管道之上，但氫氣管道除外。

③ 平行安裝氫氣管道與可燃氣體管道時，其管道間距不應≤0．50m，管道交匯時，其間距不應≤0. 25m; 分層敷設時，氫氣管道應在*上方。

④ 每隔 1．5m 左右，氣體管路需有支架固定。另外，可根據氣體管路彎曲的直徑，設置合適的支架位置

⑤ 室內敷設氫氣管道時不能直接埋地里或布置在地溝內，避免直接穿過不使用氫氣的房間。

⑥ 鋼瓶接頭到調節閥之間應設有耐高壓金屬軟管，管道與閥件的連接應設有高壓雙卡套接頭，以方便部件的維修和更換。

2.4材料選擇

供氣系統材料選擇的基本原則是: 一是不宜用非金屬材料，二是材料不吸附氣體、不產生氣體，三是不產生粒子。一般氣體管道宜采用無縫鋼管，當輸送氣體的純度≥99．99%時，管道宜采用不銹鋼管、銅管或無縫鋼管; 管道與設備的連接段宜采用金屬管道，如選用非金屬軟管，宜采用聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管等工程塑料管，不應采用乳膠管;氫氣和氧氣管道使用的部件、儀表應是該介質的專用產品，不得使用替代品。其它部件的選擇應給出設計建議，如輸送閥門和氧接觸部分應采用非燃燒材料，其密封圈應使用有色金屬、不銹鋼、鎳基合金等材料; 管道接口法蘭墊片的應根據管內輸送的氣體確定; 管道固定件( 管夾) 應采用耐高溫的金屬材料，且堅固、輕巧、耐用。

2.5管道連接

供氣系統的連接應符合 GB 50236－2011《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》等標準的要求［11］。管道的連接應采用法蘭連接或焊接等方法，氫氣管道不應使用絲扣連接; 高純氣體管道應采用承插焊接; 氣體管道與設備、閥門與管道或管件的連接應采用絲扣或法蘭連接; 絲扣接頭中的填料應采用聚四氟乙烯膜、一氧化鉛、甘油調合填料; 對于高純氣體管道與閥件的連接應采用高壓雙卡套接頭連接。

2.6安全技術要求

氣體管道設計的安全技術應符合相關的設計規范和下述要求［12］:

( 1) 在同一槽架內不應同時敷設氣體管道和導電線路及電纜。

( 2) 所有減壓閥需設有排氣管路到氣體存放區外。易燃氣體、氧化氣體排氣管路不能并在一起。

( 3) 管道系統應設有調壓裝置，其組成包括各種閥門( 調節閥、截止閥、球閥等) ，實現氣體的開啟、關閉、調節等作用。設單獨的閥門( 球閥或針閥) 控制工作臺上氣體出口。

( 4) 各種氣體管道應有明顯的指示標志。安全減壓閥的標識需標明壓力釋放級別。

( 5) 使用氫氣及可燃氣體的實驗室應設置報警裝置，放空管路上安裝氣體回火防止器。

( 6) 存放氫氣鋼瓶的區域應有每小時不小于三次換氣的措施。

( 7) 瓶閥、接管螺絲和減壓閥等附件無泄漏、滑絲、松動等危險情況，各種氣壓表一般不得混用。

03、用氣安全性

實驗室集中供氣系統比單獨鋼瓶供氣模式有著較多的優勢，越來越多的實驗室建設者、工作者、管理者對實驗室集中供氣系統的使用已形成共識，采用集中供氣作為實驗室供氣模式的主流設計方案得到廣泛認可。實驗室集中供氣的設計應符合相關標準和規程的要求，保證實驗室供氣的穩定性、持續性和安全性。

3.1安全環保工作信息化

隨著信息技術的快速發展，信息化在實驗中心安全環保領域得到廣泛應用。首先購置智能化門禁系統和中央集成的監控系統，對實驗中心安全環保實行全過程監控管理; 其次以生物學虛擬仿真實驗教學中心為依托，大力加強虛擬仿真實驗教學資源建設，以虛擬實驗代替涉及高危或極端環境、高成本、高消耗的實驗項目［9－12］，既體現了安全環保的綠色理念，又提高了安全環保的信息化水平。

04、生物學實驗中心安全環保工作成效

目前，中心安全環保工作取得了明顯成效，健全了實驗室安全環保管理體系，建立了實驗室安全環保技術標準，完善了安全環保設施，形成了信息化管理新模式，提高了安全環保工作的效率和效果。學生在實驗過程中哪些物品有毒或有危險性，如何避免傷害，大型儀器怎樣使用等都胸中有數。學生安全意識明顯提高，實驗操作規范，儀器設備的損壞明顯減少，實驗教學及實驗教學改革高效推進。近幾年來，中心沒有發生任何大的安全環保責任事故，保障了實驗室財產安全和師生的人身安全，保證了中心正常的教學和科研秩序。

05、結語

高等學校生物學實驗中心安全環保內涵豐富，涉及面廣，技術性強，防范難度大，一旦發生安全事故都會造成不良后果，有的甚至會釀成大的責任事故，因此，必須高度重視，警鐘長鳴。我們一方面要牢固樹立“防范勝于救災，隱患勝于明火，責任重于泰山”的安全意識，積極構建“制度完善、設施先進，培訓到位”的長效機制，充分依靠廣大師生員工扎實做好實驗室安全環保工作; 另一方面，以新理念和新方式推動實驗室安全環保管理改革，將信息技術與實驗室安全環保深度融合，進一步提升互聯網+ 背景下實驗室安全環保信息化水平，為教學、科研和人才培養順利開展創造良好學習和工作環境。