氣瓶充裝系統中安全預警、安全控制系統的設計

陳 偉 彭啟兵 徐元梅

南京特種氣體廠股份有限公司 （江蘇南京 211113）

近幾年，我國氣瓶充裝行業得到了快速的發展，在快速發展的同時，也面臨著嚴峻的挑戰。由于氣體大多數具有令人窒息、易燃、易爆、腐蝕等危險性質，再加上氣瓶充裝過程中涉及高壓操作，稍有不慎極易引發安全生產事故。通過有效的安全設計，提升氣瓶充裝過程的安全性，對推動氣瓶充裝行業安全、穩定、健康、快速地發展具有重要意義。

1 氣瓶充裝系統中安全預警、安全控制系統

氣瓶充裝系統包括原料儲罐、充裝泵（壓縮機）、汽化器、充裝管道以及安全附件等。要確保氣瓶充裝活動的安全，就必須通過設計將安全預警、安全控制系統引入氣瓶充裝系統的各個環節。

1.1 原料儲罐超裝聯鎖系統

原料儲罐是用來儲存氣體原料的裝置，常見的有盛裝液化石油氣、液氨的一般壓力容器和盛裝液氧、液氮的真空絕熱壓力容器。為了避免原料儲罐超裝引發的安全隱患，我國對原料儲罐最大充裝量有著嚴格的限制。GB/T 18442.3—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設計》規定：充裝非易爆介質的液相容積應不大于內容器幾何容積的95%，充裝易爆介質的液相容積應不大于內容器幾何容積的90%。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定：儲存液化氣體的壓力容器應當規定設計存量，裝量系統不得大于0.95%，建議預警液位設置不高于內幾何容積的90%。

在安全設計階段，會在原料儲罐進料系統上加裝高液位報警功能，同時針對液化石油氣、液氨等有毒和易燃介質儲罐設置高高液位自動聯鎖切斷裝置，一旦原料儲罐液位到達設定預警液位，在觸發高液位報警的同時，將卸料泵或卸料壓縮機聯鎖停機，由此來杜絕原料超裝引發的安全生產事故。[1]

1.2 汽化器出口低溫聯鎖系統

汽化器是深冷液化氣體在其中加熱至汽化的設備。汽化器通常利用吸收的外界大氣環境的熱量，將深冷液化氣體汽化后充裝進入氣瓶。當環境溫度較低或汽化器長時間使用后，深冷液化氣體在汽化器中無法有效地汽化后，深冷液化氣體會直接進入鋼瓶中。由于深冷液化氣體氣液比較大。以液態氧為例，1體積的液態氧可轉換為800體積的氣態氧，因此，當深冷液化氣體進入鋼瓶后會迅速汽化膨脹，導致鋼瓶超壓爆炸。

我國相關標準對汽化器出口溫度均有嚴格要求，如： GB 16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》規定：低溫液體汽化器出口應設有溫度過低報警聯鎖裝置，汽化器出口的氣體溫度不低于-10℃；GB 27550—2011《氣瓶充裝站安全技術條件》要求“汽化器的出口溫度低于-30℃”；GB/T 14194—2017《壓縮氣體氣瓶充裝規定》要求“汽化器氣體出口至充裝管道的溫度不得低于-30℃”。

在安全設計階段，會在汽化器出口管道上加裝溫控模塊與充裝泵聯鎖。當汽化器出口溫度達到設定的安全預警值時，低溫泵聯鎖停運，確保深冷氣體有效汽化后進入鋼瓶。

1.3 壓縮氣體氣瓶超壓切斷系統

常見的氧氣、氮氣、氬氣、氫氣、氦氣均屬于壓縮氣體。壓縮氣體充裝過程中均使用壓力來計量氣瓶的充裝量，一旦壓縮氣體氣瓶充裝壓力過高（超過其設計壓力），就存在爆炸的風險。GB/T 14194—2017要求“（壓縮氣體）充裝壓力不大于氣瓶水壓試驗壓力的三分之二”。

在安全設計階段，會在汽化器出口管道上安裝電接點壓力表，當充裝管道壓力達到設定的安全預警值時，電接點壓力表輸出信號，低溫泵聯鎖停運，確保氣瓶無超裝危險。

1.4 液化氣體氣瓶超裝切斷系統

常見的液氨、液氯和液化石油氣均屬于液化氣體，液化氣體充裝量通常不得大于氣瓶容積與充裝系數乘積的計算值。因液化氣體可壓縮性較小而膨脹性又較大，所以氣瓶因超裝造成氣瓶內“滿液”時，滿液鋼瓶的溫度只要上升1℃，瓶內壓力就可增加1～2 MPa，若溫度升高 5～15℃，則瓶內壓力會急劇增加，導致鋼瓶爆炸。

為杜絕液化氣體超裝，我國相關標準對液化氣體充裝計量衡器均有嚴格要求：GB 14193—2009《液化氣體氣瓶充裝規定》要求“衡器應設置有氣瓶超裝報警或自動切斷氣源的聯鎖裝置”；GB 27550—2011要求“液化石油氣、液氯和液氨氣體充裝站應配備具有在超裝時自動切斷功能的計量衡器”。

在安全設計階段，瓶裝液化氣體充裝應優先選擇具有自動切斷功能的整套計量衡器。在無法進行設備選型時，也可以采用計量衡器與充裝泵或自動閥進行聯鎖的方式，當液化氣體充裝達到設定的安全預警值時，計量衡器會發出聲光報警，并輸出信號使充裝系統聯鎖停機，從而有效避免液化氣體超裝現象。

1.5 遠程緊急切斷系統

緊急切斷裝置一般由緊急切斷閥、過流控制、遠程控制系統以及易熔自動切斷裝置組成，在遇到突發情況時，可以遠程操作控制閥門關閉或者打開，避免事故擴大。

氣瓶充裝站原料儲罐介質具有令人窒息、易燃、易爆、腐蝕等危險性質，一旦發生安全事故，人員無法有效靠近。GB/T 18442.6—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器第6部分：安全防護》和GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》對遠程緊急切斷系統具有嚴格的要求。

在安全設計階段，通常會在原料儲罐上安裝緊急切斷裝置。一旦發生安全生產事故，可由手控、自控、過流或周圍溫度超過易熔合金元件使其自動熔斷等方式關閉緊急切斷閥，確保原料儲罐介質能遠程關閉，降低原料的儲存風險。

1.6 氣體泄漏報警聯鎖系統

常見有毒氣體有液氯、氨氣；可燃氣體有液化石油氣、氫氣、溶解乙炔；氧化性氣體有氧氣、氧化亞氮；可窒息氣體有氮氣、氬氣、二氧化碳等。這些氣體一旦大面積泄露且集聚，極易引發安全生產事故。GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》要求“液氨儲存、裝卸的場所區域內應按照要求設置有毒氣體檢測報警儀”。GB 27550—2011也要求“有毒可燃氣體的充裝站和氧氣及可窒息氣體的充裝站，應設置相應的氣體危險濃度檢測報警裝置”。

在安全設計階段，通常要根據氣體不同的性質，在場所中設置相應的氣體濃度報警儀。一旦發生泄漏，現場氣體濃度報警儀將立即啟動聲光預警，有效縮短應急時間。同時，針對涉氨和易燃氣體的場所，應設置用于消防滅火和液氨泄漏稀釋吸收的消防噴淋系統，并與場所內氣體泄漏報警儀聯鎖。當局部氣體濃度達到安全預警值時，氣體泄漏報警儀發出聲光報警的同時，聯鎖自動噴淋控制閥開啟，消防水通過管道和噴淋頭噴灑水霧，有效吸收氨氣和滅火，避免突發情況下事故進一步擴大。

1.7 控制參數、預警信息遠程傳輸系統

氣瓶充裝站中涉及的控制參數和預警信息主要包括場所液位、溫度、壓力、濃度、現場視頻及事故預警信息等。根據《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》（國家安全生產監督管理總局令第40號）和《國家安全監管總局關于印發遏制危險化學品和煙花爆竹重特大事故工作意見的通知》（安監總管三〔2016〕62號）等文件要求，應對重點監管的危險化學品及重大危險源配備重點控制參數（溫度、壓力、液位、流量、組分等信息）不間斷采集和監測系統，配備可燃氣體和有毒氣體泄漏檢測報警裝置以及火災自動檢測及報警系統，并具備信息遠傳、連續記錄、事故預警、信息存儲等功能。

在安全設計階段，從企業安全生產管理的要求出發，將原料儲罐液位、溫度、壓力、濃度、現場視頻及事故預警功能遠傳至24 h值班室，確保值班室對現場實現無間斷信息采集、記錄和遠程操控，提升氣瓶充裝站現場安全管理。

2 結語

在設計階段，只有將安全預警、安全控制系統有效地引入氣瓶充裝的各個環節中，運用先進的手段和技術，才能有效提升氣瓶充裝單位的安全管理水平，避免安全生產事故的發生。