氣瓶充裝方式思考與創新

朱龍居 沈 鋒 史江瑩

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院 揚州 225003）（2.揚州大陽日酸半導體氣體有限公司 揚州 211417）（3.揚農化工集團有限公司化設分廠 揚州 225003）

筆者從事氣瓶充裝相關工作多年，對氣瓶充裝方面有一些自己的看法和理解。本文討論壓縮氣體（也稱永久氣體）與液化氣體的充裝，不涉及其他種類氣體（比如溶解氣體）及車用氣瓶的充裝。2014版《氣瓶安全技術監察規程》（以下簡稱《瓶規》）以及氣體充裝標準對這兩類氣體充裝有明確的規定，比如2014版《瓶規》以及氣體充裝標準都規定高（低）壓液化氣體采用逐只稱重的方式進行充裝。筆者認為這個規定值得商榷。

1 氣體充裝方式及工藝設備

2014版《瓶規》6.5.2款規定：充裝壓縮氣體應嚴格控制充裝量，充裝后氣瓶在20℃時壓力不得超過氣瓶的公稱工作壓力[1]。這與1989版、2000版《瓶規》的規定相一致[2-3]；GB 14194—2006《永久氣體氣瓶充裝規定》第5.5款規定：國產氣瓶充裝的各種常用永久氣體，其氣瓶的最高充裝壓力不得超過表格的規定（表格略）[4]。這種充裝量依靠壓力控制的充裝方式，本文稱之為計壓充裝。根據《瓶規》以及氣體充裝標準，壓縮氣體（也稱永久氣體）充裝采取計壓充裝。

2014版《瓶規》6.5.3款規定：充裝高（低）壓液化氣體應采用逐瓶稱重的方式進行充裝[1]。這與1989版、2000版《瓶規》的規定相吻合[2-3]；GB 14193—2009《液化氣體氣瓶充裝規定》第5.8、5.1規定：液化氣體充裝量必須精確計量，充裝計量衡器應保持準確，其最大稱量值不得大于氣瓶實際質量（包括氣瓶質量和充液質量）的3倍，也不得小于1.5倍[5]。這種充裝量依靠重量控制的充裝方式，稱之為稱重充裝。很顯然，根據《瓶規》以及氣體充裝標準，高壓液化氣體充裝應采取稱重充裝。

充裝方式不同，充裝所采用的設備、儀器儀表也不同。計壓充裝在充裝排上應裝設相適應的壓力表；稱重充裝除裝設相應的壓力表外，還必須設置2臺計量衡器，其中充裝衡器應有超裝報警或自動切斷氣源的連鎖裝置。很明顯稱重充裝所需的計量設備要比計壓充裝多且煩瑣復雜，具備超裝報警或自動切斷氣源連鎖裝置的易燃易爆氣體充裝衡器價格也不菲。

計壓充裝時在充裝排上可以直接讀出充裝時壓力；另外壓力表可隨身攜帶，只要連接壓力表并打開瓶閥就可復核充裝量。稱重充裝時必須要將氣瓶移動至充裝衡器上，復核充裝量時還必須將氣瓶從充裝衡器移動至復稱衡器上。這個移動過程，容積稍大的氣瓶需要借助起吊設備；普通的40L工業氣瓶大多數女性操作人員無法單獨完成。因此從測量過程上講，計壓充裝要比稱重充裝簡捷方便。那么高壓液化氣體是否可采用計壓充裝。

2 瓶裝氣體的分類及其對充裝方式的影響

1989版《瓶規》把氣體類別劃分為：壓縮氣體（永久氣體）（tc＜-10℃）、高壓液化氣體（-10℃≤tc≤70℃）、低壓液化氣體（tc＞70℃），其中tc為氣體介質的臨界溫度（下同）[2]。

2000版《瓶規》除了把壓縮氣體改稱為永久氣體外，其余完全與1989版《瓶規》一致[3]。但是2014版《瓶規》在氣體分類上與前兩版相比，有明顯的不同。

2014版《瓶規》把氣體類別劃分為：壓縮氣體（也稱永久氣體）（tc≤-50℃）、高壓液化氣體（-50℃＜tc≤65℃）、低壓液化氣體（tc＞65℃）等[1]。

與前兩版相比，2014版《瓶規》調整了壓縮氣體與液化氣體的劃分界限，從tc＜-10℃調低至tc≤ -50℃[1]。

《瓶規》及氣體充裝標準對壓縮氣體、液化氣體規定了不同的充裝方式。由于2014版《瓶規》調整了壓縮氣體與液化氣體的劃分界限，必然會導致一部分氣體要改變充裝方式。臨界溫度在-50～-10℃之間的氣體在2014版《瓶規》實施之前被劃分為壓縮氣體，采用計壓充裝；但在2014版《瓶規》實施之后被劃分為液化氣體，必須采用稱重充裝，比如三氟化硼（臨界溫度為-12.25℃）。充裝方式顛覆性變更對氣瓶充裝企業影響很大。三氟化硼氣瓶在2014版《瓶規》實施之前采用的計壓充裝安全？下面再從理論上對這個問題進行分析。

3 實際氣體狀態方程

只要瓶內壓力與瓶內氣體充裝量的關系一一對應且能表達出時，就可用瓶內壓力來表征瓶內氣體充裝量即計壓充裝。

非滿液時，在液化氣體臨界溫度之下，瓶內壓力只與溫度相關而與瓶內氣體充裝量無關，因此不能采用計壓充裝；在臨界溫度之上，體積、溫度不變時瓶內壓力隨瓶內氣體充裝量增加而增大，其之間關系可以用實際氣體狀態方程來表達，因此理論上可以采用計壓充裝。

科學家們通過對理想氣體狀態方程修正，得到了上百種實際氣體狀態方程，其中著名的有范德華方程、R-K方程、S-R-K方程、我國科學家嚴家祿提出氣體通用狀態方程、我國科學家候虞鈞提出的M-H方程等。

這些方程都有各自的應用范圍，比如我國科學家提出的方程可用于高精度計算。但由于R-K方程公式簡單，精度也高，所以在工程應用中最為廣泛。《天然氣計量系統標方計算的數學建模》介紹：基于R-K方程的壓縮系數Z實際求解誤差為0.1%[6]；《氣體壓縮因子Z的在線修正與單片機實現》介紹：基于R-K方程，通過優化算法求解得到的壓縮因子Z，可用于氣體流量高精度計量，其誤差優于±0.5%[7]。本質上壓縮因子（實際狀態體積與理想狀態體積之比）、氣體流量描述的都是介質的體積，體積的偏差會導致計算瓶內介質密度時產生誤差，0.5%體積的偏差導致的瓶內介質密度計算誤差約為0.5%。實際上充裝系數就是充裝后瓶內介質密度。綜上所述，基于R-K方程的計壓控制充裝，其充裝系數誤差約為0.5%。其實就算是1%的誤差，在工程上筆者認為都是非常滿意的。另外，本文重點討論的是高壓液化氣體計壓充裝的可能性與可操作性而不是精度，如對R-K方程的精度不滿意，還可以用其他多參數方程針對特定介質或特定溫度點進行高精度計算，比如我國科學家提出氣體通用狀態方程、M-H方程。R-K原始方程如下：

式中：

R——氣體常數，8.314Pa·m3/(mol·K)；

Tc——介質的臨界溫度（絕對溫度），K；

Pc——介質的臨界壓力（絕對壓力），Pa；

P——瓶內壓力（絕對壓力），Pa；

T——瓶內溫度（絕對溫度），K；

Vm——摩爾體積，表示1mol介質所占的體積，對于按規定要求充裝的高壓液化氣體氣瓶，

R-K方程能否在充裝實際應用可通過實踐進行驗證。表1是揚州大陽日酸半導體氣體有限公司經過實測并在工作中使用的溫度、壓力、重量對照表（硅烷），表1中壓力的單位為Psig(磅/平方英寸，表壓。1Psig=0.00689MPa)，表1對應的充裝工況如下：一次同時充裝12只鋼瓶，充裝時間不小于3h。通過表1可以對R-K方程的計算結果進行驗證分析，分析方法：以表1中的數據為基準，把表1中瓶溫、壓力作為已知數代入R-K方程中反求重量（充裝系數×47L），反求出的重量與表1中相應的基準重量進行比較分析。取表1中重量為12kg對應的數據進行驗證分析，驗證分析結果見表2。R-K方程計算時硅烷相關參數按《Matheson氣體數據手冊》選取，其中摩爾質量取32.117g、臨界溫度取269.7K、臨界壓力(絕對壓力)取4.84MPa（下同）[8]。從表2可知最大誤差小于0.3%。非常小的誤差表明R-K方程的計算結果完全可以接受、完全可以在充裝中實際應用。

氣瓶按規定充裝系數充裝后，通過R-K方程可計算出不同溫度下（臨界溫度之上，下同）的瓶內壓力；反之，根據計算出的不同溫度下瓶內壓力亦可控制氣瓶的充裝系數、充裝量。以硅烷為例，其計算結果見表3，計算中充裝系數取0.3kg/L[1]。根據表3，完全可以對硅烷實行計壓充裝。

表1 硅烷在不同溫度下壓力、重量對照表（鋼瓶容積47L）

表2 R-K方程的計算結果誤差分析

表3 公稱壓力15MPa硅烷瓶不同溫度下的最高充裝壓力(表壓)

4 建議

臨界溫度之上高壓液化氣體實行計壓充裝后，可以降低勞動強度、提高工作效率、減少設備投資，更重要的是三氟化硼這些受分類調整影響的氣體不再需要顛覆性變更充裝方式。實踐創新離不開規范標準的創新，離開了注定是違法違規，因此需要對2014版《瓶規》、氣體充裝標準的相關內容進行修改。建議2014版《瓶規》6.5.3款再增加一個小款：當充裝溫度高于臨界溫度時，高壓液化氣體亦可按壓縮氣體實行計壓充裝，并按壓縮氣體充裝要求進行充裝量復核。

[1]TSG R0006—2014 氣瓶安全技術監察規程[S].

[2]1989 氣瓶安全技術監察規程[S].

[3]2000 氣瓶安全技術監察規程[S].

[4]GB 14194—2006 永久氣體氣瓶充裝規定[S].

[5]GB 14193—2009 液化氣體氣瓶充裝規定[S].

[6]田一華，魏凱豐，王慕坤．天然氣計量系統標方計算的數學建模[J]．哈爾濱理工大學學報，2002，7(05)：50-52.

[7]胡敏，李成貴，田宏杰．氣體壓縮因子Z的在線修正與單片機實現[J]．傳感器世界，2002（10）：10-13.

[8][美]卡爾L·約斯．Matheson氣體數據手冊[M]．陶鵬萬等譯．北京：化學工業出版社，2003：735.