高校實驗室安全供氣系統設計與探索

柯丁寧，王 凱，高 尚，況 婷，宋琳琳

（1. 哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055；2. 哈爾濱工業大學（深圳） 資產處，廣東 深圳 518055；3. 哈爾濱工業大學（深圳） 材料科學與工程學院，廣東 深圳 518055）

據統計，2001—2016 年實驗室發生的93 例火災爆炸事故中，21 起安全事故與易燃氣體及加壓氣體的使用有關[1]。2015 年4 月，江蘇某大學實驗室因甲烷氣體泄漏發生爆炸事故，造成1 人死亡、4 人受傷[2]；2015 年12 月，北京某高校化學實驗室因使用氫氣發生爆炸起火事故，造成一名博士后死亡[3]。實驗室氣體安全事故的發生，不僅帶來了人身傷害與國家財產的巨大損失，還造成了惡劣的社會影響[4]。

除了常見的氣體鋼瓶外，高校實驗室的供氣系統還包括氣體管道、調壓裝置與監控等裝置[3]。部分高校將氣體鋼瓶的規范使用與管理作為實驗室氣體安全的主要工作[2,5-7]，而較少關注實驗室供氣系統的其他環節[8-9]，缺乏實驗室供氣系統的統一規劃和集中管理。其主要原因是部分老舊實驗室或實驗樓的供氣系統沒有更新改造。目前，高校實驗室供氣系統標準尚未出臺，部分新建高校實驗室或實驗樓供氣系統無規劃，無監督，無據可依[8]。

2015 年11 月5 日，國務院發布《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，統籌推進世界一流大學和一流學科建設。建設一流的實驗室是推進“雙一流”建設的客觀要求，而實驗室供氣系統是一流實驗室不可或缺的部分。本文以哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐中心為例，針對多學科的本科教學實驗室的不同供氣需求，系統地介紹我校實驗室安全供氣系統的設計和應用。

1 實驗與創新實踐中心的供氣需求特點

哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐中心內設13 個基礎教育實驗教學中心以及16 類專業教育實驗教學中心，共計192 間實驗室，主要集中在實驗樓的1～9 層。實驗與創新實踐中心各實驗室的供氣需求見表1，主要有以下3 個特點：

（1）實驗與創新實踐中心供氣需求共7 種，一般氣體3 種，易燃與助燃氣體4 種，無有毒氣體；

（2）3 種一般氣體，供氣樓層多，分布實驗室廣；

（3）4 種易燃與助燃氣體的用量小，涉及實驗室數量少，分散在較高樓層。

表1 實驗與創新實踐中心的供氣需求

2 一般氣體的供氣系統設計

目前實驗室供氣的模式主要有兩種，一種是傳統的獨立鋼瓶分散供氣模式，一種是較為先進的集中供氣模式[3,10-11]。分散供氣模式是在每臺儀器設備附近單獨配置鋼瓶，分別滿足每臺儀器設備的使用[10]。集中供氣模式將中央儲氣設備中的氣體經切換與調壓裝置后通過管路系統輸送到各個分散的終端供氣點[3]，它主要是由氣源、切換裝置、調壓裝置、終端供氣點、監控及報警裝置組成[11]。集中供氣模式的主要優勢是能做到“人瓶分離”，有效降低氣體鋼瓶事故發生的幾率[3]。實驗與創新實踐中心需求一般氣體的實驗室和設備較多，如果采用傳統的分散供氣方式，實驗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險。因此，實驗與創新實踐中心的一般氣體設計為集中供氣模式。

2.1 氣源與氣源間的設計

集中供氣的氣源主要有三種不同形式：儲槽、杜瓦罐以及氣體鋼瓶。儲槽一般用于供氣量大的企業或機構，其壓力低，充裝氣體由專業人員完成，具有非常高的安全性。但儲罐前期投入較大，需要較大的室外空間。杜瓦罐儲氣量較大，壓力低，放置位置靈活，其使用范圍非常廣泛。儲槽與杜瓦罐存儲是液態氣體，存在較高的揮發性，以氮氣為例，氮氣每天的揮發率約為2.2%，三種氣體的不同氣源形式的儲氣量與氣體出口壓力見表2。考慮到經濟環保與更換頻次，氮氣和氬氣的氣源設計為1 個杜瓦罐和1 個氣體鋼瓶的聯用。二氧化碳的氣源選擇2 個氣體鋼瓶聯用。

表2 三種氣體的不同氣源形式的儲氣量與氣體出口壓力

為了避免氣源間在實驗樓的主入口與消防登高面附近，一般氣體的氣源間設計在實驗樓的次入口側。氣源間采取了遮陽防曬措施，靠近建筑的隔墻應為防爆墻。氣源間內設置連續機械通風或自然通風，滿足房間最小通風換氣次數不低于每小時6 次的要求。氣源間室內地面和電氣設置防火花、防靜電與防爆措施。同時，在氣源間內設置氧氣濃度報警探頭，并在室外安裝指示燈。

2.2 氣體管道的設計

實驗室供氣管道體采用光亮退火型的優質無縫不銹鋼316 L BA 材質（表面處理Ra＜=0.7 μm）[11]，經過酸洗鈍化與高純氮吹掃后進行全程無縫焊接[3]。所有管道管徑的選擇均根據供氣量及壓力配置的情況而定[11]。對需要穿過實驗室墻體的管路要設置預埋套管，管道與預埋套管之間填充非燃燒材料，套管內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、導電線路與高溫管道敷設在同一支架上。氣體管道通過管道井進入不同的樓層，在相應的各樓層分別安裝氣體總閥門。對事故樓層可單獨切斷氣源，而不影響其他樓層的供氣使用。管道井內氣管為密閉設計，并安裝泄漏偵測探頭。

2.3 終端供氣點的設計

氣體管道進入實驗室后，氣體管道可以沿著實驗臺上的功能柱或墻面到達實驗臺上的終端用氣點，并安裝開關控制閥、調壓閥與壓力顯示器。在使用一般氣體的實驗室，設置氧氣濃度報警探測器，該報警器聯動實驗室排風，保證使用點供氣安全。

3 易燃與助燃氣體的供氣系統設計

3.1 氣源與氣瓶安全柜的設計

考慮到4 種易燃與助燃氣體的供氣量小，選擇儲罐和杜瓦罐作為氣源會因氣體揮發造成極大的浪費，故選擇氣體鋼瓶作為其氣源。經分析統計，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]。通過集中供氣模式，可以降低氣瓶安全事故的發生幾率[13-14]。針對實驗與創新實踐中心對易燃與助燃氣用量少且使用點分散，采用集中供氣模式會不可避免地使用較長的氣體管路，長距離輸送易燃與助燃氣體會增加氣體管路、閥件和儀表等泄漏的潛在風險[11]。根據這一特點，我們采用全自動特殊氣體安全柜作為氣源的配套設備以減少分散供氣中氣體鋼瓶的安全風險，同時保證易燃與助燃氣體的管路盡量短[11]。

全自動特殊氣體安全柜通過配備可調節的氣體鋼瓶移動擱板與鋼瓶固定架和鋼瓶鏈條皮帶來降低氣體鋼瓶傾倒的潛在風險。氣體安全柜使用時柜內一直保持負壓，氣體不會向安全柜外溢。在全自動特殊氣體安全柜內有氣體濃度探測器，一旦氣體鋼瓶發生泄漏，氣體安全柜立即發出報警信號[7]，并緊急切斷氣動閥切斷氣源，啟動安全柜中的排風系統，將泄漏的氣體強制排出實驗室。全自動特殊氣體安全柜如圖1 所示。

圖1 全自動特殊氣體安全柜示意圖

按照氣體鋼瓶爆炸的機理，爆炸可分為三類：物理爆炸，化學爆炸以及混合爆炸[15]。全自動特殊氣體安全柜內裝有溫度與紫外線探頭，能有效避免氣體鋼瓶長時間熱源或紫外線照射引起的物理爆炸[16]。化學爆炸主要是由于易燃易爆氣體遇到明火導致[15]。安全柜配置冷軋碳鋼2.5 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。煙霧探測器幫助氣體鋼瓶識別實驗室的環境，一旦實驗室出現燃燒等危險時，氣體安全柜立即發出報警信號，緊急切斷氣動閥并同時切斷氣源，極大降低因其他設備發生火災導致氣體鋼瓶的混合爆炸的可能性。全自動特殊氣體安全柜能夠有效降低氣體鋼瓶事故發生幾率，同時還能將氣體使用過程信息與遠程氣體監控軟件相連，實時收集氣體輸送過程中各類監測數據。

3.2 氣體報警器設計

對于使用易燃助燃氣體的實驗室，安裝易燃助燃氣體濃度報警器尤為重要[17]。由于各種氣體的特性不同，易燃助燃氣體報警器的設計原理也有差異[18]。氣體偵測器一般安裝在供氣設備上或其附近，這樣可加快采樣的速率并減少采樣泵的壽命損耗。每種氣體相對于空氣的密度有大有小，安裝位置也有所差別[18]。對于防爆區域的氣體報警器需要配置防爆箱體，達到防爆的要求。

4 遠程氣體監控管理軟件

高校實驗室使供氣體種類較多，涉及實驗室供氣環境復雜，如何管理實驗室供氣系統，保障實驗室供氣系統安全，一直是實驗室管理人員關注的問題[3]。遠程氣體監控管理軟件能夠及時識別與反饋供氣系統中的異常情況，還能實現供氣系統的智能管理，大大提高實驗室供氣系統的管理效率。遠程氣體監控管理系統通過各傳感器收集實驗室供氣系統中的氣體壓力、流量以及泄漏率等數據并傳輸到中央處理器，處理器將這些數據通過內部軟件進行數據分析，確認各氣體的運行狀態，并分別在顯示器上顯示[19]。當供氣系統出現異常時，發出聲光報警信號，并執行相應的保護措施[19]。遠程氣體監控系統見圖2。

遠程氣體監控系統對實驗室供氣系統有3 個主要作用：（1）警報作用。一旦發生泄漏，立即將泄漏信號傳輸到中央處理器，通過語音廣播系統和火災報警系統等通知實驗室氣體使用人員與實驗室管理人員。（2）氣源緊急切斷。遠程氣體監控系統設有緊急切斷按鈕，主要用于遠程關閉現場供氣設備的氣動閥門。當泄漏達到一定量時，中控室人員可對供氣設備進行遠程手動關閉操作，及時關閉供氣設備的氣動閥門。（3）緊急排風。遠程氣體監控系統與實驗室的緊急排風機相連。當泄漏達到一定量時，系統啟動泄漏區域的排風機組，進行該實驗室區域排風，避免泄漏氣體的濃度增加到其爆炸極限。除此之外，遠程氣體監控系統能夠對氣體鋼瓶中的氣體進行實時遠程監控，判斷氣體使用狀態，并可以對氣體鋼瓶進行及時調度與配送。

圖2 遠程氣體監控系統示意圖

5 結語

實驗室供氣系統是實驗室設備的重要組成部分。本文以建設實驗與創新實踐中心實驗室的供氣系統為例，從實驗室供氣需求出發，圍繞著一般氣體與易燃助燃氣體的不同供氣模式進行探討，介紹了集中供氣與分散供氣模式的硬件設施，在諸多設計細節方面具有一定的借鑒意義。將實驗室供氣設施的硬件與遠程氣體監控軟件相結合，不但能夠保障實驗室供氣系統安全，還能提高實驗室供氣系統的管理效率。