新型氣體自動充裝系統

伊 寧 王傳良 朱軍偉 張 燁 馮維春，3

（1.青島科技大學山東化工研究院；2.山東春旭化工設計有限公司；3.山東省高端石化產業技術研究院）

氣體工業是國民經濟的基礎工業。 工業氣體（如氧、氮、氬、氦及二氧化碳等）在化工、冶金、煉油、機械制造、微電子及環保等行業應用廣泛，且需求量巨大，有著較好的發展前景［1，2］。在“中國制造2025”和全球“工業4.0”的新時代，由于各種新興產業和現代科學技術的需求和推動，氣體充裝工業在氣體品種、質量及生產裝備等方面發展迅速。 近年來，一種新型氣體自動充裝系統已逐漸得到規模化應用。

1 我國氣體充裝工藝現狀

目前，我國絕大部分工業氣體氣瓶充裝還停留在人工充裝工藝階段［3～6］，即低溫儲罐內的液化氣體經汽化器汽化后，依靠人工操作匯流排閥門進行氣瓶充裝，這種充裝工藝有以下3 個缺點：

a. 危險性大。 氣體進行充裝時，充裝壓力較大，部分氣體壓力可達10～20MPa。 雖然人工充裝采取了設置防爆隔墻［7～9］的措施，但仍無法避免人工靠近操作閥門開關，一旦管道、閥門等處發生氣體泄漏， 高壓氣體將會對人員造成巨大傷害。另外，氣瓶充裝搬運過程中也存在較大風險。

b. 充裝效率低下。 由于需要手動開、關每個氣瓶的閥門和設備， 充裝排充裝接頭數量也較少，而且需要人工監控充裝過程參數，因此氣瓶的充裝過程繁瑣，特別是混合氣充裝需要來回切換充裝排，效率較低。

c. 充裝精度低。 由于市場需要，出現了高質量二元、三元甚至四元切割焊接混合氣產品。 人工控制充氣比例誤差較大，質量難以控制［10］，而且加大了人員的勞動強度和危險性。

2 氣體自動充裝系統

2.1 系統構成與操作

新型氣體自動充裝系統包括低溫儲罐、低溫泵、汽化器、自動充裝系統控制面板和充裝單元（圖1）。 以氧氣充裝為例，低溫儲罐中的液氧在-184℃經低溫泵加壓后， 壓力達到20MPa 左右，經過汽化器液氧汽化成氣態，氣溫不低于-10℃，最終通過自動充裝緩沖控制面板對成組氣瓶進行充裝。 另外，新型氣體自動充裝系統可根據不同工業氣體設計不同的比例進行混合氣充裝。

充裝時操作人員將氣體組分、充裝壓力及充裝步驟等信息上傳到自控系統并顯示在充裝操作屏（FOP）。氣瓶連接好后，在充裝操作屏上選擇所需充裝的模式，系統開始自動啟動充裝。 低溫泵控制柜（PCP） 利用傳感器采集相關的過程參數，啟動、停止低溫泵或調整低溫泵轉速，充裝操作屏能夠開關或調整充裝單元的閥門開度，將需要的氣體按照熱力學計算結果充入氣瓶中。

2.2 系統關鍵部分

2.2.1 充裝架

圖1 新型氣體自動充裝系統簡圖

氣瓶集裝格充裝位配置有可升降的充裝架（圖2），包括升降保護罩和升降匯流排。在充裝過程中，保護罩降落到最低點，此時即使充裝軟管破裂或者充裝接頭脫落，保護罩也可為附近的人員和設備提供安全保護，這是傳統匯流排所不具備的。 連接充裝軟管的匯流排由氣缸驅動可以上下移動， 便于將充裝軟管連接到不同高度的氣瓶，也便于氣瓶進出充裝架。

圖2 充裝架

2.2.2 控制程序

控制程序內設有熱力學計算系統，能夠快速精確地計算各類氣體在不同壓力與溫度下的真實特性。 計算結果可以在充裝過程中，通過溫度對充裝壓力進行自動修正， 保證壓力-溫度法充裝方式的充裝精度。 同時，控制程序結構采用模塊化設計，保證了項目的快速實施。

3 系統特點

3.1 安全性高

新型氣體自動充裝系統的安全性體現在以下4 個方面：

a. 基于工藝的HAZOP 分析， 自動充裝系統PLC 配置多重安全聯鎖緊急停機控制回路。 當充裝氣瓶端壓力過高時，壓力傳感器反饋給PCP 聯鎖停止低溫泵，保證氧氣等氣體不會過快充裝或出現局部流速過快的現象，避免系統出現燃燒或者爆炸的可能；當泵后溫度低于-10℃時，溫度傳感器反饋給PCP 聯鎖停止低溫泵，避免溫度過低導致液體充裝至氣瓶中；同時可對氣體充裝時的升壓速度和升溫速度進行控制和聯鎖，確保充裝速度可控；當泵后介質在預設定的時間內未升壓未降溫時，PCP 可聯鎖停泵。

b. 系統自動識別氣瓶信息，可有效防止對介質不符的氣瓶和過期氣瓶進行充裝。 同時在充裝前自動抽真空，可以保證氧化性氣體和可燃性氣體充裝時的安全性。 根據國家標準，抽真空的應用可以替代防爆隔墻［9］，極大地節省了車間的空間和成本。

c. 在充裝過程中，保護罩強制隔離充裝人員和氣瓶，可以保護操作人員的人身安全；操作盤可視化狀態指示可以保證人員在較遠的安全位置即可獲取設備運行狀態和信息。

d. 人為失誤也是充裝過程中造成事故多的原因之一。 為此在充裝過程中，使用自動化控制系統全面接管人對設備的操作，避免人為失誤帶來的安全風險。

3.2 充裝效率高

由于可以預設不同配方，系統可以自動進行計算，減去了傳統混合氣切換充裝時繁瑣的操作過程，極大地提高了工作效率。 系統自動操作閥門和設備無需人工介入，比傳統人工方式提高充裝效率50%以上。 同時，自動充裝系統使用散裝格和集裝格的充裝，使用叉車或行車搬運，降低了人力搬運的安全風險。 由于自動充裝系統的使用，促進了使用直立運輸進行氣瓶配送，進而提高了氣瓶運輸的安全性。

3.3 充裝精度高

壓縮系數隨充裝壓力和溫度動態變化，因此在手動充裝模式下很難人工計算出準確的充裝壓力，并進行精確控制。 因此充裝產品會出現壓力不準確、 混合氣精度達不到客戶要求的情況。自動充裝系統擺脫了粗放的生產模式，可以通過自動計算快速精確地描述各種氣體在不同壓力與溫度下的真實特性， 通過控制閥門精確充裝，從而得到高質量的氣體， 滿足新時代微電子、機械等不同行業的尖端要求。

3.4 設備可靠性高

自動充裝系統內部設有緩沖罐，避免泵反復受壓力沖擊，可延長泵的使用壽命。 氧氣系統在氧氣接觸面均采用銅材料，確保氧氣安全；設計可燃氣充裝工藝時，所有儀表和控制器均嚴格遵守防爆規范設計，在保證設備可靠性的同時滿足了相關國家規范的要求［8，9］。

4 結束語

新型氣體自動充裝系統的聯鎖控制提升了系統的安全性，自動化的充裝方式也對整個工藝有著革命性的改進。 目前，該技術已在山東青島某氣體生產企業成功應用，屬山東首例，建議今后在全國范圍內推廣應用。 對于我國工業氣體充裝乃至整個化工行業主體企業來說，仍需要繼續努力，引進和自主研發新的裝備，不斷提高中國先進制造的權重。