高校實驗室氣瓶柜系統(tǒng)的多元化探究

陶亞輝 馮玉如

(太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

近年來，各科研、研發(fā)單位頻繁發(fā)生實驗室安全事故引起社會廣泛關(guān)注，其中由于氣瓶管理、使用不當(dāng)導(dǎo)致的氣體泄露、爆炸等危險事故因其危險輻射面寬泛，更嚴(yán)重威脅著人身、公共財產(chǎn)安全。2009年4月蘭州大學(xué)化學(xué)實驗室，學(xué)生實驗完后未將氨氣瓶閥門擰緊，發(fā)生氨氣泄漏，氨氣為劇毒氣體，所幸發(fā)現(xiàn)及時，事故得到處理[1]；2015年4月中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院一實驗室發(fā)生甲烷混合氣體爆炸事故[2]；2015年12月清華大學(xué)化學(xué)系何添樓實驗室，氫氣泄漏后未能及時發(fā)現(xiàn)仍在進行高溫實驗引發(fā)氫氣爆炸，一名博士后當(dāng)場死亡[3]。類似令人痛心卻無法挽回的案例并非鮮少，氣瓶的規(guī)范使用及監(jiān)督管理刻不容緩，很多高校及企業(yè)開始建立全面、系統(tǒng)的氣瓶管理使用系統(tǒng)。如中國礦業(yè)大學(xué)為各用氣二級校區(qū)建設(shè)了集中供氣系統(tǒng)，分別在集中管理、供氣管路、終端控制、泄漏報警等各區(qū)域、各系統(tǒng)嚴(yán)密防控，效果甚好[4]；廣東電網(wǎng)下屬實驗室在傳統(tǒng)氣瓶柜基礎(chǔ)上改進設(shè)計了專用氣路系統(tǒng)，通過針對性使用不銹鋼專用氣路管道、減壓閥、安全閥、膨脹彎等調(diào)壓、減壓裝置，更大限度發(fā)揮氣路系統(tǒng)的效用；山西省呂梁市也在積極開展關(guān)于氣瓶數(shù)字化管理的探索和實踐，氣瓶安全條碼識別管理系統(tǒng)的應(yīng)用，切實加大了氣瓶安全的監(jiān)管力度[5]。

完善的供氣系統(tǒng)為實驗人員人身安全、國家公共財產(chǎn)均提供了強有力的保障，但目前市面上的氣體監(jiān)督報警系統(tǒng)普遍價格昂貴，除大型企業(yè)及部分重點院校經(jīng)費充足，多數(shù)普通院校無力承擔(dān)高額的氣瓶房建設(shè)費用。但高校的發(fā)展離不開科研建設(shè)，越低層次的普通院校越需通過提升科研水平來夯實教育資本。基于此，校區(qū)師生自主設(shè)計了成本低廉、高效便捷的氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)，既解決了受限于經(jīng)費支出的問題，又保障了校區(qū)用氣安全。本文結(jié)合校區(qū)氣瓶存儲現(xiàn)狀及使用情況，展開敘述。

1 校區(qū)氣瓶存儲及使用現(xiàn)狀

我校區(qū)為“十三五”期間山西省高等教育綜改政策指導(dǎo)下，校地協(xié)力共同打造的應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地，學(xué)科建設(shè)以工科專業(yè)為主，因此校區(qū)配備大量工科專業(yè)實驗室以強化訓(xùn)練學(xué)生實踐操作技能。而各實驗室由于實驗需求均不同程度儲存著一定數(shù)量、種類的氣瓶，校區(qū)建設(shè)之初選擇當(dāng)時市面上在售的雙瓶柜作為氣瓶存儲柜。所選氣瓶柜本身材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，經(jīng)過一系列酸洗、磷化、靜電噴涂等復(fù)雜工序處理，可耐酸堿、抗腐蝕，抗潮又抗熱[6]。其柜體就像一面防火墻，保護內(nèi)置氣瓶的同時避開外部“引火燒身”。

但作為第一代報警氣瓶柜，很多地方不盡完善，例如氣瓶柜柜頂雖預(yù)留有排氣孔，用于整個柜內(nèi)氣氛向外排氣，但僅依靠小小的排氣孔并不能及時將泄漏氣體全部排出；自帶的小排風(fēng)扇也不能自動工作，而且氣瓶柜統(tǒng)一在每間實驗室的準(zhǔn)備室內(nèi)集中管理，排出的氣體亦全部聚集在室內(nèi)；柜頂內(nèi)部配備漏氣自動檢測及報警功能，當(dāng)泄漏氣體超過一定含量，便會引發(fā)報警器鳴叫閃爍，但我校區(qū)目前實驗人員緊缺，一名實驗教師往往同時兼管多個實驗室，難以及時獲悉每間準(zhǔn)備室內(nèi)氣瓶柜的報警情況。

2 氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)目前各實驗室氣瓶實際配備數(shù)量及實驗開展?fàn)顩r，我校自主構(gòu)思設(shè)計在不更換氣瓶柜、不購入智能型監(jiān)管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，最大化合理利用資源，投入最少量資金，對實驗室準(zhǔn)備間內(nèi)氣瓶柜進行了安全設(shè)施大改造。改造包括排氣功能放大、自啟動裝置、遠程報警三部分，如圖1所示。當(dāng)柜內(nèi)氣瓶發(fā)生泄漏時，傳感器檢測到泄漏氣體，此時報警器鳴叫閃爍，氣瓶柜風(fēng)機和排風(fēng)管道內(nèi)軸流風(fēng)機通過自啟裝置開始運行工作，同時將警報信息經(jīng)無線模塊快速傳遞到管理人員辦公室，管理員及時獲取信息并做出相關(guān)預(yù)警處理。氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用，使氣瓶柜在發(fā)生氣體泄露時實現(xiàn)高效自處理，同時提醒管理人員及時到位處理，并規(guī)避了管理人員在不清楚泄漏情況下緊急手動啟動排氣系統(tǒng)造成的人身威脅。

圖1 氣瓶柜監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計示意圖Fig. 1 Design diagram of gas cylinder cabinet monitoring and management system

2.1 排氣功能放大

對排氣管路的改造主要在原有排氣孔的基礎(chǔ)上加裝管路及軸流風(fēng)機，接入室外環(huán)境。具體措施為：將各實驗室準(zhǔn)備間內(nèi)的氣瓶柜分左右兩側(cè)排布或同一側(cè)分布，同側(cè)放置的多個氣柜統(tǒng)一管理構(gòu)成一組氣柜組。各氣柜從排氣孔位置垂直加裝一豎管，豎管上方統(tǒng)一加裝通風(fēng)管道，利用變徑套管互相連接等手段實現(xiàn)各管路接口位置的嚴(yán)格密封。結(jié)合實驗室宏觀環(huán)境條件，從窗戶上端邊角處開孔，將雙層玻璃打開一圓形孔道，通風(fēng)管道與窗戶玻璃處使用玻璃膠密封，管道一直延續(xù)到實驗室外部環(huán)境，并做彎頭向下處理，避免雨水等倒流入通風(fēng)管道內(nèi)。氣體排放的推動力選用PP軸流式風(fēng)機，將其安裝在通風(fēng)管道與室內(nèi)窗戶的中間某處，并用管套將其線路沿途排布，最終接入配電箱位置，設(shè)置開合開關(guān)，從而有效實現(xiàn)泄漏氣體的排放，如圖2所示。

圖2 氣瓶柜組實物圖Fig. 2 Physical diagram of gas cylinder cabinet group

軸流風(fēng)機與氣柜自帶小排風(fēng)扇的組合應(yīng)用，使原有氣瓶柜的排氣功能數(shù)倍放大。當(dāng)氣柜的氣體發(fā)生泄漏時引起報警閃爍時，實驗人員隨繼啟動開關(guān)，氣瓶柜內(nèi)的氣體及時置換，有效降低了氣瓶發(fā)生爆炸的概率。

2.2 自啟模式的設(shè)計

氣瓶柜整合加裝排風(fēng)輔助設(shè)施進行功率放大后，有效實現(xiàn)了柜內(nèi)氣體的快速排放，但不足之處在于該排風(fēng)系統(tǒng)的啟停仍需依靠實驗人員手動啟動通風(fēng)機開關(guān)，而開關(guān)開啟的瞬間有可能因某些客觀因素如電流突然變化、線路接通不暢等，產(chǎn)生微小火花。而多數(shù)實驗室內(nèi)存儲著甲烷、氫氣、一氧化碳等易燃易爆危險氣體，當(dāng)氣體發(fā)生泄漏，微小火花也會直接導(dǎo)致爆炸等危險發(fā)生。

針對此改造短板，進而設(shè)計了一款低成本、高效率的自啟動裝置，與軸流風(fēng)機、自帶小排風(fēng)扇同步聯(lián)用。該裝置由傳感器、PCB主板、繼電器三部分構(gòu)成，電路以引線連通，如圖3。構(gòu)件連接時先將氣柜組各氣柜正負極間串聯(lián)，串聯(lián)端口處接入可調(diào)DC-DC電源模塊，對原電路進行降壓、穩(wěn)壓，輸出端加引腳后直接焊于PCB上，然后與各電子部件全部連通，接回到電箱，形成了一個完整的用電回路。該自啟裝置中傳感器為氣瓶柜自帶，監(jiān)測氣體濃度的同時將泄漏濃度信息輸出給PCB主板。PCB主板則作為各電子元器件的連接載體，用于接收來自傳感器的濃度信息，進行數(shù)據(jù)分析處理，將高危與否的泄露信息進一步輸出傳遞給繼電器。而繼電器的本質(zhì)是用較小電流控制較大電流，在電路中可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等功能，此時繼電器接收到來自PCB主板輸出的高危信息做出反饋，控制軸流風(fēng)機及小排風(fēng)扇開關(guān)是否閉合，從而實現(xiàn)自啟動。

圖3 自啟動裝置用電回路Fig. 3 Electrical circuit of the self-starting device

2.3 遠程報警的設(shè)計

自啟動裝置的設(shè)計改進，有效規(guī)避了實驗室由于某些客觀條件造成的危險隱患，但距離實驗人員較遠距離的氣瓶安全警報仍無法得到實時監(jiān)控。究其原因，各個實驗室內(nèi)的氣瓶柜組報警裝置未組建網(wǎng)絡(luò)，無法構(gòu)建成一個完整的智能監(jiān)測體系。長久以來，實驗教師只能非常被動地來回奔波于各個實驗室、樓層之間，不僅無法及時處理緊急情況，還增加了額外工作量，事倍功半。基于此，氣瓶柜監(jiān)管系統(tǒng)進行了進一步的改進研發(fā)，以遠程無線報警解決遠距離氣瓶的監(jiān)管問題，減少安全隱患的同時為實驗教師節(jié)約寶貴時間。

無線報警裝置的設(shè)計采用了近年來興起的Lora無線擴頻技術(shù)，它是基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強等特點。自主設(shè)計的無線報警裝置如圖4，共分兩個無線串口模塊，一個與氣瓶柜組相連，一個置于辦公室等日常工作場所。當(dāng)氣瓶柜報警瞬間，也就是當(dāng)PCB主板芯片對繼電器輸出信息的同時也給實驗室內(nèi)的無線發(fā)射模塊一個字符串，該模塊接收到來自控制板的信號后，通過天線將其發(fā)送至辦公室的無線接收模塊上，模塊接收到對應(yīng)的泄漏高危信號后，其對應(yīng)的報警器開始工作，管理人員就能立即獲悉是哪個實驗室發(fā)生氣體泄漏，從而有針對性的及時展開事故處理工作。

圖4 無線報警裝置簡圖

3 結(jié)語

實驗室的安全管理離不開氣瓶的管理，而氣瓶存貯又離不開氣瓶柜。為了更好的保障實驗室安全，校區(qū)一直致力于完善氣瓶柜的各項剛性需求，確保操作人員和儀器設(shè)備的安全。在今后的工作中，還將進一步對氣瓶管理中出現(xiàn)的各類問題做出改進，使氣瓶柜系統(tǒng)更大限度的實現(xiàn)其功能，進而營造出更安全、更和諧的實驗場所。