京南華建實驗室集中供氣系統(tǒng)設(shè)計原理
實驗室集中供氣系統(tǒng)由于操作簡單、氣流穩(wěn)定、使用安全、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，已作為當(dāng)前廣泛使用的現(xiàn)代供氣方式。其系統(tǒng)主要由氣源切換、供氣管道、調(diào)壓裝置、用氣點(diǎn)、監(jiān)控及報警等系統(tǒng)組成。實驗室集中供氣系統(tǒng)涉及到管道如何布置、材料質(zhì)量及規(guī)格如何選用、各階段安裝步驟和要求、工程驗收等方面工作，一個好的實驗室集中供氣系統(tǒng)的設(shè)計需要統(tǒng)一考慮氣體使用的安全性、便利性、以及管理和維護(hù)等問題，同時要考慮到實驗室今后發(fā)展的需要，對于特殊氣體還要考慮特殊的技術(shù)解決方案。因此，在實驗室集中供氣的設(shè)計時需要統(tǒng)籌規(guī)劃，結(jié)合用戶的實際情況，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。
1 集中供氣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
實驗室一些儀器或設(shè)備的工作都需要各種各樣的氣體供應(yīng)，通常使用氣體的種類有高純氧氣、氮?dú)? 氬氣、氫氣、氦氣; 甲烷、乙炔、二氧化碳、，還有混合氣體等甚至還有些設(shè)備還會用到有毒有害氣體。有些氣體用于儀器設(shè)備的驅(qū)動控制，如壓縮空氣。實驗室供氣的方式有兩種，一種是傳統(tǒng)的獨(dú)立鋼瓶分散供氣模式，這種供氣模式為每臺儀器設(shè)備單獨(dú)配置氣體鋼瓶，分別滿足每臺儀器設(shè)備的使用。另一種模式為集中供氣模式，該方式以儲氣罐、杜瓦瓶、氣體發(fā)生器等作為氣源，配置氣體發(fā)生系統(tǒng)或自動切換或手動切換等系統(tǒng)，實現(xiàn)氣體的不間斷供應(yīng)，通過耐壓不銹鋼管道將氣體輸送到用氣端，每個端口的壓力和流量可以按照儀器的要求進(jìn)行單獨(dú)控制，滿足各種儀器設(shè)備的使用要求。實驗室集中供氣系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面。
( 1) 穩(wěn)壓效果好。集中供氣可采用二級減壓或多級減壓方式獲得較好的穩(wěn)壓效果。例如，系統(tǒng)二級減壓后，加上儀器內(nèi)部的調(diào)壓裝置，可以說是三級穩(wěn)壓，氣源在一級減壓后，主管路上保持較高壓力，便于遠(yuǎn)距離管道輸送，在儀器前端采用二級低壓減壓閥，將壓力調(diào)整到儀器工作范圍內(nèi)，再進(jìn)入儀器內(nèi)部的壓力調(diào)整后，進(jìn)入儀器的氣體能夠確保達(dá)到儀器使用要求。
( 2) 保證氣體純度。通過大型的儲罐( 液壓) 和輸送管道將載氣輸送給儀器，在儲罐出口安裝有單向閥，可避免更換儲罐時空氣或水分混入，另外，還可在高壓段之后安裝有泄壓開關(guān)球閥，將多余的空氣或水分排放，從而保證氣體的純度。
( 3) 安全性提高。一般瓶裝氣體的充氣壓力大于或等于 14MPa/cm2，集中供氣可根據(jù)需要降低系統(tǒng)壓力，而且遠(yuǎn)離實驗區(qū)域，提高了使用的安全性。另外，集中供氣可將空氣壓縮機(jī)安放在供氣室內(nèi)，減少壓縮機(jī)產(chǎn)生電火花帶來的安全隱患，并可避免噪音對實驗室的干擾。
( 4) 改善工作環(huán)境。實驗室內(nèi)鋼瓶、空壓機(jī)等供氣源的取消減少了占地面積，便于實驗室設(shè)備和設(shè)施的布置，避免了其與實驗室操作人員在一處造成的混亂和不便。
( 5) 降低運(yùn)行成本。集中供氣系統(tǒng)可采用儲氣量較大的液態(tài)儲罐供氣，可大大節(jié)省采購成本，減少更換氣瓶、氣罐的頻次，節(jié)省勞動成本，減輕了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，便于管理、維修和保養(yǎng)。
( 6) 持續(xù)和及時。集中供氣系統(tǒng)采用手動、半自動或全自動切換系統(tǒng)，平時每個供氣源為一開一備狀態(tài)，可根據(jù)儀器工作條件對局部或整體氣體壓力、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，能保證儀器用氣的流量和壓力的穩(wěn)定性、持續(xù)性，也能保證量值傳遞不發(fā)生變化。
( 7) 擴(kuò)展性靈活。集中供氣管道上可預(yù)留接氣點(diǎn)以及能夠擴(kuò)展的點(diǎn)，并安裝控制開關(guān)或堵頭，方便擴(kuò)展。所有用氣的儀器前端均裝控制閥。因此，可以在不影響其他儀器正常工作的情況下，擴(kuò)展新的用氣端點(diǎn)。
2 集中供氣系統(tǒng)設(shè)計
2．1設(shè)計依據(jù)
集中供氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》GB 50316－2000、《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》GB 50235－2010、《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》GB 50236－2010、《氧氣站設(shè)計規(guī)范( 附條文說明) 》GB 50030－2013、《氫氣站設(shè)計規(guī)范( 附條文說明) 》GB 50177－2005、《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》GB 16912－2008、《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》GB 4962－
2008、《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范( 附條文說明) 》GB 50029－2014、《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范( 附條文說明) 》 GB 50073 － 2013、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范( 附條文說明) 》GB 50028－2006、《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》GB
6222－2005 等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程的要求。
2．2氣瓶室
集中供氣系統(tǒng)需要規(guī)劃設(shè)計一個獨(dú)立的氣瓶室，根據(jù)實驗室的布局和用氣情況在實驗室的每層或幾層設(shè)置一個氣瓶室，也可在實驗室外部設(shè)計一個為整個實驗室供氣的氣瓶室，鋼瓶儲存區(qū)應(yīng)合理布置，保持可燃性容器和助燃性容器間的安全間距。氣瓶室墻宜采用實體結(jié)構(gòu)，門應(yīng)設(shè)計為防爆門，安裝防爆燈以及防爆風(fēng)機(jī)，萬一發(fā)生事故可減少實驗室區(qū)域的破壞性。存放鋼瓶屋內(nèi)不宜吊頂。氣瓶室內(nèi)還應(yīng)設(shè)有氣體泄漏、低壓換氣報警設(shè)施，及排風(fēng)裝置，同時設(shè)計時還應(yīng)考慮防雷、防靜電、空調(diào)設(shè)備等設(shè)施。為了保證氣體純度和壓力的穩(wěn)定性，需采用多級減壓方式供氣，宜設(shè)置氣路吹掃、排空、雜質(zhì)過濾、水分和油汽凈化等裝置，有條件的可采用雙氣源自動切換模式供氣。
2．3管線設(shè)計
( 1) 按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計的通用實驗室，各種氣體管道也應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計。
( 2) 根據(jù)實驗室用氣量，計算供氣壓力、流量和管 道 內(nèi) 徑，所 有 氣 體 主 管 道 原 則 上 不 低 于9. 52mm (  in，儀器空氣管道直徑為 12．7mm) 。管道末端，原則上不低于 6．35mm(  in，也可根據(jù)實際使用量而定) 。
( 3) 氫氣、氧氣和乙炔甲烷等管道以及引入實驗室的各種氣體管道支管明敷。在管道井、管道技術(shù)層內(nèi)敷設(shè)有可然氣體氫氣、氧氣和乙炔甲烷等管路時，應(yīng)有通風(fēng)裝置保證有每小時( 1～3) 次的換氣次數(shù)150。
( 4) 需穿過實驗室墻體或樓板的部位應(yīng)設(shè)有預(yù)埋套管，管路經(jīng)套管穿過，套管內(nèi)的管段不應(yīng)有焊接。管道與套管之間應(yīng)采用非燃燒材料封堵嚴(yán)密。
( 5) 氫氣、氧氣管道的末端和zui高點(diǎn)宜設(shè)放空管。放空管應(yīng)高出層頂 2m 以上，并應(yīng)設(shè)置在防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)。氫氣管道上還應(yīng)設(shè)取樣口和吹掃口。放空管、取樣口和吹掃口的位置應(yīng)能滿足管道內(nèi)氣體吹掃置換的要求。
( 6) 氫氣、氧氣管道應(yīng)有導(dǎo)除靜電的接地裝置。有接地要求的其它管道，其接地和跨接方法應(yīng)按現(xiàn)行有效的國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
( 7) 管道的敷設(shè)應(yīng)按照以下的幾個方面考慮:
① 干燥氣體的管道宜水平布置，如氣體中含較高水分，其管道應(yīng)有≤0．3%坡度，坡度向冷凝液體收集器方向。
② 其它氣體管道與氧氣管道需同架安裝時，其管道間距離≤0．25m。氧氣管道應(yīng)在其它管道之上，但氫氣管道除外。
③ 平行安裝氫氣管道與可燃?xì)怏w管道時，其管道間距不應(yīng)≤0．50m，管道交匯時，其間距不應(yīng)≤0. 25m; 分層敷設(shè)時，氫氣管道應(yīng)在上方。
④ 每隔 1．5m 左右，氣體管路需有支架固定。另外，可根據(jù)氣體管路彎曲的直徑，設(shè)置合適的支架位置
⑤ 室內(nèi)敷設(shè)氫氣管道時不能直接埋地里或布置在地溝內(nèi)，避免直接穿過不使用氫氣的房間。
⑥ 鋼瓶接頭到調(diào)節(jié)閥之間應(yīng)設(shè)有耐高壓金屬軟管，管道與閥件的連接應(yīng)設(shè)有高壓雙卡套接頭，以方便部件的維修和更換。
2．4材料選擇
供氣系統(tǒng)材料選擇的基本原則是: 一是不宜用非金屬材料，二是材料不吸附氣體、不產(chǎn)生氣體，三是不產(chǎn)生粒子。一般氣體管道宜采用無縫鋼管，當(dāng)輸送氣體的純度≥99．99%時，管道宜采用不銹鋼管、銅管或無縫鋼管; 管道與設(shè)備的連接段宜采用金屬管道，如選用非金屬軟管，宜采用聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管等工程塑料管，不應(yīng)采用乳膠管;氫氣和氧氣管道使用的部件、儀表應(yīng)是該介質(zhì)的產(chǎn)品，不得使用替代品。其它部件的選擇應(yīng)給出設(shè)計建議，如輸送閥門和氧接觸部分應(yīng)采用非燃燒材料，其密封圈應(yīng)使用有色金屬、不銹鋼、鎳基合金等材料; 管道接口法蘭墊片的應(yīng)根據(jù)管內(nèi)輸送的氣體確定; 管道固定件( 管夾) 應(yīng)采用耐高溫的金屬材料，且堅固、輕巧、耐用。
2．5管道連接
供氣系統(tǒng)的連接應(yīng)符合 GB 50236－2011《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的要求［11］。管道的連接應(yīng)采用法蘭連接或焊接等方法，氫氣管道不應(yīng)使用絲扣連接; 高純氣體管道應(yīng)采用承插焊接; 氣體管道與設(shè)備、閥門與管道或管件的連接應(yīng)采用絲扣或法蘭連接; 絲扣接頭中的填料應(yīng)采用聚四氟乙烯膜、一氧化鉛、甘油調(diào)合填料; 對于高純氣體管道與閥件的連接應(yīng)采用高壓雙卡套接頭連接。
2．6安全技術(shù)要求
氣體管道設(shè)計的安全技術(shù)應(yīng)符合相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和下述要求［12］:
( 1) 在同一槽架內(nèi)不應(yīng)同時敷設(shè)氣體管道和導(dǎo)電線路及電纜。
( 2) 所有減壓閥需設(shè)有排氣管路到氣體存放區(qū)外。易燃?xì)怏w、氧化氣體排氣管路不能并在一起。
( 3) 管道系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有調(diào)壓裝置，其組成包括各種閥門( 調(diào)節(jié)閥、截止閥、球閥等) ，實現(xiàn)氣體的開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)等作用。設(shè)單獨(dú)的閥門( 球閥或針閥) 控制工作臺上氣體出口。
( 4) 各種氣體管道應(yīng)有明顯的指示標(biāo)志。安全減壓閥的標(biāo)識需標(biāo)明壓力釋放級別。
( 5) 使用氫氣及可燃?xì)怏w的實驗室應(yīng)設(shè)置報警裝置，放空管路上安裝氣體回火防止器。
( 6) 存放氫氣鋼瓶的區(qū)域應(yīng)有每小時不小于三次換氣的措施。
( 7) 瓶閥、接管螺絲和減壓閥等附件無泄漏、滑絲、松動等危險情況，各種氣壓表一般不得混用。
3 用氣安全性
實驗室集中供氣系統(tǒng)比單獨(dú)鋼瓶供氣模式有著較多的優(yōu)勢，越來越多的實驗室建設(shè)者、工作者、管理者對實驗室集中供氣系統(tǒng)的使用已形成共識，采用集中供氣作為實驗室供氣模式的主流設(shè)計方案得到廣泛認(rèn)可。實驗室集中供氣的設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求，保證實驗室供氣的穩(wěn)定性、持續(xù)性和安全性。
3．1安全環(huán)保工作信息化
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息化在實驗中心安全環(huán)保領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。首先購置智能化門禁系統(tǒng)和中央集成的監(jiān)控系統(tǒng)，對實驗中心安全環(huán)保實行全過程監(jiān)控管理; 其次以生物學(xué)國ji級虛擬仿真實驗教學(xué)中心為依托，大力加強(qiáng)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)，以虛擬實驗代替涉及高?；颦h(huán)境、高成本、高消耗的實驗項目［9－12］，既體現(xiàn)了安全環(huán)保的綠色理念，又提高了安全環(huán)保的信息化水平。
4 生物學(xué)實驗中心安全環(huán)保工作成效目前，中心安全環(huán)保工作取得了明顯成效，健全了實驗室安全環(huán)保管理體系，建立了實驗室安全環(huán)保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善了安全環(huán)保設(shè)施，形成了信息化管理新模式，提高了安全環(huán)保工作的效率和效果。學(xué)生在實驗過程中哪些物品有毒或有危險性，如何避免傷害，大型儀器怎樣使用等都胸中有數(shù)。學(xué)生安全意識明顯提高，實驗操作規(guī)范，儀器設(shè)備的損壞明顯減少，實驗教學(xué)及實驗教學(xué)改革推進(jìn)。近幾年來，中心沒有發(fā)生任何大的安全環(huán)保責(zé)任事故，保障了實驗室財產(chǎn)安全和師生的人身安全，保證了中心正常的教學(xué)和科研秩序。
京南華建實驗室集中供氣系統(tǒng)設(shè)計原理