浅析中科院南京分院麒麟科技创新园南京土壤研究所实验室集中供气的应用

田恒星

摘要 本文通过对中科院南京分院麒麟科技创新园南京土壤研究所实验室集中供气实例的分析，阐释了集中供气的优势，论述了南京土壤所集中供气系统的设计思路及系统组成。

关键词 中国科学院南京土壤所 实验室 集中供气

Centralized Air Supply System in the Laboratory of Institute of Soil Science (Chinese Academy of Sciences)

Abstract This paper analyzed the centralized air supply system in the laboratory of institute of soil science (Chinese Academy of Sciences). The advantages of centralized air supply system, as well as the design idea details and compositions of the system were discussed.

Key words Institute of Soil Science laboratory centralized air supply

1. 引言

研究表明，能够引发实验室安全事故的因素主要包括有毒有害物质的泄露、失火、爆炸、药剂中毒、生物安全危害等，而这些因素中绝大部分都和实验室各类气体的不当使用有关^【1】。为了规避这些事故的发生，目前实验室主流的供气方式均为集中式供气。本文就针对中科院南京分院麒麟科技创新园南京土壤研究所实验室集中供气系统的设计和应用进行讨论和分析。

2. 采用集中供气的优势

本文将从以下几个方面讨论集中供气的优点：

1. 安全性

1.1、减少气瓶倾倒隐患

研究表明，大概4%的气体类事故是由于气瓶倾倒造成的^【1】。采用集中供气减少了使用单独气瓶的几率，而且气瓶都固定于特制的气瓶架上，彻底消除了因气瓶倾倒而带来的危险。

1.2、降低系统压力

气瓶的充气压力一般是不小于12MPa/cm²，通过集中供气，输气管道内的气压可以降低到0.5MPa/cm²，从而能够大幅度提升使用气体的安全性。^【2】

此外，制造压缩空气的压缩机在启动时有可能会产生电火花，直接放置在室内会对实验环境造成危险。但统一放置在气瓶间后，就可以消除该隐患，而且也可以隔绝压缩机的噪音，改善实验场所的舒适度。

1.3、稳压效果好

常规钢瓶载气压力范围是3-15MPa/cm³，而要维持仪器正常工作的气体压力范围一般在0.3~0.8MPa。如果只采用一级减压，稳压的效果比较差，压力波动值大，并给测量带来无法消除的误差^【2】。而集中供气可以利用多级减压获得更好的稳压效果。从气源处出来的气体经过一、二级减压，在进入仪器前将气体压力控制在工作范围内，保证实验测量结果

2、稳定性

2.1、气体纯度保持稳定

空气和水份等杂质经常会在充气过程中混入钢瓶，降低气体的纯度。而采用集中供气，在储罐的出口会安装单向阀，通过调节单向阀的开启方向可以有效避免杂质进入气体；此外，气体管道的末端也会加装球阀，通过开启球阀泄压从而把空气和水份排出，保证纯度。

2.2、有效保证供气的持续性和及时性

实验室用气量小的时候，一般使用单回路减压的形式，而用气量比较大的时候通常选用并联双回路的减压模式，以确保气体的持续供应。^【2】

同时，集中供气的供气源均为一用一备，采用全自动切换系统对气体的压力、流量等进行实时调节，以保证气体的持续性、及时性和稳定性。^【2】

3、经济性

通过集中购买和供应，气瓶数量可以降低到分散供气所需数量的36%^【2】，降低了采购成本和更换气瓶所需的劳动成本，也更利于用气系统的管理、维修和保养。

3. 南京土壤研究所集中供气系统设计方案

1、设计方案概述

南京土壤研究所（以下均简称为土研所）位于中科院南京分院麒麟科技创新园，土研所涉及的科研实验主要包括样品处理、溶液配制、仪器分析等过程。

土研所集中供气系统主要包括气瓶间供气系统、供气管道系统及用气房间，实验室用气由位于气瓶间的气源区，通过管道引入各楼层实验区。

主要设计到的实验室用气包括氩气（Ar）、氦气（He）、高纯氮气（PN2）、普通氮气（GN2）、二氧化碳（CO2）、钢瓶空气（Air）、压缩空气（CA）、液氩气（LAr）、二氧化硫（SO2）、氨气氦气混合气（NH3/He）、氢气氦气混合器（H2/He）、甲烷-01（CH4-01）、甲烷-02（CH4-02）、一氧化碳（CO）、丙烷（C3H8）、氧气（O2）、笑气（N2O）。其中液氩气（Lar）系统采用杜瓦罐，杜瓦罐设置在液氮储存室，接杜瓦罐气相出口供气，流体介质为气态氩；压缩空气（CA）系统采用空压机供气，空压机组放置在空压机房。

本项目涉及到甲类及乙类气体，为了保障实验室安全及不影响建筑的火灾危险性分类，必须限制甲类和乙类气体的最大使用储量（使用量）。根据《科研建筑设计标准》（JGJ91-2019）中的条款，易燃气体的最大使用储量不得超过2.2m³。

2、气体管路和附件

气体管路和附件的材质应该满足以下要求：^【3】

1. 没有气体渗透性和吸附性，对所输送的气体呈现化学惰性；

2. 具有良好的耐腐蚀性；

3. 能够快速使输送的气体达到平衡。

本项目的气体管道和附件均采用316L不锈钢；球阀配置在一级减压装置之后，耐压1000psi；隔膜阀的高压端满足最大进气压力300bar，低压端满足最大进气压力40bar；单向阀耐压300bar，开启压力1psig。

3、二级减压系统

一级减压装置主要包括半自动切换器、手动切换器、一级减压阀、单侧式压力面板。从储气罐出来的气体首先经过一级减压阀，将干路压力控制在0.8-1MPa左右，然后再进行二级减压，继续将压力调整到仪器设备所需的工作范围之内。

4、气体探测和监控系统

根据规范，本项目的气体探测和监控系统设计如下：^{【4】【5】}

（1）氧气浓度检测探头安装在惰性气体的用气点以及气瓶间的位置，探头需要覆盖一定面积的有效水平平面，半径一般在7.5m左右；

（2）当氧气浓度低于19.5%VOL或者高于23.5%VOL时探头报警；

（3）将可燃性气体爆炸浓度下限值的25%和50%分别设定为一级、二级报警值，超过这两个值立即报警；

（4）空气中有毒有害物质最高允许浓度值的50%和100%分别设定为一级、二级报警值，超过这个值立即报警。

5、气压试验和泄露性试验

在安装完成及正式使用之前，应该进行气压试验和泄露性试验。^【6】

正式的气压试验一般采用高纯氮气作为试验介质。试验开始后，首先对管道进行吹扫。吹扫结束后，向管道内通入高纯氮气并维持管道试验压力约30分钟，该试验压力是管道设计压力的1.15倍。此外，为了保证试验安全，管道上也需要安装泄压装置，泄压装置的设计压力不大于试验压力的1.1倍。

在气压试验中，应当缓慢逐步地升高管道压力，当压力升高至试验压力的一半时，检查管道是否有泄露或其他异常情况。如有，立即停止试验；如没有，则继续升压，每次升压的幅度是试验压力的10%。每次升压后都保持压力稳定至少3分钟，直至最终达到预设的试验压力；保持30分钟后，以发泡剂检验是否有泄露，无泄漏的判定为合格。

气压试验完成后才能进行泄露性试验，试验介质同样是干燥洁净的氮气。泄露性试验中，当管道内的压力达到预设值并保持10分钟后，对于所有的密封点采用发泡剂检查，肉眼观察是否有泄露或其他异常情况发生，如果没有即判定为合格。

4. 结语

本文结合中科院南京土壤所的案例，分析了集中供气系统的优势以及具体的实施方案，充分证明通过采用合格的设备，辅以规范严格的管理，集中供气是实现实验室用气安全最有效的措施。

参考文献

【1】高玉坤，王树祎，张延凯，等. 高校实验室气瓶事故统计分析【J】. 教育教学论坛，2017（16）：269-270.

【2】杨锐明、禚玉群。集中供气系统在提升高校理工类实验室本质安全中的应用 【J】.工业安全与环保， 2019,45（8）：66-69.

【3】电子工业部. 洁净厂房设计规范：GB 50073-2013[S]. 北京：中国计划出版社，2013:29.

【4】《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》 GB50493-2019

【5】《特种气体系统工程技术规范》 GB50646-2011

【6】《工业金属管道工程施工规范》GB50235-2010