高校实验室安全供气系统设计与探索

柯丁宁，王 凯，高 尚，况 婷，宋琳琳

（1. 哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，广东 深圳 518055；2. 哈尔滨工业大学（深圳） 资产处，广东 深圳 518055；3. 哈尔滨工业大学（深圳） 材料科学与工程学院，广东 深圳 518055）

据统计，2001—2016 年实验室发生的93 例火灾爆炸事故中，21 起安全事故与易燃气体及加压气体的使用有关[1]。2015 年4 月，江苏某大学实验室因甲烷气体泄漏发生爆炸事故，造成1 人死亡、4 人受伤[2]；2015 年12 月，北京某高校化学实验室因使用氢气发生爆炸起火事故，造成一名博士后死亡[3]。实验室气体安全事故的发生，不仅带来了人身伤害与国家财产的巨大损失，还造成了恶劣的社会影响[4]。

除了常见的气体钢瓶外，高校实验室的供气系统还包括气体管道、调压装置与监控等装置[3]。部分高校将气体钢瓶的规范使用与管理作为实验室气体安全的主要工作[2,5-7]，而较少关注实验室供气系统的其他环节[8-9]，缺乏实验室供气系统的统一规划和集中管理。其主要原因是部分老旧实验室或实验楼的供气系统没有更新改造。目前，高校实验室供气系统标准尚未出台，部分新建高校实验室或实验楼供气系统无规划，无监督，无据可依[8]。

2015 年11 月5 日，国务院发布《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，统筹推进世界一流大学和一流学科建设。建设一流的实验室是推进“双一流”建设的客观要求，而实验室供气系统是一流实验室不可或缺的部分。本文以哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践中心为例，针对多学科的本科教学实验室的不同供气需求，系统地介绍我校实验室安全供气系统的设计和应用。

1 实验与创新实践中心的供气需求特点

哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践中心内设13 个基础教育实验教学中心以及16 类专业教育实验教学中心，共计192 间实验室，主要集中在实验楼的1～9 层。实验与创新实践中心各实验室的供气需求见表1，主要有以下3 个特点：

（1）实验与创新实践中心供气需求共7 种，一般气体3 种，易燃与助燃气体4 种，无有毒气体；

（2）3 种一般气体，供气楼层多，分布实验室广；

（3）4 种易燃与助燃气体的用量小，涉及实验室数量少，分散在较高楼层。

表1 实验与创新实践中心的供气需求

2 一般气体的供气系统设计

目前实验室供气的模式主要有两种，一种是传统的独立钢瓶分散供气模式，一种是较为先进的集中供气模式[3,10-11]。分散供气模式是在每台仪器设备附近单独配置钢瓶，分别满足每台仪器设备的使用[10]。集中供气模式将中央储气设备中的气体经切换与调压装置后通过管路系统输送到各个分散的终端供气点[3]，它主要是由气源、切换装置、调压装置、终端供气点、监控及报警装置组成[11]。集中供气模式的主要优势是能做到“人瓶分离”，有效降低气体钢瓶事故发生的几率[3]。实验与创新实践中心需求一般气体的实验室和设备较多，如果采用传统的分散供气方式，实验室将存在大量的气体钢瓶，极大地增加了气体钢瓶事故的风险。因此，实验与创新实践中心的一般气体设计为集中供气模式。

2.1 气源与气源间的设计

集中供气的气源主要有三种不同形式：储槽、杜瓦罐以及气体钢瓶。储槽一般用于供气量大的企业或机构，其压力低，充装气体由专业人员完成，具有非常高的安全性。但储罐前期投入较大，需要较大的室外空间。杜瓦罐储气量较大，压力低，放置位置灵活，其使用范围非常广泛。储槽与杜瓦罐存储是液态气体，存在较高的挥发性，以氮气为例，氮气每天的挥发率约为2.2%，三种气体的不同气源形式的储气量与气体出口压力见表2。考虑到经济环保与更换频次，氮气和氩气的气源设计为1 个杜瓦罐和1 个气体钢瓶的联用。二氧化碳的气源选择2 个气体钢瓶联用。

表2 三种气体的不同气源形式的储气量与气体出口压力

为了避免气源间在实验楼的主入口与消防登高面附近，一般气体的气源间设计在实验楼的次入口侧。气源间采取了遮阳防晒措施，靠近建筑的隔墙应为防爆墙。气源间内设置连续机械通风或自然通风，满足房间最小通风换气次数不低于每小时6 次的要求。气源间室内地面和电气设置防火花、防静电与防爆措施。同时，在气源间内设置氧气浓度报警探头，并在室外安装指示灯。

2.2 气体管道的设计

实验室供气管道体采用光亮退火型的优质无缝不锈钢316 L BA 材质（表面处理Ra＜=0.7 μm）[11]，经过酸洗钝化与高纯氮吹扫后进行全程无缝焊接[3]。所有管道管径的选择均根据供气量及压力配置的情况而定[11]。对需要穿过实验室墙体的管路要设置预埋套管，管道与预埋套管之间填充非燃烧材料，套管内的供气管路不能有焊道[10]。架空管道支架采用不锈钢材料，不与电缆、导电线路与高温管道敷设在同一支架上。气体管道通过管道井进入不同的楼层，在相应的各楼层分别安装气体总阀门。对事故楼层可单独切断气源，而不影响其他楼层的供气使用。管道井内气管为密闭设计，并安装泄漏侦测探头。

2.3 终端供气点的设计

气体管道进入实验室后，气体管道可以沿着实验台上的功能柱或墙面到达实验台上的终端用气点，并安装开关控制阀、调压阀与压力显示器。在使用一般气体的实验室，设置氧气浓度报警探测器，该报警器联动实验室排风，保证使用点供气安全。

3 易燃与助燃气体的供气系统设计

3.1 气源与气瓶安全柜的设计

考虑到4 种易燃与助燃气体的供气量小，选择储罐和杜瓦罐作为气源会因气体挥发造成极大的浪费，故选择气体钢瓶作为其气源。经分析统计，气体钢瓶的主要事故类型有：倾倒、泄漏与爆炸，而爆炸是造成重大伤亡的类型[12]。通过集中供气模式，可以降低气瓶安全事故的发生几率[13-14]。针对实验与创新实践中心对易燃与助燃气用量少且使用点分散，采用集中供气模式会不可避免地使用较长的气体管路，长距离输送易燃与助燃气体会增加气体管路、阀件和仪表等泄漏的潜在风险[11]。根据这一特点，我们采用全自动特殊气体安全柜作为气源的配套设备以减少分散供气中气体钢瓶的安全风险，同时保证易燃与助燃气体的管路尽量短[11]。

全自动特殊气体安全柜通过配备可调节的气体钢瓶移动搁板与钢瓶固定架和钢瓶链条皮带来降低气体钢瓶倾倒的潜在风险。气体安全柜使用时柜内一直保持负压，气体不会向安全柜外溢。在全自动特殊气体安全柜内有气体浓度探测器，一旦气体钢瓶发生泄漏，气体安全柜立即发出报警信号[7]，并紧急切断气动阀切断气源，启动安全柜中的排风系统，将泄漏的气体强制排出实验室。全自动特殊气体安全柜如图1 所示。

图1 全自动特殊气体安全柜示意图

按照气体钢瓶爆炸的机理，爆炸可分为三类：物理爆炸，化学爆炸以及混合爆炸[15]。全自动特殊气体安全柜内装有温度与紫外线探头，能有效避免气体钢瓶长时间热源或紫外线照射引起的物理爆炸[16]。化学爆炸主要是由于易燃易爆气体遇到明火导致[15]。安全柜配置冷轧碳钢2.5 mm 厚的外壳与防爆玻璃视窗，可降低气体钢瓶与明火的接触可能。烟雾探测器帮助气体钢瓶识别实验室的环境，一旦实验室出现燃烧等危险时，气体安全柜立即发出报警信号，紧急切断气动阀并同时切断气源，极大降低因其他设备发生火灾导致气体钢瓶的混合爆炸的可能性。全自动特殊气体安全柜能够有效降低气体钢瓶事故发生几率，同时还能将气体使用过程信息与远程气体监控软件相连，实时收集气体输送过程中各类监测数据。

3.2 气体报警器设计

对于使用易燃助燃气体的实验室，安装易燃助燃气体浓度报警器尤为重要[17]。由于各种气体的特性不同，易燃助燃气体报警器的设计原理也有差异[18]。气体侦测器一般安装在供气设备上或其附近，这样可加快采样的速率并减少采样泵的寿命损耗。每种气体相对于空气的密度有大有小，安装位置也有所差别[18]。对于防爆区域的气体报警器需要配置防爆箱体，达到防爆的要求。

4 远程气体监控管理软件

高校实验室使供气体种类较多，涉及实验室供气环境复杂，如何管理实验室供气系统，保障实验室供气系统安全，一直是实验室管理人员关注的问题[3]。远程气体监控管理软件能够及时识别与反馈供气系统中的异常情况，还能实现供气系统的智能管理，大大提高实验室供气系统的管理效率。远程气体监控管理系统通过各传感器收集实验室供气系统中的气体压力、流量以及泄漏率等数据并传输到中央处理器，处理器将这些数据通过内部软件进行数据分析，确认各气体的运行状态，并分别在显示器上显示[19]。当供气系统出现异常时，发出声光报警信号，并执行相应的保护措施[19]。远程气体监控系统见图2。

远程气体监控系统对实验室供气系统有3 个主要作用：（1）警报作用。一旦发生泄漏，立即将泄漏信号传输到中央处理器，通过语音广播系统和火灾报警系统等通知实验室气体使用人员与实验室管理人员。（2）气源紧急切断。远程气体监控系统设有紧急切断按钮，主要用于远程关闭现场供气设备的气动阀门。当泄漏达到一定量时，中控室人员可对供气设备进行远程手动关闭操作，及时关闭供气设备的气动阀门。（3）紧急排风。远程气体监控系统与实验室的紧急排风机相连。当泄漏达到一定量时，系统启动泄漏区域的排风机组，进行该实验室区域排风，避免泄漏气体的浓度增加到其爆炸极限。除此之外，远程气体监控系统能够对气体钢瓶中的气体进行实时远程监控，判断气体使用状态，并可以对气体钢瓶进行及时调度与配送。

图2 远程气体监控系统示意图

5 结语

实验室供气系统是实验室设备的重要组成部分。本文以建设实验与创新实践中心实验室的供气系统为例，从实验室供气需求出发，围绕着一般气体与易燃助燃气体的不同供气模式进行探讨，介绍了集中供气与分散供气模式的硬件设施，在诸多设计细节方面具有一定的借鉴意义。将实验室供气设施的硬件与远程气体监控软件相结合，不但能够保障实验室供气系统安全，还能提高实验室供气系统的管理效率。