实验室集中供气系统设计探讨

摘要:完善的实验室供气系统是实验室仪器设备正常工作的基础，对实验室集中供气的优点进行了分析和优化。实验室供气系统的设计涉及到诸多因素，从气瓶室、管道铺设、材料选择、管道连接、安全技术要求等多方面考虑，设计的目的性要强，安全应放在位，并按照实验室的用气种类进行统筹规划。对实验室集中供气系统设计进行了探讨，为实验室规划设计提供参考。

实验室集中供气系统由于操作简单、气流稳定、使用安全、运行成本低等特点，已作为当前广泛使用的现代供气方式。其系统主要由气源切换、供气管道、调压装置、用气点、监控及报警等系统组成。实验室集中供气系统涉及到管道如何布置、材料质量及规格如何选用、各阶段安装步骤和要求、工程验收等方面工作，一个好的实验室集中供气系统的设计需要统一考虑气体使用的安全性、便利性、以及管理和维护等问题，同时要考虑到实验室今后发展的需要，对于特殊气体还要考虑特殊的技术解决方案。因此，在实验室集中供气的设计时需要统筹规划，结合用户的实际情况，按照相关标准和规范进行设计。

1 集中供气系统优点

实验室一些仪器或设备的工作都需要各种各样的气体供应，通常使用气体的种类有高纯氧气、氮气; 氩气、氢气、氦气; 甲烷、乙炔、二氧化碳、，还有混合气体等甚至还有些设备还会用到有毒有害气体。有些气体用于仪器设备的驱动控制，如压缩空气。实验室供气的方式有两种，一种是传统的独立钢瓶分散供气模式，这种供气模式为每台仪器设备单独配置气体钢瓶，分别满足每台仪器设备的使用。另一种模式为集中供气模式，该方式以储气罐、杜瓦瓶、气体发生器等作为气源，配置气体发生系统或自动切换或手动切换等系统，实现气体的不间断供应，通过耐压不锈钢管道将气体输送到用气端，每个端口的压力和流量可以按照仪器的要求进行单独控制，满足各种仪器设备的使用要求。实验室集中供气系统的主要优点表现在以下几个方面。

( 1) 稳压效果好。集中供气可采用二级减压或多级减压方式获得较好的稳压效果。例如，系统二级减压后，加上仪器内部的调压装置，可以说是三级稳压，气源在一级减压后，主管路上保持较高压力，便于远距离管道输送，在仪器前端采用二级低压减压阀，将压力调整到仪器工作范围内，再进入仪器内部的压力调整后，进入仪器的气体能够确保达到仪器使用要求。

( 2) 保证气体纯度。通过大型的储罐( 液压) 和输送管道将载气输送给仪器，在储罐出口安装有单向阀，可避免更换储罐时空气或水分混入，另外，还可在高压段之后安装有泄压开关球阀，将多余的空气或水分排放，从而保证气体的纯度。

( 3) 安全性提高。一般瓶装气体的充气压力大于或等于 14MPa/cm²，集中供气可根据需要降低系统压力，而且远离实验区域，提高了使用的安全性。另外，集中供气可将空气压缩机安放在供气室内，减少压缩机产生电火花带来的安全隐患，并可避免噪音对实验室的干扰。

( 4) 改善工作环境。实验室内钢瓶、空压机等供气源的取消减少了占地面积，便于实验室设备和设施的布置，避免了其与实验室操作人员在一处造成的混乱和不便。

( 5) 降低运行成本。集中供气系统可采用储气量较大的液态储罐供气，可大大节省采购成本，减少更换气瓶、气罐的频次，节省劳动成本，减轻了维护人员的劳动强度，便于管理、维修和保养。

( 6) 持续和及时。集中供气系统采用手动、半自动或全自动切换系统，平时每个供气源为一开一备状态，可根据仪器工作条件对局部或整体气体压力、流量进行调节，能保证仪器用气的流量和压力的稳定性、持续性，也能保证量值传递不发生变化。

( 7) 扩展性灵活。集中供气管道上可预留接气点以及能够扩展的点，并安装控制开关或堵头，方便扩展。所有用气的仪器前端均装控制阀。因此，可以在不影响其他仪器正常工作的情况下，扩展新的用气端点。

2 集中供气系统设计

2．1设计依据

集中供气系统的设计应符合《工业金属管道设计规范》GB 50316－2000、《工业金属管道工程施工及验收规范》GB 50235－2010、《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB 50236－2010、《氧气站设计规范( 附条文说明) 》GB 50030－2013、《氢气站设计规范( 附条文说明) 》GB 50177－2005、《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》GB 16912－2008、《氢气使用安全技术规程》GB 4962－

2008、《压缩空气站设计规范( 附条文说明) 》GB 50029－2014、《洁净厂房设计规范( 附条文说明) 》 GB 50073 － 2013、《城镇燃气设计规范( 附条文说明) 》GB 50028－2006、《工业企业煤气安全规程》GB

6222－2005 等标准及规程的要求。

2．2气瓶室

集中供气系统需要规划设计一个独立的气瓶室，根据实验室的布局和用气情况在实验室的每层或几层设置一个气瓶室，也可在实验室外部设计一个为整个实验室供气的气瓶室，钢瓶储存区应合理布置，保持可燃性容器和助燃性容器间的安全间距。气瓶室墙宜采用实体结构，门应设计为防爆门，安装防爆灯以及防爆风机，万一发生事故可减少实验室区域的破坏性。存放钢瓶屋内不宜吊顶。气瓶室内还应设有气体泄漏、低压换气报警设施，及排风装置，同时设计时还应考虑防雷、防静电、空调设备等设施。为了保证气体纯度和压力的稳定性，需采用多级减压方式供气，宜设置气路吹扫、排空、杂质过滤、水分和油汽净化等装置，有条件的可采用双气源自动切换模式供气。

2．3管线设计

( 1) 按标准单元组合设计的通用实验室，各种气体管道也应按标准单元组合设计。

( 2) 根据实验室用气量，计算供气压力、流量和管 道 内 径，所 有 气 体 主 管 道 原 则 上 不 低 于9. 52mm (  in，仪器空气管道直径为 12．7mm) 。管道末端，原则上不低于 6．35mm(  in，也可根据实际使用量而定) 。

( 3) 氢气、氧气和乙炔甲烷等管道以及引入实验室的各种气体管道支管明敷。在管道井、管道技术层内敷设有可然气体氢气、氧气和乙炔甲烷等管路时，应有通风装置保证有每小时( 1～3) 次的换气次数150。

( 4) 需穿过实验室墙体或楼板的部位应设有预埋套管，管路经套管穿过，套管内的管段不应有焊接。管道与套管之间应采用非燃烧材料封堵严密。

( 5) 氢气、氧气管道的末端和高点宜设放空管。放空管应高出层顶 2m 以上，并应设置在防雷保护区内。氢气管道上还应设取样口和吹扫口。放空管、取样口和吹扫口的位置应能满足管道内气体吹扫置换的要求。

( 6) 氢气、氧气管道应有导除静电的接地装置。有接地要求的其它管道，其接地和跨接方法应按现行有效的标准执行。

( 7) 管道的敷设应按照以下的几个方面考虑:

① 干燥气体的管道宜水平布置，如气体中含较高水分，其管道应有≤0．3%坡度，坡度向冷凝液体收集器方向。

② 其它气体管道与氧气管道需同架安装时，其管道间距离≤0．25m。氧气管道应在其它管道之上，但氢气管道除外。

③ 平行安装氢气管道与可燃气体管道时，其管道间距不应≤0．50m，管道交汇时，其间距不应≤0. 25m; 分层敷设时，氢气管道应在上方。

④ 每隔 1．5m 左右，气体管路需有支架固定。另外，可根据气体管路弯曲的直径，设置合适的支架位置

⑤ 室内敷设氢气管道时不能直接埋地里或布置在地沟内，避免直接穿过不使用氢气的房间。

⑥ 钢瓶接头到调节阀之间应设有耐高压金属软管，管道与阀件的连接应设有高压双卡套接头，以方便部件的维修和更换。

2．4材料选择

供气系统材料选择的基本原则是: 一是不宜用非金属材料，二是材料不吸附气体、不产生气体，三是不产生粒子。一般气体管道宜采用无缝钢管，当输送气体的纯度≥99．99%时，管道宜采用不锈钢管、铜管或无缝钢管; 管道与设备的连接段宜采用金属管道，如选用非金属软管，宜采用聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管等工程塑料管，不应采用乳胶管;氢气和氧气管道使用的部件、仪表应是该介质的产品，不得使用替代品。其它部件的选择应给出设计建议，如输送阀门和氧接触部分应采用非燃烧材料，其密封圈应使用有色金属、不锈钢、镍基合金等材料; 管道接口法兰垫片的应根据管内输送的气体确定; 管道固定件( 管夹) 应采用耐高温的金属材料，且坚固、轻巧、耐用。

2．5管道连接

供气系统的连接应符合 GB 50236－2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》等标准的要求^［11］。管道的连接应采用法兰连接或焊接等方法，氢气管道不应使用丝扣连接; 高纯气体管道应采用承插焊接; 气体管道与设备、阀门与管道或管件的连接应采用丝扣或法兰连接; 丝扣接头中的填料应采用聚四氟乙烯膜、一氧化铅、甘油调合填料; 对于高纯气体管道与阀件的连接应采用高压双卡套接头连接。

2．6安全技术要求

气体管道设计的安全技术应符合相关的设计规范和下述要求［12］:

( 1) 在同一槽架内不应同时敷设气体管道和导电线路及电缆。

( 2) 所有减压阀需设有排气管路到气体存放区外。易燃气体、氧化气体排气管路不能并在一起。

( 3) 管道系统应设有调压装置，其组成包括各种阀门( 调节阀、截止阀、球阀等) ，实现气体的开启、关闭、调节等作用。设单独的阀门( 球阀或针阀) 控制工作台上气体出口。

( 4) 各种气体管道应有明显的指示标志。安全减压阀的标识需标明压力释放级别。

( 5) 使用氢气及可燃气体的实验室应设置报警装置，放空管路上安装气体回火防止器。

( 6) 存放氢气钢瓶的区域应有每小时不小于三次换气的措施。

( 7) 瓶阀、接管螺丝和减压阀等附件无泄漏、滑丝、松动等危险情况，各种气压表一般不得混用。

3 用气安全性

实验室集中供气系统比单独钢瓶供气模式有着较多的优势，越来越多的实验室建设者、工作者、管理者对实验室集中供气系统的使用已形成共识，采用集中供气作为实验室供气模式的主流设计方案得到广泛认可。实验室集中供气的设计应符合相关标准和规程的要求，保证实验室供气的稳定性、持续性和安全性。

3．1安全环保工作信息化

随着信息技术的快速发展，信息化在实验中心安全环保领域得到广泛应用。首先购置智能化门禁系统和*集成的监控系统，对实验中心安全环保实行全过程监控管理; 其次以生物学虚拟仿真实验教学中心为依托，大力加强虚拟仿真实验教学资源建设，以虚拟实验代替涉及高危或环境、高成本、高消耗的实验项目^［9－12］，既体现了安全环保的绿色理念，又提高了安全环保的信息化水平。

4 生物学实验中心安全环保工作成效目前，中心安全环保工作取得了明显成效，健全了实验室安全环保管理体系，建立了实验室安全环保技术标准，完善了安全环保设施，形成了信息化管理新模式，提高了安全环保工作的效率和效果。学生在实验过程中哪些物品有毒或有危险性，如何避免伤害，大型仪器怎样使用等都胸中有数。学生安全意识明显提高，实验操作规范，仪器设备的损坏明显减少，实验教学及实验教学改革推进。近几年来，中心没有发生任何大的安全环保责任事故，保障了实验室财产安全和师生的人身安全，保证了中心正常的教学和科研秩序。

5 结语

高等学校生物学实验中心安全环保内涵丰富，涉及面广，技术性强，防范难度大，一旦发生安全事故都会造成不良后果，有的甚至会酿成大的责任事故，因此，必须高度重视，警钟长鸣。我们一方面要牢固树立“防范胜于救灾，隐患胜于明火，责任重于泰山”的安全意识，积极构建“制度完善、设施*，培训到位”的长效机制，充分依靠广大师生员工扎实做好实验室安全环保工作; 另一方面，以新理念和新方式推动实验室安全环保管理改革，将信息技术与实验室安全环保深度融合，进一步提升互联网+ 背景下实验室安全环保信息化水平，为教学、科研和人才培养顺利开展创造良好学习和工作环境。