關于實驗室集中供氣系統的設計應用

分析測試實驗室中可以作為儀器載氣的氣體其種類較多，如：氮、氦、氫、氫、壓縮空氣、乙炔、甲烷等。實驗室內如果既要放精密的分析測試儀器，又要放氣瓶，既不經濟又不安全，且不美觀。隨著科技和社會經濟的發展，要求現代分析檢測實驗室具有舒適和安全的試驗環境，具有先進的測試儀器與技術以及完善的配套設施，完善的實驗室管理制度和高效的運行機制。在此形勢下，廣大實驗室建設者、工作者、管理者對實驗室集中供氣系統的使用已形成共識，越來越多的實驗室將采用這種供氣模式，集中供氣系統必將獲得廣泛的應用。

   一、實驗室集中供氣和傳統供氣的比較   

傳統的獨立鋼瓶供氣是在儀器附近擺放鋼瓶，用完就找后勤更換，一旦鋼瓶有問題，那么這臺儀器就得停下來，另外，為保證供氣純度，鋼瓶到達一定壓力時就得更換，而不是等到沒有任何壓力時才更換，也將造成一定的浪費。因此，這種方式存在運行成本高、鋼瓶周轉量大，氣體損耗大，安全性低的缺點。而采用集中供氣系統，即通過大型的儲罐和輸送管道集中將載氣輸送到儀器前端，不僅能避免上述問題，而且還具備以下優點。

▋載氣系統穩壓效果好

使用獨立鋼瓶穩壓效果差，傳統的載氣接入方式是獨立鋼瓶給一臺儀器供氣，接入方式為：鋼瓶輸出出口處接銅制減壓閥，調整減壓閥出口壓力，用銅管接入儀器端。鋼瓶載氣壓力一般為3~15MPa，儀器要求入口壓力為0.3MPa~0.8MPa，一級減壓穩壓效果差，導致儀器入口壓力波動大，且經儀器內減壓后壓力仍有波動，這樣的波動將會給儀器的測量帶來誤差，造成測量數據不準確。

而集中供氣采用二級減壓穩壓方式，加上儀器內部的調壓裝置，可以說是三級穩壓，減壓穩壓效果較好。接入方式為：鋼瓶接減壓閥進行第一級高壓減壓后，干路上保持稍高壓力，便于遠距離管道輸送，至儀器前端采用第二級低壓減壓閥，將壓力調整在儀器要求范圍內，再進儀器內部的壓力調整后，進入儀器的載氣能確保達到儀器的壓力要求。

▋保證氣體純度

保證氣體純度更高，避免混入水分和氣體雜質，從而保證儀器檢測結果。

通過大型的儲罐和輸送管道將載氣輸送給儀器，在儲罐出口裝有單向閥7(圖1)，可避免更換儲罐時有空氣或水分混入，另外，還可在另一端安裝有一泄壓開關球閥11(圖1)，可將多余的空氣或水分排放后再接入儀器管道，保證了儀器用氣的純度。

▋提高使用的安全性

瓶裝氣充裝壓力大于或等于12MPa/cm3，集中供氣管路氣體壓力為0.5MPa/cm3。系統壓力降低，使用安全性提高。

另外，有些儀器需要使用壓縮空氣，集中供氣系統中可將壓縮機安裝于供氣室，避免了壓縮機頻繁啟動供氣時發出的噪音，也減少了因壓縮機頻繁啟動產生的電火花引起可燃氣體泄漏造成爆炸的風險，大大提高了使用的安全性。

▋改善工作環境

占地少，整齊美觀，避免了與試驗人員共處一室造成的混亂和不便，改善了試驗室環境，能大大提高工作效率。

▋降低運行成本

由于高壓下氣體中的雜質可能吸附在氣瓶內壁上，而當氣瓶壓力下降時，雜質會解吸下來，為保證氣體純度，一般要求瓶內應保持0.2~1MPa的余壓時更換氣瓶。而對于部分用氣量較大的氣體，如氮氣、氫氣等，一般采用大的液態儲罐供氣，一個180升的儲罐容量相當于18瓶普通鋼瓶的供氣量，因此，儲罐供氣可大大節省采購成本，減少氣體的浪費。

另外，有的儀器用氣量非常大，連續工作半天就需要更換鋼瓶，若采用液態罐進行供氣的話，半個多月才需要更換一次，大大減輕了換氣的勞動力。

▋便于維護

集中供氣系統采用手動、半自動或全自動切換雙系統，平時一開一備，輸氣量充足，以保證儀器用氣的穩定性、持續性和及時性，將不再影響實驗室人員的分析測試工作，方便了后勤供氣保障，減少換氣頻次，避免鋼瓶周轉、搬運和更換的工時浪費，減輕了維護人員的勞動強度，改善了工作環境，便于更好的管理、維修和保養。

▋便于擴展

通過集中管道供氣，可在部分預期擴展點預留接氣口并安裝控制開關或堵頭，由于所有儀器前端均裝有送氣控制開關，因此，可以在不影響其他儀器正常工作的情況下，擴展新的用氣端口，具有良好的擴展性。

   二、實驗室集中供氣系統的設計   

▋氣路管閥件材質的選擇

氣體管閥件材質應滿足以下要求:①對所有氣體無滲透性;②吸附效應最少;③對所輸送的氣體呈化學惰性;④能快速使輸送的氣體達到平衡。各種不同的管材材質對氣體成分的適用性，如表1，其中316L不鐵鋼材質含量表如表2。

316L不銹鋼是繼304不銹鋼之后，第二個得到最廣泛應用的鋼種，主要用于食品工業和外科手術器材，由此較之304其具有更好的抗氯化物腐蝕能力，316L不銹鋼添加Mo(2~3%)，鉑元素使其獲得一種抗腐蝕的特殊結構，因此，316L不銹鋼具有較好的耐腐蝕性，耐高溫，蠕變性能好，強度優秀等特點。

綜上兩個表的數據，表明集中供氣系統中的所有管閥件應采用316L不銹鋼且內拋光，可以最大限度的降低對載氣品質的影響。

▋自動匯流排

雙側式氣體匯流排的設計采用主供氣瓶組和備用氣瓶組雙氣源結構，在主供氣瓶組的壓力降低至無法供氣時，關閉主供氣組閥門，同時打開備用氣瓶組開始供氣，從而實現不間斷供氣，不影響儀器的正常使用，為實現下一次自動切換，在對空瓶充罐后，又可以自動切換，如此循環保證了儀器長期運行的供氣的穩定性和持續性。匯流排左右氣瓶組數量多少按消耗的氣體流量確定。

另外，雙側匯流排集中供氣系統中，高壓軟管和氣瓶之間可接入過濾器4(圖1)，可有效的過濾氣體中的塵埃低壓管路內還可接入單向閥5，可有效的防止水汽的進入以及在回火時將氣源切斷，從而保證了氣體的純度。對于可燃氣體，如乙炔丙烷甲烷等，還需接入氣體回火防止器6，內部的微孔火焰滅火裝置，可確保火焰熄滅，保證低壓管路發生的回火不至于進入高壓管路內。

▋二級減壓

采用二級減壓的方式，一是，經過第一級減壓后，干路壓力比儲罐內壓力大大降低，起到了緩沖管道壓力的作用，提高了用氣的安全，降低了應用風險，二是保證儀器供氣入口壓力的穩定，降低因為氣體壓力波動而引起的測量誤差，保證了儀器使用的穩定性。二級減壓結構如圖2所示。

首先進行第一級減壓，從儲罐出來接高壓減壓閥，將干路壓力控制在0.8~1MPa左右，便于干路的供氣輸送，如圖2氣室部分。然后進行第二級減壓，如圖2實驗室部分，在儀器前端加裝供氣開關球閥11，在通過低壓減壓閥12將輸出壓力控制在儀器要求的范圍內。將主輸送管路壓力調整到一定的壓力范圍之內。

▋易燃易爆氣體集中供氣

由于實驗室有些儀器需要使用易燃氣體，如乙炔等，那么可燃氣必須和其他氣體分開，單獨引入，且管路盡量短，減少中間接頭的連接。同時，氣瓶一定裝入防爆氣瓶柜內，氣瓶輸出端接回火器，可阻止火焰回流氣瓶引起的爆炸。防爆氣瓶柜頂端應有連接到室外的通風排氣口，且有泄漏報警裝置，一旦泄漏能及時報警并將氣體排到室外。

▋集中供氣系統其它設計

(1)為保證集中供氣項目的成功實施，必須考慮氣體壓力通過管路輸送后能否滿足最遠端儀器的壓力使用要求，因此要根據儀器氣體流量的要求、管路局部壓力的損失而存在的少量泄漏，以及未來擴展所需要的用氣量，合理設計主輸送管路的大小，及分支管路的管徑大小。因此，所有其他干路直徑為3/8英寸(空氣干路直徑為1/2英寸)，干路末端管路直徑為1/4英寸。

(2)氣體干路每隔1.5米的距離有明確標簽指示，且指明氣體流向。

(3)氣體管路每隔1.5米有支撐架固定，彎曲處兩端均要有支撐。

(4)所有管路在天花板下面布設，以便安裝維護。

   三、實驗室集中供氣系統的維護   

為保證集中供氣系統的高效穩定運行，集中供氣系統投入使用后，應建立行之有效的管理和維護流程，用以指導系統設備操作以及日常維護保養。制訂集中供氣設備操作、維護、保養規程，包括液態儲罐、調壓裝置、自動切換裝置等操作指南及注意事項。規定供氣室日常管理和巡查要求，以及出現異常時的處理措施。

集中供氣系統可應用于所有分析測試實驗室儀器用氣的供氣，保證了儀器的正常持續的工作，實現了快速、安全的維護，大大提高了工作效率，供氣量足，使用方便，故障率低，降低了維護和使用成本，采用實驗室集中供氣系統將發揮應有的效益。