朱龍居 沈 鋒 史江瑩

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院 揚(yáng)州 225003）（2.揚(yáng)州大陽日酸半導(dǎo)體氣體有限公司 揚(yáng)州 211417）（3.揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司化設(shè)分廠 揚(yáng)州 225003）

筆者從事氣瓶充裝相關(guān)工作多年，對(duì)氣瓶充裝方面有一些自己的看法和理解。本文討論壓縮氣體（也稱永久氣體）與液化氣體的充裝，不涉及其他種類氣體（比如溶解氣體）及車用氣瓶的充裝。2014版《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱《瓶規(guī)》）以及氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這兩類氣體充裝有明確的規(guī)定，比如2014版《瓶規(guī)》以及氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定高（低）壓液化氣體采用逐只稱重的方式進(jìn)行充裝。筆者認(rèn)為這個(gè)規(guī)定值得商榷。

1 氣體充裝方式及工藝設(shè)備

2014版《瓶規(guī)》6.5.2款規(guī)定：充裝壓縮氣體應(yīng)嚴(yán)格控制充裝量，充裝后氣瓶在20℃時(shí)壓力不得超過氣瓶的公稱工作壓力[1]。這與1989版、2000版《瓶規(guī)》的規(guī)定相一致[2-3]；GB 14194—2006《永久氣體氣瓶充裝規(guī)定》第5.5款規(guī)定：國產(chǎn)氣瓶充裝的各種常用永久氣體，其氣瓶的最高充裝壓力不得超過表格的規(guī)定（表格略）[4]。這種充裝量依靠壓力控制的充裝方式，本文稱之為計(jì)壓充裝。根據(jù)《瓶規(guī)》以及氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)，壓縮氣體（也稱永久氣體）充裝采取計(jì)壓充裝。

2014版《瓶規(guī)》6.5.3款規(guī)定：充裝高（低）壓液化氣體應(yīng)采用逐瓶稱重的方式進(jìn)行充裝[1]。這與1989版、2000版《瓶規(guī)》的規(guī)定相吻合[2-3]；GB 14193—2009《液化氣體氣瓶充裝規(guī)定》第5.8、5.1規(guī)定：液化氣體充裝量必須精確計(jì)量，充裝計(jì)量衡器應(yīng)保持準(zhǔn)確，其最大稱量值不得大于氣瓶實(shí)際質(zhì)量（包括氣瓶質(zhì)量和充液質(zhì)量）的3倍，也不得小于1.5倍[5]。這種充裝量依靠重量控制的充裝方式，稱之為稱重充裝。很顯然，根據(jù)《瓶規(guī)》以及氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)，高壓液化氣體充裝應(yīng)采取稱重充裝。

充裝方式不同，充裝所采用的設(shè)備、儀器儀表也不同。計(jì)壓充裝在充裝排上應(yīng)裝設(shè)相適應(yīng)的壓力表；稱重充裝除裝設(shè)相應(yīng)的壓力表外，還必須設(shè)置2臺(tái)計(jì)量衡器，其中充裝衡器應(yīng)有超裝報(bào)警或自動(dòng)切斷氣源的連鎖裝置。很明顯稱重充裝所需的計(jì)量設(shè)備要比計(jì)壓充裝多且煩瑣復(fù)雜，具備超裝報(bào)警或自動(dòng)切斷氣源連鎖裝置的易燃易爆氣體充裝衡器價(jià)格也不菲。

計(jì)壓充裝時(shí)在充裝排上可以直接讀出充裝時(shí)壓力；另外壓力表可隨身攜帶，只要連接壓力表并打開瓶閥就可復(fù)核充裝量。稱重充裝時(shí)必須要將氣瓶移動(dòng)至充裝衡器上，復(fù)核充裝量時(shí)還必須將氣瓶從充裝衡器移動(dòng)至復(fù)稱衡器上。這個(gè)移動(dòng)過程，容積稍大的氣瓶需要借助起吊設(shè)備；普通的40L工業(yè)氣瓶大多數(shù)女性操作人員無法單獨(dú)完成。因此從測量過程上講，計(jì)壓充裝要比稱重充裝簡捷方便。那么高壓液化氣體是否可采用計(jì)壓充裝。

2 瓶裝氣體的分類及其對(duì)充裝方式的影響

1989版《瓶規(guī)》把氣體類別劃分為：壓縮氣體（永久氣體）（tc＜-10℃）、高壓液化氣體（-10℃≤tc≤70℃）、低壓液化氣體（tc＞70℃），其中tc為氣體介質(zhì)的臨界溫度（下同）[2]。

2000版《瓶規(guī)》除了把壓縮氣體改稱為永久氣體外，其余完全與1989版《瓶規(guī)》一致[3]。但是2014版《瓶規(guī)》在氣體分類上與前兩版相比，有明顯的不同。

2014版《瓶規(guī)》把氣體類別劃分為：壓縮氣體（也稱永久氣體）（tc≤-50℃）、高壓液化氣體（-50℃＜tc≤65℃）、低壓液化氣體（tc＞65℃）等[1]。

與前兩版相比，2014版《瓶規(guī)》調(diào)整了壓縮氣體與液化氣體的劃分界限，從tc＜-10℃調(diào)低至tc≤ -50℃[1]。

《瓶規(guī)》及氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓縮氣體、液化氣體規(guī)定了不同的充裝方式。由于2014版《瓶規(guī)》調(diào)整了壓縮氣體與液化氣體的劃分界限，必然會(huì)導(dǎo)致一部分氣體要改變充裝方式。臨界溫度在-50～-10℃之間的氣體在2014版《瓶規(guī)》實(shí)施之前被劃分為壓縮氣體，采用計(jì)壓充裝；但在2014版《瓶規(guī)》實(shí)施之后被劃分為液化氣體，必須采用稱重充裝，比如三氟化硼（臨界溫度為-12.25℃）。充裝方式顛覆性變更對(duì)氣瓶充裝企業(yè)影響很大。三氟化硼氣瓶在2014版《瓶規(guī)》實(shí)施之前采用的計(jì)壓充裝安全？下面再從理論上對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行分析。

3 實(shí)際氣體狀態(tài)方程

只要瓶內(nèi)壓力與瓶內(nèi)氣體充裝量的關(guān)系一一對(duì)應(yīng)且能表達(dá)出時(shí)，就可用瓶內(nèi)壓力來表征瓶內(nèi)氣體充裝量即計(jì)壓充裝。

非滿液時(shí)，在液化氣體臨界溫度之下，瓶內(nèi)壓力只與溫度相關(guān)而與瓶內(nèi)氣體充裝量無關(guān)，因此不能采用計(jì)壓充裝；在臨界溫度之上，體積、溫度不變時(shí)瓶內(nèi)壓力隨瓶內(nèi)氣體充裝量增加而增大，其之間關(guān)系可以用實(shí)際氣體狀態(tài)方程來表達(dá)，因此理論上可以采用計(jì)壓充裝。

科學(xué)家們通過對(duì)理想氣體狀態(tài)方程修正，得到了上百種實(shí)際氣體狀態(tài)方程，其中著名的有范德華方程、R-K方程、S-R-K方程、我國科學(xué)家嚴(yán)家祿提出氣體通用狀態(tài)方程、我國科學(xué)家候虞鈞提出的M-H方程等。

這些方程都有各自的應(yīng)用范圍，比如我國科學(xué)家提出的方程可用于高精度計(jì)算。但由于R-K方程公式簡單，精度也高，所以在工程應(yīng)用中最為廣泛?！短烊粴庥?jì)量系統(tǒng)標(biāo)方計(jì)算的數(shù)學(xué)建?！方榻B：基于R-K方程的壓縮系數(shù)Z實(shí)際求解誤差為0.1%[6]；《氣體壓縮因子Z的在線修正與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)》介紹：基于R-K方程，通過優(yōu)化算法求解得到的壓縮因子Z，可用于氣體流量高精度計(jì)量，其誤差優(yōu)于±0.5%[7]。本質(zhì)上壓縮因子（實(shí)際狀態(tài)體積與理想狀態(tài)體積之比）、氣體流量描述的都是介質(zhì)的體積，體積的偏差會(huì)導(dǎo)致計(jì)算瓶內(nèi)介質(zhì)密度時(shí)產(chǎn)生誤差，0.5%體積的偏差導(dǎo)致的瓶內(nèi)介質(zhì)密度計(jì)算誤差約為0.5%。實(shí)際上充裝系數(shù)就是充裝后瓶內(nèi)介質(zhì)密度。綜上所述，基于R-K方程的計(jì)壓控制充裝，其充裝系數(shù)誤差約為0.5%。其實(shí)就算是1%的誤差，在工程上筆者認(rèn)為都是非常滿意的。另外，本文重點(diǎn)討論的是高壓液化氣體計(jì)壓充裝的可能性與可操作性而不是精度，如對(duì)R-K方程的精度不滿意，還可以用其他多參數(shù)方程針對(duì)特定介質(zhì)或特定溫度點(diǎn)進(jìn)行高精度計(jì)算，比如我國科學(xué)家提出氣體通用狀態(tài)方程、M-H方程。R-K原始方程如下：

式中：

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314Pa·m3/(mol·K)；

Tc——介質(zhì)的臨界溫度（絕對(duì)溫度），K；

Pc——介質(zhì)的臨界壓力（絕對(duì)壓力），Pa；

P——瓶內(nèi)壓力（絕對(duì)壓力），Pa；

T——瓶內(nèi)溫度（絕對(duì)溫度），K；

Vm——摩爾體積，表示1mol介質(zhì)所占的體積，對(duì)于按規(guī)定要求充裝的高壓液化氣體氣瓶，

R-K方程能否在充裝實(shí)際應(yīng)用可通過實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。表1是揚(yáng)州大陽日酸半導(dǎo)體氣體有限公司經(jīng)過實(shí)測并在工作中使用的溫度、壓力、重量對(duì)照表（硅烷），表1中壓力的單位為Psig(磅/平方英寸，表壓。1Psig=0.00689MPa)，表1對(duì)應(yīng)的充裝工況如下：一次同時(shí)充裝12只鋼瓶，充裝時(shí)間不小于3h。通過表1可以對(duì)R-K方程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，分析方法：以表1中的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，把表1中瓶溫、壓力作為已知數(shù)代入R-K方程中反求重量（充裝系數(shù)×47L），反求出的重量與表1中相應(yīng)的基準(zhǔn)重量進(jìn)行比較分析。取表1中重量為12kg對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，驗(yàn)證分析結(jié)果見表2。R-K方程計(jì)算時(shí)硅烷相關(guān)參數(shù)按《Matheson氣體數(shù)據(jù)手冊(cè)》選取，其中摩爾質(zhì)量取32.117g、臨界溫度取269.7K、臨界壓力(絕對(duì)壓力)取4.84MPa（下同）[8]。從表2可知最大誤差小于0.3%。非常小的誤差表明R-K方程的計(jì)算結(jié)果完全可以接受、完全可以在充裝中實(shí)際應(yīng)用。

氣瓶按規(guī)定充裝系數(shù)充裝后，通過R-K方程可計(jì)算出不同溫度下（臨界溫度之上，下同）的瓶內(nèi)壓力；反之，根據(jù)計(jì)算出的不同溫度下瓶內(nèi)壓力亦可控制氣瓶的充裝系數(shù)、充裝量。以硅烷為例，其計(jì)算結(jié)果見表3，計(jì)算中充裝系數(shù)取0.3kg/L[1]。根據(jù)表3，完全可以對(duì)硅烷實(shí)行計(jì)壓充裝。

表1 硅烷在不同溫度下壓力、重量對(duì)照表（鋼瓶容積47L）

表2 R-K方程的計(jì)算結(jié)果誤差分析

表3 公稱壓力15MPa硅烷瓶不同溫度下的最高充裝壓力(表壓)

4 建議

臨界溫度之上高壓液化氣體實(shí)行計(jì)壓充裝后，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率、減少設(shè)備投資，更重要的是三氟化硼這些受分類調(diào)整影響的氣體不再需要顛覆性變更充裝方式。實(shí)踐創(chuàng)新離不開規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新，離開了注定是違法違規(guī)，因此需要對(duì)2014版《瓶規(guī)》、氣體充裝標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改。建議2014版《瓶規(guī)》6.5.3款再增加一個(gè)小款：當(dāng)充裝溫度高于臨界溫度時(shí)，高壓液化氣體亦可按壓縮氣體實(shí)行計(jì)壓充裝，并按壓縮氣體充裝要求進(jìn)行充裝量復(fù)核。

[1]TSG R0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2]1989 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3]2000 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[4]GB 14194—2006 永久氣體氣瓶充裝規(guī)定[S].

[5]GB 14193—2009 液化氣體氣瓶充裝規(guī)定[S].

[6]田一華，魏凱豐，王慕坤．天然氣計(jì)量系統(tǒng)標(biāo)方計(jì)算的數(shù)學(xué)建模[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(05)：50-52.

[7]胡敏，李成貴，田宏杰．氣體壓縮因子Z的在線修正與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[J]．傳感器世界，2002（10）：10-13.

[8][美]卡爾L·約斯．Matheson氣體數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]．陶鵬萬等譯．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：735.