伊 寧 王傳良 朱軍偉 張 燁 馮維春，3

（1.青島科技大學(xué)山東化工研究院；2.山東春旭化工設(shè)計(jì)有限公司；3.山東省高端石化產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院）

氣體工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。 工業(yè)氣體（如氧、氮、氬、氦及二氧化碳等）在化工、冶金、煉油、機(jī)械制造、微電子及環(huán)保等行業(yè)應(yīng)用廣泛，且需求量巨大，有著較好的發(fā)展前景［1，2］。在“中國制造2025”和全球“工業(yè)4.0”的新時(shí)代，由于各種新興產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需求和推動(dòng)，氣體充裝工業(yè)在氣體品種、質(zhì)量及生產(chǎn)裝備等方面發(fā)展迅速。 近年來，一種新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)已逐漸得到規(guī)?；瘧?yīng)用。

1 我國氣體充裝工藝現(xiàn)狀

目前，我國絕大部分工業(yè)氣體氣瓶充裝還停留在人工充裝工藝階段［3～6］，即低溫儲(chǔ)罐內(nèi)的液化氣體經(jīng)汽化器汽化后，依靠人工操作匯流排閥門進(jìn)行氣瓶充裝，這種充裝工藝有以下3 個(gè)缺點(diǎn)：

a. 危險(xiǎn)性大。 氣體進(jìn)行充裝時(shí)，充裝壓力較大，部分氣體壓力可達(dá)10～20MPa。 雖然人工充裝采取了設(shè)置防爆隔墻［7～9］的措施，但仍無法避免人工靠近操作閥門開關(guān)，一旦管道、閥門等處發(fā)生氣體泄漏， 高壓氣體將會(huì)對(duì)人員造成巨大傷害。另外，氣瓶充裝搬運(yùn)過程中也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

b. 充裝效率低下。 由于需要手動(dòng)開、關(guān)每個(gè)氣瓶的閥門和設(shè)備， 充裝排充裝接頭數(shù)量也較少，而且需要人工監(jiān)控充裝過程參數(shù)，因此氣瓶的充裝過程繁瑣，特別是混合氣充裝需要來回切換充裝排，效率較低。

c. 充裝精度低。 由于市場需要，出現(xiàn)了高質(zhì)量二元、三元甚至四元切割焊接混合氣產(chǎn)品。 人工控制充氣比例誤差較大，質(zhì)量難以控制［10］，而且加大了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。

2 氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與操作

新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)包括低溫儲(chǔ)罐、低溫泵、汽化器、自動(dòng)充裝系統(tǒng)控制面板和充裝單元（圖1）。 以氧氣充裝為例，低溫儲(chǔ)罐中的液氧在-184℃經(jīng)低溫泵加壓后， 壓力達(dá)到20MPa 左右，經(jīng)過汽化器液氧汽化成氣態(tài)，氣溫不低于-10℃，最終通過自動(dòng)充裝緩沖控制面板對(duì)成組氣瓶進(jìn)行充裝。 另外，新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)可根據(jù)不同工業(yè)氣體設(shè)計(jì)不同的比例進(jìn)行混合氣充裝。

充裝時(shí)操作人員將氣體組分、充裝壓力及充裝步驟等信息上傳到自控系統(tǒng)并顯示在充裝操作屏（FOP）。氣瓶連接好后，在充裝操作屏上選擇所需充裝的模式，系統(tǒng)開始自動(dòng)啟動(dòng)充裝。 低溫泵控制柜（PCP） 利用傳感器采集相關(guān)的過程參數(shù)，啟動(dòng)、停止低溫泵或調(diào)整低溫泵轉(zhuǎn)速，充裝操作屏能夠開關(guān)或調(diào)整充裝單元的閥門開度，將需要的氣體按照熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果充入氣瓶中。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵部分

2.2.1 充裝架

圖1 新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)簡圖

氣瓶集裝格充裝位配置有可升降的充裝架（圖2），包括升降保護(hù)罩和升降匯流排。在充裝過程中，保護(hù)罩降落到最低點(diǎn)，此時(shí)即使充裝軟管破裂或者充裝接頭脫落，保護(hù)罩也可為附近的人員和設(shè)備提供安全保護(hù)，這是傳統(tǒng)匯流排所不具備的。 連接充裝軟管的匯流排由氣缸驅(qū)動(dòng)可以上下移動(dòng)， 便于將充裝軟管連接到不同高度的氣瓶，也便于氣瓶進(jìn)出充裝架。

圖2 充裝架

2.2.2 控制程序

控制程序內(nèi)設(shè)有熱力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，能夠快速精確地計(jì)算各類氣體在不同壓力與溫度下的真實(shí)特性。 計(jì)算結(jié)果可以在充裝過程中，通過溫度對(duì)充裝壓力進(jìn)行自動(dòng)修正， 保證壓力-溫度法充裝方式的充裝精度。 同時(shí)，控制程序結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，保證了項(xiàng)目的快速實(shí)施。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 安全性高

新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)的安全性體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：

a. 基于工藝的HAZOP 分析， 自動(dòng)充裝系統(tǒng)PLC 配置多重安全聯(lián)鎖緊急停機(jī)控制回路。 當(dāng)充裝氣瓶端壓力過高時(shí)，壓力傳感器反饋給PCP 聯(lián)鎖停止低溫泵，保證氧氣等氣體不會(huì)過快充裝或出現(xiàn)局部流速過快的現(xiàn)象，避免系統(tǒng)出現(xiàn)燃燒或者爆炸的可能；當(dāng)泵后溫度低于-10℃時(shí)，溫度傳感器反饋給PCP 聯(lián)鎖停止低溫泵，避免溫度過低導(dǎo)致液體充裝至氣瓶中；同時(shí)可對(duì)氣體充裝時(shí)的升壓速度和升溫速度進(jìn)行控制和聯(lián)鎖，確保充裝速度可控；當(dāng)泵后介質(zhì)在預(yù)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未升壓未降溫時(shí)，PCP 可聯(lián)鎖停泵。

b. 系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別氣瓶信息，可有效防止對(duì)介質(zhì)不符的氣瓶和過期氣瓶進(jìn)行充裝。 同時(shí)在充裝前自動(dòng)抽真空，可以保證氧化性氣體和可燃性氣體充裝時(shí)的安全性。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，抽真空的應(yīng)用可以替代防爆隔墻［9］，極大地節(jié)省了車間的空間和成本。

c. 在充裝過程中，保護(hù)罩強(qiáng)制隔離充裝人員和氣瓶，可以保護(hù)操作人員的人身安全；操作盤可視化狀態(tài)指示可以保證人員在較遠(yuǎn)的安全位置即可獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和信息。

d. 人為失誤也是充裝過程中造成事故多的原因之一。 為此在充裝過程中，使用自動(dòng)化控制系統(tǒng)全面接管人對(duì)設(shè)備的操作，避免人為失誤帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 充裝效率高

由于可以預(yù)設(shè)不同配方，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，減去了傳統(tǒng)混合氣切換充裝時(shí)繁瑣的操作過程，極大地提高了工作效率。 系統(tǒng)自動(dòng)操作閥門和設(shè)備無需人工介入，比傳統(tǒng)人工方式提高充裝效率50%以上。 同時(shí)，自動(dòng)充裝系統(tǒng)使用散裝格和集裝格的充裝，使用叉車或行車搬運(yùn)，降低了人力搬運(yùn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。 由于自動(dòng)充裝系統(tǒng)的使用，促進(jìn)了使用直立運(yùn)輸進(jìn)行氣瓶配送，進(jìn)而提高了氣瓶運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3.3 充裝精度高

壓縮系數(shù)隨充裝壓力和溫度動(dòng)態(tài)變化，因此在手動(dòng)充裝模式下很難人工計(jì)算出準(zhǔn)確的充裝壓力，并進(jìn)行精確控制。 因此充裝產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)壓力不準(zhǔn)確、 混合氣精度達(dá)不到客戶要求的情況。自動(dòng)充裝系統(tǒng)擺脫了粗放的生產(chǎn)模式，可以通過自動(dòng)計(jì)算快速精確地描述各種氣體在不同壓力與溫度下的真實(shí)特性， 通過控制閥門精確充裝，從而得到高質(zhì)量的氣體， 滿足新時(shí)代微電子、機(jī)械等不同行業(yè)的尖端要求。

3.4 設(shè)備可靠性高

自動(dòng)充裝系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有緩沖罐，避免泵反復(fù)受壓力沖擊，可延長泵的使用壽命。 氧氣系統(tǒng)在氧氣接觸面均采用銅材料，確保氧氣安全；設(shè)計(jì)可燃?xì)獬溲b工藝時(shí)，所有儀表和控制器均嚴(yán)格遵守防爆規(guī)范設(shè)計(jì)，在保證設(shè)備可靠性的同時(shí)滿足了相關(guān)國家規(guī)范的要求［8，9］。

4 結(jié)束語

新型氣體自動(dòng)充裝系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制提升了系統(tǒng)的安全性，自動(dòng)化的充裝方式也對(duì)整個(gè)工藝有著革命性的改進(jìn)。 目前，該技術(shù)已在山東青島某氣體生產(chǎn)企業(yè)成功應(yīng)用，屬山東首例，建議今后在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。 對(duì)于我國工業(yè)氣體充裝乃至整個(gè)化工行業(yè)主體企業(yè)來說，仍需要繼續(xù)努力，引進(jìn)和自主研發(fā)新的裝備，不斷提高中國先進(jìn)制造的權(quán)重。