压缩空气密度
摘 要
科研实验室安全是高等教育事业高质量发展、学生实践成才的基本保障。针对高校科研实验室安全管理存在的安全隐患，在分析我校航宇学科的科研实验室设备特点及规律的基础上，给出了系列化的安全防护技术设计方案，将上述技防措施落实到实验室安全改造中并进行试运行。运行结果表明，上述技术防护系统的实施能够有效满足安全生产需求，保障实验室研究工作的安全可靠开展，为学校“一流学科”建设和创新人才培养提供有力保障和安全环境。
关键词
高校实验室；安全管理；安防技术；综合设计
实验安全是高等学校实验室建设工作的重中之重。近年来，随着高校科研力量的持续投入，科研实验室设备较前期快速增长，科研实验室安全逐步成为实验室管理及保障的一项重点工作。2018年12月某高校实验室爆炸事件再次给全国高校敲响了警钟，尽管各高校在实验室安全管理方面，建立了大量的安全管理制度，其中包括危化品、剧毒品、辐射、特种设备、化学品等诸多存在安全隐患方面的制度和举措，但高校实验室具有门类多、开放性强、实验设备以及类型覆盖范围广的特点。当前，各高校专职安全管理的教师队伍极其缺乏，造成了后备力量不足、设备疏于管理的局面。同时，国内各高校实验室管理方面，还不同程度存在安全责任落实不到位、管理制度不健全、危险物品安全管理疏于管理、实验人员违规操作、相关部门安全监管薄弱等问题。
当前，国内高校在实验室安全管理方面仍多关注于制度管理和例行的安全检查，但时有发生的案例表明，仅靠管理制度单一手段很难完全消除安全隐患，必须通过技术手段对实验室的安全隐患进行改造，该方向也将是高校未来加强安全管理的重要举措。随着自动化及智能化技术的不断发展，利用远程、自动化等技术改造实现实验室隐患部位的安全防范也应作为安全管理工作中的一项重要工作。为深入贯彻落实党中央、国务院关于安全工作的系列重要指示和部署，深刻吸取事故教训，切实增强高校实验室安全管理能力和水平，保障校园安全稳定和师生生命安全，本文针对我校航空宇航科学与技术(简称航宇)学科科研实验室的学科特点、设备运行规律及安全隐患形式，分析并给出航宇学科实验室的安全防护措施及提升改造技术方案，以满足安全生产需求，保障实验室研究工作的安全可靠开展。
一
隐患分析及综合防护总体设计
航宇是一门高度综合的学科体系。我校航宇学科的实验室涵盖了空天动力总体、气动与声学、传热与燃烧、结构与强度、控制与测试以及脉冲爆震、超燃冲压、涡轮基组合动力、空天组合动力等新概念推进系统，是一个综合性科研实验基地。航宇学科科研实验园区较其他学科实验园区相比有其特殊性要求，实验过程中会使用到高压、大流量的压缩空气及较多的特种设备，实验室均存在高速旋转设备，且个别实验室会存有少量易燃气体(如氢气、甲烷、天然气)和燃油(汽油、航空煤油)等易燃介质。目前实验过程中的介质控制方式仍多采用手动控制方式，存在一定安全隐患。通过以上分析可知，航宇学科专业实验室的安全隐患主要表现在易燃、高压、高温、高速等方面，较常规实验室更为突出，面临的安全管理问题更为复杂。
针对学校航宇学科科研实验室的学科特点和实验室安全隐患点可知，实验室内多存在易燃危险气体和煤油，消防安全则是实验室安全隐患中的关键因素。为了确保人身安全，实验过程中人员应撤离实验现场。因此，实验室应该配备现场视频监控系统，以便于人员远距离实时监测实验过程；在实验室各房间配备语音通信系统，便于实验现场人员及时沟通。同时，为防止实验现场危险气体浓度超标引起爆燃和对人员身体的伤害，在存在危险气体的现场安装危险气体浓度检测及报警系统，当气体浓度超标时，报警系统会发出警报提醒现场人员撤离，同时启动通风设备以降低危险气体浓度。所有电气系统均采用防爆设计，现场线缆采用镀锌钢管防护，线缆接头处采用防爆接线盒，线缆与设备链接使用挠性软管防护。对爆炸性危险环境中的工业电视系统设计除了按照常规工业电视系统设计标准和规范以外，还必须遵守在爆炸性环境下电气和应用电视系统设计标准，后续论文则根据上述要求和原则进行各安全防护分系统的设计与实现。
二
视频监控系统设计
视频监控系统是安防技术改造的重点工作之一，可用于实验室日常安全监控以及事后安全事故分析。视频监控系统原理如图1所示，由摄像机、数字硬盘录像机、监视器、传输线缆等组成，采用数字存储方式。摄像机采用网络高清数字摄像机，录像部分采用数字硬盘录像方式，对各监控点视频同步记录，并可以回放。由摄像头组成的监视体系，将实验室各处的情况汇总到监控室，同时通过联网硬盘录像机可以进行远程图像管理，实验人员可以通过控制台切换操作监控图像，实时监控实验过程。建成后的视频监控系统如图2所示。
图1 视频监控系统原理图
图2 建成后的视频监控系统图
三
浓度报警及强制排风系统设计
浓度报警及强制排风系统用于实验室的燃料间或实验大厅内设置专用探头，通过燃气报警控制器主机和风机相连，当探头检测到气体挥发浓度达到设定值时，强制启动风机给室内排气，其设计原理如图3所示。建成后的浓度报警及强制排风系统如图4所示。
图3 浓度报警及强制排风系统原理
图4 建成后的浓度报警及强制排风系统
实验区域分为实验设备区域和实验燃料间。燃料间由多种易燃气体液体组成，属重点监控对象，因此设置煤油、天然气、乙烯、氢气、氧气、氮气等专用探头，探头的安装高度应根据空气密度和国家技术规范，安装至合理的高度和位置，从而形成对整个房间的综合监测以保证安全。
排风设计为独立排风，通过房间内安装的专用检测探头，检测到气体挥发泄漏达到设定值时，即启动风机强制排风。控制方式采用气体报警器监控报警启动和手动启动、定时启动3种方式。报警器主机安放在监控室，方便实验人员随时掌握实验室内动向，整个系统设计应遵循GB—3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备》以及GB 50493—2009《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》等国家技术标准，并满足防爆要求。
四
全自动氮气灭火消防系统设计
航宇学科实验室内试验介质的油类介质偏多，油类介质火灾不能用水进行喷淋灭火。现场可使用干粉灭火器进行灭火，但仍存在一定安全隐患。远程氮气灭火系统可选用氮气为灭火剂，属洁净灭火剂，不会对人体产生药理伤害，灭火后无次生灾害。其系统特点为：氮气是无色、无味、不导电的气体，其密度近似地等于空气的密度，不易分层，易与空气混合，发生火灾时，在保护空间里能够更好地维持其浓度；氮气的产量大，可以从空气中制取，具有经济、环保、高效等特点；氮气是天然气体，对全球温室效应影响值为0(GWP=0)；氮气在灭火过程中不会分解，没有分解产物，因此灭火过程洁净，灭火后不留痕迹，使用中对仪器设备无损害，不产生次生危害。使用远程控制箱进行控制，操作简便，运行稳定。
氮气灭火系统原理图如图5所示，实物图如图6所示。由15MPa气瓶组提供气源，由减压器减压后提供灭火用氮气，并安装压力表及安全阀保护系统安全，实验部位发生火灾时，由控制箱处远程控制开启相应部位电磁阀，气体通过喷头喷射作为灭火介质，在防护区空间内形成各方向均一的气体浓度，保持该灭火浓度达到规范规定的浸渍时间，实现扑灭该防护区的空间、立体火灾。
图5 氮气灭火系统原理图
图6 建成后的氮气灭火系统
五
远程压力调节系统设计
实验室当前易燃介质中各种阀门多采用手动调节，人员在高压容器旁操作，存在安全隐患。因此需对压力调节系统进行改进，由人工现场调节升级为远程调节。压力调节系统采用在控制台上可输入所需压力值，对减压器出口压力进行调节，压力调节通过ER5000对减压器驱动气压力进行调节，可实现精确调定减压器出口压力，其原理如图7所示。图7中手动截止阀QH7，QH15，QH16，手动减压器TP1、电子压力调节器TP5、压力表PY7、压力变送器PY8、安全阀及附属管路为需改造内容。需改造的部分均位于配气柜内。图8为建成后的远程压力调节系统。
图7 远程压力调节原理图
图8 建成后的远程压力调节系统
远程压力系统设计应遵循GB 16912-2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中对于氧气管道的材质进行了规定。本系统中氧气压力为15MPa，规程规定可选用不锈钢管、铜及铜合金管或者镍及镍基合金管，但选用不锈钢管时对氧气流速有严格规定。为提升系统安全，系统中氧气介质的管道选用铜管。标准中对氧气用阀门材料做了规定。根据规定要求，系统中氧气用阀门全部更换为蒙乃尔合金阀门。
六
结语
本文针对航宇学科专业实验室的安全隐患，通过安全技术改造手段，建设了一批智能化自动安全防护设备。主要成效包括：有针对性的设计了体系化的安全防护系统，如“视频监控系统”“浓度报警及强制排风系统”“氮气灭火消防系统”和“远程压力调节系统”。上述系统建成后，有效解决了实验室在线安全监控问题，所配备的氮气自动灭火装置能够有效解决实验室油类介质火灾不能用水进行喷淋灭火的安全隐患，实现了干粉灭火器现场灭火和氮气远程灭火的双保险。此外，上述工作还有效解决了实验室人员以往手动调节氧气回路的安全隐患，实现了实验现场无人化的远程操作功能。近几年的实验室运行情况表明，以上安全防护系统在保障实验室的安全工作，防范实验室安全事故发挥了重大作用，本文所设计的实验室安全防护系统，可为国内其他高校实验室安全管理提供一定工作借鉴。
参考文献
[1]陈玲.高校实验室安全管理面临的问题与对策[J].实验室研究与探索,2017,36(1):283-286.
[2]靳晓燕.北交大实验室爆炸是一起责任事故[N].光明日报,2019-02-15.
[3]果雅静,马姝婷,杜龙龙,等.加强高校实验室安全管理体制[J].实验技术与管理,2019,36(8):238-241.
[4]刘丽艳,杜光玲,张宏馨,等.高校实验室安全管理问题引发的思考及启示[J].实验室研究与探索,2019(8):282-285.
[5]教育部印发《关于加强高校实验室安全工作的意见》[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/201906/t20190604_384346.html.
作者简介：高建伟，工学博士，副研究员，西北工业大学科学技术研究院，710072；符江锋，工学博士，副研究员，西北工业大学动力与能源学院，710072。
声明：文中图表由作者本人提供，非经授权，不得使用。
原文刊载于《中国现代教育装备》杂志2021年第7期。
责任编辑 | 孔潇艺
审核 | 肇启龙
发布 | 张鑫
*凡转载中国现代教育装备公众号所发布消息，须完整署名并附以上二维码，否则追究到底。
点击“阅读原文”
进入《中国现代教育装备》杂志官网
