新型气体自动充装系统

伊 宁 王传良 朱军伟 张 烨 冯维春，3

（1.青岛科技大学山东化工研究院；2.山东春旭化工设计有限公司；3.山东省高端石化产业技术研究院）

气体工业是国民经济的基础工业。 工业气体（如氧、氮、氩、氦及二氧化碳等）在化工、冶金、炼油、机械制造、微电子及环保等行业应用广泛，且需求量巨大，有着较好的发展前景［1，2］。在“中国制造2025”和全球“工业4.0”的新时代，由于各种新兴产业和现代科学技术的需求和推动，气体充装工业在气体品种、质量及生产装备等方面发展迅速。 近年来，一种新型气体自动充装系统已逐渐得到规模化应用。

1 我国气体充装工艺现状

目前，我国绝大部分工业气体气瓶充装还停留在人工充装工艺阶段［3～6］，即低温储罐内的液化气体经汽化器汽化后，依靠人工操作汇流排阀门进行气瓶充装，这种充装工艺有以下3 个缺点：

a. 危险性大。 气体进行充装时，充装压力较大，部分气体压力可达10～20MPa。 虽然人工充装采取了设置防爆隔墙［7～9］的措施，但仍无法避免人工靠近操作阀门开关，一旦管道、阀门等处发生气体泄漏， 高压气体将会对人员造成巨大伤害。另外，气瓶充装搬运过程中也存在较大风险。

b. 充装效率低下。 由于需要手动开、关每个气瓶的阀门和设备， 充装排充装接头数量也较少，而且需要人工监控充装过程参数，因此气瓶的充装过程繁琐，特别是混合气充装需要来回切换充装排，效率较低。

c. 充装精度低。 由于市场需要，出现了高质量二元、三元甚至四元切割焊接混合气产品。 人工控制充气比例误差较大，质量难以控制［10］，而且加大了人员的劳动强度和危险性。

2 气体自动充装系统

2.1 系统构成与操作

新型气体自动充装系统包括低温储罐、低温泵、汽化器、自动充装系统控制面板和充装单元（图1）。 以氧气充装为例，低温储罐中的液氧在-184℃经低温泵加压后， 压力达到20MPa 左右，经过汽化器液氧汽化成气态，气温不低于-10℃，最终通过自动充装缓冲控制面板对成组气瓶进行充装。 另外，新型气体自动充装系统可根据不同工业气体设计不同的比例进行混合气充装。

充装时操作人员将气体组分、充装压力及充装步骤等信息上传到自控系统并显示在充装操作屏（FOP）。气瓶连接好后，在充装操作屏上选择所需充装的模式，系统开始自动启动充装。 低温泵控制柜（PCP） 利用传感器采集相关的过程参数，启动、停止低温泵或调整低温泵转速，充装操作屏能够开关或调整充装单元的阀门开度，将需要的气体按照热力学计算结果充入气瓶中。

2.2 系统关键部分

2.2.1 充装架

图1 新型气体自动充装系统简图

气瓶集装格充装位配置有可升降的充装架（图2），包括升降保护罩和升降汇流排。在充装过程中，保护罩降落到最低点，此时即使充装软管破裂或者充装接头脱落，保护罩也可为附近的人员和设备提供安全保护，这是传统汇流排所不具备的。 连接充装软管的汇流排由气缸驱动可以上下移动， 便于将充装软管连接到不同高度的气瓶，也便于气瓶进出充装架。

图2 充装架

2.2.2 控制程序

控制程序内设有热力学计算系统，能够快速精确地计算各类气体在不同压力与温度下的真实特性。 计算结果可以在充装过程中，通过温度对充装压力进行自动修正， 保证压力-温度法充装方式的充装精度。 同时，控制程序结构采用模块化设计，保证了项目的快速实施。

3 系统特点

3.1 安全性高

新型气体自动充装系统的安全性体现在以下4 个方面：

a. 基于工艺的HAZOP 分析， 自动充装系统PLC 配置多重安全联锁紧急停机控制回路。 当充装气瓶端压力过高时，压力传感器反馈给PCP 联锁停止低温泵，保证氧气等气体不会过快充装或出现局部流速过快的现象，避免系统出现燃烧或者爆炸的可能；当泵后温度低于-10℃时，温度传感器反馈给PCP 联锁停止低温泵，避免温度过低导致液体充装至气瓶中；同时可对气体充装时的升压速度和升温速度进行控制和联锁，确保充装速度可控；当泵后介质在预设定的时间内未升压未降温时，PCP 可联锁停泵。

b. 系统自动识别气瓶信息，可有效防止对介质不符的气瓶和过期气瓶进行充装。 同时在充装前自动抽真空，可以保证氧化性气体和可燃性气体充装时的安全性。 根据国家标准，抽真空的应用可以替代防爆隔墙［9］，极大地节省了车间的空间和成本。

c. 在充装过程中，保护罩强制隔离充装人员和气瓶，可以保护操作人员的人身安全；操作盘可视化状态指示可以保证人员在较远的安全位置即可获取设备运行状态和信息。

d. 人为失误也是充装过程中造成事故多的原因之一。 为此在充装过程中，使用自动化控制系统全面接管人对设备的操作，避免人为失误带来的安全风险。

3.2 充装效率高

由于可以预设不同配方，系统可以自动进行计算，减去了传统混合气切换充装时繁琐的操作过程，极大地提高了工作效率。 系统自动操作阀门和设备无需人工介入，比传统人工方式提高充装效率50%以上。 同时，自动充装系统使用散装格和集装格的充装，使用叉车或行车搬运，降低了人力搬运的安全风险。 由于自动充装系统的使用，促进了使用直立运输进行气瓶配送，进而提高了气瓶运输的安全性。

3.3 充装精度高

压缩系数随充装压力和温度动态变化，因此在手动充装模式下很难人工计算出准确的充装压力，并进行精确控制。 因此充装产品会出现压力不准确、 混合气精度达不到客户要求的情况。自动充装系统摆脱了粗放的生产模式，可以通过自动计算快速精确地描述各种气体在不同压力与温度下的真实特性， 通过控制阀门精确充装，从而得到高质量的气体， 满足新时代微电子、机械等不同行业的尖端要求。

3.4 设备可靠性高

自动充装系统内部设有缓冲罐，避免泵反复受压力冲击，可延长泵的使用寿命。 氧气系统在氧气接触面均采用铜材料，确保氧气安全；设计可燃气充装工艺时，所有仪表和控制器均严格遵守防爆规范设计，在保证设备可靠性的同时满足了相关国家规范的要求［8，9］。

4 结束语

新型气体自动充装系统的联锁控制提升了系统的安全性，自动化的充装方式也对整个工艺有着革命性的改进。 目前，该技术已在山东青岛某气体生产企业成功应用，属山东首例，建议今后在全国范围内推广应用。 对于我国工业气体充装乃至整个化工行业主体企业来说，仍需要继续努力，引进和自主研发新的装备，不断提高中国先进制造的权重。