天然气介质实验室智能安全管理系统研究*论文

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　　摘要：为充分保障天然气介质实验室的安全， 分析使用天然气开展实验的安全风险， 设计一套针对天然气介质实验室的智能安全 管理系统， 并开展运行管理机制研究， 形成实验室的安全运行方案。针对气源控制、使用过程、监测预警和应急处置过程的安全 风险， 设计了气瓶安全舱和输送子系统、浓度监测子系统、排风子系统和中控系统。结果表明： 该系统实现了使用-监测-预警-控 制一体化的安全管理功能; 在实现物防的基础上， 形成了管理员、安全员、实验员分级管理体系， 加强了风险分级管控、隐患排 查治理双重预防性工作机制建设， 最大程度上保障了天然气介质实验室的安全平稳、高效运行。

　　( 1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development PetroChina, Beijing 100083. China; 2. National Energy Shale Gas R&D

　　(Experiment) Center, Langfang, Hebei 065007. China; 3. Shanghai Zhifei Electronic Technology Co., Ltd., Shanghai 200072.China)

　　Abstract: In order to greatly guarantee the safety of the natural gas medium laboratory, the safety risk of using natural gas for experiments was analyzed, a set of intelligent safety management system for the natural gas medium laboratory was designed, an operation management mechanism was carried out to form the safe operation scheme of the laboratory . According to the safety risks of gas source control, use safety, monitoring and early warning and emergency disposal process, the cylinder safety compartment and conveying subsystem, concentration monitoring subsystem, exhaust subsystem and central control system were designed . The results show that the safety management function of use-monitoring-early warning-control integration is realized in the system; based on the realization of physical defense, a hierarchical management system for administrators, safety officers, and laboratory personnel has been formed, and the construction of a dual preventive work mechanism of risk classification management and control, hidden danger investigation and management has been strengthened, and the safety and stability of the natural gas medium laboratory has been guaranteed to the greatest extent .

　　Key words: natural gas; methane gas; safety system; laboratory safety; concentration monitoring; emergency disposal

　　0 引言

　　加强实验室基础设施建设、充分发挥好国家实验室 和全国重点实验室作用， 是国家提升科技创新能力、实 施基础研究十年规划中的重要组成部分。天然气介质实 验室， 是以天然气 (主要为甲烷气) 为实验气体的一类 实验室。天然气作为清洁能源， 也是重要的工业原料， 是双碳目标下化石能源低碳转型发展的重要选择。世界 天然气资源丰富， 2020 年全球天然气产量达 3.8 万亿立 方， 中国天然气总产量达 1 925 亿立方， 同比增长 9.8%， 发展潜力巨大[1-2]。但是中国天然气消费量持续增长， 对 外依存度依然持续增高， 大力发展天然气产业， 对保障 国家能源安全、实现“双碳”目标具有重大意义。目前， 使用常规气体 (氮气或氦气) 替代天然气开展科学研究已经无法满足天然气大发展的业务需求[3-4]。为了更好地 开展天然气的成藏、富集、运移、勘探与开采的科学研 究， 采用天然气 (主要成分为甲烷气) 为实验气体已成 为必然选择。

　　实验室安全是保障科研人员与公众安全和健康， 维 护科研环境与秩序的关键环节[5]。随着社会和经济的发 展， 实验室安全的软硬件装备发展迅速， 质量安全管理 体系也愈加完善， 实验室安全建设取得了很大的进步。 但实验室安全事故仍时有发生， 如 2021 年南京航空航天 大学材料科学与技术学院材料实验室爆燃事件、 2018 年 北京交通大学环境工程实验室爆炸事件、 2017 复旦大学 实验室爆炸事件、 2015 年中国矿业大学实验室爆炸事件 等。实验室安全事故不但给国家造成了财产损失， 更会给科研人员带来人身伤害， 因此， 要不断警醒人们提高 实验室的风险管控和安全管理[6-8]。

　　不同的实验室潜在的危险源千差万别， 既有共性的 因素， 如水、电、火灾、危险化学品等， 也有一些特有 的因素， 如电离辐射、微生物、高压容器、危险气体 等[9]。在国标 《化学品分类和标签规范 第 3 部分： 易燃 气体》 GB 30000.3-2013[10] 中， 将天然气、甲烷气等划为 第 1 类易燃气体， 当空气中含量达 5%~15% 时， 遇热源 及明火即有燃烧爆炸的危险。甲烷低浓度时对人基本无 害， 但当空气中甲烷浓度达 25%~30% 时， 可引起头痛、 头晕、乏力等症状， 若不及时远离， 可致窒息死亡。皮 肤接触液化的甲烷， 可致冻伤。使用天然气的安全风险 较常规气大很多。近年来， 家用燃气爆炸、煤矿瓦斯爆 炸、实验室气瓶爆炸事故也时有发生， 无疑都说明了使 用天然气时存在的安全隐患。当开展天然气实验时， 除 气体本身存在一定的风险外， 还存在用气量大、用气压 力高、高温高压、操作不规范等因素， 在多重不安全因 素下发生安全事故的概率会大大增加。因此， 天然气介 质实验室更需要开展有针对性的实验室风险识别、安全 设施建设、管理体系完善等工作， 以在最大程度上保障 使用天然气开展实验的安全[11- 12]。

　　本文针对天然气介质实验室存在的安全隐患和风险， 从实验室风险识别， 安全系统设计原则、思路和构成、 安全预防体系建设以及安全管理机制等方面， 详细论述 了构建实验室安全系统的必要性和可行性， 以期为其他 同类实验室的建设和安全运行提供参考。

　　1 天然气介质实验室安全风险评估与管控措施

　　实验室应开展安全危害因素识别和安全风险评估， 并且提出相应的风险管控措施。识别危害是安全风险评 估的重要部分， 若不能完全掌握天然气使用中的安全风 险所在， 就无法对每个危害的风险作出评估， 并对安全 事故危害作出有效的控制[13- 14]。因此， 本文只讨论与天 然气使用相关的安全危害因素识别和安全风险评估， 对 于其他一些共性的风险不作讨论。天然气介质实验室在 其存储、使用、收集、排放过程中均存在较大的安全风险， 下面从以下几个方面重点介绍。

　　1.1 气瓶与气源的风险

　　不同于家用燃气的管道输送， 天然气实验一般使用 标气或甲烷气， 其存储形式一般为铝合金钢瓶或碳钢瓶 存储， 气瓶体积为 4~50 L， 气瓶压力从几兆帕到十几兆 帕。因此， 高压易燃气瓶本身就是一个很大的危险源， 相关标准规范对高压气体钢瓶运输和使用过程均作了相 关要求[15]， 如应轻拿轻放并远离热源和阳光直射。放置 时需要配套安全气柜或气瓶架固定， 使用气体前将合格 减压器与气体钢瓶妥为连接， 并清洁管道， 确保管道和减压器无油。气体钢瓶使用过程中发现泄漏要及时处理， 并严禁在泄漏情况下使用。使用气体时应保持通风， 以 防窒息或中毒， 气体钢瓶内气体不得完全用尽， 必须留 有不少于 0.05 MPa 的气体， 液化气体气瓶应留有不少于 0.5%~1.0% 的规定充装量的剩余气体。

　　对于天然气瓶或甲烷气瓶的一个重大风险是将气瓶 与实验设备放置在同一空间内。气体一旦在实验室发生 泄漏且处置不及时， 气瓶本身的高压力会导致气体大量 喷出， 风险系数大大增加。因此， 气瓶需存放在专门的 可燃气瓶间， 与其他气瓶如氧气瓶、氢气瓶分开存放， 并通过高压输送管线将气体输送至实验室内。

　　1.2 天然气实验过程中的风险

　　开展天然气实验时， 从气体输送、使用和排出过程 中， 都存在气体泄漏的风险。当用气压力低、用气量小 的时候， 泄漏气体逸散在大气中， 浓度很低， 风险较小。 但是对于天然气成藏模拟、开发模拟及天然气水合物等 实验时， 实验用气量大、压力高， 一般能达到几十兆帕， 甚至达到上百兆帕。因此一旦发生泄漏， 高压气体从泄 漏点喷出， 气体短时间在室内大量聚集， 局部浓度很容 易达到爆炸或者窒息极限， 如果此时气体无法及时排出， 一旦遇到火花或者明火， 极有可能造成严重后果。

　　对于高压天然气实验， 最重要的一条是实验过程中 天然气的密闭运移， 整个实验系统的密封性和耐压性是 其关键。因此， 在开展天然气实验前， 必须采用惰性气 体 (氦气或氮气) 对实验系统的气密性和耐压性进行测 试， 测试压力不得低于天然气实验压力的 1.2 倍， 只有在 通过测试之后才能注入天然气开展实验。并且， 应保持 室内一直处于良好的通风状态， 将实验产生的气体及时 收集或者排出室外， 不能直接在室内排放。当用气量大 时， 要注意排气速度， 避免排出气量短时间内无法消散。

　　对于天然气实验室， 室内空气不流通是一个很大的 风险点。开展天然气实验时， 必须保持室内空气的流动 状态， 尤其是发生泄漏时， 排风系统可随时将气体排出 室外， 大幅度降低空气中的气体浓度。同时， 实验室室 内环境也存在一些其他风险因素， 如室内面积太小、存 在静电和易燃物等。当室内气体局部浓度高时， 遇到静 电火花可能会起火， 因此实验室内最好采用防静电地面， 实验人员须穿着防静电实验服， 避免静电影响。实验室 还应采用防爆电线和灯具等， 同时实验室室内空间应尽 可能大， 不放与实验无关的杂物。

　　1.3 气体泄漏的风险管制及应急措施

　　在天然气使用过程中， 最大的风险点是气体泄漏。 因此， 对气体泄漏的全程实时监测就是控制风险的抓手。 气体的监测对象包括实验气体压力和气体浓度。当气体 大量泄漏时， 气瓶和管线内的压力会迅速降低， 室内天然气的浓度迅速上升。当气体泄漏量点小时， 虽然压力 传感器侦测的压力变化不明显， 但是持续的泄漏也会导 致室内气体的大量聚集， 此时实验室内配置可燃气体浓 度侦测器就显得尤为重要。侦测器可实时监测室内天然 气的浓度， 根据实验室的大小和空间位置， 可在室内布 置多个侦测点位， 避免局部浓度聚集。同时可根据需要 安装火焰侦测器和氧气浓度侦测器， 监测可能会起火的 起火点和高浓度窒息的风险。

　　气体使用过程中， 在多种因素作用下， 仍不可避免 出现气体的泄漏。当发生气体泄漏时， 人为不恰当的应 急措施和处置方式是较大的安全隐患。因此， 对于实验 人员， 熟知开展天然气实验存在的安全风险， 并熟练掌 握应急处置措施是开展实验的必备条件。实验员应具备 甄别气体泄漏的能力， 当气体压力或者浓度变化异常时， 需要停止实验， 关闭气源， 准确识别漏点， 评估漏点的 大小， 并保持室内通风等。如气体泄漏量较大或无法控 制时， 应及时撤出实验室， 采取其他应急措施等， 这需 要建立一套完整的应急处置系统和管理办法来应对极端 情况的发生。天然气介质实验室安全风险评估表如表 1 所示。

　　2 实验室智能安全系统建设与组成

　　为更加安全高效地开展天然气介质实验， 在分析天 然气实验安全风险的基础上， 结合本实验室的基本情况， 研究设计了一套天然气介质实验室安全系统。针对天然 气使用、浓度监测和控制等方面的风险进行了全流程控 制和预防， 主要包括气瓶安全舱系统、气体高压输送系 统、浓度监测系统、排风系统和中控系统等。

　　2.1 气瓶安全舱与气体输送系统

　　高压气瓶一般放置在气瓶柜或气瓶架上， 当使用天 然气/甲烷气气瓶时， 仅使用气瓶柜不能够完全有效避免 使用时存在的安全风险。气瓶安全舱(图 1(a))主要负责 实验室所用天然气瓶的存储和输送， 除了具备常规气瓶 气体输送的功能外， 该设备还采用了自动阀门控制和双瓶供应模式， 一瓶气体用到指定压力后会自动切换至另 一瓶， 可实现气体的持续安全供应。箱体使用防爆金属 材 质， 气 体 输 送 和 阀 门 主 要 采 用 电 脑 面 板 控 制(图 1 (b))， 箱体内具有甲烷浓度探测器、惰性气体吹扫装置 和排风装置， 若监测到气体泄漏， 控制面板会发出指令， 将阀门自动关闭， 然后启动吹扫装置， 将惰性气体注入 箱体内， 通过排风系统排出气体， 使箱体内浓度迅速降 低至安全浓度。

　　气体安全舱系统一般放置在气瓶间内， 通过气体输 送管线将气体输送至实验房间内， 输送管线的系统耐压要超过输送最高压力的 50%， 且每年都必须做气密性和 耐压测试， 以保证输送气体的安全。在输送管线末端配 备压力表和减压阀(图 1 (c))。当室内用气点位较多时， 需要在主管线上配置安全分阀箱(图 1(d))， 将气体分送 到各个实验点位， 分阀箱同样具有压力监测、浓度监测 和泄漏报警等功能。

　　2.2 气体浓度监测系统

　　实验室内气体浓度的实时监测是控制安全风险的关 键环节。无论是在实验室日常运行还是气体泄漏的情况 下， 实验室内气体浓度的监测都是必要的。对于天然气 介质安全实验系统来说， 不但需要在实验房间安装可燃 气体侦测器， 还需要在气瓶间、安全舱、分阀箱、实验 恒温箱等重点设备内安装。侦测器与中控系统相连， 一 旦气体发生泄漏， 侦测到空气中的气体浓度开始上升， 便会立即发出警报， 控制系统关闭进气阀门， 根据侦测 器位置提醒实验员注意报警点位， 然后根据应急预案处 置气体泄漏和报警。根据气体甲烷密度小于空气密度的 特点， 侦测器需要安装在房间顶部， 根据房间面积， 可 设置一个或多个侦测器。对于重点部位， 如排风管道、 输送管道则需要安装泵吸式监测器， 实时监测管道内浓 度。当室内有意外发生时， 安装的火焰探测器能够实时 监测到室内情况。而氧气侦测器则需安装在室内较低的 部分。对于重点实验设备， 如高温高压恒温箱等， 也可 在箱体内安装浓度侦测器， 以实现局部的浓度监测。气 体侦测器如图 2 所示。

　　2.3 排风系统

　　排风是天然气实验室的必备系统。与常规实验室不同， 本文所设计的排风系统处于 24 h 运行状态， 能够随 时保持室内的对外流通状态。同时， 排风系统与中控系 统相连， 当侦测器侦测到气体泄漏时， 控制系统会控制 风机加大排风量， 将泄漏的甲烷气迅速排出室外。对于 重点部位， 如气体安全舱、分阀箱、恒温箱以及对应的 实验设备， 都需要安装排风管道和排风罩， 以实现内部 气体的迅速排出。气体排风系统如图 3 所示。

　　2.4 中控系统

　　中控系统(图 4(a))是整套安全系统的核心部分， 是 连接和控制安全舱子系统、输送子系统、监测和报警子 系统、排风子系统的关键。中控系统通过电路控制柜和 中控软件将各个系统有机连接， 形成一个完整的天然气 介质实验室安全系统， 并在系统显示器上实时显示气瓶 压力、管道压力、各个侦测器的位置和实时浓度、排风 系统的

运行状态以及对应的报警状态等。
　
　中控软件在实现监测功能的基础上， 最重要的是实 现了监测-预警-控制一体的智能化安全管理。监控软件 设定了压力、浓度的预警值和报警值。一旦气体压力或 者浓度超过了正常范围， 达到预警值， 系统就会触发一 系列预警和控制措施。以可燃气体探测器为例， 甲烷气 体的爆炸下限为体积浓度 5%， 因此探测器设计的预警浓 度为安全浓度的 10%， 即当空气中甲烷气的体积浓度达 到 0.5% 时， 中控系统发生黄色预警， 对应房间的警示灯 (图 5) 会发出黄色闪灯， 提醒实验员和安全员气体可能 存在发生气体泄漏。实验员根据侦测器的位置查找原因， 排出隐患， 消除报警。当空气中甲烷气浓度达到安全浓 度的 20% 时， 系统发出红色报警， 红色警示灯闪亮， 同 时发出蜂鸣报警声。中控系统会自动关闭气瓶安全舱的 气路开关， 切断气源供应。同时控制室内和实验房间外 设有紧急按停按钮 (图 5)， 安全员和实验员按下后可以 紧急关闭房间内的气体管路阀门， 切断报警点的气源供应。同时中控系统会控制排风系统加大排风量，待室内浓度降至安全浓度之后， 由实验员和安全员检查漏气原因， 排出隐患，再消除报警， 恢复系统的正常运行状态。

　　图 5 急停按钮和声光报警灯为避免出现断电、停电等情况导致安全系统不能运 行的情况， 配备了不间断 UPS 电源， 可以保持安全系统 在停电期间也能正常运行。为实现全天候有人值守和报警 处置， 安全系统控制终端可与使用单位 24 h 值班室相连。

　　2.5 应用效果分析

　　天然气介质实验室智能安全管理系统已在某实验室 建成并应用， 在应用过程中， 该系统运行状态良好， 针 对各种情况能够控制和报警。设备建成后进行了测试， 气瓶安全舱和每个实验室内部都有甲烷浓度侦测器， 当 甲烷气体泄漏时， 出现报警， 中控系统屏幕上对应的区 域会变为红色， 同时会触发对应实验室外声光报警灯发出灯光和声音提醒。中控系统还会控制气瓶安全舱和分 阀箱自动切断气体输送管路， 加大排风系统中的风机排 风速度， 将泄漏的甲烷气迅速排至室外。气体输送系统 中气体的压力会实时显示在气瓶安全舱、分阀箱和中控 系统的屏幕上， 在气瓶或者驱动气使用过程中， 瓶内压 力会逐渐降低， 当气瓶压力较低时， 会出现报警， 中控 系统屏幕上的对应区域会变为红色， 同时气瓶安全舱上 正常的绿灯会变成报警的黄灯， 也会发出滴滴的提示声 音， 更换气瓶后， 对应的报警会解除， 系统恢复正常。 每个实验室外都有一个急停按钮， 当出现紧急情况时， 若天然气介质实验室智能安全管理系统还未报警， 人为 按下急停按钮会导致远程停机， 当远程停机时会出现报 警， 中控系统屏幕上的对应区域会变为红色同时会触发 对应实验室外声光报警灯发出灯光和声音提醒。天然气 介质实验室智能安全管理系统能够有效解决甲烷气泄漏 等问题， 可以随时查看并提醒气瓶中压力， 除了依靠设 备自身控制外还设置了急停按钮， 出现特殊情况时也能 人为控制， 还配有不间断电源， 在短时间停电的情况下 能够保障系统正常运行。

　　3 实验室安全运行机制建设

　　智能安全系统从物理防范的角度尽可能考虑了天然 气实验过程中的危害因素， 并针对性地设计了各个子系 统， 最大程度上保障了开展天然气实验的安全。但是在 进行物防的同时， 还要建设完善的系统安全运行机制， 提升实验人员的安全管理意识。如果安全意识淡薄、操 作不规范，应急处置措施不掌握，再安全的系统也无法保 障安全。因此， 需要建设完善的安全系统运行管理机制。

　　针对安全系统的运行， 建立管理员、安全员和实验 员的分级管理体系， 分工明确， 各有侧重。管理员负责 实验系统的设计、建设和运行维护， 全面负责实验室的 运行管理和安全。安全员负责安全系统的日常运行维护和应急报警处置， 负责实验室日常安全隐患检查、安全 风险评估和应急处理等。实验员主要负责对应实验设备 和实验房间的实验安全、风险管控和应急处置。需要建 立并完善风险分级管控、隐患排查治理双重预防性工作 机制， 安全员和实验员应根据实验设备和实验的特点， 进行风险辨识、风险评估、划分风险等级、确定风险清 单及其管控措施等， 并绘制相应的安全风险图， 形成风 险分级管控运行机制。

　　针对重点风险和隐患区域， 要形成定期排查和治理 制度。管理员和安全员要采用定期开展月度检查、季节 性排查、节假日前排查以及定期抽查相结合的方式， 对 安全隐患进行排查治理， 对于发现的安全隐患， 要立查 立改， 对于不能及时整改的隐患， 要根据隐患评估， 确 定整改方案和整改措施， 由安全员监督执行。分级管理 和岗位职责如图 7 所示。

　　针对安全系统， 要形成定期运行检查和年度检定制 度， 安全员要每天定时巡视系统的运行状态， 做好记录， 遇到报警要及时处置， 做好记录和备案。对侦测系统的 侦测器、仪器仪表等， 每半年做一次检验标定， 并出具 检定报告。每年对系统进行整体保养和运行测试， 包括 系统整体功能测试、耐压性测试、模拟漏气演练等， 由 专业公司出具年度检验报告和评估报告， 以保证系统的 长期安全高效运行。

　　所有人员均需培训上岗， 对安全系统的原理、构成、 运行状态、报警、应急处置等均熟练掌握， 尤其是管理 员和安全员， 要熟练掌握安全系统的运行管理和应急处 置预案， 实验员要熟知岗位职责、安全风险及应急处置 措施， 每年至少开展一次安全讲座培训和实操演练， 做 到人人懂安全系统， 人人会操作安全系统。

　　4 结束语

　　( 1) 实验室是基础研发和科技创新的策源地。天然 气介质实验室的建设和安全发展对天然气增储上产， 保 障国家能源安全具有重要意义。天然气介质实验室安全 风险和保障措施有其独特性， 要从物防、技防、人防多 个角度多个层面大力发展、完善建设。

　　( 2) 该天然气安全系统中设计了气瓶安全舱和输送 子系统、浓度监测子系统、排风子系统和中控系统， 实 现了天然气使用-监测-预警-控制一体化的安全管理功 能， 从源头管控、实验安全、浓度监控、应急反馈等方 面大幅度降低了实验室安全风险。

　　( 3) 在安全系统实现物防的基础上， 还加强了运行 机制建设和人员防护管理。建成管理员、安全员、实验 员分级管理体系， 加强风险分级管控、隐患排查治理双 重预防性工作机制建设， 最大程度上保障了天然气介质 实验室的安全平稳、高效运行。

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