气体分配系统

气体分配系统简介

什么是气体分配系统？

气体分配系统是由专业的元件组成的相互连接的组合，—包括调压阀、软管、卡套管、接头、 阀组和阀门—，将气体从一个或多个高压源输送到指定的使用点。

它们会在哪里被使用？

经常使用大量工业气体的设施使用 GDS 从使用点管理其接入。通常采用 GDS 的 设施的示例包括：

• 现场实验室（如样品验证）
• 工业运营（如分析器外壳）
• 研究设施（如商业研发、政府、大学设施）
• 化学和气体公司（如石油、包装）
• 医疗机构

为什么使用它们？

使用 GDS 的设施可以从这些系统的四类性能中认识到巨大的价值：

如何使用它们？

除了提供管理气体供应的离散接入点的直接型功能外，GDS 的重要性在于它对关键运营功能的支持，包括以下能力：

• 安全地输送活性、毒性和腐蚀性气体，而不发生危险泄漏
• 以指定的压力在一定的流量范围内将气体输送到使用点
• 防止关键气体供应出现计划外的中断
• 处理高成本、高纯度的气体而不受污染或损失

克服气体分配的挑战

旧有系统与新系统

在为气体分配系统设计合适的 运营和维护时，应将支持 旧有 GDS—（也许是在 目前的运营和支持团队任期之前 安装的）—时遭遇的挑战与新装置的需求相比较。 虽然这两个类别之间存在相似之处， 但由于存在差异，在处理性能和维护问题时， 就有必要改变解决问题的优先次序和重点。

旧有系统

负责运营和维护旧有 GDS 工程师、管理人员和技术人员会经常 遇到主要因其起源和设计产生的障碍。在 许多情况下，该系统是由气体供应商免费提供给客户的。虽然 便利，但这些系统可能没有根据具体的应用需求对 长期性能进行优化。挑战可能会由于以下原因出现：

• 一刀切式的方法
• 元件选择方案有限
• 所提供的接头’在经常性的维护中容易磨损
• 符合监管和性能要求的材料选择
• 优化和故障排除支持有限

没有准确的文件，即使是其规格经过深思熟虑的旧有系统 也可能会给支持和运营团队带来挑战。特别是较老式的设计， 往往没有足够的标签，而且不如现代的同类设计直观。没有 合适的图表，就很难确定即使是日常维护或 修理也不会使系统处于性能受损或完全失灵的 状态。

当系统功能被扩展到起初的范围之外时，这些问题就会复杂化， 因为加入了更新的元件—，而这些元件往往来自 最初设计中使用的供应商。这些问题的累积效应会让工程师 和管理人员始终感到他们’继承了别人’ 无法管控的问题。因此，即使是检漏和维修工作也可能会因为 结果或预期成本的不确定性而最终被搁置或不被优先考虑。

新系统

在探讨了一些与运营中的旧有气体分配系统有关的挑战之后，让’我们来看看与 新系统设计相关的性能需求。了解这些—既适用于对遗留问题的补救， 又适用于对新系统的妥善规范—的要求，将有助于确定如何能够很好地将可靠性和性能带到这两个方面。

对于一个设计良好的 GDS 预期要有的四类性能（安全性、资源节约、正常运行时间和成本）中的 每一类，通过在三个主要方面的努力，可以更好地实现这些性能：主题教育、适当的元件 选择和专业咨询。

提高安全性

无论其可燃性或易燃性如何，任何逸出 分配系统的气体都是一种潜在的安全风险。即使是像 氮气这样的惰性气体，因为大气中的氧气含量在封闭的空间内 会被置换到一个危险的程度，所以可能会造成窒息的危险。毒性 和活性气体一旦泄漏，威胁甚至更大。

接头和防火

只要燃烧所需的三种成分 出现在同一地点，火灾就会成为 一个非常严重的危险：燃料、热量和氧气 （如“火灾三要素”图所示）。虽然 去除这三种成分中的任意一种都可以防止燃烧，但在气体分配中必须始终注意 可能发生的火灾。例如，来自泄漏的接头中的未被检测到的氢气或氧气浓度 可能会产生危险的可燃条件。

只要有可能，就应向系统设计师、管理人员和用户 灌输消防意识和提供培训计划。与所分配的特定 气体相关的法规和优秀实践应始终得到彻底审查， 并纳入政策和准则中—，同时对其实践进行 定期审计—，以确保对危险物质的 妥善处理。负责分配系统设计的个人应 接受正确处理所有潜在有害气体的教育，并应在 设计文件中注明何处以及为何在系统设计中 纳入安全功能。

通过选择设计良好的接头，它们更耐磨损，可以 显著减少泄漏的可能性，从而降低通常与分配活性气体 和惰性气体相关的风险。选择具有正确尺寸和材料组成的调压阀， 同样可以解决与超压条件 有关的风险。仔细选择这些元件 不仅有助于保障人员的安全和健康，而且 还可以降低可能面临的次要风险；监管处罚和/或 系统故障引起的负面宣传效果。正确的元件选择也对 系统的性能和寿命有很大的帮助。

为了彻底解决安全关切，在整个系统的设计和落实过程中， 应咨询专业研究与气体分配有关的潜在危险的专业人士。特别是在处理 旧有分配系统时，应让那些有能力进行彻底的泄漏检测的专家参与进来，对任何可能的危险 进行识别、分类和优先次序处理。

节约时间和资源

对整个系统的压力进行精确的、可预测的 以及可靠的控制，是一个设计良好的 GDS 有助于有效利用 设施’资源的主要手段。压力管理元件不匹配通常会导致 系统效率低下，对故障排除的需求增加，并对质量或工艺输出 产生负面影响。

系统元件的行为

对各种调压阀如何相互作用以维持整个 GDS 的压力的功能性理解， 对系统的妥善设计至关重要。虽然 GDS 通常被认为不过是各种阀门通过卡套管将其连接到钢瓶上的集合， 但实际情况要复杂得多，偶尔还会出现严重的 误解。例如，设想一种名为“供压效应” (SPE) 的现象。

当一个加压气瓶将其内容物排入一个经过压力调节的分配系统时，进口处的压力也随之下降。如果 被问及对进口处压力的预期影响，典型的回答是在系统的那一端会有相应的 压力下降。

然而在出现 SPE 后，出现了相反的情况：当进口处的压力随着气缸的耗尽 而下降时，出口处的压力反而会上升—， 这个结果非常反直觉，往往会让人惊讶。可以理解的是，如果没有 关于 SPE 的工作知识，这种现象可能会导致混淆，甚至会 让人以为一个或多个系统’元件发生了故障。 毫无必要地进行故障排除，而且浪费了时间。

为了应对 SPE，可以采取几种方法，其中之一是单纯手动将 出口压力重置到所需水平，以应对这种效应。然而，这种方法 在所有低使用量的应用中都是低效且难以处理的。

手动重置的一个替代方法是选择并安装一个“平衡提升阀芯” 调压阀—，它可补偿出口压力，被用以抵消 进口压力下降对特殊设计的提升阀芯组件的影响。

另一种替代方法是将第二个调压阀—与第一个调压阀并列，或将两个调压阀装在 一个集成式外壳—中，用以抵消上游调压阀的 SPE，并由下游调压阀反转其 主要影响。这种配置被称为二级调节。

鉴于 SPE 例子，不难’看出为什么对调压阀功能的理解对于正确的 GDS 设计而言至关重要。 类似的考虑对于理解其他元件的作用也很重要，如背压调压阀—， 如果整合不当，可能会在无意中损害系统中其他调压阀的功能或使其失效。行业领导者和教育者 提供的培训计划可以被有效地用于令工程师和管理人员正确了解这种性质的 设计与功能考量。

除了了解调压阀的行为，熟悉其性能特点也很 重要。这些特点以图表的形式表示，称为“流量曲线。”

流量曲线

调压阀控制压力。下游阀门控制流量，—即每秒钟流经调压阀的气体的体积测量。 每个调压阀都有一个对应的流量曲线 ，可描述调压阀如何有效地维持出口压力（图中的 Y 轴），以应对阀门打开和关闭时发生的流量变化（图中的 X 轴）。如图所示， 流量和可维持出口压力之间的关系成反比：当流量增加时，出口压力下降， 反之亦然。

仔细观察该图可发现，在 X 轴上有一个宽广的范围，在其中流量的变化会导致可维持压力相对平缓（或 “扁平”）的变化。该区域代表了调压阀的“理想工作范围”，即在该范围内的 系统条件下，它可以有效地控制出口压力。该区域的斜率被称为“衰减，”，会呈现出一条完全平坦的 水平线，但这是一种假设，现实中无法实现的理想情况。

曲线的两端也有一些范围，在其中即使流量的微小变化也会导致可维持压力的急剧变化。 在图表的左侧，曲线的陡峭区域被称为“阀座负载下降”或“锁定，”在此范围中流量非常低， 其中下游阀门几乎关闭。在图表的右侧，曲线的陡峭区域被称为“阻 流，”在此范围中流量很高，下游阀门处于或接近完全打开位置。这些是调压阀无法 对压力进行可靠控制的流量域。

通过为给定的“设定压力”（调压阀开始工作时的压力）选择适当的流量曲线，并对 温度、进口压力和在用气体的比重进行调整，预期的应用流量需求可用于 选择能够可靠维持所需压力的调压阀。

元件选择

一旦了解了所需的性能特点（即流量与压力），即可选择合适的调压阀，用于 四类可定制气体面板子系统中的任何一类，这些子系统通常由性能良好的 GDS 组成。

• 气源进口
• 自动切换装置
• 初级气体压力控制
• 使用点

气源进口

气源进口是系统的“起点”，是 高压气源（通常以加压钢瓶的形式） 进入 GDS 的一个点。这些可以 与适当—的辅助元件（如过滤器、软管/卡套管等） 一起进行配置，—用于一个或多个输入 源，其形式因素从单面板到 可容纳多个钢瓶的较大型阀组。

自动切换装置

自动切换系统可从一种气源无缝切换到另一种气源，以确保不间断供应。这是 通过两个调压阀的交错设定点实现的，从而使系统在更换主要气源时 可以继续运行。

初级气体压力控制

初级气体压力控制位于系统“中部”，为气源进口供给的高压气体 提供初始减压。这可以采取单级或多级调压阀的形式，控制下游 系统段的供气。

使用点面板

使用点面板代表“管线的末端，”是向 GDS 支持的应用提供经调压的气体 关键的最后阶段。使用点面板通常至少为操作人员提供一个调压阀、一个压力表和一个隔离 阀，以精确调节压力来满足应用的需要。

由专门从事气体分配开发的专业人士提供的指导可以迅速为 正确理解和选择调压阀的过程带来信心。通过“第一次设置”就将调压阀安置妥当，就可以将不必要的 资源支出—，包括测试材料、设计资源和人员工时—降低。

专业咨询在正确定制和/或为所选元件装配附件这方面也是有用的。例如，在处理 高压或危险气体（如氧气）时—，气源进口可能需要专门的连接元件—，通常使用 特殊材料组成。

增加正常运行时间

GDS 的价值能够被人很容易地理解的一个实际领域是它对 正常运行时间的帮助。通过将高性能、高质量、易维护的元件 集成到系统设计中，可以在几乎没有 计划外中断的情况下向关键应用—（如分析仪）—提供经过调压的气体。

对系统设计师和管理人员进行调压阀功能方面的培训，可以使他们 直观地掌握元件的功能，即使在更换气源时，也能够实现 气体流动的无缝连续性。此外，通过对系统设计师和管理人员进行妥善的元件特性方面的 教育，他们将有能力纳入需要 较少离线维护的元件。

对不间断运行很有帮助的一个元件是 切换装置，特别是 自动切换装置。切换装置是一个专门化的进口面板， 它允许两个气源连接一个分配系统， 这样当一个钢瓶耗尽其内容物时， 另一个钢瓶就会立即投入使用以提供作业的连续性。 自动切换装置可执行这种气源替换 而不需要人工干预。

通过咨询专门从事气体分配系统设计和运作的 专业人士，可以对影响正常运行时间的问题 培养出清晰的认知。与经验丰富、 训练有素的专家合作，根据元件对正常运行时间的 助益进行识别和分类，使得设计师能够 更好地关注那些可降低维护频繁程度的 需求的功能。

降低成本

重要的是，一个良好设计的 GDS 能够降低运营成本。如前所述，选择使用适合应用的材料的高可靠性元件， 可以大大减少日常维护和检查的频率，并减少 可能的计划外维护需求。此外，将妥善的过滤和精确的压力控制相结合，可有助于确保 应用产出不受污染或偏离工艺规范的影响。

妥善的培训可以帮助管理人员和系统设计师更好地 将他们的工作与影响成本的系统运营的各个方面 相结合。了解直通过滤和材料科学等问题 如何潜在地影响系统性能和 下游质量，可有助于避免计划外开支。设计 选择，如包括小型化螺纹连接的模块化面板， 可以减少潜在的泄漏点，这能够影响 整体成本。在与气体分配相关的材料科学的 各个方面进行培训，同样有助于避免因 材料使用不当产生的开支。

在针对分配系统中的包含物选择元件时， 应始终注意将耐用性是否经过验证作为选择考量， 并与预期的性能特点和材料要求进行细致匹配。例如，当调压阀在 设计初衷之外的进口压力下使用，流量曲线会急剧恶化。同样，某些气体 只应与具有适当化学成分的元件一起使用，并与预期的温度和气源压力精确 对标。

总结

当涉及到气体分配系统时，每一个好的解决方案都是定制解决方案。无论是设计一个新的 GDS，还是修复一个旧有的 系统，都必须仔细关注基础设施和应用中特有的运营挑战。

了解各种 GDS 配置和元件的细微差别可帮助组织提高安全性、节约资源、 增加正常运行时间，并最终降低成本。

即使有高质量的元件在手，任何给定应用的流量需求加上进口气源、 各种类型的调压阀和应用使用点出口之间的相互作用，都需要在设计一个运作良好和可持续的解决方案之前 对 GDS 的功能有全面的了解。

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