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[摘要]本文主要介绍了脱险装备配气系统的原理、软件和实验结果，提出了关于脱险装备配气的新概念，其采用对流配气模式，在配气过程中引入自动化控制理念，大大提高了配气效率、配气精度、简化操作、减少操作错误、增大安全系数，相对于传统的直接升压配气模式有很大的优势。
[关键词]直接升压配气模式、对流配气模式、氦氧混合气体配置、氮氦氧混合气体配置
中图分类号：TK413.5 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）31―0004―01
新式脱险装备充配气系统主要用于脱险装具的氦氧、氮氦氧等混合气体配置和氦氧、氮氦氧、氧气、氦气等气体充填。新式脱险装备充配气系统摒弃了传统的直接升压式充配气的模式，根据对流混合原理采用了对流配气模式。对流式充配气模式与直接升压式模式相比不仅充配气效率大幅提高，配比精度高，而且引入自动化理念，简化了操作程序，提升了安全充配气的性能。
一、脱险装备配气系统原理
长期以来，脱险装备配气系统通过控制各种气体压力配比实现混合气体的浓度配比。根据阿伏伽德罗定律（Avogadro’s Law），在气体温度T和气体体积V不变的情况下，气体分子的数量n与气体的压力P成正比，所以在同等环境、同一个容器的情况下，完全可以实行气体压力配比代替混合气体的浓度配比，并且配气压力很容易被实时监控，操作也很简便。但是，在脱险装备充配气中常常应用的模式为通过气体升压泵将氦气、氮气、氧气按照一定的比例直接升压到相应压力后进行混合配置出氦氧、氮氦氧混合气体，这种模式被定义为直接升压配气模式。直接升压配气模式的缺点很多：直接升压配气模式中使用升压泵直接升压，由于升压泵升压不均匀，这就造成了监控的压力值误差很大；升压时因压缩气体行成气体温度升高，经实验证明气体温度在升压过程中上升7～10℃，这不符合实行气体压力配比代替混合气体的浓度配比的条件，导致配气后的浓度比达不到要求；直接升压配气模式中升压泵与混合气体距离很近，中间无安全隔离墙，并且在配气过程中使用助燃性气体—医用氧，充配气时很容易发生重大事故，配气的安全无法保障。
图1脱险装备充配气系统原理图
了解了直接升压配气模式的不足，开发了对流式充配气系统，采用了对流配气模式使脱险装备充配气配比精度更高、充配气效率更高、充配气安全系数增大。对流配气模式分为充气过程、配气过程和控制过程三部分，充气过程是指40L气瓶中三种氧气、氮气、氦气分别通过充气区的氧气升压泵、氮气升压泵和氦气升压泵升压到缓冲区的氧气缓冲瓶、氮气缓冲瓶和氦气缓冲瓶（在混合区和缓冲区之间设置隔离墙，保障充气安全），然后缓冲区的缓冲瓶与配气区的配气瓶进行对流配气。充气过程和配气过程都由计算机控制，计算机可以操控升压泵的启停，通过压力变送器监控充气过程和配气过程的压力变化，通过高压电磁阀操控配气过程。在对流配气模式中引入自动化控制的理念，有助于简化配气操作，减少人员操作错误，增大配气安全系数，提高配气精度，配气效率也大大提高。
二、脱险装备配气系统软件
脱险装备充配气系统是由配气模块、补差模块和人员管理模块组成（如图2）。
图3氮氦氧混合气体配置流程图
配气模块可以分为氮氦氧混合气体配置和氦氧混合气体配置，氮氦氧混合气体配置首先按照混合气体的预设最终压力值和混合气体的浓度比例计算出顺序混合氮、氦、氧三种气体的压力值，然后依据计算出的压力值进行氮气瓶排气、混合氦气和混合氧气的操作，最终混合气体的压力符合预设最终压力，而且混合气体充分混合后检测氧气浓度的误差应在±1%的范围内（如图3）；氦氧混合气体配置与氮氦氧混合气体配置不同，其主要是在现有的氦气瓶中混合氧气而成。
图4缺氧补差和过氧补差流程图
补差模块是指配气过程中混合气体的氧气浓度在±1%的范围外时进行补充氧气或补充氦气的程序。补差模块可分为缺氧补差和过氧补差，缺氧补差是指配置后混合气体的氧气浓度小于该混合气体标准氧气浓度的下限时，对配置后混合气体补充氧气的过程；过氧补差是指配置后混合气体的氧气浓度大于该混合气体标准氧气浓度的上限时，对配置后混合气体补充氦气的过程。下图为缺氧补差和过氧补差的流程图：
人员管理模块主要管理配气人员的姓名、密码、工作单位和使用权限，同时人员管理模块通过对配气人员的管理，杜绝了非专业配气人员错误使用配气设备造成重大事故的隐患。
三、脱险装备充配气系统实验结果
脱险装备配气系统的实验以氮氦氧混合气体配置为实验主体，2010年9月至10月期间完成了18次氮氦氧混合气体配置实验，终压都为15Mpa，并且同时配置两瓶混合气体，配置后将两瓶混合气体充分的混合，使用控氧仪检测混合气体中氧气浓度（标准氧气浓度为24%～26%）。
以下为氮氦氧混合气体配置实验结果，见图5。
图5氮氦氧混合气体配置实验结果图
从图5中显示了18次实验耗时都在120s～150s范围内，而采用直接升压配气模式配置氮氦氧混合气体需耗时都在180s以上；18次配置的氧气浓度中16次氧气浓度符合标准，2次配置的氧气浓度分别为26.1%和23.2%已超出了标准。依据实验记录，可以发现其问题所在：配置氮氦氧混合气体过程中高纯氮气瓶作为配气瓶常常承装混合气体（包括氧气），所以使用完后的配气瓶需清洗后重新充填高纯氮气。但是往往高纯氮气瓶中存在少量的氧气，配置混合气体的氧气浓度为26.1%的实验中高纯氮气瓶含有氧浓度高达1.4%的氧气，造成了配气结果超出了标准。配置混合气体的氧气浓度为23.2%的实验中配气瓶因长期反复使用，瓶口螺纹磨损严重，在配置混合气体过程中配气瓶口微微泄露，随着压力越高，泄露的情况越严重，最后混合氧气时气体压力达到15Mpa，泄露情况最严重并且泄露的氧气最多，造成了配置混合气体的氧气浓度低于标准。
四、结束语
脱险装备配气系统的原理、软件和实验结果阐述了脱险装备配气系统采用对流配气模式，并且积极地引入自动化控制的理念，相较于传统的直接升压配气模式具有很大的优势。
[关键词]直接升压配气模式、对流配气模式、氦氧混合气体配置、氮氦氧混合气体配置
中图分类号：TK413.5 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）31―0004―01
新式脱险装备充配气系统主要用于脱险装具的氦氧、氮氦氧等混合气体配置和氦氧、氮氦氧、氧气、氦气等气体充填。新式脱险装备充配气系统摒弃了传统的直接升压式充配气的模式，根据对流混合原理采用了对流配气模式。对流式充配气模式与直接升压式模式相比不仅充配气效率大幅提高，配比精度高，而且引入自动化理念，简化了操作程序，提升了安全充配气的性能。
一、脱险装备配气系统原理
长期以来，脱险装备配气系统通过控制各种气体压力配比实现混合气体的浓度配比。根据阿伏伽德罗定律（Avogadro’s Law），在气体温度T和气体体积V不变的情况下，气体分子的数量n与气体的压力P成正比，所以在同等环境、同一个容器的情况下，完全可以实行气体压力配比代替混合气体的浓度配比，并且配气压力很容易被实时监控，操作也很简便。但是，在脱险装备充配气中常常应用的模式为通过气体升压泵将氦气、氮气、氧气按照一定的比例直接升压到相应压力后进行混合配置出氦氧、氮氦氧混合气体，这种模式被定义为直接升压配气模式。直接升压配气模式的缺点很多：直接升压配气模式中使用升压泵直接升压，由于升压泵升压不均匀，这就造成了监控的压力值误差很大；升压时因压缩气体行成气体温度升高，经实验证明气体温度在升压过程中上升7～10℃，这不符合实行气体压力配比代替混合气体的浓度配比的条件，导致配气后的浓度比达不到要求；直接升压配气模式中升压泵与混合气体距离很近，中间无安全隔离墙，并且在配气过程中使用助燃性气体—医用氧，充配气时很容易发生重大事故，配气的安全无法保障。
图1脱险装备充配气系统原理图
了解了直接升压配气模式的不足，开发了对流式充配气系统，采用了对流配气模式使脱险装备充配气配比精度更高、充配气效率更高、充配气安全系数增大。对流配气模式分为充气过程、配气过程和控制过程三部分，充气过程是指40L气瓶中三种氧气、氮气、氦气分别通过充气区的氧气升压泵、氮气升压泵和氦气升压泵升压到缓冲区的氧气缓冲瓶、氮气缓冲瓶和氦气缓冲瓶（在混合区和缓冲区之间设置隔离墙，保障充气安全），然后缓冲区的缓冲瓶与配气区的配气瓶进行对流配气。充气过程和配气过程都由计算机控制，计算机可以操控升压泵的启停，通过压力变送器监控充气过程和配气过程的压力变化，通过高压电磁阀操控配气过程。在对流配气模式中引入自动化控制的理念，有助于简化配气操作，减少人员操作错误，增大配气安全系数，提高配气精度，配气效率也大大提高。
二、脱险装备配气系统软件
脱险装备充配气系统是由配气模块、补差模块和人员管理模块组成（如图2）。
图3氮氦氧混合气体配置流程图
配气模块可以分为氮氦氧混合气体配置和氦氧混合气体配置，氮氦氧混合气体配置首先按照混合气体的预设最终压力值和混合气体的浓度比例计算出顺序混合氮、氦、氧三种气体的压力值，然后依据计算出的压力值进行氮气瓶排气、混合氦气和混合氧气的操作，最终混合气体的压力符合预设最终压力，而且混合气体充分混合后检测氧气浓度的误差应在±1%的范围内（如图3）；氦氧混合气体配置与氮氦氧混合气体配置不同，其主要是在现有的氦气瓶中混合氧气而成。
图4缺氧补差和过氧补差流程图
补差模块是指配气过程中混合气体的氧气浓度在±1%的范围外时进行补充氧气或补充氦气的程序。补差模块可分为缺氧补差和过氧补差，缺氧补差是指配置后混合气体的氧气浓度小于该混合气体标准氧气浓度的下限时，对配置后混合气体补充氧气的过程；过氧补差是指配置后混合气体的氧气浓度大于该混合气体标准氧气浓度的上限时，对配置后混合气体补充氦气的过程。下图为缺氧补差和过氧补差的流程图：
人员管理模块主要管理配气人员的姓名、密码、工作单位和使用权限，同时人员管理模块通过对配气人员的管理，杜绝了非专业配气人员错误使用配气设备造成重大事故的隐患。
三、脱险装备充配气系统实验结果
脱险装备配气系统的实验以氮氦氧混合气体配置为实验主体，2010年9月至10月期间完成了18次氮氦氧混合气体配置实验，终压都为15Mpa，并且同时配置两瓶混合气体，配置后将两瓶混合气体充分的混合，使用控氧仪检测混合气体中氧气浓度（标准氧气浓度为24%～26%）。
以下为氮氦氧混合气体配置实验结果，见图5。
图5氮氦氧混合气体配置实验结果图
从图5中显示了18次实验耗时都在120s～150s范围内，而采用直接升压配气模式配置氮氦氧混合气体需耗时都在180s以上；18次配置的氧气浓度中16次氧气浓度符合标准，2次配置的氧气浓度分别为26.1%和23.2%已超出了标准。依据实验记录，可以发现其问题所在：配置氮氦氧混合气体过程中高纯氮气瓶作为配气瓶常常承装混合气体（包括氧气），所以使用完后的配气瓶需清洗后重新充填高纯氮气。但是往往高纯氮气瓶中存在少量的氧气，配置混合气体的氧气浓度为26.1%的实验中高纯氮气瓶含有氧浓度高达1.4%的氧气，造成了配气结果超出了标准。配置混合气体的氧气浓度为23.2%的实验中配气瓶因长期反复使用，瓶口螺纹磨损严重，在配置混合气体过程中配气瓶口微微泄露，随着压力越高，泄露的情况越严重，最后混合氧气时气体压力达到15Mpa，泄露情况最严重并且泄露的氧气最多，造成了配置混合气体的氧气浓度低于标准。
四、结束语
脱险装备配气系统的原理、软件和实验结果阐述了脱险装备配气系统采用对流配气模式，并且积极地引入自动化控制的理念，相较于传统的直接升压配气模式具有很大的优势。