气瓶充装方式思考与创新

朱龙居 沈 锋 史江莹

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院 扬州 225003）（2.扬州大阳日酸半导体气体有限公司 扬州 211417）（3.扬农化工集团有限公司化设分厂 扬州 225003）

笔者从事气瓶充装相关工作多年，对气瓶充装方面有一些自己的看法和理解。本文讨论压缩气体（也称永久气体）与液化气体的充装，不涉及其他种类气体（比如溶解气体）及车用气瓶的充装。2014版《气瓶安全技术监察规程》（以下简称《瓶规》）以及气体充装标准对这两类气体充装有明确的规定，比如2014版《瓶规》以及气体充装标准都规定高（低）压液化气体采用逐只称重的方式进行充装。笔者认为这个规定值得商榷。

1 气体充装方式及工艺设备

2014版《瓶规》6.5.2款规定：充装压缩气体应严格控制充装量，充装后气瓶在20℃时压力不得超过气瓶的公称工作压力[1]。这与1989版、2000版《瓶规》的规定相一致[2-3]；GB 14194—2006《永久气体气瓶充装规定》第5.5款规定：国产气瓶充装的各种常用永久气体，其气瓶的最高充装压力不得超过表格的规定（表格略）[4]。这种充装量依靠压力控制的充装方式，本文称之为计压充装。根据《瓶规》以及气体充装标准，压缩气体（也称永久气体）充装采取计压充装。

2014版《瓶规》6.5.3款规定：充装高（低）压液化气体应采用逐瓶称重的方式进行充装[1]。这与1989版、2000版《瓶规》的规定相吻合[2-3]；GB 14193—2009《液化气体气瓶充装规定》第5.8、5.1规定：液化气体充装量必须精确计量，充装计量衡器应保持准确，其最大称量值不得大于气瓶实际质量（包括气瓶质量和充液质量）的3倍，也不得小于1.5倍[5]。这种充装量依靠重量控制的充装方式，称之为称重充装。很显然，根据《瓶规》以及气体充装标准，高压液化气体充装应采取称重充装。

充装方式不同，充装所采用的设备、仪器仪表也不同。计压充装在充装排上应装设相适应的压力表；称重充装除装设相应的压力表外，还必须设置2台计量衡器，其中充装衡器应有超装报警或自动切断气源的连锁装置。很明显称重充装所需的计量设备要比计压充装多且烦琐复杂，具备超装报警或自动切断气源连锁装置的易燃易爆气体充装衡器价格也不菲。

计压充装时在充装排上可以直接读出充装时压力；另外压力表可随身携带，只要连接压力表并打开瓶阀就可复核充装量。称重充装时必须要将气瓶移动至充装衡器上，复核充装量时还必须将气瓶从充装衡器移动至复称衡器上。这个移动过程，容积稍大的气瓶需要借助起吊设备；普通的40L工业气瓶大多数女性操作人员无法单独完成。因此从测量过程上讲，计压充装要比称重充装简捷方便。那么高压液化气体是否可采用计压充装。

2 瓶装气体的分类及其对充装方式的影响

1989版《瓶规》把气体类别划分为：压缩气体（永久气体）（tc＜-10℃）、高压液化气体（-10℃≤tc≤70℃）、低压液化气体（tc＞70℃），其中tc为气体介质的临界温度（下同）[2]。

2000版《瓶规》除了把压缩气体改称为永久气体外，其余完全与1989版《瓶规》一致[3]。但是2014版《瓶规》在气体分类上与前两版相比，有明显的不同。

2014版《瓶规》把气体类别划分为：压缩气体（也称永久气体）（tc≤-50℃）、高压液化气体（-50℃＜tc≤65℃）、低压液化气体（tc＞65℃）等[1]。

与前两版相比，2014版《瓶规》调整了压缩气体与液化气体的划分界限，从tc＜-10℃调低至tc≤ -50℃[1]。

《瓶规》及气体充装标准对压缩气体、液化气体规定了不同的充装方式。由于2014版《瓶规》调整了压缩气体与液化气体的划分界限，必然会导致一部分气体要改变充装方式。临界温度在-50～-10℃之间的气体在2014版《瓶规》实施之前被划分为压缩气体，采用计压充装；但在2014版《瓶规》实施之后被划分为液化气体，必须采用称重充装，比如三氟化硼（临界温度为-12.25℃）。充装方式颠覆性变更对气瓶充装企业影响很大。三氟化硼气瓶在2014版《瓶规》实施之前采用的计压充装安全？下面再从理论上对这个问题进行分析。

3 实际气体状态方程

只要瓶内压力与瓶内气体充装量的关系一一对应且能表达出时，就可用瓶内压力来表征瓶内气体充装量即计压充装。

非满液时，在液化气体临界温度之下，瓶内压力只与温度相关而与瓶内气体充装量无关，因此不能采用计压充装；在临界温度之上，体积、温度不变时瓶内压力随瓶内气体充装量增加而增大，其之间关系可以用实际气体状态方程来表达，因此理论上可以采用计压充装。

科学家们通过对理想气体状态方程修正，得到了上百种实际气体状态方程，其中著名的有范德华方程、R-K方程、S-R-K方程、我国科学家严家禄提出气体通用状态方程、我国科学家候虞钧提出的M-H方程等。

这些方程都有各自的应用范围，比如我国科学家提出的方程可用于高精度计算。但由于R-K方程公式简单，精度也高，所以在工程应用中最为广泛。《天然气计量系统标方计算的数学建模》介绍：基于R-K方程的压缩系数Z实际求解误差为0.1%[6]；《气体压缩因子Z的在线修正与单片机实现》介绍：基于R-K方程，通过优化算法求解得到的压缩因子Z，可用于气体流量高精度计量，其误差优于±0.5%[7]。本质上压缩因子（实际状态体积与理想状态体积之比）、气体流量描述的都是介质的体积，体积的偏差会导致计算瓶内介质密度时产生误差，0.5%体积的偏差导致的瓶内介质密度计算误差约为0.5%。实际上充装系数就是充装后瓶内介质密度。综上所述，基于R-K方程的计压控制充装，其充装系数误差约为0.5%。其实就算是1%的误差，在工程上笔者认为都是非常满意的。另外，本文重点讨论的是高压液化气体计压充装的可能性与可操作性而不是精度，如对R-K方程的精度不满意，还可以用其他多参数方程针对特定介质或特定温度点进行高精度计算，比如我国科学家提出气体通用状态方程、M-H方程。R-K原始方程如下：

式中：

R——气体常数，8.314Pa·m3/(mol·K)；

Tc——介质的临界温度（绝对温度），K；

Pc——介质的临界压力（绝对压力），Pa；

P——瓶内压力（绝对压力），Pa；

T——瓶内温度（绝对温度），K；

Vm——摩尔体积，表示1mol介质所占的体积，对于按规定要求充装的高压液化气体气瓶，

R-K方程能否在充装实际应用可通过实践进行验证。表1是扬州大阳日酸半导体气体有限公司经过实测并在工作中使用的温度、压力、重量对照表（硅烷），表1中压力的单位为Psig(磅/平方英寸，表压。1Psig=0.00689MPa)，表1对应的充装工况如下：一次同时充装12只钢瓶，充装时间不小于3h。通过表1可以对R-K方程的计算结果进行验证分析，分析方法：以表1中的数据为基准，把表1中瓶温、压力作为已知数代入R-K方程中反求重量（充装系数×47L），反求出的重量与表1中相应的基准重量进行比较分析。取表1中重量为12kg对应的数据进行验证分析，验证分析结果见表2。R-K方程计算时硅烷相关参数按《Matheson气体数据手册》选取，其中摩尔质量取32.117g、临界温度取269.7K、临界压力(绝对压力)取4.84MPa（下同）[8]。从表2可知最大误差小于0.3%。非常小的误差表明R-K方程的计算结果完全可以接受、完全可以在充装中实际应用。

气瓶按规定充装系数充装后，通过R-K方程可计算出不同温度下（临界温度之上，下同）的瓶内压力；反之，根据计算出的不同温度下瓶内压力亦可控制气瓶的充装系数、充装量。以硅烷为例，其计算结果见表3，计算中充装系数取0.3kg/L[1]。根据表3，完全可以对硅烷实行计压充装。

表1 硅烷在不同温度下压力、重量对照表（钢瓶容积47L）

表2 R-K方程的计算结果误差分析

表3 公称压力15MPa硅烷瓶不同温度下的最高充装压力(表压)

4 建议

临界温度之上高压液化气体实行计压充装后，可以降低劳动强度、提高工作效率、减少设备投资，更重要的是三氟化硼这些受分类调整影响的气体不再需要颠覆性变更充装方式。实践创新离不开规范标准的创新，离开了注定是违法违规，因此需要对2014版《瓶规》、气体充装标准的相关内容进行修改。建议2014版《瓶规》6.5.3款再增加一个小款：当充装温度高于临界温度时，高压液化气体亦可按压缩气体实行计压充装，并按压缩气体充装要求进行充装量复核。

[1]TSG R0006—2014 气瓶安全技术监察规程[S].

[2]1989 气瓶安全技术监察规程[S].

[3]2000 气瓶安全技术监察规程[S].

[4]GB 14194—2006 永久气体气瓶充装规定[S].

[5]GB 14193—2009 液化气体气瓶充装规定[S].

[6]田一华，魏凯丰，王慕坤．天然气计量系统标方计算的数学建模[J]．哈尔滨理工大学学报，2002，7(05)：50-52.

[7]胡敏，李成贵，田宏杰．气体压缩因子Z的在线修正与单片机实现[J]．传感器世界，2002（10）：10-13.

[8][美]卡尔L·约斯．Matheson气体数据手册[M]．陶鹏万等译．北京：化学工业出版社，2003：735.