可燃氣體監測系統在地下燃氣管道泄漏監測中的應用

張筱浣

（廈門華潤燃氣有限公司，福建 廈門 361000）

城市地下燃氣管道發生爆炸的事故易造成人身傷亡和財產損失。為切實加強城市地下燃氣管線安全管理，確保地下燃氣管線安全運行，廈門公司通過建立地下可燃氣體在線監測系統，在市內燃氣管道重要位置安裝地下可燃氣體監測終端設備，對燃氣泄漏、水位等情況進行遠程監測，監測信號通過無線信號傳輸至監控后臺。地下可燃氣體監測終端設備安裝環境具有易燃易爆、高溫、高濕、臟污等特點。

1 常用催化燃燒式可燃氣體監測設備工作原理

可燃氣體測定器是構成地下可燃氣體監測終端設備的主要部件，日常用于監測甲烷濃度較多的有催化燃燒型可燃氣體測定器和半導體型可燃氣體測定器兩種類型。以常用的催化燃燒式可燃氣體測定器為例，其測量甲烷濃度的關鍵部分是該儀器的載體催化元件。催化燃燒型甲烷測定器載體催化元件檢測甲烷濃度的原理如圖1。

圖1 檢測甲烷濃度原理圖

圖中，電橋橋臂中R1為檢測元件（又稱為催化元件），R2為補償元件。工作時，工作電流流過橋路，如無甲烷存在時，檢測元件與補償元件處于相等的溫度條件之下R1=R2，這時由R1、R2、R3、R4等構成的電橋處于平衡狀態，橋路平衡條件R1/R2=R2/R4成立，電橋的輸出端Vout=0。R0為零點微調電阻，主要用于調整儀器零點，消除原發性誤差，使無甲烷泄漏狀態下，電橋平衡輸出電壓為零。當有甲烷氣體存在時，元件處在可燃氣體環境中，在催化作用下，甲烷在檢測元件R1表面發生無焰燃燒，產生熱量Q，其反應方程式為：

反應產生的熱量Q使檢測元件本身溫度上升。檢測元件鉑絲是電阻溫度系數很高的熱敏材料，檢測元件的溫度增量ΔT，將引起其電阻增量ΔR，即元件阻值增大，而補償元件不與甲烷起反應，用于補償電流、風速與環境溫度的變化的影響，從而提高儀器零點穩定性和抗干擾能力。因此，補償元件表面溫度沒有出現上述變化，仍保持不變，故電阻值不變。檢測電阻阻值發生了變化而補償電阻阻值不變，破壞了R1/R2=R2/R4的平衡條件，橋路輸出Vout≠0，有信號輸出，輸出大小與測量電阻阻值變化大小有關，電阻阻值的變化大小與檢測元件溫升有關，溫升大小又與甲烷濃度含量大小有關，因此可以實現對甲烷濃度大小的檢測。圖中補償電阻R2’并聯在補償電阻R2上，是為了補償檢測元件R1和補償元件R2熱學性質上的差異，改善電橋的零點漂移。

2 提出進行地下燃氣管道泄漏監測初衷

廈門市燃氣管道始建于20世紀80年代，所用管材多為鑄鐵管，輸送的介質為人工煤氣（氣質較濕潤），后因西氣東輸工程逐步推進，2009年，廈門正式開啟天然氣時代，由人工煤氣轉換為天然氣。天然氣氣質干燥，這使得鑄鐵管法蘭接頭的橡膠密封圈部位因橡膠收縮變干失去可壓縮性和回彈性，導致法蘭間隙變大易發生泄漏，存在極大的安全隱患。為此，廈門公司從2013年陸續開始鑄鐵管改造計劃，將鑄鐵管全面改造更新為鋼管或PE管，2017年開始大幅度推進工程進展。但由于大部分鑄鐵管地處交通要道，需協調交通管理部門，辦理破路相關手續，影響了鑄鐵管的改造進度。因此，在鑄鐵管改造前，加強對管道泄漏監測尤為重要，如果仍采用人工巡檢等傳統方式進行日常管理，這樣的管理模式和管理手段已無法滿足“科學管理、安全運營”的要求。未來燃氣管線的安全運營需要一種更為方便、及時的方式，實現管網監測、管網維修、管網分析、管網決策的自動化和科學化。

3 系統方案設計

3.1 系統需求

廈門公司主要從安全角度出發，著重考慮監測系統需具備探測閥井燃氣濃度、井內水位監測、井蓋開關報警、電池低電量報警功能，監測到的數據以短信方式上傳至監控后臺，實現數據的統一處理。根據實際需求，就地監測終端的位置多選擇在市政交通要道地下燃氣閥門井內以及燃氣管道與電線、通信線路、市政污（雨）水管道交界處窨井內，一期建立30個試點，未來根據實際情況再增加。

3.2 系統方案確定

廈門公司最終選用了山東某公司的IDC473燃氣閥門井監測系統，該監測系統由監控后臺和可燃氣體就地監測終端組成。監控后臺安裝該司自主研發的Induview閥井監測軟件，每個地下閥井安裝1臺IDC473燃氣閥井監測終端。當空氣中的可燃氣體濃度達到或超過設定值時，將以GSM短消息的形式傳至控制中心，并顯示氣體濃度值，地理位置，隨即發出聲、光報警信號，值班人員接到報警后，通知搶修人員趕赴現場查看并采取搶修措施，避免重大事故發生。

由于系統采用開放式設計，用戶未來還可以根據實際需求，借助客戶端和移動端完成數據的遠程訪問功能，監測系統網絡圖如圖2所示。

圖2 監測系統網絡圖

3.3 就地監測終端構成及安裝效果

燃氣閥井就地監測終端由電源單元和監測單元構成（構成圖如圖3所示），就地安裝效果如圖4所示。兩個單元之間通過一拖三電纜連接。電源單元內裝有本安型的電池組件，通過一拖三電纜為監測單元供電。監測單元包括本安型的隔爆型的可燃氣體探頭（內含催化燃燒式檢測元件）和控制殼部分，從監測單元引出的一拖三電纜共有3路分支，一路與電源單元連接，一路連接井蓋檢測開關，一路連接水淹檢測開關。從監測單元的另一側引出GSM天線。

圖3 監測終端構成

4 使用過程注意事項

燃氣企業為降低人工成本，保證設備維保的專業性，可與合作企業簽訂維保合同，合同應包含需要配備專職技術人員對系統進行定期維保，包含探頭的標定，電池的更換等。在使用過程中，著重注意以下事項：（1）監測終端屬于精密電子產品，禁止從高處跌落或受劇烈震動。（2）探頭處不得有快速流動氣體直接吹過，否則會影響測試結果。長時間處于某些物質（H2S氣體、硅、鹵素元素、重金屬）的環境中會使探測器的靈敏度降低。（3）探頭要避免高濃度可燃氣體沖擊。如要用打火機氣體試通，應將氣門放在最小位置點驗（點一下松開），不可按住氣門直接沖氣，否則會降低器皿元件靈敏度甚至損壞。（4）為保證測量精度，應定期進行校準標定，一般一年校準一次。

圖4 監測終端就地安裝效果圖

5 結語

可燃氣體監測系統將無線信號傳輸技術與可燃氣體檢測技術相結合，實現了地下燃氣管網泄漏檢測的自動化，相比人工巡檢方式實時性強，可靠性高，完善和提升整個城市燃氣管網泄漏的預警能力，切實提高了燃氣管網現代化管理水平和管理效率,有效預防燃氣泄漏事故，為城市燃氣安全保駕護航。