艙室氣體自動監控系統的研究與應用

尹志雙，秦羽舟

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

在船舶建造過程中，存在大量密閉空間施工的情況。由于進出口受限、自然通風不良，易產生有毒有害、易燃易爆物質積聚以及氧氣含量不足的問題，這往往會造成事故。因此，工作人員在密閉空間作業時，要時刻監測艙室氣體濃度，保障人身安全。目前，施工人員通常采用手持式易燃易爆檢測儀對密閉空間的相關氣體含量進行監測，這種檢測儀只能監測某一時間點該區域易燃易爆氣體的含量，不能在施工過程中進行全天候監測。此外，由于氣體成分不同，氣體在密閉艙室空間分布情況也會有所不同，這就導致人為監測往往存在監測盲區。

隨著船舶建造數量逐年上升，工作負荷逐漸加大，施工人員更容易忽視密閉空間的施工安全問題。本文對氣體監控現狀進行分析，提出一種可以準確進行全天候監測、保障作業安全的智能化艙室氣體監控系統，以降低安監人員勞動負荷、提高工作效率、保障作業人員安全。

1 國內外氣體監控現狀調研

目前我國普遍采用人工監測的方式，由施工人員手持單一種類氣體檢測儀（見圖1），直接進入待檢測區域，對施工區域氣體進行數據采樣分析，停留一段時間后，離開所測區域。人工監測存在3個缺點：1）人工監測氣體種類單一，覆蓋范圍小；2）人工監測氣體效率低下，存在盲區，不能實現全天候連續監測，無法第一時間發現并處理突發情況；3）人工監測氣體方式落后，設備不夠先進，功能性不強。

圖1 手持氣體檢測儀

美國和日本等發達國家通常采用無人巡檢的監測方式。這種監測方式由監測人員通過控制機器車或機器人進入到監測區域，對氣體信息進行收集。無人巡檢能夠解決巡檢人員安全性的問題，但是存在造價成本高、易發生故障和維修困難等問題，這限制了無人巡檢的普及。

2 氣體自動監控系統研究

2.1 多種類氣體監測研究

在船舶建造和涂裝過程中會產生各種各樣的有毒有害氣體，手持氣體監測儀可檢測的氣體種類覆蓋范圍小，不具備多種氣體同步檢測的條件，且對油漆揮發的有毒有害氣體缺乏針對性分析。這就導致了施工場所的安全性問題較為嚴重。為緩解上述問題，需要對噴涂作業中揮發氣體的種類、揮發氣體的主要成分和含量進行分析。

1）確定主要的揮發氣體及其來源

揮發氣體主要來源于噴涂作業時使用的油漆，根據涂裝方案，摘取常用油漆及揮發氣體明細表（見表1），確定油漆揮發的主要成分為苯、二甲苯和丁醇。

表1 常用油漆及揮發氣體明細表（續）

表1 常用油漆及揮發氣體明細表

2）確定揮發氣體的燃燒/爆炸濃度極限

梳理苯、二甲苯和丁醇的閃點和沸點，確定氣體的爆炸濃度極限（見表2）。

表2 揮發氣體爆炸濃度極限

2.2 氣體自動監控系統構成及功能研究

為了解決人工監測效率低下、存在盲區、無法全天候監測等問題，亟待研發一種可進行全天候監測、為作業安全提供保障的智能化艙室氣體監控系統（見圖 2）。

圖2 氣體監控系統運行原理圖

目前氣體自動監控系統信號輸送方式主要為有線連接和無線連接。無論是哪種傳輸方式，其系統構成基本相同，主要由監控主機、可燃氣體探測器、可燃氣體報警控制器、聲光報警器、風機、聯動控制箱、電磁閥和噴槍等設備構成。對于氣體監測系統，最重要的因素是氣體傳感器的質量和數據傳輸的及時性。傳感器質量的好壞關系到氣體監測的準確性，數據的傳輸效果會影響監測結果的判斷。

氣體自動監控系統工作原理為：可燃氣體探測器實時監測周圍氣體濃度值，將濃度值通過有線/無線信號發送給可燃氣體報警控制器，然后將氣體濃度值轉發給主機。主機記錄并分析濃度值，當氣體濃度超過閾值時，聲光報警器發出高分貝聲音并閃爍亮光警告施工人員及時撤離。與此同時，主機向聯動控制箱發送信號以控制電磁閥開關，及時切斷噴槍噴涂作業，降低密閉空間中揮發氣體的濃度值。

下面對氣體自動監控系統的各組成部分進行介紹。

1）監控主機

可燃氣體報警控制器將氣體濃度值轉發給主機，主機記錄并分析濃度值變化趨勢，當氣體濃度接近或達到報警閾值時，主機界面顯示報警信息，供工作人員參考處理。

2）可燃氣體探測器

參考《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》，根據現場船艙密閉空間的大小及探測氣體的種類，布置可燃氣體探測器。聲光報警器可與現場的可燃氣體報警器一起使用，當用于防爆場合時，使用的設備必須是隔爆設備。當氣體濃度超過設定值時，聲光報警器會提示現場操作人員及時做相應處理。

3）風機

風機由聯動控制箱供電，并受到主機系統的控制。當風機出現故障停止工作時，主機系統會檢測到故障信號，進而自動切斷電磁閥，停止噴漆作業。

4）聯動控制箱

聯動控制箱與主機系統連接，負責監測風機故障信號，并將故障信號反饋至主機。

5）電磁閥

電磁閥安裝于噴漆泵的壓力管道上，在噴槍的使用過程中，當船艙的可燃氣體濃度超過設定值后，控制器將聯動信號傳遞至電池閥，自動關閉閥門，及時切斷噴槍噴涂作業。

6）噴槍

噴槍為整套系統的末端執行機構，與電磁閥相連。通過設備之間的聯動，系統可對氣體濃度和風機狀態實現有效監測，通過中央控制器內部算法、風機狀態監測模塊、氣體濃度監測模塊和氣泵無線控制模塊、實現噴涂場所環境安全監測及智能控制。此外，系統的云平臺會實時監測數據，對報警信息和控制信息進行記錄，具有大數據分析和事前故障預警提醒等功能。

2.3 氣體自動監測系統功能性研究

氣體自動監測系統具有8個主要功能：

1）聲光報警功能

當檢測到氣體濃度高于或低于報警設定值時，聲光報警器自動響應，發出聲光報警信號，響應時間≤3 s。

2）24 h連續監測功能

自動監測系統可對可燃氣體、有毒氣體和煙霧進行24 h連續監測。當氣體濃度超過閾值時，系統用戶界面會彈出報警信息，響應時間≤3 s。

表3 揮發氣體閾值

3）系統自檢功能

通常情況下，報警設備和探測器的工作環境惡劣，難以進行日常防護。因此，系統必須具備自檢功能

4）實時位置顯示功能

系統平臺對各區域的氣體濃度值進行監測，根據實際測量位置，在地圖上進行實時數值顯示。

5）數據查詢功能

數據查詢功能包括歷史數據查詢分析、報警記錄查詢分析以及數據報表導出。

6）數據分析功能

系統可以對來自不同傳感器的歷史氣體濃度值和報警次數等信息進行多維度分析，以圖表方式展示分析結果并顯示報警信息。

7）提前預警功能

當氣體濃度值增減速異常，或者在正常區間波動即將突破警戒線的情況下，系統會提前彈出警告信息，并預判報警倒計時，倒計時精度為±1 s。

表4 揮發氣體預警值

8）氣泵緊急切斷功能

當可燃氣體濃度超過設定報警值后，控制器提供聯動信號給到安裝于噴漆泵壓力管道上的電磁閥，自動關閉閥門，及時切斷噴槍噴涂作業。當密閉艙室環境溫度≥40 ℃時，則自動啟動聲光報警，并切斷氣泵，關閉響應時間≤3 s。

通過對氣體自動監測系統功能性研究和實船試驗，證明了該系統還具備進一步的升級空間，可與人員定位系統進行聯動，做到真正意義上的覆蓋各類船型。

3 結論

本文通過對智能化艙室氣體監測系統的研究，實現了密閉空間氣體濃度實時監測、聲光報警、氣泵切斷、自我檢測、位置顯示、數據查詢、數據分析和提前預警等功能，可有效提高生產過程的安全性和工作效率，降低安監人員的勞動負荷，減少事故損失造成的企業直接經濟效益。