水電站大型地下洞室氡氣在線監測系統研究

陳正虎，蔡 偉

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

1 概述

氡是一種天然的放射性氣體,廣泛存在于自然界,極易在地下洞穴和通風不良的室內積聚。氡的危害日益為公眾所認識。長期在高濃度氡環境中生活,身體(尤其是呼吸器官)受到氡及其子體的過量照射,可能會導致肺癌、髓性白血病、胃癌、皮膚癌等多種病變。因此氡及其子體已被許多國際組織確認為人類現已查明的19 種最重要的致癌物質之一。國際癌癥研究機構將氡歸為類致癌因素。目前世界上已有幾十個國家和國際組織制定和頒布了住宅氡濃度標準。

水電站地下廠房深埋在巖體洞室內,所處區域部分巖體節理發達,空間狹小封閉，通風條件差，與地面空氣交換率低，使得一些地下空間的環境質量問題不容樂觀，一些污染物在密閉性高的地下空間中得以聚集，并能積累至較高濃度，難以通過自然風流有效降低和排除。其中氡的危害尤為嚴重，不可避免產生氡及其子體導致的輻射污染問題。為保障工作人員勞動保護安全，需對地下洞室內氡氣含量進行在線監測，并采取必要的通風措施聯動，以降低氡氣含量。

2 系統工作原理

有害氣體在線監測系統由以下幾部分組成：氡氣檢測傳感器、氧氣傳感器、通信分站（管理主機）、

網絡交換機、通信光纜通道、服務器及數據庫系統、監控平臺等部分組成。

2.1 氡氣監測探頭

探頭采用高精度氡傳感器，傳感器采用氣象檢測級別，區別于一般民用級、工業級的測量精度要求，主要技術參數如下：

靈敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

測量范圍：空氣氡為(3～10 000)Bq/m3,土壤氫為(300～100 000)Bq/m3；

電源：鋰離子充電電池/交流電源；

工作環境：溫度為-10℃～40℃,濕度為90%RH；

探測器：氡和光電倍增管組合探測系統；

操作模式：連續測量；

數據計算：自動計算單次測量結果/平均測量結果的濃度；

數據存儲：測量結果自動保存,可存儲9999 組數據；

取氣方式：主動泵吸式。

由于所處環境為高溫高濕、低濃度酸霧腐蝕性環境。監控探頭的防護至關重要，措施如下：

外殼采用防爆、防腐蝕性的工程塑料材質進行開模定制；

探頭與上一級通信分站間的電源和通信電纜的接頭采用防爆、防腐蝕性的工程塑料材質的專用接線盒進行連接；

探頭改用主動泵吸式原理，提升待檢氣體組份的有效濃度；

進入探頭的氣道應增加專用除濕部件，以降低待檢氣體濕度，提升探頭的工作壽命。

2.2 通信分站

采用485 總線通信方式匯集其附近的氡氣監測探頭的監測數據，進行必要的數據處理，并送入網絡交換機。若通信分站離開網絡交換機較遠，還需要進行電/光轉換，通過光纜接入區域中心網絡交換機。

另外，監控分站還為監測探頭提供工作電源，故分站設備內置電源轉換模塊，將220 V AC 轉換成24 V DC 電源。同時通信分站也需要做好防爆和防腐蝕的防護工作。

2.3 網絡通信柜

網絡通信柜是現場的數據節點，包括網絡交換機、光纖收發器等網絡通信設備，非常重要，建議可以放在地下三層廊道，甚至是地下二層廊道，此處環境較地下四層廊道環境要優良不少。這樣布置，不僅可以提升設備的使用壽命，也可以適當降低通信柜的防護等，提升性價比。

網絡通信柜通信出口采用光纖通信方式，解決了遠距離通信的通道問題。

2.4 服務器及數據庫系統

在監控機房，將專門立一面監控屏柜，布置專用服務器和網絡交換設備，與區域中心網絡通信柜聯絡，匯集現場各個通信分站的在線監測數據，管理各分站及監測探頭的工作及報警情況。

數據庫系統用于管理維護氡氣探頭的數據信息，及現場運行參數的配置。

2.5 監控平臺

開發基于廊道3D 建模，工業組態化模式，將現場監測探頭、監控分站以及局域中心網絡通信柜都在廊道布局圖中一一對應和展示，并開發適合現場的有毒有害氣體在線監測后臺，可接入監控大廳內的工作站內。

也可以將現場監測信息通過網絡通信方式，上送其他監控系統，聯動排風和報警設備設施。

圖1 氡氣在線監測系統結構圖

3 技術參數

3.1 氡氣傳感器參數

傳感器參數：

靈敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

測量范圍：空氣氡為(3～10 000)Bq/m3,土壤氫為(300～100 000)Bq/m3；

電源：鋰離子充電電池/交流電源；

工作環境：溫度為-10℃～40℃,濕度為90%RH；

探測器：氡和光電倍增管組合探測系統；

操作模式：連續測量；

數據計算：自動計算單次測量結果/平均測量結果的濃度；

數據存儲：測量結果自動保存,可存儲9 999 組數據；

取氣方式：主動泵吸式。

CH4 采集探頭：

測量范圍：0～4%；

可選分辨率：0.1%LEL（0～100%LEL）；

檢測精度：±2%FS；

線性誤差：±1.0%；

不確定度：2%Rd±0.1；

零點漂移：≤±2.0%FS/年；

跨度漂移：≤±1.0%FS/月。

3.2 通信分站

通信分站主要掛壁布置于洞室合理位置，主要對各有害氣體監測點采集數據進行分析處理，當通信分站監控到某處監測點數據超標時，及時發出報警信號，可以通過無源節點開啟電磁閥、排氣扇等外聯設備，自動排除隱患（當然也可以通過本系統平臺與排風系統進行聯動）。同時，上報數據至后臺服務器實時交互數據，用于后臺管理人員及時查證現場的空氣質量通過線纜傳輸到通信分站。

通信分站主機采用RS485 工業級總線，數字信號傳輸，抗干擾能力強，遠距離傳輸。監控報警主機最多可以連接探頭數量不受限制，采用高性能處理器，可以在2 s 內完成通信報警。監控報警主機對每個路探測器可單獨設置報警點，可以設置一路報警輸出。掛壁式監控報警主機可以存儲20 000 條記錄，記錄包括探測器報警、通信故障、探測器故障，操作臺式監控主機存儲記錄不受限制。

功能特點：循環顯示所檢測氣體的濃度；RS485通信；報警記錄；設有便于操作的高性能微處理器；自動開啟風機和電磁閥；同時連接多種探測器。

3.3 監控服務器系統

組建服務器和監控后臺，加裝服務器軟件和監控軟件，與現場設備進行通訊聯動，實現遠程監控現場有毒氣體探頭的實時監測，做到實時監測與報警、報表形成、實時曲線的動態顯示、歷史數據的保存等相關統計分析。

4 系統特點

本在線監測系統的技術特點如下：

（1）集多重檢測功能于一身

先進的氣體傳感器，空氣氡為(3～10 000)Bq/m3。

（2）現場報警

氡氣檢測探頭實時監測廊道現場的氣體含量，能做到及時分析現場氣體含量，當觸及預警閾值時，實時警報，并可以聲光報警指示氣體泄漏，及時通知危險地點內人員疏散。

（3）防爆電纜的供電、通信傳輸方式

每個傳感器采用1 根供電、通信復用的供電傳輸方式，確保現場施工布線簡潔可靠，具有很高的現場適應性。

通信分站將數據上傳到后臺服務器，現場監控屏通過光纖與后臺聯動，能夠精準定位各個監測點的氣體濃度狀況。提高檢測可靠性。

（4）安全電壓供電設計

采用24 V DC 礦用安全電壓的供電方式，保證現場的在防爆特許條件下穩定運行，滿足不同現場特殊環境需要。

（5）大屏幕液晶顯示屏同步顯示

BX-1 型有害氣體報警LED 顯示屏，與系統主機配合，中文顯示現場監測狀況，人體感應自動進行語音提示。

（6）歷史數據記錄

系統主機配套的1 TB 大容量存儲器可存儲1年以上時間的歷史數據，性能卓越的查詢系統軟件保證了系統能在數秒內實現歷史數據的快捷查詢。

（7）電磁兼容性強

特殊設計的抗干擾電路，保證有足夠的抗干擾能力及電磁兼容性。

5 小結

對于水電站地下洞室現場安裝氡氣在線檢測系統，除了對采集本體有高精度要求外，還要求裝置本身具有高度的防水、防腐蝕的要求，對于整體系統除了功能要求外，對于產品本身的生產工藝也區別于一般工業現場的在線監測狀態的使用環境。