基于便攜式電纜隧道通風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王華賓，劉 勇，高 杰

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安）

1 概述

電纜溝隧道施工過程中的環(huán)境安全保障是項目能否順利完成的重要因素。電纜溝隧道在作業(yè)過程中，往往會產(chǎn)生一些有害氣體，隧道作業(yè)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：（1） 粉塵允許濃度：每立方米空氣中，含有10%以上游離二氧化硅的粉塵必須在2 mg 以下；（2） 氧氣含量至少達(dá)到20%，按體積計算；（3） 瓦斯（沼氣）或二氧化碳含量應(yīng)該在0.5%以內(nèi)；（4） 一氧化碳濃度不得超過10 mg/m3；（5） 氮氧化物（換算成二氧化氮）濃度應(yīng)在5 mg/m3；（6） 二氧化硫濃度不得超過15 mg/m3；（7） 硫化氫濃度不得超過10 mg/m3；（8） 氨的濃度不得超過30 mg/m3，如表1 所示。當(dāng)以上氣體含量超標(biāo)，往往會帶來一定的危害。

表1 電纜隧道中有害氣體及極限指標(biāo)

目前比較常用的方式是采用通風(fēng)方式進(jìn)行處理[1]，通風(fēng)方式有自然通風(fēng)和強制通風(fēng)兩種，自然通風(fēng)存在通風(fēng)周期長通風(fēng)效果不佳，且延長檢修工作的進(jìn)度，費時費力。

針對以上電纜溝、地下管道作業(yè)的通風(fēng)要求，我司提出了一種基于便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案，能很好地解決電纜溝隧道施工過程中的環(huán)境安全保障問題。

2 系統(tǒng)方案介紹

2.1 便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》對加強有限空間作業(yè)安全管理、預(yù)防、控制的要求：有限空間需配備氣體檢測、抽風(fēng)及送風(fēng)功能，保證作業(yè)人員能在安全環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

基于以上要求，便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計如下：

在電纜溝隧道進(jìn)出口處安裝微波人體感應(yīng)報警LED 屏，當(dāng)人員靠近電纜溝隧道進(jìn)出口3～5 m 時，觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)，系統(tǒng)開始檢測電纜溝隧道內(nèi)環(huán)境氣體含量，同時，顯示屏點亮顯示各氣體含量數(shù)值，喇叭進(jìn)行狀態(tài)播報。人員離開感應(yīng)區(qū)域后，5 分鐘系統(tǒng)會熄滅LED 顯示屏，處于待機狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)異常時，LED 屏幕會顯示對應(yīng)異常環(huán)境數(shù)值，并發(fā)出語音報警提醒工作人員請勿靠近，同時系統(tǒng)自動啟動風(fēng)機抽送風(fēng)功能，開始對電纜溝隧道進(jìn)行通風(fēng)，系統(tǒng)每5 分鐘檢測一次環(huán)境氣體含量，直到系統(tǒng)檢測到數(shù)值正常后，風(fēng)機功能關(guān)閉。便攜式通風(fēng)系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

圖1 便攜式通風(fēng)系統(tǒng)工作流程

便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)通過多功能環(huán)境監(jiān)測傳感器、邊緣計算主機、智能顯示終端和監(jiān)控運維軟件，實時監(jiān)測采集電纜溝隧道中的環(huán)境指標(biāo)[2-3]，通過數(shù)據(jù)融合分析、人工智能算法處理，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)值實時預(yù)警，并通過LED 顯示、語音播報等方式，保障工作過程中的環(huán)境安全。

2.2 系統(tǒng)硬件功能設(shè)計

便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括便攜式通風(fēng)裝置、風(fēng)管、LED 顯示與報警模塊。

2.2.1 便攜式通風(fēng)裝置設(shè)計

該裝置需具備可以實現(xiàn)對有限空間作業(yè)的環(huán)境進(jìn)行檢測，風(fēng)機的抽送風(fēng)功能，安全預(yù)警功能。集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計，攜帶、運輸方便。裝置集成高精度的環(huán)境傳感器，可以對有限空間里面的氧氣含量、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣、二氧化氮、氮氧化物、粉塵進(jìn)行檢測。同時，裝置配有風(fēng)機控制模塊，具有抽送風(fēng)功能。總體結(jié)構(gòu)使用示意如圖2 所示。

2.2.2 便攜式通風(fēng)裝置中風(fēng)機及風(fēng)管選擇

根據(jù)目前現(xiàn)場實際的供風(fēng)量及風(fēng)壓綜合分析計算，風(fēng)機及風(fēng)管基本配置（見表2）如下，可滿足現(xiàn)有項目使用，同時風(fēng)管可以根據(jù)項目現(xiàn)場具體情況進(jìn)行定制。

表2 風(fēng)機與風(fēng)管配置

2.2.3 便攜式通風(fēng)裝置中環(huán)境傳感器選擇

根據(jù)現(xiàn)場施工中可能產(chǎn)生的各種有害氣體，環(huán)境傳感器需多種檢測功能相結(jié)合，同時傳感器提供RS485 通信接口，能與便攜式通風(fēng)裝置主機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2.4 LED 顯示與報警模塊設(shè)計

LED 顯示與報警模塊主要由中央控制MCU 模塊、繼電器電源模塊、微波感應(yīng)模塊、485 通信模塊、顯示屏模塊、語音模塊組成，如圖3 所示。

圖3 LED 顯示與報警模塊示意

LED 顯示與報警模塊配置320×160 分辨率戶外高清屏，5 瓦8 歐姆的喇叭，內(nèi)置微波感應(yīng)模塊，具備RS485 輸入輸出能力，防護(hù)等級IP65，如圖4 所示。

圖4 LED 顯示與報警模塊示意

2.3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

便攜式通風(fēng)系統(tǒng)軟件由LED 顯示與報警模塊軟件、YD-DF4C 型便攜式通風(fēng)裝置軟件2 個部分組成，2 個系統(tǒng)之間通過RS485 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

LED 顯示與報警模塊軟件主要實現(xiàn)人員靠近感知，環(huán)境狀態(tài)顯示，語音播報預(yù)警功能，同時配合上位機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信與狀態(tài)同步。

YD-DF4C 型便攜式通風(fēng)裝置軟件主要實現(xiàn)環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)對接、數(shù)據(jù)分析與異常預(yù)警，風(fēng)機控制功能，與LED 顯示與報警模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息同步功能。

便攜式通風(fēng)系統(tǒng)與LED 顯示模塊之間通信協(xié)議如下：

（1） 485 通訊，傳送一幀信息的數(shù)據(jù)格式：1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位。

（2） 波特率9 600 b/s。

（3） PLC 發(fā)送顯示正常的控制命令，發(fā)送內(nèi)容為（共11 字節(jié)）各氣體都正常。

顯示屏地址功能碼寄存器地址寄存器個數(shù)寄存器字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié)CRC校驗低位CRC 校驗高位01H 0H 00H,00H 00 H,1H 02H 00H 000H 67H 90H

（4） PLC 發(fā)送顯示異常的控制命令，發(fā)送內(nèi)容為（共11 字節(jié)）數(shù)據(jù)異常，不同校驗碼對應(yīng)不同氣體數(shù)值，以氧氣異常為例，如下說明：

顯示屏地址功能碼寄存器地址寄存器個數(shù)寄存字節(jié)器數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié)CRC校驗低位CRC 校驗高位01H 0H 00H,00H 00H,01H 02H 00H 10H A6H 50H

2.4 設(shè)備現(xiàn)場使用

（1） 進(jìn)入工作現(xiàn)場，進(jìn)行人員分工，并在工作區(qū)域設(shè)立安全標(biāo)識，提醒經(jīng)過的相關(guān)人員和車輛。

（2） 便攜式通風(fēng)裝置盡量要安裝在隧道中間位置，這樣能夠及時反饋隧道內(nèi)環(huán)境情況。

（3） LED 顯示與報警模塊需要安裝在進(jìn)出口頂部位置，靠近入口時，注意LED 顯示與報警模塊是否正常工作，是否有異常數(shù)據(jù)播報與提醒。

（4） 系統(tǒng)設(shè)置自動抽風(fēng)功能，對有限空間進(jìn)行抽風(fēng)一段時間，可以保證初始環(huán)境中的有害氣體做一次抽風(fēng)清理。根據(jù)有限空間大小，抽風(fēng)一定時間，保證環(huán)境空氣換新[4]。

（5） 系統(tǒng)檢測到人員靠近時，自動開啟空間環(huán)境再次檢測，檢測工作環(huán)境的各項指標(biāo)是否符合安全作業(yè)要求，如正常，開啟人工作業(yè)。

（6） 人工工作過程中，風(fēng)機不間歇地給作業(yè)環(huán)境送風(fēng)，保證里面環(huán)境各項指標(biāo)符合要求，同時對工作環(huán)境開啟實時檢測工作，保證井下環(huán)境指標(biāo)維持在正常范圍。

（7） 人工作業(yè)過程中，預(yù)警功能需實時開啟，出現(xiàn)異常情況，及時提醒現(xiàn)場工作人員工作環(huán)境參數(shù)變化。

3 便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)模擬測試

3.1 模擬場景測試

在一個10 m2密閉的地下管道墻壁上安裝該便攜式通風(fēng)裝置，同時將通風(fēng)管引出到戶外，在房間門口安裝LED 顯示與報警模塊，模擬人員靠近門口后，房間內(nèi)氣體含量正常與異常情況下的系統(tǒng)工作情況，包括微波感應(yīng)工作距離是否滿足要求，LED 顯示與報警模塊通信功能是否正常，異常情況下的風(fēng)機自動啟停功能是否正常運轉(zhuǎn)。經(jīng)現(xiàn)場模擬測試，該系統(tǒng)環(huán)境報警與風(fēng)機自動啟動功能運行良好。模擬場景現(xiàn)場如

圖5 所示。

圖5 模擬場景現(xiàn)場

3.2 測試LED 顯示與報警模塊是否正常工作

測試項目一：設(shè)備安裝完成后，系統(tǒng)開始運行，LED 顯示模塊處于待機狀態(tài)，測試人員從遠(yuǎn)處逐漸靠近密閉房間，看LED 顯示屏是否響應(yīng)，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 感應(yīng)距離測試結(jié)果

測試項目二：系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，當(dāng)氣體數(shù)值出現(xiàn)異常時，LED 顯示屏狀態(tài)是否更新，同時語音播報是否能正常報警提醒，在便攜式通風(fēng)裝置上設(shè)置環(huán)境異常數(shù)值指令至RS485 通信口，傳輸至LED 顯示屏，看LED 顯示屏模塊是否能正常相應(yīng)，測試結(jié)果如表4所示。

表4 LED 顯示與語音播報功能測試結(jié)果

3.3 測試環(huán)境數(shù)值異常時風(fēng)機是否正常工作

測試項目一：便攜式通風(fēng)裝置上，系統(tǒng)設(shè)置氧氣含量報警閾值分別設(shè)置為18%、15%、21%（環(huán)境中氧氣值為空氣值20.8%），等待5 分鐘，看裝置是否有異常播報，同時風(fēng)機是否開啟，充分通風(fēng)后，被測環(huán)境中的氧氣含量高于閾值后自動關(guān)閉風(fēng)機。如表5 所示。

表5 風(fēng)機自動啟停功能測試

4 結(jié)論

電纜溝隧道作業(yè)是一個具有風(fēng)險因素的工作，如果對工作環(huán)境的相關(guān)參數(shù)沒做好相關(guān)的檢測、保護(hù)等措施，容易出現(xiàn)人員傷亡危險。我司提出的便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)，是基于作業(yè)人員在實際現(xiàn)場工作前、工作時、工作后三個維度所處的環(huán)境情況進(jìn)行全方位多維度在線監(jiān)測，可以在作業(yè)工程中提供兩重保障：一是做到全過程檢測，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)提供預(yù)警功能；二是在作業(yè)開始前進(jìn)行環(huán)境抽風(fēng)，對原環(huán)境進(jìn)行空氣交換，工作過程中定期對工作環(huán)境進(jìn)行送風(fēng)，讓作業(yè)環(huán)境空氣實時補充、交換、循環(huán)。綜上，便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)能有效保證電纜溝隧道作業(yè)環(huán)境符合要求，進(jìn)而有效保障內(nèi)部工作安全、有序開展。