復合災害條件下可燃氣體監測儀環境適應性評價研究

　　摘要：為研究可燃氣體監測儀在高低溫、風雨雪冰凍耦合等復合情況下的環境適應性，提出復合情況下可燃氣體監測儀關鍵性能指標和建立環境適應性指標體系，突破傳統災害環境適應性試驗平臺性能單一的不足，模擬復合災害環境，構建可燃氣體監測儀試驗平臺，以甲烷為例，作為典型的可燃氣體，監測復合條件下可燃氣體監測儀測得的甲烷體積分數，采取AHP價值函數法對可燃氣體監測儀進行綜合評價。研究表明：環境溫度低于-20℃和高于60℃時，可燃氣體監測儀監測精度有較大影響，而復合環境下相比單一環境對可燃氣體監測儀影響較大;ZNRQ200L型號的可燃氣體監測儀環境適應性評價等級為優秀，與環境適應性試驗結果中甲烷體積分數監測示值誤差不超過1%相對應，證明評價體系合理、可行。

　　關鍵詞：公共安全;可燃氣體監測儀;災害條件;環境適應性;綜合評價

　　0引言

　　隨著城市化進程發展，燃氣用戶不斷增加，城市燃氣越來越普及，燃氣泄漏已成為現代生產生活中巨大的安全隱患。2021年6月13日，湖北十堰發生燃氣事故爆炸，造成25人死亡、138人受傷。9月10日，遼寧大連市發生燃氣事故爆炸，造成8人死亡、5人受傷。10月21日，遼寧沈陽發生燃氣事故爆炸，造成4人死亡、3人重傷、44人輕傷。因此，通過運用先進監測設備和大數據、物聯網等現代化科技手段，建立燃氣等城市生命線工程監測系統是一種必要趨勢[1-3]。利用可燃氣體監測儀對城市管網燃氣泄漏進行實時監測預警的燃氣管網安全在線智能監測平臺在合肥市得到了整體應用，徐州、淮北、佛山等城市正在實施和推廣[4-6]。

　　可燃氣體監測儀不僅在廠房，餐飲等中使用非常方便，而且作為城市生命線運行監測體系中重要監測設備，在燃氣泄漏監測預警中被賦予越來越高的期望�？扇細怏w監測儀設計及型式試驗過程中考慮的使用環境通常為常規環境，而在城市生命線監測系統實際工程應用中可知，可燃氣體監測儀在監測過程中往往會遇到各種災害環境，其功能、性能發揮均受環境的影響，存在設備穩定性問題。

　　工業方向論文范例：淺談可燃氣體報警器的檢定

　　2016年，Rad等[7]首次提出基于一種風險的Milp方法，對可燃氣體探測器在高風險情景的安放位置進行風險評價研究。2018年，康岑等[8]對于有害氣體探測器布置的研究建立了一種包含泄漏場景、氣體擴散建模和解決方案的風險評價方法體系。而可燃氣體監測儀的適用性研究還處于起步階段，主要側重于可燃氣體報警器的計量檢定[9]，示值誤差分析[10]等。對于可燃氣體探測器災害環境適應性方面研究很少，大都局限于單一災害環境條件。

　　2021年，徐亮等[11]梳理了國內外可燃氣體探測器技術標準體系，得出環境低于-10℃時，電化學型氣體探測器電解液可能會凍結。陳銀洞等[12]分析了在大風，高溫，潮濕等惡劣海洋環境下，可燃氣體報警器會存在老化損壞等問題。現有研究現狀缺乏復合災害環境條件下的可燃氣體監測儀環境適應性研究。

　　因此，本文針對可燃氣體監測儀在實際使用過程中可能會遇到的各種復合環境，如強風、降雨、降雪、高低溫耦合等，構建復合災害環境下可燃氣體監測儀環境適應性指標體系，利用多災耦合氣候艙，模擬風、高低溫、雨雪冰凍等復合環境，以ZNRQ200L型號的可燃氣體監測儀為典型代表開展環境適應性試驗，同時結合其在合肥城市生命線運行中的廣泛應用進行案例分析，最終進行環境適應性綜合評價。

　　1構建評價指標體系

　　由于單一的分析評價方法無法兼顧主觀性和客觀性等問題，為驗證本評價體系的合理性，依據合肥市城市生命線系統中可燃氣體監測儀大量的工程應用案例，本文將采取層次分析法對評價指標體系進行權重分析和確定，運用價值函數法對可燃氣體監測儀的特征進行評判，更加全面、系統地分析與判斷數據，解決指標中權重賦值不確定的問題。同時與可燃氣體監測儀環境適應性試驗的結論相對照，進行綜合評價。

　　1.1建立指標體系

　　通過調研可燃氣體監測儀檢測標準，這些標準中檢測指標局限于一些功能性指標，和單一災害環境下的檢測指標。由合肥市城市生命線安全運行監測系統中可燃氣體監測儀工程應用可知，可燃氣體監測儀大多數的工作環境是非常惡劣的，井內的積水、濕氣、沼氣和溫度變化、雨夾雪天氣等災害環境對設備有很強的腐蝕性，尤其是復合災害環境下對設備的功能損壞最嚴重。為了保障可燃氣體監測儀能夠長期有效運行監測，在復合災害環境下設備的環境適應性就必須具有一定的要求。

　　針對復合災害條件下可燃氣體監測儀適應性問題，綜合考慮篩選出受災害環境影響較大的參數，對指標參數進行分類，以完備性、功能性和保障性作為可燃氣體監測儀評價指標體系三大路徑(即準則層)，對于每一準則層參數又選出其核心指標。搭建了復合災害環境下可燃氣體監測儀環境適應性指標體系。

　　1.2指標權重的確定

　　層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)是多目標組合問題的一種層次結構化的方法[13,14]。該方法首先將目標問題劃分為多個層次，形成上下級支配的隸屬結構。建立專家小組，專家組由生命線運行監測、事故排查、隱患處理工程師、行業內學者等組成，通過專家組的意見構造各層次的判斷矩陣。按照計算步驟和計算公式，求出每一個判斷矩陣的最大特征值及一致性檢驗。

　　1.3指標的標定

　　可燃氣體監測儀指標既包含定性指標，又包含定量指標，這些指標范圍、單位各不相同，因此對于定性指標(如外觀、裝配、自檢功能、報警動作功能、數據顯示/傳輸、防水性能、防爆性能、電源穩定性)，進行定量化處理。將數值0~1劃分為四個區間，即為[0,0.4]，[0.4,0.6]，[0.6,0.8]，[0.8,1],依次對應了四個等級即差，中，良，優。將這些定性指標因素分級。

　　定量指標(如量程指示偏差，響應時間，報警重復性，濃度監測功能)，進行標準化處理，1作為理想值，0作為極不理想值，采用線性插值法來確定標準化。

　　1.4綜合評價計算

　　值函數法是用單個指標對系統單項評價指標的權重及其價值進行加權，得到綜合指標的方法[15]。

　　2環境適應性試驗設計

　　2.1試驗平臺簡介

　　為使可燃氣體監測儀環境適應性評價研究具有客觀性、科學性，本文以甲烷作為典型的可燃氣體為例，利用多災耦合氣候艙、可燃氣體監測儀、儲氣袋、標準甲烷氣體以及數據分析系統等搭建可燃氣體監測儀環境適應性測試平臺，可提供一個穩定的復合災害環境，檢測可燃氣體監測儀最重要的濃度監測功能指標，觀測可燃氣體監測儀在不同工況條件下監測甲烷體積分數的變化情況。值得注意的是存在電子屏蔽或電子干擾時，該監測儀傳輸數據是正常的。

　　耦合氣候艙尺寸為長5m，寬6m，高5m，可實現高溫、低溫、淋雨、覆冰、降雪及強風等復合環境。溫度范圍-40~80℃;降雨強度0~40mm/h;覆冰降雪強度10mm/h;風速0~15m/s。測試采用的設備是由合肥澤眾城市智能科技有限公司自主研發的固定式可燃氣體監測儀(型號：ZNRQ200L)。主要針對CH4(甲烷)氣體的監測，監測范圍為0~20%，最小精度0.01%。

　　儲氣袋用于儲存標準甲烷氣體，儲氣袋容量42L。為消除空氣對氣體濃度的影響，試驗前將儲氣袋抽真空，將標準甲烷氣體通入儲氣袋后，封閉儲氣袋氣管以備實驗使用。考慮試驗安全問題，本次采用標準甲烷氣體濃度為3%VOL。數據處理及分析系統作為數據采集端，通過可燃氣體監測儀有線信號傳輸端口，將可燃氣體監測儀采集到的甲烷氣體濃度及設備電源電壓數據發送到計算機。

　　2.2試驗方法

　　2.2.1試驗步驟

　　試驗前將標準甲烷氣體輸入到儲氣袋中，以備試驗使用。將儲氣袋通過氣管與可燃氣體監測儀連接，將可燃氣體監測儀通過數據線與計算機連接。試驗時將可燃氣體監測儀放置在氣候艙中部位置。試驗時首先調節氣候艙環境條件，穩定30min之后，開始采集數據，5min采集一次數據，選取3組數據取平均值作為最終試驗數據。同時在室溫25℃條件下進行對照試驗，為消除氣管中空氣的影響，采集的前幾組數據舍棄，直到出現穩定的幾組最高濃度數據為止。

　　2.2.2試驗工況

　　a)高、低溫試驗可燃氣體監測儀設計工作環境溫度量程為-10℃~60℃，為研究在極端高低溫環境下設備性能情況，因此選取試驗最高溫度為80℃，最低溫度為-35℃，試驗環境溫度范圍為-35℃~80℃，間隔5℃作為一組工況，兩個溫度之間穩定30min。

　　2.3試驗結果與分析

　　2.3.1高、低溫試驗

　　通過對兩種極限狀態進行測試，高、低溫狀態下試驗結果�？扇細怏w監測儀監測出的甲烷氣體濃度隨溫度變化呈現倒“U”型。當環境溫度為-35℃~-5℃時，可燃氣體監測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而升高;反之，環境溫度為45℃~80℃，可燃氣體監測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而降低;環境溫度為-5℃~45℃，可燃氣體監測儀測得甲烷氣體濃度受溫度變化影響較小。

　　2.3.2雨、雪、覆冰試驗

　　取這三種災害環境條件下的相同溫度環境作為測試對照試驗，可燃氣體監測儀測得的甲烷體積分數值為圖中虛線值。隨著溫度的降低，可燃氣體監測儀監測出的甲烷氣體濃度也隨之降低。25℃、-10℃、-20℃環境條件下，甲烷體積分數示值是恒定的，示值誤差全都不超過1%，淋雨、覆冰、降雪環境下甲烷體積分數會有上下波動，但是和正常環境下相同溫度條件的試驗結果接近，示值誤差基本上都不超過1%。

　　這表明淋雨、降雪和覆冰等災害環境使可燃氣體監測儀監測功能處于不穩定狀態，監測的數據處于波動狀態，有一定參數偏差，相比較溫度環境的變化，淋雨、降雪和覆冰等單一的災害環境對可燃氣體監測儀影響相對較大。從實驗數據可知，可燃氣體監測儀在工程應用中考慮到實際運行復雜災害環境條件，需在特定環境條件下縮短設備校準周期或進行特定環境條件下的設備校準。

　　3案例分析

　　合肥市城市生命線工程安全運行燃氣監測系統，按照“點”、“線”、“面”相結合的原則，優先選擇合肥市高風險區域、重點敏感區域和關系民生保障的城市基礎設施進行物聯網建設，組建822公里燃氣管網，共計安裝24739個可燃氣體監測點，每個監測點都安裝激光式可燃氣體監測儀�；�于可燃氣體監測儀工程實踐數據及實驗內容，選擇10臺同款ZNRQ200L型號可燃氣體監測儀在特定環境條件下表現出來的各參數情況，作為案例分析計算數據來源。

　　4結論

　　1)本文提煉出復合環境條件下可燃氣體監測儀主要影響因素，建立了可燃氣體監測儀災害環境適應性指標體系，構建了環境適應性評價體系。

　　2)模擬復合災害環境開展可燃氣體監測儀適應性試驗，低于-20℃和高于60℃的極端環境下，可燃氣體監測儀的精度出現明顯降低;在相同溫度環境條件下，復合災害環境相比單一災害環境對可燃氣體監測儀影響較大，可燃氣體監測儀出現一定程度偏差。

　　3)提出針對復合環境下可燃氣體監測儀環境適應性評價方法，采用AHP-價值函數法對可燃氣體監測儀綜合評價，通過試驗研究與案例分析計算相結合，證明構建的可燃氣體監測儀綜合評價方法合理、可行，可燃氣體監測儀評價體系具有正確性和實用性。

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　　作者：劉小勇1,2，王祥1,2，喻益超3，蘭明強1,2，郭賢2，李念思2，李亞運2

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