作者：黃麗麗，馬旭卿
第一作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院
摘自《煤氣與熱力》2018年9月刊
1 概述
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，地下燃?xì)夤芫W(wǎng)作為保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其覆蓋范圍不斷擴(kuò)大。管網(wǎng)長(zhǎng)度的增加為其安全運(yùn)營帶來了極大的挑戰(zhàn)，特別是一些老舊管道、穿跨越管道、被占?jí)汗艿?、易發(fā)生地基沉降管段及維搶修管段等，增加了管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)這些隱患點(diǎn)的甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。城市燃?xì)夤艿缐毫^低，分支點(diǎn)多，地下環(huán)境復(fù)雜，受市政其他管道干擾多，路面結(jié)構(gòu)不利于氣體向上擴(kuò)散，車輛、人流量大，用于長(zhǎng)輸管道的泄漏監(jiān)測(cè)方法在城市燃?xì)夤艿乐袘?yīng)用具有局限性，特別是微小泄漏的情況［1］。目前燃?xì)夤酒毡椴捎弥芷谛缘孛嫘孤┭矙z，當(dāng)土壤中甲烷飽和后才有可能泄漏到路面之上，而此時(shí)管道可能已經(jīng)處于危險(xiǎn)的狀態(tài)［2］。
本文提出將埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置埋于土壤內(nèi)，對(duì)高后果區(qū)和高危地區(qū)土壤內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏，為后期管道泄漏的排查、預(yù)警，以及采取有效處置措施爭(zhēng)取到寶貴時(shí)間，第一時(shí)間對(duì)管道進(jìn)行維搶修，避免發(fā)生次生災(zāi)害。
2 土壤內(nèi)與對(duì)應(yīng)地面甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)比
2.1 收集管道泄漏事件報(bào)告單
目前，城市燃?xì)夤艿乐饕ㄟ^打孔檢測(cè)的方式確定管道泄漏點(diǎn)，首先通過地面檢測(cè)初步確定管道發(fā)生泄漏，再沿疑似發(fā)生泄漏的管道上方進(jìn)行打孔，孔深0.5 m左右，觀測(cè)孔內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)，并進(jìn)行吸真空作業(yè)，觀測(cè)每個(gè)檢測(cè)孔內(nèi)的燃?xì)夥e聚速度，甲烷體積分?jǐn)?shù)較高且積聚速度較快的檢測(cè)孔離管道泄漏點(diǎn)距離更近。
管道泄漏事件報(bào)告單中詳細(xì)地記錄檢測(cè)孔的位置、地面檢測(cè)及打孔檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)，是記錄泄漏管道具體信息及泄漏點(diǎn)排查、定位過程的重要文件。通過對(duì)管道泄漏事件報(bào)告單的整理發(fā)現(xiàn)，地面檢測(cè)到的甲烷體積分?jǐn)?shù)要比孔內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)低很多，地面上的甲烷體積分?jǐn)?shù)最低為0.05%，個(gè)別達(dá)到20%，而打孔后檢測(cè)到的土壤內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)80%~90%。這間接地證明，雖然路面檢測(cè)的甲烷體積分?jǐn)?shù)較低，但是土壤中的燃?xì)饪赡芊e聚到非常危險(xiǎn)的狀態(tài)。
2.2 打孔檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
為了進(jìn)一步收集地面與檢測(cè)孔內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)，選取試點(diǎn)管段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)進(jìn)行管道路面巡檢檢測(cè)出甲烷時(shí)，記錄此時(shí)的路面甲烷體積分?jǐn)?shù)。隨后進(jìn)行打孔檢測(cè)，記錄孔內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)孔封堵，連續(xù)觀察7 d。每天上午進(jìn)行地面與檢測(cè)孔內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)，并采集管道壓力、管徑、路面等信息。在收集數(shù)據(jù)過程中，為了保障燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行安全，當(dāng)孔內(nèi)的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行漏點(diǎn)定位及搶修。下面為兩組典型的實(shí)驗(yàn)案例。
E管道為DN 500 mm的中壓管道，路面為瀝青路面。通過連續(xù)一周的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，由于瀝青路面不利于燃?xì)庀蛏蠑U(kuò)散，因此，路面甲烷體積分?jǐn)?shù)明顯小于土壤內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)，土壤內(nèi)的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)有一個(gè)累積的過程，燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)越來越高。E管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)見表1。
表1 E管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)
F管道為DN 400 mm的中壓管道，路面為方磚。通過連續(xù)一周的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，第1天檢測(cè)孔內(nèi)與地面甲烷體積分?jǐn)?shù)之比達(dá)2 750。由于測(cè)試時(shí)受封堵嚴(yán)密性影響，中間幾天甲烷可能順著打孔縫隙向外擴(kuò)散，因此，這幾天土壤內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)較低。但是后續(xù)幾天甲烷體積分?jǐn)?shù)又逐漸升高，再次證明土壤內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)明顯高于地面。F管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)見表2。
表2 F管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)
綜上所述，檢測(cè)孔內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)明顯高于地面，且積累速度較快。初步分析認(rèn)為，由于燃?xì)鈴墓艿乐行孤┖?，首先在土壤中遷移擴(kuò)散，進(jìn)而有一部分達(dá)到地表面，然后在地表向大氣中擴(kuò)散。路面的甲烷體積分?jǐn)?shù)及波動(dòng)都很小，而檢測(cè)孔內(nèi)的甲烷會(huì)不斷積聚，其體積分?jǐn)?shù)越來越高，甚至達(dá)到爆炸極限。如果只憑借路面的檢測(cè)情況，很容易誤判管道泄漏的危險(xiǎn)程度。因此，建議對(duì)土壤中的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，先于路面發(fā)現(xiàn)泄漏，及時(shí)搶修，避免事故的發(fā)生。
3 甲烷監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)
3.1 裝置的組成及布置
土壤內(nèi)的溫度、濕度較高，在夏季多雨情況下，地下水位較高。一般的甲烷氣體探測(cè)器在相對(duì)濕度100%的情況下不能夠達(dá)到防水的效果，影響傳感器的檢測(cè)精度，甚至發(fā)生損壞。本文自主設(shè)計(jì)了一套具有防水透氣功能的便攜式埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置。該裝置主要由自主設(shè)計(jì)的防水透氣殼及甲烷傳感器、供電裝置及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊組成。
將埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置安裝在一個(gè)具有承壓及透氣功能的檢測(cè)筒內(nèi)，檢測(cè)筒下方敞口，并與土壤接觸，內(nèi)部無土壤，檢測(cè)筒四周打孔，上方設(shè)置井蓋，井蓋與甲烷監(jiān)測(cè)裝置采用剛性連接，使得甲烷監(jiān)測(cè)裝置固定于檢測(cè)筒內(nèi)，工作人員可以隨時(shí)對(duì)檢測(cè)筒內(nèi)的甲烷監(jiān)測(cè)裝置的傳感器及電池進(jìn)行校準(zhǔn)及更換。檢測(cè)筒安裝在管道正上方。參考目前的燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)定位打孔深度為0.5 m，因此，燃?xì)鈾z測(cè)筒的通常高度為0.5 m，可根據(jù)管道埋深增加檢測(cè)筒高度。甲烷監(jiān)測(cè)裝置及檢測(cè)筒的布置見圖1。
圖1 甲烷監(jiān)測(cè)裝置及檢測(cè)筒的布置
3.2 防水透氣殼的設(shè)計(jì)
防水透氣殼由外殼殼體、腔體、腔蓋組成。在自然狀態(tài)下，將甲烷傳感器、電池、供電及遠(yuǎn)傳模塊等核心元件放入腔體內(nèi)，腔體與腔蓋采用螺紋連接，腔蓋由防水透氣膜組成，再將腔體放入橢球狀的外殼殼體內(nèi)，四周采用螺栓連接。防水透氣殼見圖2。
圖2 防水透氣殼
如圖2所示，防水透氣殼的外殼殼體采用橢球狀設(shè)計(jì)，腔體高度大于外殼殼體高度的1/2。當(dāng)水位沒過裝置底面達(dá)10 m時(shí)，防水透氣殼內(nèi)部氣體體積大約被壓縮到原體積的1/2，裝置的外殼殼體采用半橢球形設(shè)計(jì)，因此，此時(shí)外殼殼體內(nèi)水面在外殼殼體高度的1/2位置以下。本裝置腔體的設(shè)計(jì)高度大于外殼殼體高度的1/2，因此，防水透氣殼內(nèi)的水面位置在腔蓋以下，可以防止液態(tài)水進(jìn)入腔體內(nèi)?？梢姡词乖谒粵]過裝置底面達(dá)10 m的惡劣條件下，該裝置仍能夠?qū)η惑w內(nèi)的核心元件起到很好的保護(hù)作用。
腔蓋的防水透氣膜由灰色熱軋復(fù)合布組成，能夠單向通過甲烷分子，該材料的24 h透水蒸氣指標(biāo)為660.6 g/m2，在一定程度上防止了水蒸氣的進(jìn)入。
綜上所述，該防水透氣殼能夠防止液態(tài)水及水蒸氣進(jìn)入到腔體內(nèi)，從而保護(hù)了腔體內(nèi)的核心元件。
3.3 甲烷傳感器的選型
①半導(dǎo)體傳感器
半導(dǎo)體氣體傳感器是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體在一定溫度下，電導(dǎo)率隨環(huán)境氣體組成變化而變化的原理制造。半導(dǎo)體傳感器選擇性較差，且不適合長(zhǎng)期運(yùn)行，受溫度、濕度及震動(dòng)影響較大，因此，不適合于受車輛影響較大的城市土壤環(huán)境；檢測(cè)范圍小，精度低，不適合于精確測(cè)量；穩(wěn)定性低；若長(zhǎng)期未與待測(cè)氣體接觸，則會(huì)因?yàn)檠趸磻?yīng)而進(jìn)入休眠狀態(tài)。
②催化燃燒傳感器
催化燃燒傳感器的基本原理是，通過加熱催化元件，使待測(cè)氣體與氧氣在元件表面燃燒，放出熱量，溫度的變化會(huì)引起電阻發(fā)生變化，通過測(cè)量電阻變化量就可以檢測(cè)出甲烷體積分?jǐn)?shù)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，造價(jià)較低；只對(duì)可燃?xì)怏w有反應(yīng)，受環(huán)境溫度、濕度的影響不大，適于野外使用［3］。
③紅外線傳感器
紅外線傳感器是根據(jù)不同種類的氣體對(duì)紅外線具有不同的特征吸收光譜，氣體對(duì)光譜的吸收強(qiáng)度與氣體的濃度有關(guān)而制成的［4］。紅外線甲烷傳感器具有良好的選擇性，不同氣體的特征光譜各不相同；不易中毒、老化；具有很高的靈敏度；響應(yīng)時(shí)間短；檢測(cè)范圍寬；能進(jìn)行連續(xù)分析，穩(wěn)定性好［5］。
④小結(jié)
綜上所述，半導(dǎo)體甲烷傳感器不適用于土壤內(nèi)溫度、濕度環(huán)境，不適合作為甲烷監(jiān)測(cè)裝置的傳感器。催化燃燒傳感器與紅外線傳感器都具有較好的選擇性，應(yīng)用廣泛，因此，在模擬北京市土壤中溫度、濕度環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試比較后作出選擇［6］。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)思路是否可行，對(duì)自主設(shè)計(jì)的防水透氣殼采用3D打印，選擇紅外線傳感器與催化燃燒傳感器對(duì)甲烷監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行組裝，實(shí)驗(yàn)階段采用市電供電，設(shè)計(jì)了能夠模擬埋地環(huán)境的實(shí)驗(yàn)箱，溫度為-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，每個(gè)溫度分別對(duì)應(yīng)4種相對(duì)濕度：25%、50%、75%、100%。對(duì)組裝好的甲烷監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試兩種傳感器的穩(wěn)定性［7］。
4.1 實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)箱箱體的長(zhǎng)、寬、高分別為1 m、1.5 m、1.5 m，實(shí)驗(yàn)箱底部布置小口徑的PE管模擬發(fā)生泄漏的燃?xì)夤?，管道在土壤中環(huán)形分布，并隔100 mm在管壁上打孔使得氣體近似均勻地在土壤各處擴(kuò)散；環(huán)形燃?xì)夤苌戏椒胖霉Q直徑315 mm、高度120 mm的PE管作為檢測(cè)筒，并在檢測(cè)筒四周打孔，使氣體能夠從每個(gè)方向進(jìn)入，以此模擬該裝置埋設(shè)于地下的檢測(cè)筒空間；PE檢測(cè)筒最底部埋設(shè)防水防爆的加熱管，并將制冷裝置的制冷管纏繞于PE檢測(cè)筒壁內(nèi)側(cè)；將埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置固定于PE檢測(cè)筒中；除了檢測(cè)筒內(nèi)部，其余部分都用在現(xiàn)場(chǎng)取回的標(biāo)準(zhǔn)回填土進(jìn)行回填。實(shí)驗(yàn)箱見圖3。
圖3 實(shí)驗(yàn)箱
4.2 實(shí)驗(yàn)過程
①氣源
為了保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全，避免甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限，在實(shí)驗(yàn)過程中，采用配氣袋配置甲烷體積分?jǐn)?shù)為1%的甲烷與空氣的混合氣體。配氣袋為常溫、常壓，通過手動(dòng)將配氣袋中的混合氣體緩慢擠入實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的燃?xì)夤苤小?/p>
②溫度、濕度調(diào)節(jié)
通過大量市場(chǎng)調(diào)研，最終確定使用油箱、水池防水防爆加熱器，通過電壓為220 V、功率為3 kW的溫控箱來調(diào)節(jié)溫度，溫度可調(diào)范圍為5～400 ℃。當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)，溫控器動(dòng)作，指示燈滅，加熱器停止工作。當(dāng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定（可調(diào)節(jié)）的下限值時(shí)，電源自動(dòng)接通，加熱器再次工作。如此周而復(fù)始，使保溫箱內(nèi)的溫度始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
選擇小型制冷機(jī)組進(jìn)行降溫，此制冷機(jī)組由制冷端（即制冷管）與外機(jī)組成，其工作電壓為220 V，功率為750 W。通過一個(gè)小型的溫控裝置來調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)范圍為-50～50 ℃。
通過向箱內(nèi)噴水再加熱來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的濕度，由于該實(shí)驗(yàn)是在夏季開展，濕度較高，因此，濕度按由高到低的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
③數(shù)據(jù)采集
本實(shí)驗(yàn)中，甲烷傳感器采集到的4～20 mA電流信號(hào)通過屏蔽線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)。本文選擇DAM-3058R數(shù)據(jù)采集模塊。
4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們針對(duì)兩種類型的傳感器分別采集到了40組數(shù)據(jù)，后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，判斷兩種傳感器的報(bào)警值啟動(dòng)點(diǎn)及其受溫度、濕度環(huán)境的影響情況。紅外線傳感器在-5 ℃、相對(duì)濕度為89%時(shí)，其報(bào)警下限值為0.192 3%；而在22 ℃，相對(duì)濕度為96%時(shí)，其報(bào)警下限值到了0.009 6%。其最大值與最小值接近20倍的關(guān)系，表明了紅外線傳感器在不同溫度、濕度環(huán)境的波動(dòng)很大。
催化燃燒傳感器的靈敏度值波動(dòng)范圍很小，在-5 ℃、相對(duì)濕度為100%時(shí)，其報(bào)警下限值為0.021%；在40 ℃，相對(duì)濕度為96%時(shí)，其報(bào)警下限值為0.031%。其最大值與最小值將近1.5倍的關(guān)系。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，催化燃燒傳感器在不同溫度、濕度環(huán)境的檢測(cè)值波動(dòng)很小。
綜上所述，通過對(duì)兩種傳感器的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)紅外線傳感器受環(huán)境溫度、濕度影響大，檢測(cè)值呈現(xiàn)無規(guī)則波動(dòng)，且波動(dòng)幅度大。而催化燃燒傳感器性能基本保持穩(wěn)定。因此，催化燃燒傳感器更能適應(yīng)多變的溫度、濕度環(huán)境，可用于埋地甲烷監(jiān)測(cè)裝置。
5 結(jié)論
燃?xì)夤艿佬孤┖?，土壤?nèi)積聚的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)明顯高于路面，有必要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。催化燃燒甲烷傳感器在多變的溫度、濕度環(huán)境下性能更穩(wěn)定。將甲烷監(jiān)測(cè)裝置置于檢測(cè)筒內(nèi)能夠檢測(cè)到土壤內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)，先于路面發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤?/p>
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