燃氣表異常流量安全切斷技術(shù)

摘 要

摘要：分析了民用燃氣事故的發(fā)生原因，研究了以戶內(nèi)燃氣表異常流量為主要監(jiān)測對象的異常流量報警與切斷技術(shù)，研制了可實現(xiàn)異常流量切斷與報警的燃氣表(已獲得國家實用新型專利)。
摘要：分析了民用燃氣事故的發(fā)生原因，研究了以戶內(nèi)燃氣表異常流量為主要監(jiān)測對象的異常流量報警與切斷技術(shù)，研制了可實現(xiàn)異常流量切斷與報警的燃氣表(已獲得國家實用新型專利)。
關(guān)鍵詞：異常流量；智能燃氣表；IC卡燃氣表；安全切斷；燃氣報警
Safety Shut-down Technology for Abnormal Flow Rate of Gas Meter
LIU Jinlan，ZHANG Yueqin
Abstract：Reasons why domestic gas accidents occur are analyzed.The warning and shut-down teehnology for abnormal flow rate of indoor gas meter is studied.A gas meter which can achieve warning and shut-down for abnormal flow rate is developed，and the national utility model patent of the meter is obtained.
Key words：abnormal flow rate；intelligent gas meter；IC gas meter；safety shut-down；gas warning
1 概述
   近年來，隨著西氣東輸?shù)戎攸c工程的建成投產(chǎn)，管道燃氣行業(yè)蓬勃發(fā)展，居民管道燃氣的普及率不斷提高。然而，由于居民戶內(nèi)燃氣設(shè)施泄漏而引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故不時出現(xiàn)，造成財產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。
   通過對一些民用燃氣事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)事故原因主要有以下幾種：①由于膠管過緊、過短、無卡具造成的膠管脫落；②由于膠管老化、違規(guī)安裝、閥門關(guān)閉不嚴造成的燃氣泄漏；③人為疏忽使灶具長時間非正常使用導致的燃氣泄漏等。針對這些問題，急需研究出有效的解決方法，確保居民用氣安全。
2 燃氣表異常流量安全切斷技術(shù)
    IC卡燃氣表、遠傳燃氣表等智能產(chǎn)品不斷推陳出新，個性化進一步細分了產(chǎn)品與市場。在所有的個性化功能中，最能體現(xiàn)客戶利益與燃氣公司需求的是燃氣表的安全檢測與報警功能。
    在國外，僅日本曾研制出一種具備自動切斷功能的燃氣表，該燃氣表的缺點是異常流量參數(shù)值在出廠時即被設(shè)定，無法根據(jù)實際使用情況改變參數(shù)設(shè)置。在我國的燃氣市場中，針對過流切斷采取的措施大都是利用過流切斷閥(灶前閥的一種)，具有膠管脫落自行關(guān)閉功能，由于價格等因素影響，該產(chǎn)品的普及率還比較低。
    因此，針對用戶在使用燃氣過程中可能發(fā)生的各種泄漏，以戶內(nèi)燃氣表異常流量為主要監(jiān)測對象的異常報警與切斷技術(shù)的應(yīng)用，創(chuàng)造性地在現(xiàn)有燃氣表基礎(chǔ)上增加了全量程安全智能切斷功能，對各種情況下的異常流量進行有效控制。遇突然停氣、超壓、過流、膠管脫落、膠管斷裂或老化而導致的各類流量異常均可實現(xiàn)閥門自動關(guān)閉，減少燃氣事故的發(fā)生。這將提高燃氣表使用過程中的安全性能，極大程度地保證戶內(nèi)燃氣設(shè)施與居民用氣的安全，提升燃氣系統(tǒng)的安全級別。
2.1 異常流量參數(shù)的確定[1]
    綜合分析影響居民戶內(nèi)燃氣安全的因素，進行實驗室模擬實驗，確定主要參數(shù)。居民戶內(nèi)燃氣安全隱患、涉及參數(shù)及設(shè)施見表1。
表1 居民戶內(nèi)燃氣安全隱患、涉及參數(shù)及設(shè)施
安全隱患
涉及參數(shù)
可切斷設(shè)施
可報警設(shè)施
膠管脫落
流量
燃氣表、灶前閥、報警器外置切斷閥
燃氣表、
燃氣泄漏
流量
可燃氣體
高壓氣體流入
壓力、流量
忘記關(guān)火
溫度、流量
報警器
    由表1可知，各種安全隱患中都涉及了參數(shù)流量和設(shè)施燃氣表，因此決定把流量變化和燃氣表結(jié)合起來進行分析。對全開雙眼灶具和膠管脫落等不同狀態(tài)下的流量變化進行了實驗測量，用以確定不同安全隱患下流量的變化，并以此作依據(jù)，配合燃氣表達到異常流量安全切斷的目的。
   ① 檢測依據(jù)
   檢測管道內(nèi)的氣流壓力必須保持相對恒定，實驗室環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等指標參照JJG 577—2005《膜式燃氣表檢定規(guī)程》執(zhí)行。即檢測溫度為(20±2)℃，相對濕度為45%～75%，大氣壓力為86～106kPa。
    ② 檢測項目
    分別選取國內(nèi)3個知名品牌企業(yè)生產(chǎn)的3種表型(G1.6、G2.5、G4)共27只表進行實驗檢測。模擬狀態(tài)為全開單眼灶具、全開雙眼灶具、膠管脫落狀態(tài)，進行壓力和瞬時流量的檢測。
   ③ 檢測方法
   每只表具在每種實驗狀態(tài)下檢測3次，觀察表具重復性。
   ④ 檢測系統(tǒng)
   檢測工具及設(shè)備有：秒表、膠管、鐘罩1臺、U形管3只、雙眼灶具2臺、單眼灶具1臺。檢測系統(tǒng)見圖1。

   ⑤ 檢測結(jié)果
   測量壓力為3kPa時G1.6燃氣表在各種狀態(tài)下的燃氣流量見表2。
表2 壓力為3kPa時G1.6燃氣表在各種狀態(tài)下的燃氣流量   m3/h
狀態(tài)
全開單眼灶具
全開雙眼灶具
膠管脫落
第1次
0.53
0.76
3.25
第2次
0.43
1.01
3.15
第3次
0.49
0.74
3.15
平均值
0.48
0.77
3.18
    本文僅以G1.6燃氣表為例，進行膠管脫落狀態(tài)的分析，提供一種安全隱患狀態(tài)下異常流量值的確定方法。假設(shè)某房間尺寸為2.7m×3.3m×2.6m，則體積為23.166m3。由于燃氣爆炸下限為5%，所以該房間內(nèi)天然氣要累積至1.16m3才能達到危險值。由表1可知，膠管脫落時的燃氣流量為3.18m3/h，而G1.6燃氣表的最大流量為2.5m3/h，故取2.5m3/h為最大瞬時流量，因此最快需要27min才能達到爆炸下限。
    按脈沖當量為0.01m3計算，當流量為2.5m3/h時，燃氣表要經(jīng)過14s才可以檢測到，之后連續(xù)確認3次，則要在56s后檢測確認膠管脫落，進而關(guān)閉閥門。流量越大，關(guān)閉閥門的時間越短。綜合考慮以上因素，當流量大于等于2.5m3/h時，視為異常流量，開始計時關(guān)閥，將關(guān)閥時間設(shè)定為1min。當檢測到膠管脫落后，將在1min內(nèi)自動關(guān)閥，從根本上保障了居民用戶的用氣安全。
    以上分析只是提供了一種研究思路，還應(yīng)結(jié)合居民用戶用氣方式、使用的燃氣設(shè)備等具體情況，進一步分析確定不同情況下的異常流量值并進行設(shè)定。
2.2 智能流量異常切斷功能模塊設(shè)計[2～5]
    智能流量異常切斷功能模塊設(shè)計見圖2。

    中央控制單元是安全智能燃氣表的核心。通過IC卡讀寫單元將民用燃氣異常流量參數(shù)傳入燃氣表的中央控制單元，并保存到數(shù)據(jù)存儲單元中，作為異常流量的判斷依據(jù)。當前的瞬時流量信號從燃氣表通過機電轉(zhuǎn)換傳感器讀入到中央控制單元后，由中央控制單元計算出當前燃氣表的瞬時流量值，并與異常流量范圍進行比較。當確認流量異常時，中央控制單元發(fā)出關(guān)閥操作信號，閥門關(guān)閉，顯示器顯示異常提示，并形成記錄，通過TC卡或無線形式反饋到管理系統(tǒng)，供故障分析。
   智能流量異常切斷功能模塊設(shè)計的特點為：①對民用IC卡燃氣表的異常流量超限值進行參數(shù)設(shè)定。②自動實時計算流過燃氣表的瞬時流量。③自動識別統(tǒng)計恒流時間。④可設(shè)置表內(nèi)恒流關(guān)閥時間、流量異常限值范圍、流量異常統(tǒng)計次數(shù)。⑤自動識別正常流量與異常流量，確保用戶使用燃氣不受干擾。⑥識別測試狀態(tài)與運行狀態(tài)的切換，不會影響置換等操作。
2.3 安全切斷閥的選取
   安全切斷閥是實現(xiàn)安全保護的關(guān)鍵部件，為確保流量異常時的安全有效切斷，安全切斷閥選用內(nèi)置步進電機閥。同電磁閥、直流電機閥相比，步進電機閥具有以下優(yōu)點：①符合本安型防爆規(guī)定。②使用壽命長，不會產(chǎn)生電火花，更安全可靠，非常適合于燃氣行業(yè)。③結(jié)構(gòu)件少，精度高，閥門運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速可保持穩(wěn)定。④在堵轉(zhuǎn)時，步進電機只是線圈電流增大，無機械損壞。⑤啟動電流小，對IC卡表的CPU干擾小。⑥可根據(jù)閥門行程及步距角控制閥門開關(guān)到位。⑦閥門關(guān)閉且壓力為5kPa時，閥門允許內(nèi)漏量小于等于0.3dm3/h。⑧可靠開關(guān)閥次數(shù)為10×104次以上。
3 結(jié)論
   ① 通過對異常流量的參數(shù)設(shè)定與識別轉(zhuǎn)換，以及根據(jù)用戶實際使用特點進行參數(shù)設(shè)定，可以實現(xiàn)多種使用環(huán)境下燃氣表流量異常的自動切斷功能。這一成果完全打破了日本研制的智能燃氣表異常流量參數(shù)僅能在出廠時設(shè)定而無法根據(jù)實際情況自行設(shè)定的固定模式。
   ② 實現(xiàn)燃氣表異常流量的用戶報警功能，對用戶進行異常流量報警的同時，將用戶的安全初始狀態(tài)、流量異常的原因、時間、分類累計次數(shù)的記錄反饋到燃氣信息管理系統(tǒng)中，提高了燃氣安全管理質(zhì)量。
    ③ 通過無線遠傳或組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集可以實現(xiàn)實時報警。
    ④ 在居民區(qū)進行的大量戶內(nèi)實驗表明，目前該技術(shù)在燃氣表上應(yīng)用是安全可靠的，極大地提高了居民戶內(nèi)燃氣使用的安全級別。
    ⑤ 應(yīng)用該技術(shù)研制的一種可實現(xiàn)流量異常情況下報警與切斷的燃氣表已經(jīng)獲得國家實用新型專利[6]。該燃氣表已經(jīng)在大慶燃氣公司進行了推廣應(yīng)用，有力地保障了居民戶內(nèi)燃氣的使用安全。
    ⑥ 燃氣表異常流量安全切斷技術(shù)的推廣應(yīng)用將為國內(nèi)燃氣用戶提供更加安全、智能、便捷的服務(wù)，為運行提供先進的市場運作環(huán)境及安全、智能的數(shù)字化管理平臺。
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(本文作者：劉金嵐 張月欽 大慶中石油昆侖燃氣有限公司 黑龍江大慶 163453)