復合災害條件下可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)境適應性評價研究

　　摘要：為研究可燃氣體監(jiān)測儀在高低溫、風雨雪冰凍耦合等復合情況下的環(huán)境適應性，提出復合情況下可燃氣體監(jiān)測儀關鍵性能指標和建立環(huán)境適應性指標體系，突破傳統(tǒng)災害環(huán)境適應性試驗平臺性能單一的不足，模擬復合災害環(huán)境，構建可燃氣體監(jiān)測儀試驗平臺，以甲烷為例，作為典型的可燃氣體，監(jiān)測復合條件下可燃氣體監(jiān)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(jiān)測儀進行綜合評價。研究表明：環(huán)境溫度低于-20℃和高于60℃時，可燃氣體監(jiān)測儀監(jiān)測精度有較大影響，而復合環(huán)境下相比單一環(huán)境對可燃氣體監(jiān)測儀影響較大;ZNRQ200L型號的可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)境適應性評價等級為優(yōu)秀，與環(huán)境適應性試驗結果中甲烷體積分數監(jiān)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(jiān)測儀;災害條件;環(huán)境適應性;綜合評價

　　0引言

　　隨著城市化進程發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)是一種必要趨勢[1-3]。利用可燃氣體監(jiān)測儀對城市管網燃氣泄漏進行實時監(jiān)測預警的燃氣管網安全在線智能監(jiān)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(jiān)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(jiān)測體系中重要監(jiān)測設備，在燃氣泄漏監(jiān)測預警中被賦予越來越高的期望�？扇細怏w監(jiān)測儀設計及型式試驗過程中考慮的使用環(huán)境通常為常規(guī)環(huán)境，而在城市生命線監(jiān)測系統(tǒng)實際工程應用中可知，可燃氣體監(jiān)測儀在監(jiān)測過程中往往會遇到各種災害環(huán)境，其功能、性能發(fā)揮均受環(huán)境的影響，存在設備穩(wěn)定性問題。

　　工業(yè)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(jiān)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(huán)境適應性方面研究很少，大都局限于單一災害環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)境條件下的可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)境適應性研究。

　　因此，本文針對可燃氣體監(jiān)測儀在實際使用過程中可能會遇到的各種復合環(huán)境，如強風、降雨、降雪、高低溫耦合等，構建復合災害環(huán)境下可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)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(huán)境，以ZNRQ200L型號的可燃氣體監(jiān)測儀為典型代表開展環(huán)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(huán)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(tǒng)中可燃氣體監(jiān)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(jiān)測儀的特征進行評判，更加全面、系統(tǒng)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(jiān)測儀環(huán)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(jiān)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(huán)境下的檢測指標。由合肥市城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)中可燃氣體監(jiān)測儀工程應用可知，可燃氣體監(jiān)測儀大多數的工作環(huán)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(huán)境對設備有很強的腐蝕性，尤其是復合災害環(huán)境下對設備的功能損壞最嚴重。為了保障可燃氣體監(jiān)測儀能夠長期有效運行監(jiān)測，在復合災害環(huán)境下設備的環(huán)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(jiān)測儀適應性問題，綜合考慮篩選出受災害環(huán)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(jiān)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(huán)境下可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)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(jiān)測、事故排查、隱患處理工程師、行業(yè)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(jiān)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(wěn)定性)，進行定量化處理。將數值0~1劃分為四個區(qū)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(yōu)。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(jiān)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(tǒng)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(huán)境適應性試驗設計

　　2.1試驗平臺簡介

　　為使可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)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(jiān)測儀、儲氣袋、標準甲烷氣體以及數據分析系統(tǒng)等搭建可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)境適應性測試平臺，可提供一個穩(wěn)定的復合災害環(huán)境，檢測可燃氣體監(jiān)測儀最重要的濃度監(jiān)測功能指標，觀測可燃氣體監(jiān)測儀在不同工況條件下監(jiān)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(jiān)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(huán)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(fā)的固定式可燃氣體監(jiān)測儀(型號：ZNRQ200L)。主要針對CH4(甲烷)氣體的監(jiān)測，監(jiān)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�？紤]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(tǒng)作為數據采集端，通過可燃氣體監(jiān)測儀有線信號傳輸端口，將可燃氣體監(jiān)測儀采集到的甲烷氣體濃度及設備電源電壓數據發(fā)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(jiān)測儀連接，將可燃氣體監(jiān)測儀通過數據線與計算機連接。試驗時將可燃氣體監(jiān)測儀放置在氣候艙中部位置。試驗時首先調節(jié)氣候艙環(huán)境條件，穩(wěn)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(wěn)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(jiān)測儀設計工作環(huán)境溫度量程為-10℃~60℃，為研究在極端高低溫環(huán)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(huán)境溫度范圍為-35℃~80℃，間隔5℃作為一組工況，兩個溫度之間穩(wěn)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(tài)進行測試，高、低溫狀態(tài)下試驗結果�？扇細怏w監(jiān)測儀監(jiān)測出的甲烷氣體濃度隨溫度變化呈現倒“U”型。當環(huán)境溫度為-35℃~-5℃時，可燃氣體監(jiān)測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而升高;反之，環(huán)境溫度為45℃~80℃，可燃氣體監(jiān)測儀測得甲烷氣體濃度隨著溫度的升高而降低;環(huán)境溫度為-5℃~45℃，可燃氣體監(jiān)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(huán)境條件下的相同溫度環(huán)境作為測試對照試驗，可燃氣體監(jiān)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(jiān)測儀監(jiān)測出的甲烷氣體濃度也隨之降低。25℃、-10℃、-20℃環(huán)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(huán)境下甲烷體積分數會有上下波動，但是和正常環(huán)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(huán)境使可燃氣體監(jiān)測儀監(jiān)測功能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測的數據處于波動狀態(tài)，有一定參數偏差，相比較溫度環(huán)境的變化，淋雨、降雪和覆冰等單一的災害環(huán)境對可燃氣體監(jiān)測儀影響相對較大。從實驗數據可知，可燃氣體監(jiān)測儀在工程應用中考慮到實際運行復雜災害環(huán)境條件，需在特定環(huán)境條件下縮短設備校準周期或進行特定環(huán)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(jiān)測系統(tǒng)，按照“點”、“線”、“面”相結合的原則，優(yōu)先選擇合肥市高風險區(qū)域、重點敏感區(qū)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(jiān)測點，每個監(jiān)測點都安裝激光式可燃氣體監(jiān)測儀�；�于可燃氣體監(jiān)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(jiān)測儀在特定環(huán)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(huán)境條件下可燃氣體監(jiān)測儀主要影響因素，建立了可燃氣體監(jiān)測儀災害環(huán)境適應性指標體系，構建了環(huán)境適應性評價體系。

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

　　3)提出針對復合環(huán)境下可燃氣體監(jiān)測儀環(huán)境適應性評價方法，采用AHP-價值函數法對可燃氣體監(jiān)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(jiān)測儀綜合評價方法合理、可行，可燃氣體監(jiān)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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