基于TDLAS的甲烷傳感器在綜合管廊燃?xì)馀撝袘?yīng)用探討

楊 常 華

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

近年來(lái)隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，各省市的城市地下綜合管廊陸續(xù)建成并投入使用，已經(jīng)成為當(dāng)今城市現(xiàn)代化建設(shè)的熱點(diǎn)和衡量城市建設(shè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一。建成后的城市地下綜合管廊為城市的發(fā)展提供巨大作用的同時(shí)，管廊本身的安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。城市地下綜合管廊內(nèi)部承載了大量的重要管線，一旦有電力電纜損壞引發(fā)火災(zāi)、燃?xì)庑孤┮l(fā)燃爆等事故的發(fā)生，其所帶來(lái)的損失和影響將十分巨大。

本文從工程實(shí)踐(山西綜改區(qū)某街道地下綜合管廊項(xiàng)目)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，針對(duì)管廊燃?xì)馀撎烊粴庑孤﹨R聚易發(fā)生燃爆及缺氧等事故的情況，結(jié)合管廊結(jié)構(gòu)、火災(zāi)消防規(guī)范的要求，提出使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)燃?xì)馀摰目扇細(xì)怏w方案，此技術(shù)在管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)和火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警等建設(shè)方面具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 TDLAS可燃?xì)怏w檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代末90年代初，隨著分布式反饋激光器(DFB)的研制成功，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy簡(jiǎn)稱(chēng)TDLAS)開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注。利用半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)調(diào)諧特性，獲得被測(cè)氣體分子的吸收光譜，從而對(duì)氣體進(jìn)行定性或定量分析，由于激光的高單色性、方向性、高集中性，利用氣體分子的一條孤立的吸收譜線對(duì)氣體的吸收光譜進(jìn)行測(cè)量，可方便地從混合成分中鑒別出不同的分子，避免其他光譜的干擾，使其成為氣體檢測(cè)的理想工具。對(duì)于監(jiān)測(cè)易燃易爆的天然氣體來(lái)說(shuō),利用介質(zhì)對(duì)光吸收而使光產(chǎn)生衰減這一特性制成的吸收型光纖氣體傳感器，具有相當(dāng)高的測(cè)量靈敏度和精度、極高的氣體鑒別能力、快速的響應(yīng)能力、性能穩(wěn)定、傳感器元件壽命長(zhǎng)無(wú)中毒現(xiàn)象等特性。同時(shí)利用光纖氣體傳感器和傳輸光纜等光纖器件可以方便組成光纖傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度數(shù)值的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及傳輸。基于激光的光纖氣體檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

3 燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w檢測(cè)器選型原則

燃?xì)馀摽扇家妆瑲怏w主要是甲烷氣體，因此對(duì)燃?xì)馀摰募淄闈舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是燃?xì)馀摪踩\(yùn)行的保障，同時(shí)管廊及其內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)維是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,甲烷氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)備應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。結(jié)合管廊特點(diǎn)選用甲烷氣體檢測(cè)器應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮:

1)穩(wěn)定性。管廊環(huán)境中濕度比較大，一般的電氣設(shè)備長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境下，容易受到腐蝕，電氣元件會(huì)因腐蝕而受損降低使用壽命，因此檢測(cè)設(shè)備本身的防護(hù)能力決定了今后設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)檢測(cè)傳感器應(yīng)避免受管廊環(huán)境內(nèi)其他氣體及化合物干擾而使元件中毒或壞死。所以在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的本身防護(hù)能力，宜采用工作時(shí)間長(zhǎng)，受環(huán)境影響小的設(shè)備。

2)安全性。由于燃?xì)馀摽赡艽嬖谌細(xì)庑孤┍嘉ｋU(xiǎn), 設(shè)備易選用檢測(cè)測(cè)量范圍廣、精度高、抗電磁干擾的防爆本質(zhì)安全型設(shè)備，以避免設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量而引起的爆燃事故。

3)實(shí)時(shí)性。管廊距離長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)多，所有測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同步處理上傳，宜采用智能型、低功耗以及具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能儀表。

4)可維護(hù)性。在保證測(cè)量精度的同時(shí)應(yīng)選用調(diào)校周期長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)期穩(wěn)定的設(shè)備，安裝完畢后盡可能免維護(hù)或少維護(hù)以減少管廊運(yùn)維成本。

4 甲烷檢測(cè)器應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段連續(xù)監(jiān)測(cè)甲烷氣體濃度技術(shù)除可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜吸收型(TDLAS)外主要還有催化燃燒型、熱導(dǎo)型、紅外光譜吸收型(NDIR)等技術(shù)。催化燃燒型甲烷檢測(cè)器檢測(cè)精度較高、輸出信號(hào)較大、技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉,目前是我國(guó)甲烷濃度監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段而廣泛使用，但在實(shí)際應(yīng)用中由于受催化燃燒式原理局限，普遍存在只在低濃度段(低于4% VOL)具有較高靈敏度和較好的響應(yīng)曲線，而無(wú)法測(cè)量高濃度段甲烷氣體(甲烷爆炸濃度范圍為5% VOL～16% VOL)，并且其標(biāo)校周期短以及元件有中毒現(xiàn)象而影響使用壽命；熱導(dǎo)型甲烷檢測(cè)器雖然測(cè)量范圍較廣，但在空氣中甲烷濃度較低時(shí)，熱敏元件很難通過(guò)甲烷空氣混合物熱導(dǎo)率的變化來(lái)測(cè)定甲烷濃度，低濃度測(cè)量時(shí)誤差大，只適用于測(cè)量高濃度段的甲烷(4% VOL～100% VOL)，因此在管廊內(nèi)此類(lèi)檢測(cè)器目前極少采用；紅外光譜吸收型甲烷檢測(cè)器測(cè)量范圍廣、標(biāo)校周期及壽命較長(zhǎng)但單臺(tái)成本較高，易受到水氣及其他碳?xì)漕?lèi)氣體干擾,管廊內(nèi)的環(huán)境背景輻射以及溫度變化都會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響(見(jiàn)表1)。

表1 現(xiàn)階段主要甲烷氣體檢測(cè)器性能對(duì)比表

根據(jù)GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范要求，天然氣管道應(yīng)在獨(dú)立艙室內(nèi)敷設(shè)，每隔200 m設(shè)置防火分隔區(qū)，分隔區(qū)內(nèi)每隔15 m可設(shè)一臺(tái)檢(探)測(cè)器，且檢(探)測(cè)器距其所覆蓋范圍內(nèi)的任一釋放源不宜大于7.5 m。天然氣報(bào)警濃度設(shè)定值(上限值)不應(yīng)大于其爆炸下限(體積分?jǐn)?shù))的20%；天然氣探測(cè)器應(yīng)接入可燃?xì)怏w報(bào)警控制器，檢測(cè)濃度超過(guò)報(bào)警濃度設(shè)定值(上限值)時(shí)，應(yīng)由可燃?xì)怏w報(bào)警控制器或消防聯(lián)動(dòng)控制器聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備；緊急切斷濃度設(shè)定值(上限值)不應(yīng)大于其爆炸下限值(體積分?jǐn)?shù))的25%。

通過(guò)對(duì)比，TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜吸收型可燃?xì)怏w檢測(cè)器相較其他類(lèi)型檢測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)，特別適合地下綜合管廊距離長(zhǎng)、潮濕、腐蝕環(huán)境中的甲烷監(jiān)測(cè)。

1)氣體選擇性好，受環(huán)境影響小。甲烷氣體有自己的特征激光光譜吸收頻率，在進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，可以方便的測(cè)量出混合氣體中甲烷氣體；TDLAS檢測(cè)器采用非接觸方法測(cè)量氣體，不受艙內(nèi)環(huán)境和有毒氣體的影響而中毒和老化。

2)響應(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好。TDLAS檢測(cè)器在開(kāi)機(jī)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就能正常工作，且當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，也比其他檢測(cè)方法更能及時(shí)作出反應(yīng)。TDLAS檢測(cè)器不會(huì)引起檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)熱，使檢測(cè)系統(tǒng)不至于因溫度的變化而受到影響，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好，靈敏度高。

3)本質(zhì)安全。TDLAS檢測(cè)器的采集和傳輸部分為光纖介質(zhì)，在艙內(nèi)為不帶電設(shè)備，無(wú)需做防爆處理，不會(huì)成為爆炸的點(diǎn)火因素，且不受電磁干擾，信噪比高，測(cè)量精度高。

4)超長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)檢測(cè)。TDLAS檢測(cè)器采用光纖敷設(shè)組成傳感網(wǎng)，不需要布置任何的電源線及信號(hào)線，檢測(cè)信號(hào)傳輸速率快，滿足管廊長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)要求。

5)使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。TDLAS檢測(cè)器系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)也不需要像傳統(tǒng)電化學(xué)設(shè)備每10 d左右標(biāo)校一次以免失準(zhǔn)或失效，減少了后期維護(hù)成本，彌補(bǔ)了前期建設(shè)成本較高的不足。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。管廊燃?xì)馀摽烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜型甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光甲烷傳感器、激光甲烷檢測(cè)控制器、可燃?xì)怏w報(bào)警控制器、傳輸光纜、電源以及其他監(jiān)控設(shè)備等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

在管廊防火區(qū)間電力艙吊裝口或逃生口設(shè)備夾層處設(shè)置1套可燃?xì)怏w報(bào)警控制器，可燃?xì)怏w報(bào)警控制器通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)將甲烷檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心可燃?xì)怏w報(bào)警主機(jī)。

在管廊燃?xì)馀摲阑鸱謪^(qū)段內(nèi)頂部設(shè)置激光甲烷器傳感器，且設(shè)置間隔不大于15 m。每個(gè)區(qū)間內(nèi)的甲烷傳感器通過(guò)光纜接入激光甲烷檢測(cè)控制器后接入?yún)^(qū)間內(nèi)的可燃?xì)怏w報(bào)警控制器。

2)系統(tǒng)功能。可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)之間相互建立聯(lián)動(dòng)；當(dāng)燃?xì)馀搩?nèi)甲烷氣體濃度超過(guò)報(bào)警濃度設(shè)定值(爆炸下限的20%)時(shí)，由可燃?xì)怏w報(bào)警控制器啟動(dòng)本區(qū)間及其相鄰區(qū)間的可燃?xì)怏w聲光報(bào)警器，同時(shí)聯(lián)動(dòng)視頻系統(tǒng)，切換出該區(qū)間的視頻畫(huà)面，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)至本區(qū)間火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制器，由火災(zāi)報(bào)警控制器聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)燃?xì)馀撌鹿识螀^(qū)間及其相鄰區(qū)間的事故風(fēng)機(jī)，并將該報(bào)警信號(hào)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)傳至監(jiān)控中心。當(dāng)燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)鉂舛瘸^(guò)緊急切斷濃度設(shè)定值(爆炸下限的25%)時(shí)，持續(xù)報(bào)警1 min后，可燃?xì)怏w報(bào)警控制器聯(lián)動(dòng)控制燃?xì)夤艿郎舷鄳?yīng)區(qū)域的緊急自動(dòng)切斷閥切斷燃?xì)饣芈贰４_保燃?xì)夤芾仍O(shè)施正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

管廊燃?xì)馀摷淄闅怏w實(shí)時(shí)在線檢測(cè)要求響應(yīng)快、精度高、可靠性高，同時(shí)管廊內(nèi)甲烷氣體檢測(cè)傳感器安裝數(shù)量多，維護(hù)量大。通過(guò)探討適用于管廊燃?xì)馀摷淄闅怏w檢測(cè)器的選型原則，對(duì)比其他各類(lèi)常用的甲烷氣體檢測(cè)技術(shù)，提出使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜吸收型甲烷氣體檢測(cè)器對(duì)燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)庑孤┧鸬闹苓吋淄闈舛茸兓M(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)，利用其本身先進(jìn)的光纖傳感器并集成管廊內(nèi)各種物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管廊燃?xì)馀搶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，異常報(bào)警、自動(dòng)控制，全面提升城市地綜合管廊安全防護(hù)能力，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。