城市地下燃氣管線相鄰空間安全監測方法及應用

張志玲

（太原天然氣有限公司，山西 太原 030000）

0 前言

城市化進程逐步加快，對于燃氣需求度大幅升高，除了滿足人們日常做飯需要，也成為加熱主要資源。燃氣管線由于自身特性，鋪設在地下環境，覆蓋范圍廣，如果泄露出現嚴重安全事故，將嚴重威脅到城市安全運行。而燃氣管線的檢查難度較大，鋪設范圍較廣，無法做到實時覆蓋，加之人員業務素養要求較高，所以無法及時發現燃氣泄露，帶來十分嚴重的泄露風險。

1 燃氣管線相鄰地下空間的安全隱患

1.1 燃氣事故分析

對于燃氣來說，其在使用過程中存在一定的危險性，一旦燃氣在日常應用中可能存在泄漏安全隱患，如未能及時發現泄漏情況，燃氣將會在密閉空間內不軟集聚，當濃度達到5%～15%以上便會引起爆炸，一旦發生爆炸將會嚴重的人員傷亡和經濟損失，對于我國現代化建設帶來負面影響。燃氣事故的案例數不勝數，每一次事故都值得深思，如在2012年8月2日，南江縣一棟8層樓房發生燃氣爆炸事故，事故發生于當日的下午3時12分左右，事故造成2人死亡，24人受傷，建筑當街玻璃全部損毀，因爆炸產生的各類雜物從高處掉落，導致沿街停放車輛均有不同程度損傷，整棟樓房的空調機掉落50%以上，一樓門市10多個門市的卷簾門被炸飛，事后統計本次事故受災群眾83戶共355名。發生爆炸的廚房位于一樓已面目全非，經調查爆炸系廚房民用天燃氣泄漏引發。出現此問題的原因是該住戶并未安裝燃氣報警器，出現燃氣泄漏時無法及時預警，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。

1.2 相鄰地下空間隱患

燃氣管線相鄰地下空間較為復雜，覆蓋范圍廣，無論是人防工程、雨污水管線還是地鐵、電纜溝，都是城市地下空間主要內容，同燃氣管線交叉或并行敷設，屬于相鄰容易泄露的地下空間，同時也是火災爆炸事故高發區域。結合燃氣管線泄露檢測技術要求，更多的是檢查燃氣管線油污泄漏，卻很少將燃氣管線相鄰地下空間作為安全監測對象，存在很大的燃氣泄露隱患，稍有不慎將帶來嚴重事故。現有的燃氣管線檢測手段單一、滯后，技術水平不高，難以滿足安全檢查需要[1]。人工檢查時效性較差，無法實時覆蓋，效率偏低，即便有隱患也無法及時有效的檢測出來。尤其是檢查范圍廣，工作量大，如果對城市道路下的燃氣管線檢測，可能由于巡檢車體積過大存在檢測死角，導致檢測不全面的問題出現。以往的燃氣安全管理中，安全防范機制內容不全面，很少從城市整體角度去統籌規劃，燃氣泄露直接進入到污水管道、雨水管道和地下停車場等地下空間，由于缺少專人監管和負責，即便發現泄露也存在搶修不及時的問題，威脅到城市安全。如，2017年松原市發生的城市燃氣管道泄露爆炸事件，結合調查報告給出的結果，相關責任企業和部門缺少城市公共安全管理機制，安全管理度不足，未能定期檢修燃氣管道，成為燃氣管道泄露爆炸事故發生的主要因素。

2 燃氣管線相鄰地下空間安全檢測要求

2.1 產品性能要求

燃氣融合空氣后整體濃度會減小，但如果燃氣濃度持續增長，仍然會在空氣中堆積，因此要求報警器必須能夠按照標準進行檢測，根據不同需求選擇合適性能的報警器。靈敏度是衡量報警器使用性能關鍵指標之一，不同類型的可燃性氣體進行監測時，如果只有一個設定值，則需要滿足預設的低限要求，通常可以按照爆炸下限進行設定，一般用LEL來表示，但由于所用報警器靈敏度可能完全不同，低限報警通常處在爆炸下限的1%～25%之內，滿足家用報警器的需求。

2.2 選型應用要求

現在很多燃氣器具會產生大量一氧化碳，在實際的選型過程中，不僅要有滿足要求的靈敏度，而且還要避免出現誤報的情況，如一氧化碳會對人體很大危害，所以很多家庭會選擇具有雙探測功能的報警器。基于可燃氣體濃度報警閾值，及時分析氣體濃度變化規律，解決傳統技術手段效率不高的問題，通過擴散模型、泄漏溯源模型確定影響范圍，同時為了能夠排除其他氣體造成的干擾，在檢測可燃性氣體的同時對一氧化碳進行檢測和報警。

2.3 網絡通信要求

網絡通信系統實現傳感器數據的匯集、傳輸、交互，前端傳感器采集到泄漏可燃氣體濃度信號后，根據泄漏燃氣在土壤和空氣中的擴散速度對高斯煙羽模型進行修正，并將監測點測量數值帶入高斯煙羽模型，通過3G/4G通信模塊經由移動互聯網傳輸到監測中心，隨后將信息存儲到監控中心數據庫，通過應用層節點認證保障。而數據庫系統存儲燃氣安全監測密切相關的各種信息如基礎信息，保障預案庫、案例庫、知識庫信息的準確性，在此基礎上結合三維地理信息系統和BIM模型，將在線監測數據與模型關聯，為預測預警和輔助決策提供數據支撐。

3 燃氣管線相鄰地下空間安全檢測系統構建

燃氣管線相鄰地下空間的安全監測，其中涉及眾多內容，包括風險識別、安全監測預警等多環節，要求全方位識別泄露風險，基于物聯網來實時監測，對風險較高區域重點進行檢測，可通過多個傳感器組合保證在濃度較低的情況下及時發現，超出預警值及時上報和解決，輔助決策部署[2]。

建立燃氣管線相鄰地下空間安全監測系統，技術架構包括四點：

（1）前端感知系統。分析燃氣管線相鄰地下空間出現火災事故的可能性，對燃氣管線相鄰地下空間實時監測，并在此基礎上進行風險識別和評估，也可以通過諸多傳感器識別容易出現泄漏的燃氣管線以及火災爆炸的空間，通過收集燃氣管線相鄰地下空間相關信息，合理部署將風險細化，以此實時監測可燃氣體空間濃度，為后續決策部署提供支持。

（2）網絡通信系統。主要是借助CAN總線協議通過網關模塊，將傳感器收集的數據匯總、傳輸和利用，將前端傳感器與后端監測中心連接在一起實現信號A/D轉換、編碼。前端傳感器所采集到的信號數據，隨后可3G或4G模塊將轉換后的數據傳輸至計算中心，最后錄入到監控中心數據庫[3]，如圖1所示。

圖1 網絡通信系統

（3）數據庫系統。數據庫系統是用于燃氣安全監測相關信息，燃氣管線相鄰地下空間安全監測系統在實際應用，可以實現燃氣管線附近1km管線和相鄰地下空間在線監測，為后續的預測和決策提供數據支持[4]。通過燃氣管線相鄰地下空間安全監測系統的應用，實際檢測中包括基礎信息、事件信息等，同時基于地理信息系統與BIM三維模型，將間結構精簡化。

（4）后端分析和展示系統。為改善傳統檢測手段的不合理之處，需要通過后端分析和展示系統，確定可燃氣體濃度警戒線，實時分析氣體濃度變化規律，智能分析和診斷，檢查管道泄露的風險隱患。依托于泄露溯源模型和擴散模型，可以分析泄漏點和影響范圍，針對風險制定合理的決策。

需要對管線敷設區域進行充分勘察和了解，設置諸多監測點，安裝傳感器來獲取燃氣管線相鄰地下空間的可燃氣體濃度，上傳到數據監測中心[5]。由于燃氣管線長期使用，失效概率較高，尤其是沿線很多居民區要實時分析氣體濃度變化規律，如果爆炸所帶來的危害十分嚴峻，需要對居民區沿線附近重點管理和養護。針對燃氣管網的服務對象、功能和周圍環境設立三維空間模型，結合相關參數模擬計算，可以及時預測和發現燃氣泄露事件，制定合理措施及時遏制，可以切實保障城市安全運行。

4 結論

綜上所述，燃氣管線相鄰地下空間安全監測關乎社會民生，是一項重要工作，應借助現代化技術和裝備設立燃氣管線相鄰地下空間安全監測系統，實時監測獲取數據，并通過系統分析來發現泄露風險隱患，及時遏制，維護城市運行安全。