激光式甲烷探測器極端氣候環境適應性試驗研究

李亞運，王 祥，2，操 凱，2，劉小勇

（1.清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601，2.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著城市燃氣的快速發展，我國燃氣管網范圍逐步擴大，燃氣用戶和用氣量不斷增多，伴隨而來的燃氣安全形勢也愈發嚴峻。近年來，國內燃氣事故頻發，如2021 年“6.13”湖北十堰重大燃氣爆炸事故、2023年“6.21”寧夏銀川特別重大燃氣爆炸事故等，給人民生命財產造成巨大損失。可燃氣體探測器是燃氣管網安全監測手段的重要組成。尤其是激光式可燃氣體探測器具有穩定性高、測量精度高、響應時間快等特點，應用前景高，在家用和工商業中有大量需求[1-3]。

在實際應用中，不同的工作環境會對可燃氣體探測器的工作產生影響。尤其是高低溫、風與雨雪等復合氣候環境，可能導致探測器無法準確地檢測到可燃氣體的存在或者誤報。現有的研究側重于單一環境研究，缺乏復合環境條件下可燃氣體探測器性能研究。激光式甲烷探測器作為激光式可燃氣體探測器的一種，用于檢測甲烷氣體的濃度，在石油、天然氣、化學和冶金等行業都有廣泛的應用[4-5]。因此，本文針對可燃氣體探測器開展高低溫、風與雨雪等復合氣候環境條件下激光式可燃氣體探測器環境適應性試驗研究，對探測器的性能改善、優化具有十分重要的意義。

1 試驗方法

1.1 試驗平臺設計

城市地下管網相鄰地下空間燃氣泄露風險監測設備主要安裝在窨井中，在實際使用過程中往往會遇到各種災害氣候環境，如大風、降雨、降雪、高低溫單一及其復合環境。為研究可燃氣體監測儀在極端氣候環境條件下的環境適應性，研建了可燃氣體監測儀環境適應性測試平臺。測試平臺包括多災耦合氣候艙、可燃氣體監測儀、標準甲烷氣體和數據分析系統等設備，測試系統如圖1 所示。

圖1 多災耦合環境條件下可燃氣體報警器綜合性能測試系統

多災耦合氣候艙可實現高溫、低溫、淋雨、覆冰、降雪及大風等多種災害環境，溫度最低-40 ℃；淋雨雨量范圍0 ～40 mm/h；覆冰厚度10 mm/h，降雪厚度10 mm/h；吹風系統利用軸流風機產生0～15 m/s 風速，可模擬單一氣候環境及高溫淋雨、風雨或風雪、低溫大風等耦合環境。標準甲烷氣體、甲烷氣體分析儀與流量計用于可燃氣體檢測儀示值準確性測試。

1.2 試驗工況

為研究激光式甲烷探測器在淋雨、覆冰、降雪等單一及復合氣候環境條件下的性能表征，選取某款可燃氣體報警器開展激光甲烷探測器極端氣候環境適應性實驗研究，試驗采用的標準甲烷氣體體積分數為3%。測試樣品是天然氣地下管網相鄰地下空間中監測的典型設備，適用于監測甲烷氣體濃度，監測范圍為0% ～20%VOL，工作環境溫度為-10 ～60 ℃，最小分辨率為0.01%VOL，設備每5 min 采集一次數據，包括氣體濃度和設備電池電壓。

試驗設計單一氣候環境與耦合氣候環境兩種試驗工況。開展淋雨環境、降雪環境及覆冰環境試驗，每種環境穩定30 min 后，每隔5 min 記錄一組數據，每組數據持續1 h。試驗工況如表1 所示。

表1 單一氣候環境工況

開展風與溫度、淋雨、降雪及覆冰復合環境條件試驗，每種環境穩定30 min 后，每隔5 min 記錄一組數據，每組數據持續1 h。試驗工況如表2 所示。

表2 耦合氣候環境試驗工況

2 試驗結果與分析

2.1 單一氣候環境對探測器的影響

圖2（a）-（c）分別為淋雨、覆冰、降雪環境下可燃氣體監測儀甲烷示數隨時間的變化曲線。在進行淋雨、降雪和覆冰環境試驗時，在相同溫度下設置了一個對照條件，圖中虛線為對照條件下的甲烷體積分數。從試驗結果可知，隨著溫度的降低，可燃氣體監測儀監測出的甲烷體積分數也降低。在25 ℃、-10 ℃和-20 ℃環境條件下，甲烷體積分數示值恒定，誤差不超過1%。但在淋雨、覆冰和降雪等單一氣候環境疊加影響下，甲烷體積分數會有上下波動，雖然與正常環境下相同溫度條件的試驗結果接近，但示值誤差仍然存在。

圖2 單一氣候環境下監測儀甲烷濃度變化

2.2 風與淋雨、覆冰、降雪復合環境對探測器的影響

圖3 展示了風與淋雨、降雪、覆冰復合環境下可燃氣體監測儀甲烷示數的變化趨勢。在復合環境中，不同災害因素之間相互作用，會對可燃氣體監測儀的性能產生復雜的影響。比如在風和淋雨、風和覆冰、風和降雪等環境下，不僅僅有溫度的變化，還存在著水分的影響和風速對甲烷的擴散影響等因素，從而使得甲烷體積分數的波動更為顯著。這也說明，在復合環境中，可燃氣體監測儀的性能更容易受到干擾和影響，需要更為精確的監測方法和設備來保證監測的準確性和可靠性。

圖3 風與淋雨、覆冰、降雪復合環境試驗結果

3 結論

通過搭建可燃氣體監測儀環境適應性測試平臺，開展可燃氣體監測儀在雨雪覆冰及風單一及復合環境條件下裝備環境適應性試驗研究，得出以下結論：

（1）在災害環境中，可燃氣體監測儀的監測功能會受到多種因素的影響，如溫度、濕度、淋雨、降雪、覆冰等因素的綜合作用。這些因素的變化會導致可燃氣體監測儀的數據處于不穩定狀態，波動較大且存在一定的誤差。相比于溫度環境的變化，單一的淋雨、降雪和覆冰等災害環境對可燃氣體監測儀的影響更大，導致監測數據處于波動狀態并帶有一定偏差。

（2）相比于單一環境條件，復合災害環境會導致甲烷示數的波動更大。

（3）在實際應用中，需要針對不同的災害環境，選擇合適的可燃氣體監測儀，并結合其他監測手段進行綜合監測，以獲得更加準確的監測數據。