基于便攜式電纜隧道通風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王華賓，劉 勇，高 杰

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安）

1 概述

電纜溝隧道施工過(guò)程中的環(huán)境安全保障是項(xiàng)目能否順利完成的重要因素。電纜溝隧道在作業(yè)過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生一些有害氣體，隧道作業(yè)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：（1） 粉塵允許濃度：每立方米空氣中，含有10%以上游離二氧化硅的粉塵必須在2 mg 以下；（2） 氧氣含量至少達(dá)到20%，按體積計(jì)算；（3） 瓦斯（沼氣）或二氧化碳含量應(yīng)該在0.5%以內(nèi)；（4） 一氧化碳濃度不得超過(guò)10 mg/m3；（5） 氮氧化物（換算成二氧化氮）濃度應(yīng)在5 mg/m3；（6） 二氧化硫濃度不得超過(guò)15 mg/m3；（7） 硫化氫濃度不得超過(guò)10 mg/m3；（8） 氨的濃度不得超過(guò)30 mg/m3，如表1 所示。當(dāng)以上氣體含量超標(biāo)，往往會(huì)帶來(lái)一定的危害。

表1 電纜隧道中有害氣體及極限指標(biāo)

目前比較常用的方式是采用通風(fēng)方式進(jìn)行處理[1]，通風(fēng)方式有自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩種，自然通風(fēng)存在通風(fēng)周期長(zhǎng)通風(fēng)效果不佳，且延長(zhǎng)檢修工作的進(jìn)度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

針對(duì)以上電纜溝、地下管道作業(yè)的通風(fēng)要求，我司提出了一種基于便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案，能很好地解決電纜溝隧道施工過(guò)程中的環(huán)境安全保障問(wèn)題。

2 系統(tǒng)方案介紹

2.1 便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》對(duì)加強(qiáng)有限空間作業(yè)安全管理、預(yù)防、控制的要求：有限空間需配備氣體檢測(cè)、抽風(fēng)及送風(fēng)功能，保證作業(yè)人員能在安全環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

基于以上要求，便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

在電纜溝隧道進(jìn)出口處安裝微波人體感應(yīng)報(bào)警LED 屏，當(dāng)人員靠近電纜溝隧道進(jìn)出口3～5 m 時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)電纜溝隧道內(nèi)環(huán)境氣體含量，同時(shí)，顯示屏點(diǎn)亮顯示各氣體含量數(shù)值，喇叭進(jìn)行狀態(tài)播報(bào)。人員離開(kāi)感應(yīng)區(qū)域后，5 分鐘系統(tǒng)會(huì)熄滅LED 顯示屏，處于待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)，LED 屏幕會(huì)顯示對(duì)應(yīng)異常環(huán)境數(shù)值，并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提醒工作人員請(qǐng)勿靠近，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)抽送風(fēng)功能，開(kāi)始對(duì)電纜溝隧道進(jìn)行通風(fēng)，系統(tǒng)每5 分鐘檢測(cè)一次環(huán)境氣體含量，直到系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)值正常后，風(fēng)機(jī)功能關(guān)閉。便攜式通風(fēng)系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

圖1 便攜式通風(fēng)系統(tǒng)工作流程

便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、邊緣計(jì)算主機(jī)、智能顯示終端和監(jiān)控運(yùn)維軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集電纜溝隧道中的環(huán)境指標(biāo)[2-3]，通過(guò)數(shù)據(jù)融合分析、人工智能算法處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)值實(shí)時(shí)預(yù)警，并通過(guò)LED 顯示、語(yǔ)音播報(bào)等方式，保障工作過(guò)程中的環(huán)境安全。

2.2 系統(tǒng)硬件功能設(shè)計(jì)

便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括便攜式通風(fēng)裝置、風(fēng)管、LED 顯示與報(bào)警模塊。

2.2.1 便攜式通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

該裝置需具備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有限空間作業(yè)的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，風(fēng)機(jī)的抽送風(fēng)功能，安全預(yù)警功能。集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，攜帶、運(yùn)輸方便。裝置集成高精度的環(huán)境傳感器，可以對(duì)有限空間里面的氧氣含量、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣、二氧化氮、氮氧化物、粉塵進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，裝置配有風(fēng)機(jī)控制模塊，具有抽送風(fēng)功能。總體結(jié)構(gòu)使用示意如圖2 所示。

2.2.2 便攜式通風(fēng)裝置中風(fēng)機(jī)及風(fēng)管選擇

根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的供風(fēng)量及風(fēng)壓綜合分析計(jì)算，風(fēng)機(jī)及風(fēng)管基本配置（見(jiàn)表2）如下，可滿足現(xiàn)有項(xiàng)目使用，同時(shí)風(fēng)管可以根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行定制。

表2 風(fēng)機(jī)與風(fēng)管配置

2.2.3 便攜式通風(fēng)裝置中環(huán)境傳感器選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工中可能產(chǎn)生的各種有害氣體，環(huán)境傳感器需多種檢測(cè)功能相結(jié)合，同時(shí)傳感器提供RS485 通信接口，能與便攜式通風(fēng)裝置主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2.4 LED 顯示與報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

LED 顯示與報(bào)警模塊主要由中央控制MCU 模塊、繼電器電源模塊、微波感應(yīng)模塊、485 通信模塊、顯示屏模塊、語(yǔ)音模塊組成，如圖3 所示。

圖3 LED 顯示與報(bào)警模塊示意

LED 顯示與報(bào)警模塊配置320×160 分辨率戶外高清屏，5 瓦8 歐姆的喇叭，內(nèi)置微波感應(yīng)模塊，具備RS485 輸入輸出能力，防護(hù)等級(jí)IP65，如圖4 所示。

圖4 LED 顯示與報(bào)警模塊示意

2.3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

便攜式通風(fēng)系統(tǒng)軟件由LED 顯示與報(bào)警模塊軟件、YD-DF4C 型便攜式通風(fēng)裝置軟件2 個(gè)部分組成，2 個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)RS485 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

LED 顯示與報(bào)警模塊軟件主要實(shí)現(xiàn)人員靠近感知，環(huán)境狀態(tài)顯示，語(yǔ)音播報(bào)預(yù)警功能，同時(shí)配合上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信與狀態(tài)同步。

YD-DF4C 型便攜式通風(fēng)裝置軟件主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)對(duì)接、數(shù)據(jù)分析與異常預(yù)警，風(fēng)機(jī)控制功能，與LED 顯示與報(bào)警模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息同步功能。

便攜式通風(fēng)系統(tǒng)與LED 顯示模塊之間通信協(xié)議如下：

（1） 485 通訊，傳送一幀信息的數(shù)據(jù)格式：1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

（2） 波特率9 600 b/s。

（3） PLC 發(fā)送顯示正常的控制命令，發(fā)送內(nèi)容為（共11 字節(jié)）各氣體都正常。

顯示屏地址功能碼寄存器地址寄存器個(gè)數(shù)寄存器字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié)CRC校驗(yàn)低位CRC 校驗(yàn)高位01H 0H 00H,00H 00 H,1H 02H 00H 000H 67H 90H

（4） PLC 發(fā)送顯示異常的控制命令，發(fā)送內(nèi)容為（共11 字節(jié)）數(shù)據(jù)異常，不同校驗(yàn)碼對(duì)應(yīng)不同氣體數(shù)值，以氧氣異常為例，如下說(shuō)明：

顯示屏地址功能碼寄存器地址寄存器個(gè)數(shù)寄存字節(jié)器數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié)CRC校驗(yàn)低位CRC 校驗(yàn)高位01H 0H 00H,00H 00H,01H 02H 00H 10H A6H 50H

2.4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用

（1） 進(jìn)入工作現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行人員分工，并在工作區(qū)域設(shè)立安全標(biāo)識(shí)，提醒經(jīng)過(guò)的相關(guān)人員和車(chē)輛。

（2） 便攜式通風(fēng)裝置盡量要安裝在隧道中間位置，這樣能夠及時(shí)反饋隧道內(nèi)環(huán)境情況。

（3） LED 顯示與報(bào)警模塊需要安裝在進(jìn)出口頂部位置，靠近入口時(shí)，注意LED 顯示與報(bào)警模塊是否正常工作，是否有異常數(shù)據(jù)播報(bào)與提醒。

（4） 系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)抽風(fēng)功能，對(duì)有限空間進(jìn)行抽風(fēng)一段時(shí)間，可以保證初始環(huán)境中的有害氣體做一次抽風(fēng)清理。根據(jù)有限空間大小，抽風(fēng)一定時(shí)間，保證環(huán)境空氣換新[4]。

（5） 系統(tǒng)檢測(cè)到人員靠近時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟空間環(huán)境再次檢測(cè)，檢測(cè)工作環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合安全作業(yè)要求，如正常，開(kāi)啟人工作業(yè)。

（6） 人工工作過(guò)程中，風(fēng)機(jī)不間歇地給作業(yè)環(huán)境送風(fēng)，保證里面環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境開(kāi)啟實(shí)時(shí)檢測(cè)工作，保證井下環(huán)境指標(biāo)維持在正常范圍。

（7） 人工作業(yè)過(guò)程中，預(yù)警功能需實(shí)時(shí)開(kāi)啟，出現(xiàn)異常情況，及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員工作環(huán)境參數(shù)變化。

3 便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)模擬測(cè)試

3.1 模擬場(chǎng)景測(cè)試

在一個(gè)10 m2密閉的地下管道墻壁上安裝該便攜式通風(fēng)裝置，同時(shí)將通風(fēng)管引出到戶外，在房間門(mén)口安裝LED 顯示與報(bào)警模塊，模擬人員靠近門(mén)口后，房間內(nèi)氣體含量正常與異常情況下的系統(tǒng)工作情況，包括微波感應(yīng)工作距離是否滿足要求，LED 顯示與報(bào)警模塊通信功能是否正常，異常情況下的風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟停功能是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試，該系統(tǒng)環(huán)境報(bào)警與風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)功能運(yùn)行良好。模擬場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)如

圖5 所示。

圖5 模擬場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)

3.2 測(cè)試LED 顯示與報(bào)警模塊是否正常工作

測(cè)試項(xiàng)目一：設(shè)備安裝完成后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，LED 顯示模塊處于待機(jī)狀態(tài)，測(cè)試人員從遠(yuǎn)處逐漸靠近密閉房間，看LED 顯示屏是否響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 感應(yīng)距離測(cè)試結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目二：系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)氣體數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)，LED 顯示屏狀態(tài)是否更新，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)是否能正常報(bào)警提醒，在便攜式通風(fēng)裝置上設(shè)置環(huán)境異常數(shù)值指令至RS485 通信口，傳輸至LED 顯示屏，看LED 顯示屏模塊是否能正常相應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 LED 顯示與語(yǔ)音播報(bào)功能測(cè)試結(jié)果

3.3 測(cè)試環(huán)境數(shù)值異常時(shí)風(fēng)機(jī)是否正常工作

測(cè)試項(xiàng)目一：便攜式通風(fēng)裝置上，系統(tǒng)設(shè)置氧氣含量報(bào)警閾值分別設(shè)置為18%、15%、21%（環(huán)境中氧氣值為空氣值20.8%），等待5 分鐘，看裝置是否有異常播報(bào)，同時(shí)風(fēng)機(jī)是否開(kāi)啟，充分通風(fēng)后，被測(cè)環(huán)境中的氧氣含量高于閾值后自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。如表5 所示。

表5 風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟停功能測(cè)試

4 結(jié)論

電纜溝隧道作業(yè)是一個(gè)具有風(fēng)險(xiǎn)因素的工作，如果對(duì)工作環(huán)境的相關(guān)參數(shù)沒(méi)做好相關(guān)的檢測(cè)、保護(hù)等措施，容易出現(xiàn)人員傷亡危險(xiǎn)。我司提出的便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)，是基于作業(yè)人員在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作前、工作時(shí)、工作后三個(gè)維度所處的環(huán)境情況進(jìn)行全方位多維度在線監(jiān)測(cè)，可以在作業(yè)工程中提供兩重保障：一是做到全過(guò)程檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供預(yù)警功能；二是在作業(yè)開(kāi)始前進(jìn)行環(huán)境抽風(fēng)，對(duì)原環(huán)境進(jìn)行空氣交換，工作過(guò)程中定期對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行送風(fēng)，讓作業(yè)環(huán)境空氣實(shí)時(shí)補(bǔ)充、交換、循環(huán)。綜上，便攜式電纜溝隧道通風(fēng)系統(tǒng)能有效保證電纜溝隧道作業(yè)環(huán)境符合要求，進(jìn)而有效保障內(nèi)部工作安全、有序開(kāi)展。