复合灾害条件下可燃气体监测仪环境适应性评价研究

　　摘要：为研究可燃气体监测仪在高低温、风雨雪冰冻耦合等复合情况下的环境适应性，提出复合情况下可燃气体监测仪关键性能指标和建立环境适应性指标体系，突破传统灾害环境适应性试验平台性能单一的不足，模拟复合灾害环境，构建可燃气体监测仪试验平台，以甲烷为例，作为典型的可燃气体，监测复合条件下可燃气体监测仪测得的甲烷体积分数，采取AHP价值函数法对可燃气体监测仪进行综合评价。研究表明：环境温度低于-20℃和高于60℃时，可燃气体监测仪监测精度有较大影响，而复合环境下相比单一环境对可燃气体监测仪影响较大;ZNRQ200L型号的可燃气体监测仪环境适应性评价等级为优秀，与环境适应性试验结果中甲烷体积分数监测示值误差不超过1%相对应，证明评价体系合理、可行。

　　关键词：公共安全;可燃气体监测仪;灾害条件;环境适应性;综合评价

　　0引言

　　随着城市化进程发展，燃气用户不断增加，城市燃气越来越普及，燃气泄漏已成为现代生产生活中巨大的安全隐患。2021年6月13日，湖北十堰发生燃气事故爆炸，造成25人死亡、138人受伤。9月10日，辽宁大连市发生燃气事故爆炸，造成8人死亡、5人受伤。10月21日，辽宁沈阳发生燃气事故爆炸，造成4人死亡、3人重伤、44人轻伤。因此，通过运用先进监测设备和大数据、物联网等现代化科技手段，建立燃气等城市生命线工程监测系统是一种必要趋势[1-3]。利用可燃气体监测仪对城市管网燃气泄漏进行实时监测预警的燃气管网安全在线智能监测平台在合肥市得到了整体应用，徐州、淮北、佛山等城市正在实施和推广[4-6]。

　　可燃气体监测仪不仅在厂房，餐饮等中使用非常方便，而且作为城市生命线运行监测体系中重要监测设备，在燃气泄漏监测预警中被赋予越来越高的期望。可燃气体监测仪设计及型式试验过程中考虑的使用环境通常为常规环境，而在城市生命线监测系统实际工程应用中可知，可燃气体监测仪在监测过程中往往会遇到各种灾害环境，其功能、性能发挥均受环境的影响，存在设备稳定性问题。

　　工业方向论文范例：浅谈可燃气体报警器的检定

　　2016年，Rad等[7]首次提出基于一种风险的Milp方法，对可燃气体探测器在高风险情景的安放位置进行风险评价研究。2018年，康岑等[8]对于有害气体探测器布置的研究建立了一种包含泄漏场景、气体扩散建模和解决方案的风险评价方法体系。而可燃气体监测仪的适用性研究还处于起步阶段，主要侧重于可燃气体报警器的计量检定[9]，示值误差分析[10]等。对于可燃气体探测器灾害环境适应性方面研究很少，大都局限于单一灾害环境条件。

　　2021年，徐亮等[11]梳理了国内外可燃气体探测器技术标准体系，得出环境低于-10℃时，电化学型气体探测器电解液可能会冻结。陈银洞等[12]分析了在大风，高温，潮湿等恶劣海洋环境下，可燃气体报警器会存在老化损坏等问题。现有研究现状缺乏复合灾害环境条件下的可燃气体监测仪环境适应性研究。

　　因此，本文针对可燃气体监测仪在实际使用过程中可能会遇到的各种复合环境，如强风、降雨、降雪、高低温耦合等，构建复合灾害环境下可燃气体监测仪环境适应性指标体系，利用多灾耦合气候舱，模拟风、高低温、雨雪冰冻等复合环境，以ZNRQ200L型号的可燃气体监测仪为典型代表开展环境适应性试验，同时结合其在合肥城市生命线运行中的广泛应用进行案例分析，最终进行环境适应性综合评价。

　　1构建评价指标体系

　　由于单一的分析评价方法无法兼顾主观性和客观性等问题，为验证本评价体系的合理性，依据合肥市城市生命线系统中可燃气体监测仪大量的工程应用案例，本文将采取层次分析法对评价指标体系进行权重分析和确定，运用价值函数法对可燃气体监测仪的特征进行评判，更加全面、系统地分析与判断数据，解决指标中权重赋值不确定的问题。同时与可燃气体监测仪环境适应性试验的结论相对照，进行综合评价。

　　1.1建立指标体系

　　通过调研可燃气体监测仪检测标准，这些标准中检测指标局限于一些功能性指标，和单一灾害环境下的检测指标。由合肥市城市生命线安全运行监测系统中可燃气体监测仪工程应用可知，可燃气体监测仪大多数的工作环境是非常恶劣的，井内的积水、湿气、沼气和温度变化、雨夹雪天气等灾害环境对设备有很强的腐蚀性，尤其是复合灾害环境下对设备的功能损坏最严重。为了保障可燃气体监测仪能够长期有效运行监测，在复合灾害环境下设备的环境适应性就必须具有一定的要求。

　　针对复合灾害条件下可燃气体监测仪适应性问题，综合考虑筛选出受灾害环境影响较大的参数，对指标参数进行分类，以完备性、功能性和保障性作为可燃气体监测仪评价指标体系三大路径(即准则层)，对于每一准则层参数又选出其核心指标。搭建了复合灾害环境下可燃气体监测仪环境适应性指标体系。

　　1.2指标权重的确定

　　层次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)是多目标组合问题的一种层次结构化的方法[13,14]。该方法首先将目标问题划分为多个层次，形成上下级支配的隶属结构。建立专家小组，专家组由生命线运行监测、事故排查、隐患处理工程师、行业内学者等组成，通过专家组的意见构造各层次的判断矩阵。按照计算步骤和计算公式，求出每一个判断矩阵的最大特征值及一致性检验。

　　1.3指标的标定

　　可燃气体监测仪指标既包含定性指标，又包含定量指标，这些指标范围、单位各不相同，因此对于定性指标(如外观、装配、自检功能、报警动作功能、数据显示/传输、防水性能、防爆性能、电源稳定性)，进行定量化处理。将数值0~1划分为四个区间，即为[0,0.4]，[0.4,0.6]，[0.6,0.8]，[0.8,1],依次对应了四个等级即差，中，良，优。将这些定性指标因素分级。

　　定量指标(如量程指示偏差，响应时间，报警重复性，浓度监测功能)，进行标准化处理，1作为理想值，0作为极不理想值，采用线性插值法来确定标准化。

　　1.4综合评价计算

　　值函数法是用单个指标对系统单项评价指标的权重及其价值进行加权，得到综合指标的方法[15]。

　　2环境适应性试验设计

　　2.1试验平台简介

　　为使可燃气体监测仪环境适应性评价研究具有客观性、科学性，本文以甲烷作为典型的可燃气体为例，利用多灾耦合气候舱、可燃气体监测仪、储气袋、标准甲烷气体以及数据分析系统等搭建可燃气体监测仪环境适应性测试平台，可提供一个稳定的复合灾害环境，检测可燃气体监测仪最重要的浓度监测功能指标，观测可燃气体监测仪在不同工况条件下监测甲烷体积分数的变化情况。值得注意的是存在电子屏蔽或电子干扰时，该监测仪传输数据是正常的。

　　耦合气候舱尺寸为长5m，宽6m，高5m，可实现高温、低温、淋雨、覆冰、降雪及强风等复合环境。温度范围-40~80℃;降雨强度0~40mm/h;覆冰降雪强度10mm/h;风速0~15m/s。测试采用的设备是由合肥泽众城市智能科技有限公司自主研发的固定式可燃气体监测仪(型号：ZNRQ200L)。主要针对CH4(甲烷)气体的监测，监测范围为0~20%，最小精度0.01%。

　　储气袋用于储存标准甲烷气体，储气袋容量42L。为消除空气对气体浓度的影响，试验前将储气袋抽真空，将标准甲烷气体通入储气袋后，封闭储气袋气管以备实验使用。考虑试验安全问题，本次采用标准甲烷气体浓度为3%VOL。数据处理及分析系统作为数据采集端，通过可燃气体监测仪有线信号传输端口，将可燃气体监测仪采集到的甲烷气体浓度及设备电源电压数据发送到计算机。

　　2.2试验方法

　　2.2.1试验步骤

　　试验前将标准甲烷气体输入到储气袋中，以备试验使用。将储气袋通过气管与可燃气体监测仪连接，将可燃气体监测仪通过数据线与计算机连接。试验时将可燃气体监测仪放置在气候舱中部位置。试验时首先调节气候舱环境条件，稳定30min之后，开始采集数据，5min采集一次数据，选取3组数据取平均值作为最终试验数据。同时在室温25℃条件下进行对照试验，为消除气管中空气的影响，采集的前几组数据舍弃，直到出现稳定的几组最高浓度数据为止。

　　2.2.2试验工况

　　a)高、低温试验可燃气体监测仪设计工作环境温度量程为-10℃~60℃，为研究在极端高低温环境下设备性能情况，因此选取试验最高温度为80℃，最低温度为-35℃，试验环境温度范围为-35℃~80℃，间隔5℃作为一组工况，两个温度之间稳定30min。

　　2.3试验结果与分析

　　2.3.1高、低温试验

　　通过对两种极限状态进行测试，高、低温状态下试验结果。可燃气体监测仪监测出的甲烷气体浓度随温度变化呈现倒“U”型。当环境温度为-35℃~-5℃时，可燃气体监测仪测得甲烷气体浓度随着温度的升高而升高;反之，环境温度为45℃~80℃，可燃气体监测仪测得甲烷气体浓度随着温度的升高而降低;环境温度为-5℃~45℃，可燃气体监测仪测得甲烷气体浓度受温度变化影响较小。

　　2.3.2雨、雪、覆冰试验

　　取这三种灾害环境条件下的相同温度环境作为测试对照试验，可燃气体监测仪测得的甲烷体积分数值为图中虚线值。随着温度的降低，可燃气体监测仪监测出的甲烷气体浓度也随之降低。25℃、-10℃、-20℃环境条件下，甲烷体积分数示值是恒定的，示值误差全都不超过1%，淋雨、覆冰、降雪环境下甲烷体积分数会有上下波动，但是和正常环境下相同温度条件的试验结果接近，示值误差基本上都不超过1%。

　　这表明淋雨、降雪和覆冰等灾害环境使可燃气体监测仪监测功能处于不稳定状态，监测的数据处于波动状态，有一定参数偏差，相比较温度环境的变化，淋雨、降雪和覆冰等单一的灾害环境对可燃气体监测仪影响相对较大。从实验数据可知，可燃气体监测仪在工程应用中考虑到实际运行复杂灾害环境条件，需在特定环境条件下缩短设备校准周期或进行特定环境条件下的设备校准。

　　3案例分析

　　合肥市城市生命线工程安全运行燃气监测系统，按照“点”、“线”、“面”相结合的原则，优先选择合肥市高风险区域、重点敏感区域和关系民生保障的城市基础设施进行物联网建设，组建822公里燃气管网，共计安装24739个可燃气体监测点，每个监测点都安装激光式可燃气体监测仪。基于可燃气体监测仪工程实践数据及实验内容，选择10台同款ZNRQ200L型号可燃气体监测仪在特定环境条件下表现出来的各参数情况，作为案例分析计算数据来源。

　　4结论

　　1)本文提炼出复合环境条件下可燃气体监测仪主要影响因素，建立了可燃气体监测仪灾害环境适应性指标体系，构建了环境适应性评价体系。

　　2)模拟复合灾害环境开展可燃气体监测仪适应性试验，低于-20℃和高于60℃的极端环境下，可燃气体监测仪的精度出现明显降低;在相同温度环境条件下，复合灾害环境相比单一灾害环境对可燃气体监测仪影响较大，可燃气体监测仪出现一定程度偏差。

　　3)提出针对复合环境下可燃气体监测仪环境适应性评价方法，采用AHP-价值函数法对可燃气体监测仪综合评价，通过试验研究与案例分析计算相结合，证明构建的可燃气体监测仪综合评价方法合理、可行，可燃气体监测仪评价体系具有正确性和实用性。

　　参考文献

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　　作者：刘小勇1,2，王祥1,2，喻益超3，兰明强1,2，郭贤2，李念思2，李亚运2

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