城市地下密闭空间可燃气体泄漏监测系统

常 磊，田 申，蔡永伟

(汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001)

1 概述

城市地下管网的完好率是衡量城市发展、基础建设水平和生态安全的重要指标之一［1］。由燃气阀门井、市政雨污水井等各类井室形成的地下密闭空间是地下管网的开放性节点，在阀门开闭、检维修等操作中起着重要作用。然而燃气阀门井、雨污水井等地下密闭空间是易出现燃气泄漏、可燃气体(天然气、沼气等)积聚的重点部位。因此，构建一套实时、持续、可靠的针对地下密闭空间的可燃气体泄漏监测系统，并克服井室内气体组分复杂、高水位、通信信号差、无市电供电等难题，值得研究。

本文提出基于窄带物联网技术(Narrow Band Internet of Things，NB－IoT)［2－3］的城市地下密闭空间可燃气体泄漏监测系统(以下简称监测系统)。

2 监测系统架构

监测系统主要由泄漏监测装置、数据服务器、监测平台、监控中心组成。监测系统架构见图1。泄漏监测装置安装在燃气阀门井、雨污水井等地下密闭空间内，负责将采集到的数据(包括甲烷体积分数、井下水位信息、井盖打开信息)借助NB－IoT无线网络，经防火墙、网关传送至服务器。当泄漏监测装置检测到的甲烷体积分数超过预设的报警阈值时，泄漏监测装置将跳过预设的数据发送时间间隔，立即将甲烷体积分数及报警信息发送至监测平台。

历史数据存储在服务器的数据库中，相关信息可展示在监控中心的计算机、大屏幕上。监测平台根据泄漏监测装置上传的甲烷体积分数对事件等级分类，将泄漏报警、关阀建议等决策依据推送至监控中心的大屏幕上。

图1 监测系统架构

3 泄漏监测装置设计

3.1 硬件组成及控制流程

泄漏监测装置主要由微处理器、检测模块、通信模块、供电模块组成。控制流程见图2。

图2 泄漏监测装置的控制流程

泄漏监测装置的微处理器采用MSP430系列单片机［4］。检测模块包括气体传感器、气路、气室阀门、吸气泵。检测模块根据预设的采集时间间隔由供电模块(采用锂电池供电)定时唤醒，完成井内水位判断、甲烷体积分数采集、浓度超限报警、数据储存、数据上传等动作。泄漏监测装置对甲烷体积分数的采集时间间隔为15 min，数据上传时间间隔为24 h。

当检测模块被唤醒后，为防止液体被吸入气室并造成电路损坏，泄漏监测装置底部的水位探针先检测井内是否存在水位上涨、装置被淹没的情况。若装置被淹，立即上传水位报警信息至监测平台。若未被淹没，则正常进行甲烷体积分数采集。采集时，泄漏监测装置底部进气口、气室阀门打开，内置吸气泵吸入环境气体，气体传感器对环境气体内甲烷体积分数进行检测，并判断数值是否超限。

通信模块通过NB－IoT无线网络将数据上传至服务器，在两次数据采集动作之间，泄漏监测装置处于休眠状态(进气口、气室阀门等关闭)。

泄漏监测装置在安装时配套外置天线(片状天线)，还可加装监测井盖是否被打开的行程开关。泄漏监测装置设置两级报警，报警阈值可以由监测平台远程设置。

3.2 设计要点

① 气体传感器

半导体传感器具有灵敏性高、响应快、成本低的特点，但仅适用于定性测量，且精度低、量程窄［5］。催化燃烧传感器受环境干扰影响小，在阀门井、雨污水井等恶劣环境中具有较高耐受性，而且对可燃气体检测类型广泛，精度高，元件更换及维护成本低。因此，泄漏监测装置的气体传感器采用了催化燃烧传感器。

② 通信方式

NB－IoT是低功率广域网络(Low Power Wide Area Network，LPWAN)的重要分支之一，突出的优势是功耗低，不仅覆盖广还支撑海量连接的能力，成本也比较廉价。对于无市电供应的场所，选取NBIoT通信方式更为合适。

③ 电路

泄漏监测装置安装在相对密闭的环境中，电池更换难度比较大。因此，泄漏监测装置内部电路采用以MSP430系列芯片为核心的低功耗设计，以降低电量消耗，延长使用寿命。

④ 外壳

泄漏监测装置存在被水淹没的风险，长期浸泡易导致水侵入。因此，装置外壳应具备防护等级为IP67及以上，以适应地下密闭空间复杂的工作环境。

4 监测平台设计

监测平台端采用B/S模式(Browser Server，浏览器、服务器模式)，服务器配套SQL Server数据库，可通过计算机Web界面登录使用，降低维护成本。监测平台可对不同类型用户分配不同权限，实现分级管理。

监测平台由主要由实时数据监测模块、地理信息系统(Geographic Information System，GIS)模块、异常报警模块、平台管理模块等组成。实时数据监测模块用于接收泄漏监测装置上传的甲烷体积分数，并对数据进行图形化处理。地理信息系统模块用于在地图上标记燃气阀门井、雨污水井等井室位置，以及显示泄漏监测装置的状态信息(是否离线、电池耗尽、被水淹没等)。异常报警模块管理报警信息的接收和推送，以及实施应急响应操作。平台管理模块负责信息录入归档、人员管理权限、抢维修派单等管理功能。

5 实际应用

① 试验对象

笔者将郑州市高新区作为试验场地，并对区域内的井室进行初步调研，选取燃气阀门井2处、污水井2处、雨水井1处，安装泄漏监测装置。泄漏监测装置的现场安装见图3。泄漏监测装置安装于距井口0.8～1.0 m的位置。片状天线固定在近井口位置，以利于信号接收。行程开关安装位置与井盖边缘平齐，用于监测井盖是否被第三方打开。泄漏监测装置设置两级报警，分别为甲烷体积分数1%、2%。

② 监测结果与分析

试验时间为2018年10月1日至2019年9月30日，重点监测供暖期(12月、1月)、夏季高温时段(6月、7月)井内甲烷体积分数。主要原因为，供暖期是燃气使用高峰期，管道内气体压力、流量变动频繁，阀门可能出现泄漏。夏季高温时，井内易生成沼气并积聚。

2019年7月11—12日，在试验场地中出现1处污水井、1处燃气阀门井甲烷体积分数报警的情况。

在连续采集时间内，污水井内甲烷体积分数最高达到1.15%，泄漏监测装置立即将甲烷体积分数及报警信息发送至监测平台，监测平台立即推送报警信息。经现场检查，判断为污水井内残留污水、餐馆排放的餐厨垃圾受室外高温的影响发酵产生甲烷，打开井盖放散后，由泄漏监测装置采集到的甲烷体积分数逐渐降至0。

在连续采集时间内，燃气阀门井内甲烷体积分数最高达到4%，泄漏监测装置立即将甲烷体积分数及报警信息发送至监测平台，监测平台立即推送报警信息。燃气公司人员现场确认为燃气阀门泄漏，抢修后燃气阀门井内甲烷体积分数降至0。

由监测结果可知，监测系统的灵敏度和监测效果比较理想。

6 结语

图3 泄漏监测装置的现场安装

泄漏监测装置具有外壳防护等级高、可靠性强、功耗低等特征，适用于地下密闭空间的复杂环境。监测平台具有实时监测、异常报警等功能。监测系统的利用，能及时发现城市地下密闭空间内可燃气体的泄漏，为后续故障排查、抢维修作业争取时间，减少次生灾害发生。