水电站大型地下洞室氡气在线监测系统研究

陈正虎，蔡 伟

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

1 概述

氡是一种天然的放射性气体,广泛存在于自然界,极易在地下洞穴和通风不良的室内积聚。氡的危害日益为公众所认识。长期在高浓度氡环境中生活,身体(尤其是呼吸器官)受到氡及其子体的过量照射,可能会导致肺癌、髓性白血病、胃癌、皮肤癌等多种病变。因此氡及其子体已被许多国际组织确认为人类现已查明的19 种最重要的致癌物质之一。国际癌症研究机构将氡归为类致癌因素。目前世界上已有几十个国家和国际组织制定和颁布了住宅氡浓度标准。

水电站地下厂房深埋在岩体洞室内,所处区域部分岩体节理发达,空间狭小封闭，通风条件差，与地面空气交换率低，使得一些地下空间的环境质量问题不容乐观，一些污染物在密闭性高的地下空间中得以聚集，并能积累至较高浓度，难以通过自然风流有效降低和排除。其中氡的危害尤为严重，不可避免产生氡及其子体导致的辐射污染问题。为保障工作人员劳动保护安全，需对地下洞室内氡气含量进行在线监测，并采取必要的通风措施联动，以降低氡气含量。

2 系统工作原理

有害气体在线监测系统由以下几部分组成：氡气检测传感器、氧气传感器、通信分站（管理主机）、

网络交换机、通信光缆通道、服务器及数据库系统、监控平台等部分组成。

2.1 氡气监测探头

探头采用高精度氡传感器，传感器采用气象检测级别，区别于一般民用级、工业级的测量精度要求，主要技术参数如下：

灵敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

测量范围：空气氡为(3～10 000)Bq/m3,土壤氢为(300～100 000)Bq/m3；

电源：锂离子充电电池/交流电源；

工作环境：温度为-10℃～40℃,湿度为90%RH；

探测器：氡和光电倍增管组合探测系统；

操作模式：连续测量；

数据计算：自动计算单次测量结果/平均测量结果的浓度；

数据存储：测量结果自动保存,可存储9999 组数据；

取气方式：主动泵吸式。

由于所处环境为高温高湿、低浓度酸雾腐蚀性环境。监控探头的防护至关重要，措施如下：

外壳采用防爆、防腐蚀性的工程塑料材质进行开模定制；

探头与上一级通信分站间的电源和通信电缆的接头采用防爆、防腐蚀性的工程塑料材质的专用接线盒进行连接；

探头改用主动泵吸式原理，提升待检气体组份的有效浓度；

进入探头的气道应增加专用除湿部件，以降低待检气体湿度，提升探头的工作寿命。

2.2 通信分站

采用485 总线通信方式汇集其附近的氡气监测探头的监测数据，进行必要的数据处理，并送入网络交换机。若通信分站离开网络交换机较远，还需要进行电/光转换，通过光缆接入区域中心网络交换机。

另外，监控分站还为监测探头提供工作电源，故分站设备内置电源转换模块，将220 V AC 转换成24 V DC 电源。同时通信分站也需要做好防爆和防腐蚀的防护工作。

2.3 网络通信柜

网络通信柜是现场的数据节点，包括网络交换机、光纤收发器等网络通信设备，非常重要，建议可以放在地下三层廊道，甚至是地下二层廊道，此处环境较地下四层廊道环境要优良不少。这样布置，不仅可以提升设备的使用寿命，也可以适当降低通信柜的防护等，提升性价比。

网络通信柜通信出口采用光纤通信方式，解决了远距离通信的通道问题。

2.4 服务器及数据库系统

在监控机房，将专门立一面监控屏柜，布置专用服务器和网络交换设备，与区域中心网络通信柜联络，汇集现场各个通信分站的在线监测数据，管理各分站及监测探头的工作及报警情况。

数据库系统用于管理维护氡气探头的数据信息，及现场运行参数的配置。

2.5 监控平台

开发基于廊道3D 建模，工业组态化模式，将现场监测探头、监控分站以及局域中心网络通信柜都在廊道布局图中一一对应和展示，并开发适合现场的有毒有害气体在线监测后台，可接入监控大厅内的工作站内。

也可以将现场监测信息通过网络通信方式，上送其他监控系统，联动排风和报警设备设施。

图1 氡气在线监测系统结构图

3 技术参数

3.1 氡气传感器参数

传感器参数：

灵敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

测量范围：空气氡为(3～10 000)Bq/m3,土壤氢为(300～100 000)Bq/m3；

电源：锂离子充电电池/交流电源；

工作环境：温度为-10℃～40℃,湿度为90%RH；

探测器：氡和光电倍增管组合探测系统；

操作模式：连续测量；

数据计算：自动计算单次测量结果/平均测量结果的浓度；

数据存储：测量结果自动保存,可存储9 999 组数据；

取气方式：主动泵吸式。

CH4 采集探头：

测量范围：0～4%；

可选分辨率：0.1%LEL（0～100%LEL）；

检测精度：±2%FS；

线性误差：±1.0%；

不确定度：2%Rd±0.1；

零点漂移：≤±2.0%FS/年；

跨度漂移：≤±1.0%FS/月。

3.2 通信分站

通信分站主要挂壁布置于洞室合理位置，主要对各有害气体监测点采集数据进行分析处理，当通信分站监控到某处监测点数据超标时，及时发出报警信号，可以通过无源节点开启电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患（当然也可以通过本系统平台与排风系统进行联动）。同时，上报数据至后台服务器实时交互数据，用于后台管理人员及时查证现场的空气质量通过线缆传输到通信分站。

通信分站主机采用RS485 工业级总线，数字信号传输，抗干扰能力强，远距离传输。监控报警主机最多可以连接探头数量不受限制，采用高性能处理器，可以在2 s 内完成通信报警。监控报警主机对每个路探测器可单独设置报警点，可以设置一路报警输出。挂壁式监控报警主机可以存储20 000 条记录，记录包括探测器报警、通信故障、探测器故障，操作台式监控主机存储记录不受限制。

功能特点：循环显示所检测气体的浓度；RS485通信；报警记录；设有便于操作的高性能微处理器；自动开启风机和电磁阀；同时连接多种探测器。

3.3 监控服务器系统

组建服务器和监控后台，加装服务器软件和监控软件，与现场设备进行通讯联动，实现远程监控现场有毒气体探头的实时监测，做到实时监测与报警、报表形成、实时曲线的动态显示、历史数据的保存等相关统计分析。

4 系统特点

本在线监测系统的技术特点如下：

（1）集多重检测功能于一身

先进的气体传感器，空气氡为(3～10 000)Bq/m3。

（2）现场报警

氡气检测探头实时监测廊道现场的气体含量，能做到及时分析现场气体含量，当触及预警阈值时，实时警报，并可以声光报警指示气体泄漏，及时通知危险地点内人员疏散。

（3）防爆电缆的供电、通信传输方式

每个传感器采用1 根供电、通信复用的供电传输方式，确保现场施工布线简洁可靠，具有很高的现场适应性。

通信分站将数据上传到后台服务器，现场监控屏通过光纤与后台联动，能够精准定位各个监测点的气体浓度状况。提高检测可靠性。

（4）安全电压供电设计

采用24 V DC 矿用安全电压的供电方式，保证现场的在防爆特许条件下稳定运行，满足不同现场特殊环境需要。

（5）大屏幕液晶显示屏同步显示

BX-1 型有害气体报警LED 显示屏，与系统主机配合，中文显示现场监测状况，人体感应自动进行语音提示。

（6）历史数据记录

系统主机配套的1 TB 大容量存储器可存储1年以上时间的历史数据，性能卓越的查询系统软件保证了系统能在数秒内实现历史数据的快捷查询。

（7）电磁兼容性强

特殊设计的抗干扰电路，保证有足够的抗干扰能力及电磁兼容性。

5 小结

对于水电站地下洞室现场安装氡气在线检测系统，除了对采集本体有高精度要求外，还要求装置本身具有高度的防水、防腐蚀的要求，对于整体系统除了功能要求外，对于产品本身的生产工艺也区别于一般工业现场的在线监测状态的使用环境。