激光式甲烷探测器极端气候环境适应性试验研究

李亚运，王 祥，2，操 凯，2，刘小勇

（1.清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601，2.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

0 引言

随着城市燃气的快速发展，我国燃气管网范围逐步扩大，燃气用户和用气量不断增多，伴随而来的燃气安全形势也愈发严峻。近年来，国内燃气事故频发，如2021 年“6.13”湖北十堰重大燃气爆炸事故、2023年“6.21”宁夏银川特别重大燃气爆炸事故等，给人民生命财产造成巨大损失。可燃气体探测器是燃气管网安全监测手段的重要组成。尤其是激光式可燃气体探测器具有稳定性高、测量精度高、响应时间快等特点，应用前景高，在家用和工商业中有大量需求[1-3]。

在实际应用中，不同的工作环境会对可燃气体探测器的工作产生影响。尤其是高低温、风与雨雪等复合气候环境，可能导致探测器无法准确地检测到可燃气体的存在或者误报。现有的研究侧重于单一环境研究，缺乏复合环境条件下可燃气体探测器性能研究。激光式甲烷探测器作为激光式可燃气体探测器的一种，用于检测甲烷气体的浓度，在石油、天然气、化学和冶金等行业都有广泛的应用[4-5]。因此，本文针对可燃气体探测器开展高低温、风与雨雪等复合气候环境条件下激光式可燃气体探测器环境适应性试验研究，对探测器的性能改善、优化具有十分重要的意义。

1 试验方法

1.1 试验平台设计

城市地下管网相邻地下空间燃气泄露风险监测设备主要安装在窨井中，在实际使用过程中往往会遇到各种灾害气候环境，如大风、降雨、降雪、高低温单一及其复合环境。为研究可燃气体监测仪在极端气候环境条件下的环境适应性，研建了可燃气体监测仪环境适应性测试平台。测试平台包括多灾耦合气候舱、可燃气体监测仪、标准甲烷气体和数据分析系统等设备，测试系统如图1 所示。

图1 多灾耦合环境条件下可燃气体报警器综合性能测试系统

多灾耦合气候舱可实现高温、低温、淋雨、覆冰、降雪及大风等多种灾害环境，温度最低-40 ℃；淋雨雨量范围0 ～40 mm/h；覆冰厚度10 mm/h，降雪厚度10 mm/h；吹风系统利用轴流风机产生0～15 m/s 风速，可模拟单一气候环境及高温淋雨、风雨或风雪、低温大风等耦合环境。标准甲烷气体、甲烷气体分析仪与流量计用于可燃气体检测仪示值准确性测试。

1.2 试验工况

为研究激光式甲烷探测器在淋雨、覆冰、降雪等单一及复合气候环境条件下的性能表征，选取某款可燃气体报警器开展激光甲烷探测器极端气候环境适应性实验研究，试验采用的标准甲烷气体体积分数为3%。测试样品是天然气地下管网相邻地下空间中监测的典型设备，适用于监测甲烷气体浓度，监测范围为0% ～20%VOL，工作环境温度为-10 ～60 ℃，最小分辨率为0.01%VOL，设备每5 min 采集一次数据，包括气体浓度和设备电池电压。

试验设计单一气候环境与耦合气候环境两种试验工况。开展淋雨环境、降雪环境及覆冰环境试验，每种环境稳定30 min 后，每隔5 min 记录一组数据，每组数据持续1 h。试验工况如表1 所示。

表1 单一气候环境工况

开展风与温度、淋雨、降雪及覆冰复合环境条件试验，每种环境稳定30 min 后，每隔5 min 记录一组数据，每组数据持续1 h。试验工况如表2 所示。

表2 耦合气候环境试验工况

2 试验结果与分析

2.1 单一气候环境对探测器的影响

图2（a）-（c）分别为淋雨、覆冰、降雪环境下可燃气体监测仪甲烷示数随时间的变化曲线。在进行淋雨、降雪和覆冰环境试验时，在相同温度下设置了一个对照条件，图中虚线为对照条件下的甲烷体积分数。从试验结果可知，随着温度的降低，可燃气体监测仪监测出的甲烷体积分数也降低。在25 ℃、-10 ℃和-20 ℃环境条件下，甲烷体积分数示值恒定，误差不超过1%。但在淋雨、覆冰和降雪等单一气候环境叠加影响下，甲烷体积分数会有上下波动，虽然与正常环境下相同温度条件的试验结果接近，但示值误差仍然存在。

图2 单一气候环境下监测仪甲烷浓度变化

2.2 风与淋雨、覆冰、降雪复合环境对探测器的影响

图3 展示了风与淋雨、降雪、覆冰复合环境下可燃气体监测仪甲烷示数的变化趋势。在复合环境中，不同灾害因素之间相互作用，会对可燃气体监测仪的性能产生复杂的影响。比如在风和淋雨、风和覆冰、风和降雪等环境下，不仅仅有温度的变化，还存在着水分的影响和风速对甲烷的扩散影响等因素，从而使得甲烷体积分数的波动更为显著。这也说明，在复合环境中，可燃气体监测仪的性能更容易受到干扰和影响，需要更为精确的监测方法和设备来保证监测的准确性和可靠性。

图3 风与淋雨、覆冰、降雪复合环境试验结果

3 结论

通过搭建可燃气体监测仪环境适应性测试平台，开展可燃气体监测仪在雨雪覆冰及风单一及复合环境条件下装备环境适应性试验研究，得出以下结论：

（1）在灾害环境中，可燃气体监测仪的监测功能会受到多种因素的影响，如温度、湿度、淋雨、降雪、覆冰等因素的综合作用。这些因素的变化会导致可燃气体监测仪的数据处于不稳定状态，波动较大且存在一定的误差。相比于温度环境的变化，单一的淋雨、降雪和覆冰等灾害环境对可燃气体监测仪的影响更大，导致监测数据处于波动状态并带有一定偏差。

（2）相比于单一环境条件，复合灾害环境会导致甲烷示数的波动更大。

（3）在实际应用中，需要针对不同的灾害环境，选择合适的可燃气体监测仪，并结合其他监测手段进行综合监测，以获得更加准确的监测数据。