基于便携式电缆隧道通风系统的研究与应用

王华宾，刘 勇，高 杰

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西 延安）

1 概述

电缆沟隧道施工过程中的环境安全保障是项目能否顺利完成的重要因素。电缆沟隧道在作业过程中，往往会产生一些有害气体，隧道作业的环境标准：（1） 粉尘允许浓度：每立方米空气中，含有10%以上游离二氧化硅的粉尘必须在2 mg 以下；（2） 氧气含量至少达到20%，按体积计算；（3） 瓦斯（沼气）或二氧化碳含量应该在0.5%以内；（4） 一氧化碳浓度不得超过10 mg/m3；（5） 氮氧化物（换算成二氧化氮）浓度应在5 mg/m3；（6） 二氧化硫浓度不得超过15 mg/m3；（7） 硫化氢浓度不得超过10 mg/m3；（8） 氨的浓度不得超过30 mg/m3，如表1 所示。当以上气体含量超标，往往会带来一定的危害。

表1 电缆隧道中有害气体及极限指标

目前比较常用的方式是采用通风方式进行处理[1]，通风方式有自然通风和强制通风两种，自然通风存在通风周期长通风效果不佳，且延长检修工作的进度，费时费力。

针对以上电缆沟、地下管道作业的通风要求，我司提出了一种基于便携式电缆沟隧道通风系统方案，能很好地解决电缆沟隧道施工过程中的环境安全保障问题。

2 系统方案介绍

2.1 便携式电缆沟隧道通风系统方案设计

根据《中华人民共和国安全生产法》对加强有限空间作业安全管理、预防、控制的要求：有限空间需配备气体检测、抽风及送风功能，保证作业人员能在安全环境下进行作业。

基于以上要求，便携式电缆沟隧道通风系统设计如下：

在电缆沟隧道进出口处安装微波人体感应报警LED 屏，当人员靠近电缆沟隧道进出口3～5 m 时，触发系统响应，系统开始检测电缆沟隧道内环境气体含量，同时，显示屏点亮显示各气体含量数值，喇叭进行状态播报。人员离开感应区域后，5 分钟系统会熄灭LED 显示屏，处于待机状态。

当系统检测到数据异常时，LED 屏幕会显示对应异常环境数值，并发出语音报警提醒工作人员请勿靠近，同时系统自动启动风机抽送风功能，开始对电缆沟隧道进行通风，系统每5 分钟检测一次环境气体含量，直到系统检测到数值正常后，风机功能关闭。便携式通风系统工作流程如图1 所示。

图1 便携式通风系统工作流程

便携式电缆沟隧道通风系统通过多功能环境监测传感器、边缘计算主机、智能显示终端和监控运维软件，实时监测采集电缆沟隧道中的环境指标[2-3]，通过数据融合分析、人工智能算法处理，实现环境数值实时预警，并通过LED 显示、语音播报等方式，保障工作过程中的环境安全。

2.2 系统硬件功能设计

便携式电缆沟隧道通风系统硬件设备主要包括便携式通风装置、风管、LED 显示与报警模块。

2.2.1 便携式通风装置设计

该装置需具备可以实现对有限空间作业的环境进行检测，风机的抽送风功能，安全预警功能。集成化结构设计，携带、运输方便。装置集成高精度的环境传感器，可以对有限空间里面的氧气含量、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氨气、二氧化氮、氮氧化物、粉尘进行检测。同时，装置配有风机控制模块，具有抽送风功能。总体结构使用示意如图2 所示。

2.2.2 便携式通风装置中风机及风管选择

根据目前现场实际的供风量及风压综合分析计算，风机及风管基本配置（见表2）如下，可满足现有项目使用，同时风管可以根据项目现场具体情况进行定制。

表2 风机与风管配置

2.2.3 便携式通风装置中环境传感器选择

根据现场施工中可能产生的各种有害气体，环境传感器需多种检测功能相结合，同时传感器提供RS485 通信接口，能与便携式通风装置主机进行数据交互。

2.2.4 LED 显示与报警模块设计

LED 显示与报警模块主要由中央控制MCU 模块、继电器电源模块、微波感应模块、485 通信模块、显示屏模块、语音模块组成，如图3 所示。

图3 LED 显示与报警模块示意

LED 显示与报警模块配置320×160 分辨率户外高清屏，5 瓦8 欧姆的喇叭，内置微波感应模块，具备RS485 输入输出能力，防护等级IP65，如图4 所示。

图4 LED 显示与报警模块示意

2.3 系统软件功能设计

便携式通风系统软件由LED 显示与报警模块软件、YD-DF4C 型便携式通风装置软件2 个部分组成，2 个系统之间通过RS485 进行数据通信。

LED 显示与报警模块软件主要实现人员靠近感知，环境状态显示，语音播报预警功能，同时配合上位机进行实时数据通信与状态同步。

YD-DF4C 型便携式通风装置软件主要实现环境传感器数据对接、数据分析与异常预警，风机控制功能，与LED 显示与报警模块进行数据交互与信息同步功能。

便携式通风系统与LED 显示模块之间通信协议如下：

（1） 485 通讯，传送一帧信息的数据格式：1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验位。

（2） 波特率9 600 b/s。

（3） PLC 发送显示正常的控制命令，发送内容为（共11 字节）各气体都正常。

显示屏地址功能码寄存器地址寄存器个数寄存器字节数数据高字节数据低字节CRC校验低位CRC 校验高位01H 0H 00H,00H 00 H,1H 02H 00H 000H 67H 90H

（4） PLC 发送显示异常的控制命令，发送内容为（共11 字节）数据异常，不同校验码对应不同气体数值，以氧气异常为例，如下说明：

显示屏地址功能码寄存器地址寄存器个数寄存字节器数数据高字节数据低字节CRC校验低位CRC 校验高位01H 0H 00H,00H 00H,01H 02H 00H 10H A6H 50H

2.4 设备现场使用

（1） 进入工作现场，进行人员分工，并在工作区域设立安全标识，提醒经过的相关人员和车辆。

（2） 便携式通风装置尽量要安装在隧道中间位置，这样能够及时反馈隧道内环境情况。

（3） LED 显示与报警模块需要安装在进出口顶部位置，靠近入口时，注意LED 显示与报警模块是否正常工作，是否有异常数据播报与提醒。

（4） 系统设置自动抽风功能，对有限空间进行抽风一段时间，可以保证初始环境中的有害气体做一次抽风清理。根据有限空间大小，抽风一定时间，保证环境空气换新[4]。

（5） 系统检测到人员靠近时，自动开启空间环境再次检测，检测工作环境的各项指标是否符合安全作业要求，如正常，开启人工作业。

（6） 人工工作过程中，风机不间歇地给作业环境送风，保证里面环境各项指标符合要求，同时对工作环境开启实时检测工作，保证井下环境指标维持在正常范围。

（7） 人工作业过程中，预警功能需实时开启，出现异常情况，及时提醒现场工作人员工作环境参数变化。

3 便携式电缆沟隧道通风系统模拟测试

3.1 模拟场景测试

在一个10 m2密闭的地下管道墙壁上安装该便携式通风装置，同时将通风管引出到户外，在房间门口安装LED 显示与报警模块，模拟人员靠近门口后，房间内气体含量正常与异常情况下的系统工作情况，包括微波感应工作距离是否满足要求，LED 显示与报警模块通信功能是否正常，异常情况下的风机自动启停功能是否正常运转。经现场模拟测试，该系统环境报警与风机自动启动功能运行良好。模拟场景现场如

图5 所示。

图5 模拟场景现场

3.2 测试LED 显示与报警模块是否正常工作

测试项目一：设备安装完成后，系统开始运行，LED 显示模块处于待机状态，测试人员从远处逐渐靠近密闭房间，看LED 显示屏是否响应，测试结果如表3 所示。

表3 感应距离测试结果

测试项目二：系统处于运行状态，当气体数值出现异常时，LED 显示屏状态是否更新，同时语音播报是否能正常报警提醒，在便携式通风装置上设置环境异常数值指令至RS485 通信口，传输至LED 显示屏，看LED 显示屏模块是否能正常相应，测试结果如表4所示。

表4 LED 显示与语音播报功能测试结果

3.3 测试环境数值异常时风机是否正常工作

测试项目一：便携式通风装置上，系统设置氧气含量报警阈值分别设置为18%、15%、21%（环境中氧气值为空气值20.8%），等待5 分钟，看装置是否有异常播报，同时风机是否开启，充分通风后，被测环境中的氧气含量高于阈值后自动关闭风机。如表5 所示。

表5 风机自动启停功能测试

4 结论

电缆沟隧道作业是一个具有风险因素的工作，如果对工作环境的相关参数没做好相关的检测、保护等措施，容易出现人员伤亡危险。我司提出的便携式电缆沟隧道通风系统，是基于作业人员在实际现场工作前、工作时、工作后三个维度所处的环境情况进行全方位多维度在线监测，可以在作业工程中提供两重保障：一是做到全过程检测，并根据检测数据提供预警功能；二是在作业开始前进行环境抽风，对原环境进行空气交换，工作过程中定期对工作环境进行送风，让作业环境空气实时补充、交换、循环。综上，便携式电缆沟隧道通风系统能有效保证电缆沟隧道作业环境符合要求，进而有效保障内部工作安全、有序开展。