谭一川

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400033；2. 重庆市矿山物联网关键技术工程技术研究中心，重庆 400033)

0　引言

综合管廊，就是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。综合管廊中有多个舱室，根据入舱管线的分类，通常分为：综合舱、电力舱、热力舱、雨污舱、天然气舱等。目前，已经建成的综合管廊中，通常将电力线缆、通信线缆、给水管道、中水管道、热力管道等纳入综合管廊管理，而很少将天然气管纳入。究其根本，对管廊安全运营的顾虑是很重要的一个原因，且单独的天然气舱将直接影响管廊的整体造价。然而，现有天然气管道的直埋方式不利于市政管理，也容易因为管路破损造成大面积停气和路面开挖，影响市民生活和出行[1]。《国务院办公厅关于推进地下综合管廊建设的指导意见》(国办发〔2015〕61号)提出，“已建设地下综合管廊的区域，该区域内的所有管线必须入廊”。2016年6月17日，住建部召开推进地下综合管廊建设电视电话会议，会议强调“排水、天然气管线要求入廊”。这为排水管道、天然气管道入廊一事确定了方向。

目前，国内外研究多针对高压天然气管网，对泄漏扩散进行实时计算，刘富君等[2]提出一种优化后的高斯烟雨模型；侯庆民[3]结合风速、压力、泄漏孔径和障碍物变化等因素，提出各种因素对泄漏结果的影响；Dong等[4]提出一种基于小孔洞与完全破裂之间的高压气体泄漏模型，验证了气体初始压力与泄漏量的关系。但以上研究多针对露天或直埋入地的环境，结合地下综合管廊环境和相应危险区域的研究较少。因此，本文从天然气舱的危险区域划分出发，探讨天然气舱防爆型监控系统的应用和布置，提出事故发生后的监测解决方案。

1　危险区域的划分

1.1　天然气舱

天然气的主要成分是可燃气体甲烷，因此需要对天然气舱的危险区域类型进行划分，这也会影响到天然气舱监控系统防爆类型的选择，以及设备布置的变化[5]。

根据GB50838-2015《综合管廊工程技术规范》6.4.3条的规定，入舱天然气管内压力为0.01～1.6 MPa，覆盖低压、中压、次高压范围[6]。从调研资料来看，目前明确提及入廊的天然气管道管径，覆盖DN100～DN500范围，流速通常不高于20 m/s[7]。

GB50838—2015《综合管廊工程技术规范》中虽然提到天然气舱应视为防爆2区，但并未提出参考依据，也未进行具体分析。按照GB3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分：场所分类 爆炸性气体环境》所述，存在爆炸性气体环境的可能性和由此形成的区域类型主要取决于释放源的等级和通风。通风会促进释放源周围的可燃性气体逸散，若通风速率适当，也能避免爆炸性气体环境持久存在，从而影响区域类型。因此，本文从释放源、通风等级、通风有效性、气密性等方面入手[8]，对天然气舱和设备间危险区域的划分进行分析。

首先，依据GB50838-2015《综合管廊工程技术规范》要求，天然气调压装置不应设置在综合管廊内，且分段阀宜设置在管廊外部，如设置在管廊内部，则应该具备远程控制功能，且无缝钢管要求采用焊接方式连接[9]。由此可知，综合管廊天然气舱中可能有阀门等2级释放源，且管道盛装可燃性物质，尽管正常工作时不向大气层释放，也应视作潜在的可燃性物质的释放源(事故时成为释放源)。因此，单以释放源而言，天然气舱应视为防爆2区考虑。

其次，天然气舱采用机械排风，正常情况下通风6次/h，事故时通风12次/h[9]，因此，通风有效性属于良好级别。而通风等级需要按照公式进行推导[10]，现计算如下：

1)使释放的可燃性物质低于爆炸下限规定浓度的最小通风速率，可通过式(1)计算：

(1)

(2)

即，释放源释放速率为1 kg/s(约1.3 m3/s)时，只要新鲜空气体积流速不小于59.6 m3/s，可保证可燃气体浓度不超过爆炸浓度规定下限。

在实际应用中，由于通风口一般位于人行道旁的绿化带内，为了避免对行人造成影响，通风口最小面积为1 m2左右，且通风口处风速不宜大于5 m/s，新鲜空气体积流速较难达到式(2)的要求。因此，若释放源释放速率为1 kg/s，则天然气舱通风等级评定为低级通风，防爆区域划分为1区，泄漏区域甚至可划分为0区[10]。根据国内外学者对天然气泄漏量的研究，结合综合管廊对天然气管道的保护，以及天然气管道调压器最大通过能力的限制[11]，实际发生事故时，管道完全断裂的可能性较小，更可能出现小孔泄漏(泄漏孔径不超过20 mm)或大孔泄漏(泄漏孔径大于20 mm，小于管径)[12]。而当新鲜空气体积流速为5 m3/s时，可计算出释放源释放速率为0.084 kg/s。即，只要释放源释放速率≤0.084 kg/s，则5 m3/s的新鲜空气体积流速可以保证可燃气体浓度不超过爆炸浓度规定下限。根据刘中良等的研究，泄漏速率与泄漏孔径有关，在关断阀迅速作用的情况下，泄漏速率逐步下降，泄漏时间则与天然气管管径和泄漏孔径有关[13]。

(3)

式中：Vz表示在某一通风条件下，环境中可燃性气体或蒸气的平均浓度达到0.25倍或0.5倍爆炸下限值时的体积，这与安全系数值k有关；f为有效稀释爆炸性环境程度的系数，表示通风效率，取值范围从1(理想状态)到5(典型值，空气流动受阻碍)，故地下巷道环境取中间值3；C为单位时间内换气次数，按事故通风12次/h(约0.003 3次/s)计算。

3)释放源停止释放后，要求平均浓度从初始值X0下降到k倍LEL的时间t可用式(4)推导：

(4)

式中：X0表示用与LEL相同的单位所测量的可燃物质的初始浓度，即体积比(%或kg/m3)。在爆炸环境中的某处，可燃性物质的浓度可能为100%(一般仅在非常靠近释放源的附近)；C为单位时间内换气次数，按事故通风12次/h(约0.003 3次/s)计算；t的单位与C相同，若C为每s换气次数，则t的单位为s；k表示与爆炸下限(LEL)有关的安全系数，k=0.5。

由式(4)计算可知，若按释放源0.084 kg/s的释放速率计算，释放源假设体积很大，但处于可控制范围，而且不会持续很久，因此通风等级评定为中级通风，通风有效性为良好，释放源为潜在的2级释放源，根据GB3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分：场所分类 爆炸性气体环境》中通风对区域类型影响的规定，将现场危险区域类型划分为防爆2区。

1.2　设备间

设备间的防爆区域类型划分主要取决于墙体和通孔的气密性。依照GB50251—2015《输气管道工程技术规范》规定，有气密墙体封闭的建筑物与爆炸危险区域相邻时，建筑物内部不被划分为危险区域。因此，设备间与天然气舱排风口之间，如果采用气密性墙体和气密门(开门方向为朝向爆炸区域)且通孔类型为D型，则即使天然气舱为防爆2区，设备间也可视为安全场所；否则，设备间也是防爆2区。

为了更好保证设备间的安全性，设备间可设置单独的自然通风口，或者利用气泵将设备间设置为正压区域，使房内气压略大于爆炸区域气体压力[14]。气泵的进气口出于安全考虑，应与天然气舱出风口间隔2.25 m以上[15]。

2　本安兼隔爆型监控系统设计

由于天然气舱属于防爆2区，配套的监控设备和机电设备都应当选用防爆设备[16]。通常，监控设备选用隔爆型产品(d)和本质安全型产品(i)。

其中，隔爆型产品把能点燃爆炸性混合物的仪表部件封闭在一个外壳内，外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力，并阻止向壳外的爆炸性混合物传爆。因此，这种仪表的各部件的接合面，如仪表盖的螺纹圈数；螺纹精度；零点、量程调整螺钉和表壳之间；变送器的检测部件和转换部件之间的间隙；以及导线口等，都有严格的防爆要求，一旦维护不当，则会失去防爆性能。

本质安全型产品又叫安全火花型产品，它的特点是仪表在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性气体混合物。由上文可知，当发生燃气泄漏，且释放源速率超过0.084 kg/s时，如新鲜空气最小体积流速无法提高，则天然气舱内可燃气体浓度可持续上升。一旦释放速率过高，即使进入事故排风状态，天然气舱和设备间内可燃气体浓度也可能超过紧急切断浓度(爆炸下限LEL的25%)。一般情况下，尽管供电装置选用隔爆型设备，仍需要紧急切断设备供电，避免引起爆炸[17]。然而，切断所有设备电源后，天然气舱将处于无法监控状态，抢修部门无法得知管廊内的可燃气体、有毒气体、氧气等浓度及分布，何时安排人员入舱抢修也失去了参考依据[18]。由于通风机停转，防火门密闭，舱内空气不流通，从外部通风口等处测得的气体浓度也不一定准确，部分气体由于比重较空气更大，也无法在地面测得数据。因此，为了达到能对天然气舱进行连续实时气体监测的目的，可以将设备间设计为安全区域，即使天然气舱内出现爆炸性气体浓度超限，只要设备间内未出现超限情况，设置其内的供电设备就能够为本质安全型气体监测传感器持续安全供电，从而使灾害影响处于一个可监控的状态，为后续的应急指挥提供决策依据，监控系统示意如图1所示。而诸如照明、排水、通风等机电设备的供电，仍然需要按照操作规程切断。

图1　监控系统示意Fig.1　Schematic diagram of monitoring system

在管廊设计阶段，通过配置气密性墙体和气密门(开门方向为朝向爆炸区域)，将线路通孔等按照D型设计，并保证设备间出入口与爆炸区域间的距离符合安全规定，可将设备间设计为安全场所；或者通过气泵，使设备间成为正压区域，从而达到同样的目的。配电柜、区域控制器、设备控制器、交换机等设备都可安装在设备间，并使用非防爆产品，既能节省成本，也便于安装和维护。同时，在天然气舱的出入口、通风口等处的顶部，布置本质安全型甲烷传感器，在天然气舱中下部布置本质安全型氧气传感器和硫化氢传感器，并配置专用的本质安全型电源[19]。其他入廊的传感器和机电设备可仍然使用隔爆型产品，其供电电源不可与本质安全型电源混用，以免影响安全性能。

传感器使用总线通讯，与主控器之间通过安全栅隔离[20]。当天然气舱甲烷浓度达到爆炸下限LEL的25%时，位于安全场所中的主控器紧急断开其他隔爆型设备和隔爆型传感器的配电电源，只保留自身与本质安全型甲烷传感器的供电。其目的就是为了在紧急情况下能够持续探知天然气舱内各处的气体浓度和分布，为抢险救灾及减少二次人员伤害提供可信的依据。

从安全角度考虑，需要在设备间顶部布置甲烷传感器，一旦检测到可燃性气体浓度超限，则紧急关断所有配电开关电源。由于环网交换机设置在设备间，只要设备间没出现可燃性气体超限现象，对外通讯就能够得到保障，监控系统的工作流程如图2所示。

图2　监控系统工作流程Fig.2　Flow chart of monitoring system

使用本质安全型甲烷传感器的原因在于隔爆型设备需经常维护，若维护不当，则很可能失去防爆性能，在事故时反而成为危险源。但该套方案只适用于设备间为安全场所的情况，如果设备间也为危险区域，则所有的配电柜、控制柜都需要选用隔爆型设备。从安全角度出发，当甲烷气体浓度达到爆炸下限LEL的25%时，设备间内所有设备都会被切断电源。此时，即使在天然气舱中设置本质安全型传感器也会因断电而失去作用。

另外，由于天然气舱中正常情况下不会存在甲烷气体，但在泄漏事故发生时又可能迅速超过报警浓度，故普通催化式元件甲烷传感器使用寿命容易受到影响，必须配置高低浓度甲烷传感器才能满足事故监测需要。因此，可以考虑选择红外式或激光式甲烷传感器，既能满足甲烷监测需要，免调校周期也比较长。相较而言，激光式单点/多点甲烷传感器的价格目前虽然较高，但由于其高精度、免维护等特性，未来却是管廊气体监控的发展趋势。

3　结论

1)对天然气舱通风等级、通风有效性、持续时间以及危险区域类型划分等进行分析，讨论了天然气舱被划分为防爆2区的理论依据。

2)在假设设备间为安全场所的情况下，提出本安兼隔爆型监控系统的设计思路，确保天然气舱始终处于可监测状态，相比于单一使用隔爆型传感器和设备而言，该方案杜绝了因维护不当而造成失爆的可能性，能够有效地提升安全性和可靠性，兼顾成本与安全。

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