綜合管廊天然氣艙危險(xiǎn)區(qū)域劃分研究與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

譚一川

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400033；2. 重慶市礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400033)

0　引言

綜合管廊，就是地下城市管道綜合走廊。即在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通訊、燃?xì)狻⒐?、給排水等各種工程管線集于一體，設(shè)有專(zhuān)門(mén)的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和管理，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。綜合管廊中有多個(gè)艙室，根據(jù)入艙管線的分類(lèi)，通常分為：綜合艙、電力艙、熱力艙、雨污艙、天然氣艙等。目前，已經(jīng)建成的綜合管廊中，通常將電力線纜、通信線纜、給水管道、中水管道、熱力管道等納入綜合管廊管理，而很少將天然氣管納入。究其根本，對(duì)管廊安全運(yùn)營(yíng)的顧慮是很重要的一個(gè)原因，且單獨(dú)的天然氣艙將直接影響管廊的整體造價(jià)。然而，現(xiàn)有天然氣管道的直埋方式不利于市政管理，也容易因?yàn)楣苈菲茡p造成大面積停氣和路面開(kāi)挖，影響市民生活和出行[1]。《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕61號(hào))提出，“已建設(shè)地下綜合管廊的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的所有管線必須入廊”。2016年6月17日，住建部召開(kāi)推進(jìn)地下綜合管廊建設(shè)電視電話會(huì)議，會(huì)議強(qiáng)調(diào)“排水、天然氣管線要求入廊”。這為排水管道、天然氣管道入廊一事確定了方向。

目前，國(guó)內(nèi)外研究多針對(duì)高壓天然氣管網(wǎng)，對(duì)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，劉富君等[2]提出一種優(yōu)化后的高斯煙雨模型；侯慶民[3]結(jié)合風(fēng)速、壓力、泄漏孔徑和障礙物變化等因素，提出各種因素對(duì)泄漏結(jié)果的影響；Dong等[4]提出一種基于小孔洞與完全破裂之間的高壓氣體泄漏模型，驗(yàn)證了氣體初始?jí)毫εc泄漏量的關(guān)系。但以上研究多針對(duì)露天或直埋入地的環(huán)境，結(jié)合地下綜合管廊環(huán)境和相應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)域的研究較少。因此，本文從天然氣艙的危險(xiǎn)區(qū)域劃分出發(fā)，探討天然氣艙防爆型監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用和布置，提出事故發(fā)生后的監(jiān)測(cè)解決方案。

1　危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

1.1　天然氣艙

天然氣的主要成分是可燃?xì)怏w甲烷，因此需要對(duì)天然氣艙的危險(xiǎn)區(qū)域類(lèi)型進(jìn)行劃分，這也會(huì)影響到天然氣艙監(jiān)控系統(tǒng)防爆類(lèi)型的選擇，以及設(shè)備布置的變化[5]。

根據(jù)GB50838-2015《綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》6.4.3條的規(guī)定，入艙天然氣管內(nèi)壓力為0.01～1.6 MPa，覆蓋低壓、中壓、次高壓范圍[6]。從調(diào)研資料來(lái)看，目前明確提及入廊的天然氣管道管徑，覆蓋DN100～DN500范圍，流速通常不高于20 m/s[7]。

GB50838—2015《綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中雖然提到天然氣艙應(yīng)視為防爆2區(qū)，但并未提出參考依據(jù)，也未進(jìn)行具體分析。按照GB3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14部分：場(chǎng)所分類(lèi) 爆炸性氣體環(huán)境》所述，存在爆炸性氣體環(huán)境的可能性和由此形成的區(qū)域類(lèi)型主要取決于釋放源的等級(jí)和通風(fēng)。通風(fēng)會(huì)促進(jìn)釋放源周?chē)目扇夹詺怏w逸散，若通風(fēng)速率適當(dāng)，也能避免爆炸性氣體環(huán)境持久存在，從而影響區(qū)域類(lèi)型。因此，本文從釋放源、通風(fēng)等級(jí)、通風(fēng)有效性、氣密性等方面入手[8]，對(duì)天然氣艙和設(shè)備間危險(xiǎn)區(qū)域的劃分進(jìn)行分析。

首先，依據(jù)GB50838-2015《綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》要求，天然氣調(diào)壓裝置不應(yīng)設(shè)置在綜合管廊內(nèi)，且分段閥宜設(shè)置在管廊外部，如設(shè)置在管廊內(nèi)部，則應(yīng)該具備遠(yuǎn)程控制功能，且無(wú)縫鋼管要求采用焊接方式連接[9]。由此可知，綜合管廊天然氣艙中可能有閥門(mén)等2級(jí)釋放源，且管道盛裝可燃性物質(zhì)，盡管正常工作時(shí)不向大氣層釋放，也應(yīng)視作潛在的可燃性物質(zhì)的釋放源(事故時(shí)成為釋放源)。因此，單以釋放源而言，天然氣艙應(yīng)視為防爆2區(qū)考慮。

其次，天然氣艙采用機(jī)械排風(fēng)，正常情況下通風(fēng)6次/h，事故時(shí)通風(fēng)12次/h[9]，因此，通風(fēng)有效性屬于良好級(jí)別。而通風(fēng)等級(jí)需要按照公式進(jìn)行推導(dǎo)[10]，現(xiàn)計(jì)算如下：

1)使釋放的可燃性物質(zhì)低于爆炸下限規(guī)定濃度的最小通風(fēng)速率，可通過(guò)式(1)計(jì)算：

(1)

(2)

即，釋放源釋放速率為1 kg/s(約1.3 m3/s)時(shí)，只要新鮮空氣體積流速不小于59.6 m3/s，可保證可燃?xì)怏w濃度不超過(guò)爆炸濃度規(guī)定下限。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于通風(fēng)口一般位于人行道旁的綠化帶內(nèi)，為了避免對(duì)行人造成影響，通風(fēng)口最小面積為1 m2左右，且通風(fēng)口處風(fēng)速不宜大于5 m/s，新鮮空氣體積流速較難達(dá)到式(2)的要求。因此，若釋放源釋放速率為1 kg/s，則天然氣艙通風(fēng)等級(jí)評(píng)定為低級(jí)通風(fēng)，防爆區(qū)域劃分為1區(qū)，泄漏區(qū)域甚至可劃分為0區(qū)[10]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然氣泄漏量的研究，結(jié)合綜合管廊對(duì)天然氣管道的保護(hù)，以及天然氣管道調(diào)壓器最大通過(guò)能力的限制[11]，實(shí)際發(fā)生事故時(shí)，管道完全斷裂的可能性較小，更可能出現(xiàn)小孔泄漏(泄漏孔徑不超過(guò)20 mm)或大孔泄漏(泄漏孔徑大于20 mm，小于管徑)[12]。而當(dāng)新鮮空氣體積流速為5 m3/s時(shí)，可計(jì)算出釋放源釋放速率為0.084 kg/s。即，只要釋放源釋放速率≤0.084 kg/s，則5 m3/s的新鮮空氣體積流速可以保證可燃?xì)怏w濃度不超過(guò)爆炸濃度規(guī)定下限。根據(jù)劉中良等的研究，泄漏速率與泄漏孔徑有關(guān)，在關(guān)斷閥迅速作用的情況下，泄漏速率逐步下降，泄漏時(shí)間則與天然氣管管徑和泄漏孔徑有關(guān)[13]。

(3)

式中：Vz表示在某一通風(fēng)條件下，環(huán)境中可燃性氣體或蒸氣的平均濃度達(dá)到0.25倍或0.5倍爆炸下限值時(shí)的體積，這與安全系數(shù)值k有關(guān)；f為有效稀釋爆炸性環(huán)境程度的系數(shù)，表示通風(fēng)效率，取值范圍從1(理想狀態(tài))到5(典型值，空氣流動(dòng)受阻礙)，故地下巷道環(huán)境取中間值3；C為單位時(shí)間內(nèi)換氣次數(shù)，按事故通風(fēng)12次/h(約0.003 3次/s)計(jì)算。

3)釋放源停止釋放后，要求平均濃度從初始值X0下降到k倍LEL的時(shí)間t可用式(4)推導(dǎo)：

(4)

式中：X0表示用與LEL相同的單位所測(cè)量的可燃物質(zhì)的初始濃度，即體積比(%或kg/m3)。在爆炸環(huán)境中的某處，可燃性物質(zhì)的濃度可能為100%(一般僅在非?？拷尫旁吹母浇?；C為單位時(shí)間內(nèi)換氣次數(shù)，按事故通風(fēng)12次/h(約0.003 3次/s)計(jì)算；t的單位與C相同，若C為每s換氣次數(shù)，則t的單位為s；k表示與爆炸下限(LEL)有關(guān)的安全系數(shù)，k=0.5。

由式(4)計(jì)算可知，若按釋放源0.084 kg/s的釋放速率計(jì)算，釋放源假設(shè)體積很大，但處于可控制范圍，而且不會(huì)持續(xù)很久，因此通風(fēng)等級(jí)評(píng)定為中級(jí)通風(fēng)，通風(fēng)有效性為良好，釋放源為潛在的2級(jí)釋放源，根據(jù)GB3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14部分：場(chǎng)所分類(lèi) 爆炸性氣體環(huán)境》中通風(fēng)對(duì)區(qū)域類(lèi)型影響的規(guī)定，將現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域類(lèi)型劃分為防爆2區(qū)。

1.2　設(shè)備間

設(shè)備間的防爆區(qū)域類(lèi)型劃分主要取決于墻體和通孔的氣密性。依照GB50251—2015《輸氣管道工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，有氣密墻體封閉的建筑物與爆炸危險(xiǎn)區(qū)域相鄰時(shí)，建筑物內(nèi)部不被劃分為危險(xiǎn)區(qū)域。因此，設(shè)備間與天然氣艙排風(fēng)口之間，如果采用氣密性墻體和氣密門(mén)(開(kāi)門(mén)方向?yàn)槌虮▍^(qū)域)且通孔類(lèi)型為D型，則即使天然氣艙為防爆2區(qū)，設(shè)備間也可視為安全場(chǎng)所；否則，設(shè)備間也是防爆2區(qū)。

為了更好保證設(shè)備間的安全性，設(shè)備間可設(shè)置單獨(dú)的自然通風(fēng)口，或者利用氣泵將設(shè)備間設(shè)置為正壓區(qū)域，使房?jī)?nèi)氣壓略大于爆炸區(qū)域氣體壓力[14]。氣泵的進(jìn)氣口出于安全考慮，應(yīng)與天然氣艙出風(fēng)口間隔2.25 m以上[15]。

2　本安兼隔爆型監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于天然氣艙屬于防爆2區(qū)，配套的監(jiān)控設(shè)備和機(jī)電設(shè)備都應(yīng)當(dāng)選用防爆設(shè)備[16]。通常，監(jiān)控設(shè)備選用隔爆型產(chǎn)品(d)和本質(zhì)安全型產(chǎn)品(i)。

其中，隔爆型產(chǎn)品把能點(diǎn)燃爆炸性混合物的儀表部件封閉在一個(gè)外殼內(nèi)，外殼能承受內(nèi)部爆炸性混合物的爆炸壓力，并阻止向殼外的爆炸性混合物傳爆。因此，這種儀表的各部件的接合面，如儀表蓋的螺紋圈數(shù)；螺紋精度；零點(diǎn)、量程調(diào)整螺釘和表殼之間；變送器的檢測(cè)部件和轉(zhuǎn)換部件之間的間隙；以及導(dǎo)線口等，都有嚴(yán)格的防爆要求，一旦維護(hù)不當(dāng)，則會(huì)失去防爆性能。

本質(zhì)安全型產(chǎn)品又叫安全火花型產(chǎn)品，它的特點(diǎn)是儀表在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下，電路、系統(tǒng)產(chǎn)生的火花和達(dá)到的溫度都不會(huì)引燃爆炸性氣體混合物。由上文可知，當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤?，且釋放源速率超過(guò)0.084 kg/s時(shí)，如新鮮空氣最小體積流速無(wú)法提高，則天然氣艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度可持續(xù)上升。一旦釋放速率過(guò)高，即使進(jìn)入事故排風(fēng)狀態(tài)，天然氣艙和設(shè)備間內(nèi)可燃?xì)怏w濃度也可能超過(guò)緊急切斷濃度(爆炸下限LEL的25%)。一般情況下，盡管供電裝置選用隔爆型設(shè)備，仍需要緊急切斷設(shè)備供電，避免引起爆炸[17]。然而，切斷所有設(shè)備電源后，天然氣艙將處于無(wú)法監(jiān)控狀態(tài)，搶修部門(mén)無(wú)法得知管廊內(nèi)的可燃?xì)怏w、有毒氣體、氧氣等濃度及分布，何時(shí)安排人員入艙搶修也失去了參考依據(jù)[18]。由于通風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，防火門(mén)密閉，艙內(nèi)空氣不流通，從外部通風(fēng)口等處測(cè)得的氣體濃度也不一定準(zhǔn)確，部分氣體由于比重較空氣更大，也無(wú)法在地面測(cè)得數(shù)據(jù)。因此，為了達(dá)到能對(duì)天然氣艙進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)的目的，可以將設(shè)備間設(shè)計(jì)為安全區(qū)域，即使天然氣艙內(nèi)出現(xiàn)爆炸性氣體濃度超限，只要設(shè)備間內(nèi)未出現(xiàn)超限情況，設(shè)置其內(nèi)的供電設(shè)備就能夠?yàn)楸举|(zhì)安全型氣體監(jiān)測(cè)傳感器持續(xù)安全供電，從而使災(zāi)害影響處于一個(gè)可監(jiān)控的狀態(tài)，為后續(xù)的應(yīng)急指揮提供決策依據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)示意如圖1所示。而諸如照明、排水、通風(fēng)等機(jī)電設(shè)備的供電，仍然需要按照操作規(guī)程切斷。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)示意Fig.1　Schematic diagram of monitoring system

在管廊設(shè)計(jì)階段，通過(guò)配置氣密性墻體和氣密門(mén)(開(kāi)門(mén)方向?yàn)槌虮▍^(qū)域)，將線路通孔等按照D型設(shè)計(jì)，并保證設(shè)備間出入口與爆炸區(qū)域間的距離符合安全規(guī)定，可將設(shè)備間設(shè)計(jì)為安全場(chǎng)所；或者通過(guò)氣泵，使設(shè)備間成為正壓區(qū)域，從而達(dá)到同樣的目的。配電柜、區(qū)域控制器、設(shè)備控制器、交換機(jī)等設(shè)備都可安裝在設(shè)備間，并使用非防爆產(chǎn)品，既能節(jié)省成本，也便于安裝和維護(hù)。同時(shí)，在天然氣艙的出入口、通風(fēng)口等處的頂部，布置本質(zhì)安全型甲烷傳感器，在天然氣艙中下部布置本質(zhì)安全型氧氣傳感器和硫化氫傳感器，并配置專(zhuān)用的本質(zhì)安全型電源[19]。其他入廊的傳感器和機(jī)電設(shè)備可仍然使用隔爆型產(chǎn)品，其供電電源不可與本質(zhì)安全型電源混用，以免影響安全性能。

傳感器使用總線通訊，與主控器之間通過(guò)安全柵隔離[20]。當(dāng)天然氣艙甲烷濃度達(dá)到爆炸下限LEL的25%時(shí)，位于安全場(chǎng)所中的主控器緊急斷開(kāi)其他隔爆型設(shè)備和隔爆型傳感器的配電電源，只保留自身與本質(zhì)安全型甲烷傳感器的供電。其目的就是為了在緊急情況下能夠持續(xù)探知天然氣艙內(nèi)各處的氣體濃度和分布，為搶險(xiǎn)救災(zāi)及減少二次人員傷害提供可信的依據(jù)。

從安全角度考慮，需要在設(shè)備間頂部布置甲烷傳感器，一旦檢測(cè)到可燃性氣體濃度超限，則緊急關(guān)斷所有配電開(kāi)關(guān)電源。由于環(huán)網(wǎng)交換機(jī)設(shè)置在設(shè)備間，只要設(shè)備間沒(méi)出現(xiàn)可燃性氣體超限現(xiàn)象，對(duì)外通訊就能夠得到保障，監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)工作流程Fig.2　Flow chart of monitoring system

使用本質(zhì)安全型甲烷傳感器的原因在于隔爆型設(shè)備需經(jīng)常維護(hù)，若維護(hù)不當(dāng)，則很可能失去防爆性能，在事故時(shí)反而成為危險(xiǎn)源。但該套方案只適用于設(shè)備間為安全場(chǎng)所的情況，如果設(shè)備間也為危險(xiǎn)區(qū)域，則所有的配電柜、控制柜都需要選用隔爆型設(shè)備。從安全角度出發(fā)，當(dāng)甲烷氣體濃度達(dá)到爆炸下限LEL的25%時(shí)，設(shè)備間內(nèi)所有設(shè)備都會(huì)被切斷電源。此時(shí)，即使在天然氣艙中設(shè)置本質(zhì)安全型傳感器也會(huì)因斷電而失去作用。

另外，由于天然氣艙中正常情況下不會(huì)存在甲烷氣體，但在泄漏事故發(fā)生時(shí)又可能迅速超過(guò)報(bào)警濃度，故普通催化式元件甲烷傳感器使用壽命容易受到影響，必須配置高低濃度甲烷傳感器才能滿足事故監(jiān)測(cè)需要。因此，可以考慮選擇紅外式或激光式甲烷傳感器，既能滿足甲烷監(jiān)測(cè)需要，免調(diào)校周期也比較長(zhǎng)。相較而言，激光式單點(diǎn)/多點(diǎn)甲烷傳感器的價(jià)格目前雖然較高，但由于其高精度、免維護(hù)等特性，未來(lái)卻是管廊氣體監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)。

3　結(jié)論

1)對(duì)天然氣艙通風(fēng)等級(jí)、通風(fēng)有效性、持續(xù)時(shí)間以及危險(xiǎn)區(qū)域類(lèi)型劃分等進(jìn)行分析，討論了天然氣艙被劃分為防爆2區(qū)的理論依據(jù)。

2)在假設(shè)設(shè)備間為安全場(chǎng)所的情況下，提出本安兼隔爆型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，確保天然氣艙始終處于可監(jiān)測(cè)狀態(tài)，相比于單一使用隔爆型傳感器和設(shè)備而言，該方案杜絕了因維護(hù)不當(dāng)而造成失爆的可能性，能夠有效地提升安全性和可靠性，兼顧成本與安全。

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