天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)研究與應用

劉金鳳 梁海濱 劉修寬

摘 ?要：該文提出并研究了天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)，進行甲烷、一氧化碳、氧氣、二氧化碳多參數(shù)測量，通過九區(qū)圖和聯(lián)動控制模式有效解決了天然氣集聚或者泄漏以及燃燒不充分問題產(chǎn)生的危害，并通過試驗驗證了系統(tǒng)的有效性和安全可靠性。

關(guān)鍵詞：測控聯(lián)動;常閉電磁閥;九區(qū)控制

中圖分類號：TP271 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全可靠等優(yōu)點，但同時天然氣也是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度只要達到550 ℃就會燃燒。在房屋封閉的環(huán)境里，天然氣聚集并達到一定的比例時，就會觸發(fā)威力巨大的爆炸。天然氣的主要成分是甲烷，甲烷本身是無毒的，但空氣中的甲烷含量達到10%以上時，人就會呼吸困難，眩暈虛弱而失去知覺、昏迷甚至死亡。如果天然氣燃燒不完全，也會產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。

近期，由于天然氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災等事故時有發(fā)生，增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。用戶使用不當、通風不暢導致的有害氣體滯留，報警器斷電導致安全切斷閥不能有效切斷等情況都是造成客戶端事故的重要原因。此外，國內(nèi)燃氣報警器聯(lián)動裝置的安全切斷閥大部分采用的是常開式，只有在報警器輸出信號的情況下才會切斷氣源，在報警器失效或者斷電的情況下，切斷閥將失去切斷氣源的功能，燃氣報警器沒有與排風設(shè)施進行有效聯(lián)動，不能使泄露到室內(nèi)的燃氣及時排到室外。

針對這一問題，該文研究設(shè)計了一種天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)，由氣體參數(shù)測試及輸入模塊、單片機智能控制模塊、輸出報警及聯(lián)動執(zhí)行模塊、備用電源模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模塊、可擴展模塊等組成（如圖1所示）。

研發(fā)設(shè)計天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)時，應嚴格按照安全防爆設(shè)計要求，甄選設(shè)計中的核心部件，尤其是電子芯片傳感器和切斷電磁閥，規(guī)范開發(fā)過程，加大測試覆蓋率，采用多種診斷方式和冗余設(shè)計，進而提高系統(tǒng)的安全和可靠性。

AVR系列單片機應用于智能控制領(lǐng)域，AVR大部分型號的性價比較高，通用型號的AVR供貨穩(wěn)定，市場占有率一直在擴展。選取ATmega168單片機作為主控MPU，該型號單片機是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等電路，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，AVR片上資源豐富，能夠滿足系統(tǒng)的檢測、處理、控制、通信等具體要求。

選取MP-4作為甲烷檢測傳感器，MP-4可燃氣體傳感器采用多層厚膜制造工藝，在微型Al2O3陶瓷基片的兩面分別制作加熱器和金屬氧化物半導體氣敏層，封裝在金屬殼體內(nèi)。該傳感器可以在較寬的甲烷濃度范圍內(nèi)，對甲烷氣體濃度測量有良好的靈敏度，具有抗干擾能力強、功耗低、響應恢復快、穩(wěn)定性好、壽命長、低成本、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。被廣泛應用于家庭、工廠、商業(yè)用所的可燃氣體泄漏監(jiān)測領(lǐng)域。

選取ME2-CO作為一氧化碳檢測傳感器，ME2-CO一氧化碳傳感器為燃料電池型傳感器，一氧化碳和氧氣在工作電極和對電極上發(fā)生相應的氧化還原反應并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與一氧化碳濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小即可判定一氧化碳的濃度。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強、優(yōu)異的重復性和穩(wěn)定性等特點，主要應用于商業(yè)和民用領(lǐng)域的一氧化碳濃度檢測使用。

電磁閥選型首先應該依次遵循安全性、可靠性、適用性、經(jīng)濟性4個原則，其次是根據(jù)6個方面的現(xiàn)場工況（即管道參數(shù)、流體參數(shù)、壓力參數(shù)、電氣參數(shù)、動作方式、特殊要求進行選擇）。選取2W系列常閉防爆電磁閥作為切斷電磁閥，該電磁閥是自動控制系統(tǒng)中常見的開關(guān)元件，廣泛應用于石油、化工、冶金、紡織等工業(yè)部門的管路裝置中，完成系統(tǒng)中水、氣體、油等介質(zhì)的自動控制。

天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)控制策略采用九區(qū)圖（如圖2所示）方式，氣體參數(shù)測試傳感器分別對甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度進行實時循環(huán)多通道檢測，其中甲烷和一氧化碳作為主要測試參數(shù)，二氧化碳和氧氣作為輔助測試參數(shù)。單片機智能控制模塊進行數(shù)據(jù)分析，當主要危害氣體甲烷和一氧化碳氣體濃度達到相應報警區(qū)域設(shè)定值時，裝置就會發(fā)出聲光報警并啟動外部聯(lián)動設(shè)備（如排風扇、常閉式電磁閥），斷開氣源，排出有害氣體，確保安全。

圖2中，DX1=1 000 mg/kg，為甲烷報警下限;DX2=2000 mg/kg，為甲烷報警上限。DY1=100 mg/kg，為一氧化碳報警下限;DY2=200 mg/kg，為一氧化碳報警上限。

依據(jù)《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，傳感器在安裝現(xiàn)場對氣體泄漏的感應能力要符合要求，應符合規(guī)范中要求的氣體濃度達到25%時，裝置能夠正常啟動，依據(jù)《家用燃氣泄漏報警器》，天然氣的報警體積分數(shù)為0.1%～1.0%?，F(xiàn)有燃氣報警系統(tǒng)的設(shè)計中均設(shè)定可燃氣體的體積分數(shù)在爆炸下限的20%～25%（或以下）和50%時發(fā)出警報。當可燃氣體濃度低于爆炸下限時（可燃氣體不足）或高于爆炸上限（氧氣不足）時都不會發(fā)生爆炸。圖2中A區(qū)為正常工作狀態(tài)，甲烷和一氧化碳檢測值均小于報警下限，天然氣無集聚現(xiàn)象和泄漏情況發(fā)生，或者沒有燃燒不充分情況，執(zhí)行機構(gòu)正常運行。

圖2中B、D、F區(qū)為一級警報區(qū)域，B區(qū)域甲烷檢測值超出報警下限并且低于報警上限，一氧化碳檢測值低于報警下限，天然氣存在集聚現(xiàn)象，不存在燃燒不充分情況;D區(qū)域甲烷檢測值低于報警下限，一氧化碳檢測值超出報警下限并且低于報警上限，天然氣無集聚現(xiàn)象，存在燃燒不充分情況;F區(qū)域甲烷檢測值和一氧化碳檢測值均超出報警下限并且低于報警上限，天然氣存在集聚現(xiàn)象且存在燃燒不充分現(xiàn)象;執(zhí)行機構(gòu)報警提示，同時聯(lián)動打開排風裝置。區(qū)域C、G、E、I區(qū)為二級警報區(qū)域，C區(qū)域甲烷檢測值超出報警上限，一氧化碳檢測值低于報警下限，不存在燃燒不充分情況;G區(qū)域甲烷檢測值超出報警上限，一氧化碳檢測值超出報警下限且低于報警上限，不存在燃燒不充分情況;E區(qū)域甲烷檢測值超出報警上限，一氧化碳檢測值低于報警下限，天然氣存在泄漏現(xiàn)象，不存在燃燒不充分情況;I區(qū)域甲烷檢測值超出報警上限，一氧化碳檢測值超出報警下限且低于報警上限，天然氣存在泄漏現(xiàn)象，存在燃燒不充分情況;執(zhí)行機構(gòu)報警提示，關(guān)閉電磁閥切斷天然氣，同時聯(lián)動打開排風裝置。H區(qū)為三級警報區(qū)域，在關(guān)閉電磁閥，打開排風裝置后，甲烷檢測結(jié)果無下降趨勢，結(jié)合氧氣和二氧化碳輔助傳感器的檢測值，可以確定天然氣大量持續(xù)泄漏，報警同時將報警信息傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測中心或用戶手機，避免發(fā)生重大安全事故，控制程序如圖3所示。

采用天然氣智能測控聯(lián)動系統(tǒng)，能夠準確測量甲烷、一氧化碳、氧氣和二氧化碳的濃度，依據(jù)九區(qū)控制圖實現(xiàn)超限報警提示、切斷氣源、聯(lián)動開啟排風、報警數(shù)據(jù)上傳等功能，裝置從多參數(shù)測試和聯(lián)動控制角度出發(fā)，提出了天然氣使用過程中，處理各種安全隱患的方法，并通過試驗裝置驗證了系統(tǒng)的功能性、安全性和可靠性。

參考文獻

[1]王桂榮，李憲芝.傳感器原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]吳玉鋒，田彥文.氣體傳感器研究進展和發(fā)展方向[J].計算機測量與控制，2003（11）：731.

[3]宋春福.新型通用式民用燃氣報警器的研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（18）：65.

[4]質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 34004—2017《家用和小型餐飲廚房用燃氣報警器及傳感器》中國標準書號[S].北京：中國標準出版社，2017.