水電站大型地下洞室氡氣在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳正虎，蔡 偉

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 概述

氡是一種天然的放射性氣體,廣泛存在于自然界,極易在地下洞穴和通風(fēng)不良的室內(nèi)積聚。氡的危害日益為公眾所認識。長期在高濃度氡環(huán)境中生活,身體(尤其是呼吸器官)受到氡及其子體的過量照射,可能會導(dǎo)致肺癌、髓性白血病、胃癌、皮膚癌等多種病變。因此氡及其子體已被許多國際組織確認為人類現(xiàn)已查明的19 種最重要的致癌物質(zhì)之一。國際癌癥研究機構(gòu)將氡歸為類致癌因素。目前世界上已有幾十個國家和國際組織制定和頒布了住宅氡濃度標(biāo)準(zhǔn)。

水電站地下廠房深埋在巖體洞室內(nèi),所處區(qū)域部分巖體節(jié)理發(fā)達,空間狹小封閉，通風(fēng)條件差，與地面空氣交換率低，使得一些地下空間的環(huán)境質(zhì)量問題不容樂觀，一些污染物在密閉性高的地下空間中得以聚集，并能積累至較高濃度，難以通過自然風(fēng)流有效降低和排除。其中氡的危害尤為嚴(yán)重，不可避免產(chǎn)生氡及其子體導(dǎo)致的輻射污染問題。為保障工作人員勞動保護安全，需對地下洞室內(nèi)氡氣含量進行在線監(jiān)測，并采取必要的通風(fēng)措施聯(lián)動，以降低氡氣含量。

2 系統(tǒng)工作原理

有害氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)由以下幾部分組成：氡氣檢測傳感器、氧氣傳感器、通信分站（管理主機）、

網(wǎng)絡(luò)交換機、通信光纜通道、服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控平臺等部分組成。

2.1 氡氣監(jiān)測探頭

探頭采用高精度氡傳感器，傳感器采用氣象檢測級別，區(qū)別于一般民用級、工業(yè)級的測量精度要求，主要技術(shù)參數(shù)如下：

靈敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

測量范圍：空氣氡為(3～10 000)Bq/m3,土壤氫為(300～100 000)Bq/m3；

電源：鋰離子充電電池/交流電源；

工作環(huán)境：溫度為-10℃～40℃,濕度為90%RH；

探測器：氡和光電倍增管組合探測系統(tǒng)；

操作模式：連續(xù)測量；

數(shù)據(jù)計算：自動計算單次測量結(jié)果/平均測量結(jié)果的濃度；

數(shù)據(jù)存儲：測量結(jié)果自動保存,可存儲9999 組數(shù)據(jù)；

取氣方式：主動泵吸式。

由于所處環(huán)境為高溫高濕、低濃度酸霧腐蝕性環(huán)境。監(jiān)控探頭的防護至關(guān)重要，措施如下：

外殼采用防爆、防腐蝕性的工程塑料材質(zhì)進行開模定制；

探頭與上一級通信分站間的電源和通信電纜的接頭采用防爆、防腐蝕性的工程塑料材質(zhì)的專用接線盒進行連接；

探頭改用主動泵吸式原理，提升待檢氣體組份的有效濃度；

進入探頭的氣道應(yīng)增加專用除濕部件，以降低待檢氣體濕度，提升探頭的工作壽命。

2.2 通信分站

采用485 總線通信方式匯集其附近的氡氣監(jiān)測探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行必要的數(shù)據(jù)處理，并送入網(wǎng)絡(luò)交換機。若通信分站離開網(wǎng)絡(luò)交換機較遠，還需要進行電/光轉(zhuǎn)換，通過光纜接入?yún)^(qū)域中心網(wǎng)絡(luò)交換機。

另外，監(jiān)控分站還為監(jiān)測探頭提供工作電源，故分站設(shè)備內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V AC 轉(zhuǎn)換成24 V DC 電源。同時通信分站也需要做好防爆和防腐蝕的防護工作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信柜

網(wǎng)絡(luò)通信柜是現(xiàn)場的數(shù)據(jù)節(jié)點，包括網(wǎng)絡(luò)交換機、光纖收發(fā)器等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，非常重要，建議可以放在地下三層廊道，甚至是地下二層廊道，此處環(huán)境較地下四層廊道環(huán)境要優(yōu)良不少。這樣布置，不僅可以提升設(shè)備的使用壽命，也可以適當(dāng)降低通信柜的防護等，提升性價比。

網(wǎng)絡(luò)通信柜通信出口采用光纖通信方式，解決了遠距離通信的通道問題。

2.4 服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

在監(jiān)控機房，將專門立一面監(jiān)控屏柜，布置專用服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，與區(qū)域中心網(wǎng)絡(luò)通信柜聯(lián)絡(luò)，匯集現(xiàn)場各個通信分站的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，管理各分站及監(jiān)測探頭的工作及報警情況。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于管理維護氡氣探頭的數(shù)據(jù)信息，及現(xiàn)場運行參數(shù)的配置。

2.5 監(jiān)控平臺

開發(fā)基于廊道3D 建模，工業(yè)組態(tài)化模式，將現(xiàn)場監(jiān)測探頭、監(jiān)控分站以及局域中心網(wǎng)絡(luò)通信柜都在廊道布局圖中一一對應(yīng)和展示，并開發(fā)適合現(xiàn)場的有毒有害氣體在線監(jiān)測后臺，可接入監(jiān)控大廳內(nèi)的工作站內(nèi)。

也可以將現(xiàn)場監(jiān)測信息通過網(wǎng)絡(luò)通信方式，上送其他監(jiān)控系統(tǒng)，聯(lián)動排風(fēng)和報警設(shè)備設(shè)施。

圖1 氡氣在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 氡氣傳感器參數(shù)

傳感器參數(shù)：

靈敏度：≥0.8 cpm/(Bq·m-3)；

本底：≤0.4 cpm/(Bq·m-3)；

測量范圍：空氣氡為(3～10 000)Bq/m3,土壤氫為(300～100 000)Bq/m3；

電源：鋰離子充電電池/交流電源；

工作環(huán)境：溫度為-10℃～40℃,濕度為90%RH；

探測器：氡和光電倍增管組合探測系統(tǒng)；

操作模式：連續(xù)測量；

數(shù)據(jù)計算：自動計算單次測量結(jié)果/平均測量結(jié)果的濃度；

數(shù)據(jù)存儲：測量結(jié)果自動保存,可存儲9 999 組數(shù)據(jù)；

取氣方式：主動泵吸式。

CH4 采集探頭：

測量范圍：0～4%；

可選分辨率：0.1%LEL（0～100%LEL）；

檢測精度：±2%FS；

線性誤差：±1.0%；

不確定度：2%Rd±0.1；

零點漂移：≤±2.0%FS/年；

跨度漂移：≤±1.0%FS/月。

3.2 通信分站

通信分站主要掛壁布置于洞室合理位置，主要對各有害氣體監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)進行分析處理，當(dāng)通信分站監(jiān)控到某處監(jiān)測點數(shù)據(jù)超標(biāo)時，及時發(fā)出報警信號，可以通過無源節(jié)點開啟電磁閥、排氣扇等外聯(lián)設(shè)備，自動排除隱患（當(dāng)然也可以通過本系統(tǒng)平臺與排風(fēng)系統(tǒng)進行聯(lián)動）。同時，上報數(shù)據(jù)至后臺服務(wù)器實時交互數(shù)據(jù)，用于后臺管理人員及時查證現(xiàn)場的空氣質(zhì)量通過線纜傳輸?shù)酵ㄐ欧终尽?/p>

通信分站主機采用RS485 工業(yè)級總線，數(shù)字信號傳輸，抗干擾能力強，遠距離傳輸。監(jiān)控報警主機最多可以連接探頭數(shù)量不受限制，采用高性能處理器，可以在2 s 內(nèi)完成通信報警。監(jiān)控報警主機對每個路探測器可單獨設(shè)置報警點，可以設(shè)置一路報警輸出。掛壁式監(jiān)控報警主機可以存儲20 000 條記錄，記錄包括探測器報警、通信故障、探測器故障，操作臺式監(jiān)控主機存儲記錄不受限制。

功能特點：循環(huán)顯示所檢測氣體的濃度；RS485通信；報警記錄；設(shè)有便于操作的高性能微處理器；自動開啟風(fēng)機和電磁閥；同時連接多種探測器。

3.3 監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)

組建服務(wù)器和監(jiān)控后臺，加裝服務(wù)器軟件和監(jiān)控軟件，與現(xiàn)場設(shè)備進行通訊聯(lián)動，實現(xiàn)遠程監(jiān)控現(xiàn)場有毒氣體探頭的實時監(jiān)測，做到實時監(jiān)測與報警、報表形成、實時曲線的動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)的保存等相關(guān)統(tǒng)計分析。

4 系統(tǒng)特點

本在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特點如下：

（1）集多重檢測功能于一身

先進的氣體傳感器，空氣氡為(3～10 000)Bq/m3。

（2）現(xiàn)場報警

氡氣檢測探頭實時監(jiān)測廊道現(xiàn)場的氣體含量，能做到及時分析現(xiàn)場氣體含量，當(dāng)觸及預(yù)警閾值時，實時警報，并可以聲光報警指示氣體泄漏，及時通知危險地點內(nèi)人員疏散。

（3）防爆電纜的供電、通信傳輸方式

每個傳感器采用1 根供電、通信復(fù)用的供電傳輸方式，確?，F(xiàn)場施工布線簡潔可靠，具有很高的現(xiàn)場適應(yīng)性。

通信分站將數(shù)據(jù)上傳到后臺服務(wù)器，現(xiàn)場監(jiān)控屏通過光纖與后臺聯(lián)動，能夠精準(zhǔn)定位各個監(jiān)測點的氣體濃度狀況。提高檢測可靠性。

（4）安全電壓供電設(shè)計

采用24 V DC 礦用安全電壓的供電方式，保證現(xiàn)場的在防爆特許條件下穩(wěn)定運行，滿足不同現(xiàn)場特殊環(huán)境需要。

（5）大屏幕液晶顯示屏同步顯示

BX-1 型有害氣體報警LED 顯示屏，與系統(tǒng)主機配合，中文顯示現(xiàn)場監(jiān)測狀況，人體感應(yīng)自動進行語音提示。

（6）歷史數(shù)據(jù)記錄

系統(tǒng)主機配套的1 TB 大容量存儲器可存儲1年以上時間的歷史數(shù)據(jù)，性能卓越的查詢系統(tǒng)軟件保證了系統(tǒng)能在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的快捷查詢。

（7）電磁兼容性強

特殊設(shè)計的抗干擾電路，保證有足夠的抗干擾能力及電磁兼容性。

5 小結(jié)

對于水電站地下洞室現(xiàn)場安裝氡氣在線檢測系統(tǒng)，除了對采集本體有高精度要求外，還要求裝置本身具有高度的防水、防腐蝕的要求，對于整體系統(tǒng)除了功能要求外，對于產(chǎn)品本身的生產(chǎn)工藝也區(qū)別于一般工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測狀態(tài)的使用環(huán)境。