1、文章编号:1009-6094(2023)02-0489-09复合灾害条件下可燃气体监测仪环境适应性评价*刘小勇1，2，王祥1，2，喻益超3，兰明强1，2，郭贤2，李念思2，李亚运2(1 安徽建筑大学土木工程学院 合肥 230601;2 清华大学合肥公共安全研究院，灾害环境人员安全安徽省重点实验室，合肥 230601;3 中国石油合肥销售分公司，合肥 230022)摘要:为研究可燃气体监测仪在高低温、风雨雪冰冻耦合等复合情况下的环境适应性，提出复合情况下可燃气体监测仪关键性能指标，建立环境适应性指标体系，突破传统灾害环境适应性试验平台性能单一的不足，模拟复合灾害环境，构建可燃气体监测仪试验平台，
2、将甲烷作为典型的可燃气体，用可燃气体监测仪监测复合条件下的甲烷体积分数，采取层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)价值函数法对可燃气体监测仪进行综合评价。结果表明:环境温度低于20 和高于 60 时，对可燃气体监测仪监测精度有较大影响，而复合环境相比单一环境对可燃气体监测仪影响大;ZNRQ200L 型可燃气体监测仪环境适应性评价等级为优秀，与环境适应性试验结果中甲烷体积分数监测示值误差不超过 1%相对应，证明评价体系合理、可行。关键词:公共安全;可燃气体监测仪;灾害条件;环境适应性;综合评价中图分类号:X851文献标志码:ADOI:10.13637/j is
3、sn 1009-6094.2021.2173*收稿日期:20211130作者简介:刘小勇，正高级工程师，博士，硕士生导师，从事公共安全、应急资源装备环境适应性等研究，liuxiaoyong gsafety com。基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0810603);安徽省重点研究与开发计划标 准 化 专 项(202104h04020012)0引言随着城市化进程的发展，燃气用户不断增加，城市燃气越来越普及，燃气泄漏已成为现代生产生活中巨大的安全隐患。2021 年6 月13 日，湖北十堰发生燃气事故爆炸，造成 25 人死亡、138 人受伤;2021年9 月10 日，辽宁大连市发生燃气事
4、故爆炸，造成8人死亡、5 人受伤;2021 年 10 月 21 日，辽宁沈阳发生燃气事故爆炸，造成 4 人死亡、3 人重伤、44 人轻伤1。因此，运用先进监测设备和大数据、物联网等现代化科技手段，建立燃气等城市生命线工程监测系统是一种必要趋势2 4。利用可燃气体监测仪对城市管网燃气泄漏进行实时监测预警的燃气管网安全在线智能监测平台在合肥市得到了整体应用，徐州、淮北、佛山等城市正在实施和推广5 7。可燃气体监测仪不仅应用在工商业中，还作为城市生命线运行监测体系中的重要监测设备，在燃气泄漏监测预警中被赋予越来越高的期望。可燃气体监测仪设计试验过程中考虑的使用环境通常为常规环境，而在城市生命线监测系
5、统实际工程应用中可知，可燃气体监测仪在监测过程中往往会遇到各种灾害环境，其功能、性能发挥均受环境的影响，存在设备稳定性问题。2016 年，Rad 等8 首次提出了混 合 整 数 线 性 规 划(MixedIntegerLinearProgramming，MILP)方法，对可燃气体探测器在高风险情景的安放位置进行风险评价。2018 年，Kang等9 针对有害气体探测器布置建立了一种包含泄漏场景、气体扩散建模和解决方案的风险评价方法体系。而可燃气体监测仪的适用性研究还处于起步阶段，主要侧重于可燃气体报警器的计量检定10、示值误差分析11 等。对于可燃气体探测器灾害环境适应性的研究很少，大都局限于单
6、一灾害环境条件。徐亮等12 梳理了国内外可燃气体探测器技术标准体系，得出环境低于 10 时，电化学型气体探测器电解液可能会冻结。陈银洞等13 分析了在大风、高温、潮湿等恶劣海洋环境下，可燃气体报警器会存在老化损坏等问题。现有研究缺乏复合灾害环境条件下的可燃气体监测仪环境适应性研究。因此，本文针对可燃气体监测仪在实际使用过程中可能会遇到的各种复合环境，如强风、降雨、降雪、高低温耦合等，构建复合灾害环境下可燃气体监测仪环境适应性指标体系，利用多灾耦合气候舱，模拟风、高低温、雨雪冰冻等复合环境，以 ZNRQ200L型可燃气体监测仪(合肥泽众城市智能科技有限公司)为典型代表开展环境适应性试验，同时结合
7、其在合肥城市生命线运行中的广泛应用进行案例分析，最终进行环境适应性综合评价。1评价指标体系构建由于单一的评价方法无法兼顾主观性和客观性等问题，为验证本评价体系的合理性，依据合肥市城市生命线系统中可燃气体监测仪大量的工程应用案例，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)对评价指标体系进行权重分析和确定，运用价984第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023值函数法对可燃气体监测仪的特征进行评判，更加全面、系统地分析与判断数据，解决指标
8、中权重赋值不确定的问题。同时与可燃气体监测仪环境适应性试验的结论相对照，进行综合评价。1.1指标体系建立调研可燃气体监测仪检测标准，这些标准中的检测指标局限于一些功能性指标和单一灾害环境下的检测指标，见表 1。由合肥市城市生命线安全运行监测系统中可燃气体监测仪工程应用可知，可燃气体监测仪大多数的工作环境是非常恶劣的，井内的积水、湿气、沼气和温度变化、雨夹雪天气等灾害环境对设备有很强的腐蚀性，尤其是复合灾害环境对设备的功能损坏最严重。为了保障可燃气体监测仪能够长期有效的运行，在复合灾害环境下对设备的环境适应性必须具有一定的要求。表 1可燃气体探测器相关测试指标Table 1Relevant te
9、st indicators of combustible gas detectors标准检测指标JJG 6932011可燃气体检测报警器检定规程外观、装配、自检功能、报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能、数据显示/传输、防水性能、防爆性能、电源稳定性等GB 15322.12019可燃气体探测器 第 1 部分:工业及商业用途点型可燃气体探测器报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能、防爆性能等GB 15322.22019可燃气体探测器 第 2 部分:家用可燃气体探测器报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能、防爆性能等GB 1
10、5322.32019可燃气体探测器 第 3 部分:工业及商业用途便携式可燃气体探测器报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能、防爆性能等GB 15322.42019 可燃气体探测器 第4 部分:工业及商业用途线型光束可燃气体探测器报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能、防爆性能等针对复合灾害条件下可燃气体监测仪适应性问题，依据表 1 相关指标和工程实际应用情况，综合筛选出受灾害环境影响较大的指标，对指标进行分类，以完备性、功能性和保障性作为可燃气体监测仪评价指标体系三大路径(即准则层)，对于每一准则层指标又选出其核心指标。复合灾害环境下可燃气体监测
11、仪环境适应性指标体系见图 1。1.2指标权重的确定AHP 是多目标组合问题的一种层次结构化的方法14 15。该方法首先将目标问题划分为多个层次，形成上下级支配的隶属结构。建立专家小组，专家组由生命线运行监测、事故排查、隐患处理工程师、行业内学者等组成，通过专家组的意见构造各层次的判断矩阵。按照计算步骤和计算公式，求出每一个判断矩阵的最大特征值，进行一致性检验。基于 AHP 法，得出完备性、功能性和保障性的目标权重，设为、。各核心指标的权重向量分别为:=(1，2)，=(1，2，3，4，5，6，7)，=(1，2，3)。1.3指标的标定可燃气体监测仪指标既包含定性指标，又包含定量指标，这些指标范围、
12、单位各不相同，因此对于定性指标(如外观、装配、自检功能、报警动作功能、数据显示/传输、防水性能、防爆性能、电源稳定性)进行定量化处理。将数值 0 1 划分为 4 个区间，即图 1可燃气体监测仪复合环境适应性评价指标体系Fig1Evaluation index system of composite environmentaladaptability for combustible gas monitor094Vol 23No 2安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 2 期 0，0.4)、0.4，0.6)、0.6，0.8)、0.8，1，依次对应 4 个等级，即差、中、良、优。将这些定性指标因素
13、分级，见表 2。表 2定量化分级对照表Table 2Comparison table of quantitative classification因素取值优 0.8，1良 0.6，0.8)中 0.4，0.6)差 0，0.4)外观表面平整光滑，镀层均匀，无剥落、锈蚀现象表面和漆色有少量瑕疵，有少量剥落、锈蚀现象表面和漆色有大量瑕疵，有大量剥落、锈蚀现象表面和漆色破环严重，剥落、锈蚀现象严重装配装配严密，密封面没有密封圈外露装配密封有少量缝隙装配密封大量缝隙装配密封很差自检功能浸水状态下自 检 功 能完好浸水状态下自检功能偶尔出现失效情况浸水状态下自检功能经常出现失效情况浸水状态下自检功能基本丧失
14、报警动作功能数据接收后台显示报警信息功能完好数据接收后台显示报警信息功能偶尔出现失效情况数据接收后台显示报警信息功能经常出现失效情况数据接收后台显示报警信息功能基本丧失数据显示/传输甲烷体积分数数值等远程传输功能正常甲烷体积分数数值等偶尔无法显示或传输数据甲烷体积分数数值等经常无法显示或传输数据甲烷体积分数数值等远程传输功能基本丧失防水性能阻挡雨水渗入、承受淋雨静水压力功能完好防水测试时会在设备内部有少量水防水测试时会在设备内部有大量水阻挡雨水渗入、承受淋雨静水压力功能基本丧失防爆性能电池组防爆性能完好设备偶尔产生电火花设备经常产生电火花电池组防爆性能基本失效电源稳定性电池组稳定性能完好电池组
15、稳定性能较好电池组稳定性能一般电池组稳定性能较差对定量指标(如量程指示偏差、响应时间、报警重复性、浓度监测功能)进行标准化处理，1 作为理想值，0 作为极不理想值，采用线性插值法来确定。1.4综合评价价值函数法是用单项评价指标的权重对其系统价值进行加权，从而得到综合指标的方法16。设可燃气体监测仪环境适应性评价指标为 F，则由价值函数法得F=x+y+z(1)经过标定后，外观、装配 2 个指标分别为 x1、x2，自检功能、报警动作功能、量程指示偏差、响应时间、报警重复性、数据显示/传输，浓度监测分别为 y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7，防水性能、防爆性能、电源稳定性分别为 z1、z2、z
16、3。1.5评价结果分级根据可燃气体监测仪环境适应性评价指标 F，将评判结果分为 4 个等级，依次为优秀、良好、一般、差，具体划分见表 3。最终得出可燃气体监测仪在复杂灾害环境下的环境适应性评价结果。2环境适应性试验设计2.1试验平台简介为使可燃气体监测仪环境适应性评价具有客观性、科学性，以甲烷为典型的可燃气体，利用多灾耦合气候舱、可燃气体监测仪、储气袋、标准甲烷气体及数据分析系统等搭建可燃气体监测仪环境适应性测试平台，可提供一个稳定的复合灾害环境，检测可燃气体监测仪最重要的浓度监测功能指标，观测可燃气体监测仪在不同工况条件下监测甲烷体积分数的变化情况。值得注意的是存在电子屏蔽或电子干表 3评价结果分级判据Table 3Criteria for grading evaluation results评价等级综合评判指标 F优秀 0.8，1良好 0.6，0.8)一般 0.4，0.6)差 0，0.4)1942023 年 2 月刘小勇，等:复合灾害条件下可燃气体监测仪环境适应性评价Feb，2023扰时，该监测仪传输数据是正常的。测试平台示意图见图 2。耦合气候舱长5 m、宽6 m、高5 m，可实
