车载FID市政管网燃气泄漏预警系统研究_工程实践

摘要

分析了氢火焰离子化检测器(FID)的原理和技术要求，提出将FID技术与汽车结合的市政管网燃气泄漏检测的车载系统方案。通过实际应用，研究了利用FID技术，在GIS、GSM和GPS平台上建立市政管网燃气泄漏早期预警系统的可行性，提出了预警标准。

摘要：分析了氢火焰离子化检测器(FID)的原理和技术要求，提出将FID技术与汽车结合的市政管网燃气泄漏检测的车载系统方案。通过实际应用，研究了利用FID技术，在GIS、GSM和GPS平台上建立市政管网燃气泄漏早期预警系统的可行性，提出了预警标准。

关键词：氢火焰离子化检测器；车载检漏系统；燃气泄漏；市政管网；早期预警

Research on Early Warning System with Vehicle-mounted FID for Gas Leakage from Municipal Network

SUN Li-guo，ZHOU Yu-wen，BU Jing-xiao

Abstract：The principle and technical requirement of hydrogen flame ionization detector(FID)are analyzed. A scheme of vehicle-mounted system combining FID and automobile for detecting gas leakage from municipal network is put froward. The feasibility of establishing an early warning system for gas leakage from municipal network on the platforms of GIS，GSM and GPS by FID technology is studied through a practical application，the early warning standard is presented.

Key words：hydrogen flame ionization detector(FID)；vehicle-mounted leakage detection system；gas leakage；municipal network；early warning

1 市政管网安全管理面临的问题

随着我国经济的发展，西部大开发政策的实施，城市化进程不断加快，作为城市基础设施的市政管网也迅速增加，在各个城市区域内已初步形成大规模的错综复杂的地下市政管网。在地下市政管网快速发展的同时，由于管网泄漏所发生的爆炸、中毒和地面塌陷而导致的次生灾害经常发生。因此，如何减少或避免此类次生灾害是市政管理部门面临的挑战之一。

当前城市市政管网安全管理以人工巡检为主，比如：自来水公司以听漏仪和漏水相关仪进行漏水检测，而燃气公司当前主要采用燃气管网检漏仪进行日常的路面巡检^[1]。对于各类井室内可燃气体和有毒气体，则使用手持式检测仪。面对着整个城市数量巨大的市政管网和井室，当前采用以人工巡检为主的模式，其巡检工作量巨大，往往是漏点还没有找到或有潜在危险的井室还没有检查到，灾害事故就已经发生了。因此，迫切需要应用一种快速高效的检测技术，以解决当前市政管网安全管理工作量巨大的问题。车载FID检测技术就是把FID检测精度与汽车的机动性结合起来，可以解决市政管网安全管理工作量巨大的问题，也可以用于市政管网泄漏早期预警系统。

2 车载FID检测技术

2.1 FID的原理

Harley等人于1958年研制成功氢火焰离子化检测器(Hydrogen Flame Ionization Detector，FID)^[2]。它的基本原理是以氢气和氮气的混合气在空气中燃烧生成的火焰为能源，当碳氢有机化合物进入氢气和氧气燃烧室的火焰中时，在高温的作用下，产生化学电离反应，电离产生比基流高几个数量级的离子，在较高直流电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流(10^-12～10^-8A)产生与进入火焰的碳氢有机化合物量成正比的电流信号，因而电流信号与被测碳氢有机化合物(如甲烷CH₄)的体积分数成正比，体积分数为1×10^-6所对应的电流约为500fA。经过高阻电路(电阻为10⁶～10¹¹Ω)放大后形成电压信号，此电压能换算成被测气体的体积分数。FID结构原理见图1。

FID的优点是对挥发性的碳氢有机化合物(烃类)均能有很好的测量响应^[3]，对所有烃类化合物(碳原子数≥3)的相对响应值几乎相等，对含杂原子的烃类有机物中的同系物(碳原子数≥3)的相对响应值也几乎相等，这给碳氢有机化合物的定量分析带来很大的方便。它灵敏度高，基流小，线性范围宽，死体积小，响应快，对气体流速、压力变化不敏感。

FID至今已有逾50年的发展历史，虽然电子技术日新月异，但是FID主体结构仍并无实质性的变化。由于其结构简单、性能优异、稳定可靠、操作方便等优点，因此被广泛地用作大型实验室气相色谱检测器，足见其性能优越可靠。然而FID也有不足之处，即必须使用氢燃料气。

虽然FID性能优越可靠，但是把大型实验室用气相色谱检测器应用到市政管网检测的车载系统上，还是面临着许多技术难题。主要表现在：不同于实验室的静态测量，车载FID系统要在行驶的汽车上，因此对样品预处理、数据记录等都有特殊要求。

2.2 车载FID检测系统的技术要求

① 灵敏度要足够高^[4]。能够对体积分数为1×10^-6的燃气有反应，因此即使路面上存在微量的燃气也能检测到。

② 响应时间要足够短。车载FID检测系统是在行驶中进行检测，因此必须要求有足够短的响应时间。FID在全量程内响应时间都很短，检测器主机的响应时间为1ms，加上整个气路后的响应时间约5s。

③ 稳定性和重现性好。稳定性是指检测结果是相对稳态，而不是瞬时变化的，零点稳定不飘移。重现性是指本次测量和下次测量的结果一致。只有稳定的和可重现的测量结果，才可能进行储存和事后分析处理。

④ 量程和线性度非常好。FID的检测量程达0～10000×10^-6，在全量程内的信号输出是线性的。

⑤ 车载检测系统首先要解决的是采样问题。8个可移动泵吸采样探头安装在车外，通过一个大功率的吸泵和采样气路，在行驶中吸入大量的采样气体以保证检测的有效性，而FID却需要很小的样品，因此需要一个小泵通过旁路将样气送到FID，而剩余的样气则通过气路排出车外。对被测样气则通过灰尘过滤系统进行预处理。

⑥ 车载检测系统需要检测的是甲烷。对于路面上的汽车尾气等非甲烷碳氢化合物，我们在车载系统中采用高温氧化过滤技术加以消除。

⑦ 要能够在行驶中向车载检测系统提供持续的电源。采用特殊的备用蓄电池和电源控制电路，利用汽车本身的发电机给备用蓄电池充电，充满即停止，亏电立即充电，保证在任何工作状态下都不会干扰汽车的工作状态，汽车没有启动或下车忘记关闭仪器，汽车电源将受到保护，使汽车和工作仪器都有充足的电源。

⑧ 通过轮毂贴加传感器记录车速，通过专业PC上位机软件，将车速与检测结果记录到本机数据库，或通过GSM把检测到的预警数据和GPS坐标以短信的方式发送到指挥中心。以此数据结构为基础，可以建立基于车载FID检测技术的市政管网泄漏早期预警系统。

3 车载FID检测系统的构成与工作模式

车载FID检测系统工作模式共有4套气路：①燃料气路，采用体积分数为40%的氢气和60%的氮气的混合气体，燃料气进入FID的燃烧室，通过点火开关自动点火，产生测量能源；②标准气气路，自动或随时待命标定，以确保车载FID检测系统的测量精度；③被检测气体采样气路，通过灰尘过滤器和水气过滤器，经过流量计，进入氧化室，最后进入FID燃烧室，进行燃气泄漏浓度的测量，通过FID放大电路将测量值显示在仪器面板和电脑屏幕上；④多余的采样气通过排气管路排到车外。车载FID检测系统的构成与工作模式见图2。

4 车载FID检测系统的应用实例分析

我们将以上车载FID检测系统于2004年1月2日实际应用到内蒙古呼和浩特市新安南路和新建西街的市政管网(排水管网和燃气管网)检测，取得了令人满意的效果。

4.1 对排水井的检测

采用车载FID检测系统对排水井可燃气体(沼气)检测曲线见图3。

当时车载FID检测系统在呼和浩特市新安南路巡检排水管时，产生如图3中蓝色曲线的3个峰值，在行驶到离出发点约1000m处：发现了体积分数为3×10^-6可燃气体显示峰值，在约1150m处发现了体积分数为5×10^-6的可燃气体显示峰值，在约1500m处，又发现了体积分数为2×10^-6的可燃气体显示峰值。这正是车载FID检测系统在巡检过程中，压过路面上的3个排水井而显示的沼气体积分数，其结果表明此体积分数并没有超过设定的预警值。

4.2 对燃气管网的巡检

2004年元月2日，对呼和浩特市新建西街的燃气管网进行检漏，当车行驶在新建西街上，报警声响起，电脑屏幕立即显示，发现了有燃气泄漏的地方。图4是燃气管道实际泄漏检测数据表。为了真实还原这次燃气泄漏检查的全过程，从实际记录的预览检测图中，可以看到该次检测的检测结果和其他信息。图5是燃气管道实际泄漏检测曲线。

在图5的上部记录了检漏车当班的操作者姓名、检漏车当时巡检的道路名称、检漏车巡检的日期和时间。

在图5的右侧记录了上次标准气标定的时间和结果；记录了检漏车本次巡检结果，在新建西街共检查道路2128m，发现了6个漏点。

在图5的中部，蓝色曲线表示泄漏燃气的体积分数。检漏车在新建西街的571～600m处发现有燃气泄漏点，首先出现的泄漏燃气体积分数峰值为16×10^-6，紧接着是12×10^-6，最后到十字路口，泄漏燃气的体积分数达到最大值38×10^-6。

图5中的黑横线，是我们当时对路上达到预警值的位置(疑似漏点)所作的注释，在上面注释“十字路口”4个字，以方便巡检后再次察看。

图5中绿色曲线为车的行驶速度，检漏车一般以15～30km/h的速度行驶，这样车载系统可以记录行驶里程，当发现疑似漏点时，就可以标注泄漏位置，保证巡检的质量。红色直线表示当时巡检设置的燃气泄漏的预警值体积分数为8×10^-6。图4是测量曲线以表格形式储存的结果数据，以表格的形式储存在本机数据库里。

通过对测量结果的评估，我们认为：在新建西街的571～600m处有燃气泄漏可疑点。第2天上午通过核查，判断在马路一侧的人行道上存在燃气管道泄漏。通过现场开挖确认，立即组织抢修作业，避免了可能发生的次生灾害。

5 市政管网泄漏早期预警系统

基于车载FID检测技术虽然可以大幅度地提高检测效率，检测结果可以和笔记本电脑的GIS整合到一起，结果储存到当地的数据库中，但是这只能做到局部区域管网的准动态管理。当需要建立整个城市的管网泄漏早期预警系统时，车载FID检测系统则只能作为整个系统中的一个关键信息节点。将车载FID检测技术通过GSM/GPS与GIS平台结合起来^[5]，才能构筑起整个城市的管网泄漏早期预警系统。市政管网泄漏早期预警系统拓扑关系见图6。

市政管网GIS系统，一般大中城市都已经建立，主要提供城市道路、管网地鲤坐标和管网特征属性等基础信息和起到基础平台作用。

决策知识库是最重要的部分，因为这是灾害风险性评估、应急预案实施的依据。它主要包括预警标准，一方面是对可能引发灾害的参数的直接判断；另一方面是管理规则，包括系统运行规则、设备使用规则、人员培训规则等。例如，对管网的最大移动巡检周期，德国DVGW的技术规范G4651作出表1规定^[6]。

除此之外，系统在实际运行时，还要考虑已使用年限、管材、施工工艺、埋设地段、周围环境等参数。

经过多年的研究与实践，我们得出：表征泄漏危险程度的2个关键指标是泄漏燃气的体积分数和爆炸极限。因此，分别给出了针对路面巡检(车载巡检和人工巡检)与固定点检测的管道泄漏预警标准，见表2。我们把检测结果与紧急预案按照惯例用色标表示，分4级，分别用绿色、黄色、橙色、红色表示。

表1 管网最大巡检周期

每1 km管道的漏点检出率/个		＜0.1	＜0.5	＜1.0
管网巡检周期/年	管网运行压力＜0.1MPa	6.0^①	4.0	2.0
	管网运行压力=0.01～0.10MPa	4.0^①	2.0	1.0
	管网运行压力1.0MPa	2.0^①	1.0	0.5
注：①只适合PE管和有阴极保护的钢管。

表2 市政管网泄漏预警标准

路面巡检	车载FID巡检泄漏燃气的体积分数/10^-6	[0，2]	[2，5]	[5，10]	[10，∞]
	人工巡检泄漏燃气的体积分数/10^-6	[0，5]	[5，10]	[10，20]	[20，∞]
	判断	地下管道基本正常	地下管道很可能泄漏	地下管道基本上有泄漏，要查明	地下管道有泄漏，要查明
固定点检测	泄漏燃气的体积分数与爆炸下限(体积分数)之比	[0，0.2]	[0.2，0.5]	[0.5，0.7]	[0.7，1.0]
固定点检测	判断	井中基本安全	井中很可能有泄漏，要引起注意	有泄漏，可能发生危险	很危险，要采取措施
紧急预案色标		绿色	黄色	橙色	红色
紧急预案内容		正常运行	可能有问题	有问题，要抢修	要抢修，疏散人员