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摘要

分析了氫火焰離子化檢測器(FID)的原理和技術要求，提出將FID技術與汽車結合的市政管網燃氣泄漏檢測的車載系統方案。通過實際應用，研究了利用FID技術，在GIS、GSM和GPS平臺上建立市政管網燃氣泄漏早期預警系統的可行性，提出了預警標準。

摘要：分析了氫火焰離子化檢測器(FID)的原理和技術要求，提出將FID技術與汽車結合的市政管網燃氣泄漏檢測的車載系統方案。通過實際應用，研究了利用FID技術，在GIS、GSM和GPS平臺上建立市政管網燃氣泄漏早期預警系統的可行性，提出了預警標準。

關鍵詞：氫火焰離子化檢測器；車載檢漏系統；燃氣泄漏；市政管網；早期預警

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 市政管網安全管理面臨的問題

隨著我國經濟的發展，西部大開發政策的實施，城市化進程不斷加快，作為城市基礎設施的市政管網也迅速增加，在各個城市區域內已初步形成大規模的錯綜復雜的地下市政管網。在地下市政管網快速發展的同時，由于管網泄漏所發生的爆炸、中毒和地面塌陷而導致的次生災害經常發生。因此，如何減少或避免此類次生災害是市政管理部門面臨的挑戰之一。

當前城市市政管網安全管理以人工巡檢為主，比如：自來水公司以聽漏儀和漏水相關儀進行漏水檢測，而燃氣公司當前主要采用燃氣管網檢漏儀進行日常的路面巡檢^[1]。對于各類井室內可燃氣體和有毒氣體，則使用手持式檢測儀。面對著整個城市數量巨大的市政管網和井室，當前采用以人工巡檢為主的模式，其巡檢工作量巨大，往往是漏點還沒有找到或有潛在危險的井室還沒有檢查到，災害事故就已經發生了。因此，迫切需要應用一種快速高效的檢測技術，以解決當前市政管網安全管理工作量巨大的問題。車載FID檢測技術就是把FID檢測精度與汽車的機動性結合起來，可以解決市政管網安全管理工作量巨大的問題，也可以用于市政管網泄漏早期預警系統。

2 車載FID檢測技術

2.1 FID的原理

Harley等人于1958年研制成功氫火焰離子化檢測器(Hydrogen Flame Ionization Detector，FID)^[2]。它的基本原理是以氫氣和氮氣的混合氣在空氣中燃燒生成的火焰為能源，當碳氫有機化合物進入氫氣和氧氣燃燒室的火焰中時，在高溫的作用下，產生化學電離反應，電離產生比基流高幾個數量級的離子，在較高直流電場的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流(10^-12～10^-8A)產生與進入火焰的碳氫有機化合物量成正比的電流信號，因而電流信號與被測碳氫有機化合物(如甲烷CH₄)的體積分數成正比，體積分數為1×10^-6所對應的電流約為500fA。經過高阻電路(電阻為10⁶～10¹¹Ω)放大后形成電壓信號，此電壓能換算成被測氣體的體積分數。FID結構原理見圖1。

FID的優點是對揮發性的碳氫有機化合物(烴類)均能有很好的測量響應^[3]，對所有烴類化合物(碳原子數≥3)的相對響應值幾乎相等，對含雜原子的烴類有機物中的同系物(碳原子數≥3)的相對響應值也幾乎相等，這給碳氫有機化合物的定量分析帶來很大的方便。它靈敏度高，基流小，線性范圍寬，死體積小，響應快，對氣體流速、壓力變化不敏感。

FID至今已有逾50年的發展歷史，雖然電子技術日新月異，但是FID主體結構仍并無實質性的變化。由于其結構簡單、性能優異、穩定可靠、操作方便等優點，因此被廣泛地用作大型實驗室氣相色譜檢測器，足見其性能優越可靠。然而FID也有不足之處，即必須使用氫燃料氣。

雖然FID性能優越可靠，但是把大型實驗室用氣相色譜檢測器應用到市政管網檢測的車載系統上，還是面臨著許多技術難題。主要表現在：不同于實驗室的靜態測量，車載FID系統要在行駛的汽車上，因此對樣品預處理、數據記錄等都有特殊要求。

2.2 車載FID檢測系統的技術要求

① 靈敏度要足夠高^[4]。能夠對體積分數為1×10^-6的燃氣有反應，因此即使路面上存在微量的燃氣也能檢測到。

② 響應時間要足夠短。車載FID檢測系統是在行駛中進行檢測，因此必須要求有足夠短的響應時間。FID在全量程內響應時間都很短，檢測器主機的響應時間為1ms，加上整個氣路后的響應時間約5s。

③ 穩定性和重現性好。穩定性是指檢測結果是相對穩態，而不是瞬時變化的，零點穩定不飄移。重現性是指本次測量和下次測量的結果一致。只有穩定的和可重現的測量結果，才可能進行儲存和事后分析處理。

④ 量程和線性度非常好。FID的檢測量程達0～10000×10^-6，在全量程內的信號輸出是線性的。

⑤ 車載檢測系統首先要解決的是采樣問題。8個可移動泵吸采樣探頭安裝在車外，通過一個大功率的吸泵和采樣氣路，在行駛中吸入大量的采樣氣體以保證檢測的有效性，而FID卻需要很小的樣品，因此需要一個小泵通過旁路將樣氣送到FID，而剩余的樣氣則通過氣路排出車外。對被測樣氣則通過灰塵過濾系統進行預處理。

⑥ 車載檢測系統需要檢測的是甲烷。對于路面上的汽車尾氣等非甲烷碳氫化合物，我們在車載系統中采用高溫氧化過濾技術加以消除。

⑦ 要能夠在行駛中向車載檢測系統提供持續的電源。采用特殊的備用蓄電池和電源控制電路，利用汽車本身的發電機給備用蓄電池充電，充滿即停止，虧電立即充電，保證在任何工作狀態下都不會干擾汽車的工作狀態，汽車沒有啟動或下車忘記關閉儀器，汽車電源將受到保護，使汽車和工作儀器都有充足的電源。

⑧ 通過輪轂貼加傳感器記錄車速，通過專業PC上位機軟件，將車速與檢測結果記錄到本機數據庫，或通過GSM把檢測到的預警數據和GPS坐標以短信的方式發送到指揮中心。以此數據結構為基礎，可以建立基于車載FID檢測技術的市政管網泄漏早期預警系統。

3 車載FID檢測系統的構成與工作模式

車載FID檢測系統工作模式共有4套氣路：①燃料氣路，采用體積分數為40%的氫氣和60%的氮氣的混合氣體，燃料氣進入FID的燃燒室，通過點火開關自動點火，產生測量能源；②標準氣氣路，自動或隨時待命標定，以確保車載FID檢測系統的測量精度；③被檢測氣體采樣氣路，通過灰塵過濾器和水氣過濾器，經過流量計，進入氧化室，最后進入FID燃燒室，進行燃氣泄漏濃度的測量，通過FID放大電路將測量值顯示在儀器面板和電腦屏幕上；④多余的采樣氣通過排氣管路排到車外。車載FID檢測系統的構成與工作模式見圖2。

4 車載FID檢測系統的應用實例分析

我們將以上車載FID檢測系統于2004年1月2日實際應用到內蒙古呼和浩特市新安南路和新建西街的市政管網(排水管網和燃氣管網)檢測，取得了令人滿意的效果。

4.1 對排水井的檢測

采用車載FID檢測系統對排水井可燃氣體(沼氣)檢測曲線見圖3。

當時車載FID檢測系統在呼和浩特市新安南路巡檢排水管時，產生如圖3中藍色曲線的3個峰值，在行駛到離出發點約1000m處：發現了體積分數為3×10^-6可燃氣體顯示峰值，在約1150m處發現了體積分數為5×10^-6的可燃氣體顯示峰值，在約1500m處，又發現了體積分數為2×10^-6的可燃氣體顯示峰值。這正是車載FID檢測系統在巡檢過程中，壓過路面上的3個排水井而顯示的沼氣體積分數，其結果表明此體積分數并沒有超過設定的預警值。

4.2 對燃氣管網的巡檢

2004年元月2日，對呼和浩特市新建西街的燃氣管網進行檢漏，當車行駛在新建西街上，報警聲響起，電腦屏幕立即顯示，發現了有燃氣泄漏的地方。圖4是燃氣管道實際泄漏檢測數據表。為了真實還原這次燃氣泄漏檢查的全過程，從實際記錄的預覽檢測圖中，可以看到該次檢測的檢測結果和其他信息。圖5是燃氣管道實際泄漏檢測曲線。

在圖5的上部記錄了檢漏車當班的操作者姓名、檢漏車當時巡檢的道路名稱、檢漏車巡檢的日期和時間。

在圖5的右側記錄了上次標準氣標定的時間和結果；記錄了檢漏車本次巡檢結果，在新建西街共檢查道路2128m，發現了6個漏點。

在圖5的中部，藍色曲線表示泄漏燃氣的體積分數。檢漏車在新建西街的571～600m處發現有燃氣泄漏點，首先出現的泄漏燃氣體積分數峰值為16×10^-6，緊接著是12×10^-6，最后到十字路口，泄漏燃氣的體積分數達到最大值38×10^-6。

圖5中的黑橫線，是我們當時對路上達到預警值的位置(疑似漏點)所作的注釋，在上面注釋“十字路口”4個字，以方便巡檢后再次察看。

圖5中綠色曲線為車的行駛速度，檢漏車一般以15～30km/h的速度行駛，這樣車載系統可以記錄行駛里程，當發現疑似漏點時，就可以標注泄漏位置，保證巡檢的質量。紅色直線表示當時巡檢設置的燃氣泄漏的預警值體積分數為8×10^-6。圖4是測量曲線以表格形式儲存的結果數據，以表格的形式儲存在本機數據庫里。

通過對測量結果的評估，我們認為：在新建西街的571～600m處有燃氣泄漏可疑點。第2天上午通過核查，判斷在馬路一側的人行道上存在燃氣管道泄漏。通過現場開挖確認，立即組織搶修作業，避免了可能發生的次生災害。

5 市政管網泄漏早期預警系統

基于車載FID檢測技術雖然可以大幅度地提高檢測效率，檢測結果可以和筆記本電腦的GIS整合到一起，結果儲存到當地的數據庫中，但是這只能做到局部區域管網的準動態管理。當需要建立整個城市的管網泄漏早期預警系統時，車載FID檢測系統則只能作為整個系統中的一個關鍵信息節點。將車載FID檢測技術通過GSM/GPS與GIS平臺結合起來^[5]，才能構筑起整個城市的管網泄漏早期預警系統。市政管網泄漏早期預警系統拓撲關系見圖6。

市政管網GIS系統，一般大中城市都已經建立，主要提供城市道路、管網地鯉坐標和管網特征屬性等基礎信息和起到基礎平臺作用。

決策知識庫是最重要的部分，因為這是災害風險性評估、應急預案實施的依據。它主要包括預警標準，一方面是對可能引發災害的參數的直接判斷；另一方面是管理規則，包括系統運行規則、設備使用規則、人員培訓規則等。例如，對管網的最大移動巡檢周期，德國DVGW的技術規范G4651作出表1規定^[6]。

除此之外，系統在實際運行時，還要考慮已使用年限、管材、施工工藝、埋設地段、周圍環境等參數。

經過多年的研究與實踐，我們得出：表征泄漏危險程度的2個關鍵指標是泄漏燃氣的體積分數和爆炸極限。因此，分別給出了針對路面巡檢(車載巡檢和人工巡檢)與固定點檢測的管道泄漏預警標準，見表2。我們把檢測結果與緊急預案按照慣例用色標表示，分4級，分別用綠色、黃色、橙色、紅色表示。

表1 管網最大巡檢周期

每1 km管道的漏點檢出率/個		＜0.1	＜0.5	＜1.0
管網巡檢周期/年	管網運行壓力＜0.1MPa	6.0^①	4.0	2.0
	管網運行壓力=0.01～0.10MPa	4.0^①	2.0	1.0
	管網運行壓力1.0MPa	2.0^①	1.0	0.5
注：①只適合PE管和有陰極保護的鋼管。

表2 市政管網泄漏預警標準

路面巡檢	車載FID巡檢泄漏燃氣的體積分數/10^-6	[0，2]	[2，5]	[5，10]	[10，∞]
	人工巡檢泄漏燃氣的體積分數/10^-6	[0，5]	[5，10]	[10，20]	[20，∞]
	判斷	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
固定點檢測	泄漏燃氣的體積分數與爆炸下限(體積分數)之比	[0，0.2]	[0.2，0.5]	[0.5，0.7]	[0.7，1.0]
固定點檢測	判斷	井中基本安全	井中很可能有泄漏，要引起注意	有泄漏，可能發生危險	很危險，要采取措施
緊急預案色標		綠色	黃色	橙色	紅色
緊急預案內容		正常運行	可能有問題	有問題，要搶修	要搶修，疏散人員