燃气论 ｜燃气管线相邻地下空间可燃气体监测系统的应用

单位： 合肥燃气集团有限公司

摘自：《城市燃气》2019年7月刊 总第533期

摘要：近年来，燃气管线泄漏后可燃气体扩散至地下空间发生爆炸事故时有发生，对区域公共安全造成了较大威胁。2016年起，合肥燃气集团与合肥市清华大学公共安全院合作联合开发了基于物联 技术和大数据技术的燃气管线相邻地下空间可燃气体监测系统（以下简称监测系统）。该系统主要通过监测相邻地下空间内的可燃气体浓度，对燃气管 发生的泄漏进行 警和预测预警分析，为及时消除风险隐患提供依据。系统实现了燃气管 风险评估、地下空间 警与数据分析、燃气管线泄漏溯源、可燃气体扩散分析、安全评估 告等功能。该系统的上线大大提高燃气管 日常运行的安全性、管 巡线的针对性及应急管理的主动性，实现了对燃气管线相邻地下空间燃气泄漏事故由“以治为主”向“以防为主” 转变，由“被动应付”向“主动监管”转变。

1 引言

合肥燃气集团有限公司始建于1982年，是集天然气储配与销售、燃气设计、管道安装、燃气器具制造于一体的市属国有独资大型企业。目前主要承担合肥市建成区（除滨湖新区）、庐江县和寿县新桥产业园的天然气供应任务。截至2018年3月底，集团拥有资产总额53亿元，员工1600多名，燃气民用户162万户，工业、公建和商业用户6500户，燃气管 6100km。在肥东三十埠、肥西北张和长丰罗集各建有一套LNG应急调峰储气设施。2017年供气量6.94亿 m 3 ，管道天然气供应规模在安徽省城市供气行业中排名第一。合肥燃气集团近年来积极加强燃气安全保障体系的构建与管理，在维护城市公共安全和减少燃气突发性公共安全事件方面做出了积极的探索和贡献。

2 系统建设背景

随着城市燃气需求增加，城市燃气管线长度逐渐增多。由于城市人口集中，一旦燃气管线发生泄漏，将可能引发爆炸、火灾事故造成人员伤亡和财产损失，对城市的正常运行和社会的稳定产生影响。特别是，由于城市地下管线错综复杂，一旦燃气管线发生泄漏，极易扩散至相邻的雨污水井、电力井等地下空间聚集并最终导致爆炸事故。近年来此类事故已经发生多起，如2012年7月7日，由于燃气管线泄漏可燃气体扩散至电力井内，郑州纬五路一口电缆井发生了爆炸，事故导致4人受伤，其中两人伤势较为严重；2015年11月11日，合肥市宿州路与长江路口因道路施工导致燃气管道破裂引发窨井爆炸，事故导致交通中断。2018年3月24日，江西景德镇珠山区新桥桥面两侧的燃气管道发生泄漏，进入相邻管道聚集并引发爆炸，事故造成1人遇难、8人受伤。作为关系国计民生的管理服务企业，燃气公司承担着维护社会稳定、提供安全可靠能源的社会责任。因此燃气企业除保障管线本体的正常安全运行外，还需重点关注燃气管线相邻地下空间，将燃气管线与相邻地下空间统一规划管理。2016年，合肥燃气集团创新管理机制，通过对燃气管线周边高风险地下空间进行监测的方式，逐步建立燃气管 相邻地下空间监测系统。该系统基于公共安全物联 感、传、知、用技术架构，在对燃气管线风险评估的基础上，对高风险地下空间进行实时监测，评估燃气管线安全运行状态，感知风险的变化情况，并可及时进行事故预警，准确判断定位事故点。燃气管线相邻地下空间监测系统的建立大大强化了合肥燃气集团的日常安全管理，提升了社会各界对合肥燃气集团的认可及客户对企业的认知，从而提升企业的美誉度、好评度及企业核心竞争力。

3 系统体系架构

监测系统整体架构采用“感”、“传”、“知”、 “用”的 络架构，以公共安全科技为支撑，融合应用物联 、云计算、大数据、移动互联、BIM/GIS等现代信息技术，透彻感知燃气管 的运行状况，分析燃气管 风险及耦合关系，深度挖掘燃气管 运行规律，实现燃气管 系统风险的及时感知，早期预测预警，为高效处置应对提供依据。可燃气体监测系统体系架构由前端感知系统、 络传输系统、数据工程系统、综合应用系统等4个子系统构成，具体如图1所示。

3.1 前端感知系统

在实际应用中，通过在燃气管线周边高风险地下空间内安装前端感知设备的方式，实现地下空间可燃气体浓度、内部温度、湿度等信息的实时采集。

一般监测点位所处地下空间的环境呈现以下特征。（1）监测点位多易积水。燃气管线周边的地下空间多是市政窨井，这些窨井因地势较低和防水处理不到位，雨季过后易产生积水。（2）可能存在大量沼气。部分排水管线或电力、通信井内由于长期不清淤或设计不合理，存在沼气。（3）监测点位通讯信号弱。地下空间密封性较强，对通信信号有很强的屏蔽作用。（4）监测点位湿度大。现场观察到井内潮湿，打开井盖后可看大井盖上凝结大量的水珠。

基于以上分析，得出适用燃气地下相邻空间可燃气体监测设备应满足以下条件。

（1）具备良好的防水能力，防护等级需达到IPX8。（2）壳体需达到防爆标准。沼气主要成分为甲烷，属于爆炸性气体，电子设备在爆炸性气体环境中工作需具达到防爆标准。（3）防腐要求。沼气中存在硫化氢，具有腐蚀性，设备长期在腐蚀性环境中工作需具备良好的防腐能力。（4）具备良好的通信能力。通过专门的物联 卡或者窄带物联 （NB-IoT），可满足通信要求。（5）具备气体干燥能力。为防止高湿空气或水蒸气对检测结果的影响，需对检测的气体进行干燥处理。（6）传感器需防止硫化氢、水蒸气干扰。（7）我国中部及北部四季温差较大，因此传感器工作需尽量不受温度影响。

3.2 络传输系统

络传输系统主要用于前端感知系统与后台分析系统的连接和信息传输，传输的内容包括地下空间可燃气体浓度、温度、湿度等。

3.3 数据工程系统

数据工程系统包括数据加工，处理与入库、三维BIM建模、地上危险源防护目标三维建模、工程专业建模等。数据工程系统将包括燃气管线管点数据、地下空间周边危险源防护目标等基础数据，以及前端设备感知的专业数据进行处理加工，为综合应用系统各项功能的实现提供数据基础。

3.4 综合应用系统

应用软件系统包括合肥市城市生命线工程安全运行公共基础应用、专项应用。其中基础应用包括GIS/BIM三维可视化系统、信息发布系统、运维管理系统、系统管理、 站建设；专业应用是指通过燃气管 相邻地下空间安全监测系统，评估地下空间爆炸风险；形成泄漏地段的快速风险预警，降低密闭空间爆炸危险性；减少燃气管 漏损，实现减损增效。

4 系统监测范围的选择

4.1 监测范围选择原则

（1）具有高泄漏风险燃气管线所在区域

根据管 本身属性和历史发生事件的统计分析，结合数理统计模型，对现有管段发生泄漏的概率进行评估，优先选择泄漏或易发生异常事故的管道或区域进行监测。

（2）事故后果严重的地下空间

当燃气管线泄漏导致的地下空间爆炸事故发生在人口密集区域、重要交通路段等，可能会对人群的生命财产安全带来危害，且因爆炸事故而带来的次生衍生灾害较多。因此需要对区域内风险较高地下空间进行监测。

（3）敏感区域周围的燃气管线相邻地下空间政府机关、军事管辖区等区域需要稳定的后勤保障，正常的供气以上部门正常工作的基础。因此需要对以上区域燃气管 周边地下空间进行监测，确保该区域周围管 的安全和稳定运行。

根据以上监测范围选择原则，系统监测范围首选是合肥市老城区一环内和省、市政务中心周边和其它具有高泄漏概率总计800多公里的燃气管 相邻地下空间，以及合肥市燃气集团所属的8 000多个燃气阀门井内。

4.2 前端传感器布设原则

（1）易发生泄漏的燃气管线相邻地下空间

根据监测范围选择原则，一环内老城区作为重点监测区域，总共涉及燃气管线约503km，其中298km铸铁管线因为其易发生泄漏而作为重点监测对象；一环外300km铸铁燃气管线作为重点监测对象，合计重点监测易发生泄漏的燃气管线598km。

（2）燃气管线泄漏最易扩散到的地下空间

燃气管线发生泄漏以后的扩散主要通过土壤或连通管线。当燃气阀门发生泄漏时，主要扩散区域为阀门井；当埋地燃气管线发生泄漏时，通过土壤先扩散至邻近的雨污水管线或电缆管沟内，再沿着管线继续向上下游扩散；对于雨污水管线可燃气体将充满整个雨污水管 以及相连的箱涵。鉴于此，监测的重点对象为可能扩散的大型箱涵、雨污水管线、燃气阀门井等。

（3）燃气爆炸后产生后果严重的空间

燃气爆炸产生的后果主要和爆炸破坏的范围、该范围内的人口分布和经济状况，以及导致的社会影响有关，因此后果严重的空间主要指可能导致大规模爆炸的空间和人口、经济、社会影响等因素指标很高的空间，包括大型地下超市、有箱涵的城市主干道等。

（4）市区所有燃气阀门井

燃气阀门井泄漏概率高，阀门泄漏后可燃气体直接进入阀门井内，风险等级高，属于需要布设传感器的测点，因此将合肥市所有燃气阀门井纳入监测范围。根据以上原则，本项目中采用概率评价法对燃气管 每个相邻地下空间风险等级进行评估，根据评估值大小给出风险等级，根据风险等级确定监测测点。

5 监测系统业务特色

5.1 燃气管 风险评估功能

系统通过建立风险评估方法和功能运算，依据合肥市2012年~2016年燃气管线的维修记录，得到了燃气管线维修热力图和管线材质维修频次与管线占比分布图，如图2、图3所示。根据监测井内可燃气体浓度、人流密度等实时数据，与地上重要危险源和重要建筑物进行运算整合，最终得到全市燃气管线风险热力图。

通过该功能，燃气集团对全市高风险区域、高风险燃气管线进行了有效、快速的辨识，并制定有针对性的巡检计划，以改善传统日常巡检大而全、耗时耗力、针对性不强的管理模式。该功能还对全市老旧管线改造，人工巡查力度加大有较强的指导意义。

5.2 地下空间 警与数据分析功能

处于地下空间内前端设备实时监测燃气管 相邻地下空间内的数据为甲烷浓度和环境温度，其中甲烷浓度作为预测地下空间爆炸风险的主要数据，当地下空间内可燃气体达到系统规定阈值，系统将发布 警信息。由于雨污水等物质发酵，部分地下空间长期存在一定浓度但低于爆炸下限的甲烷气体。为了能够更好的区分燃气管线甲烷气体和沼气，系统采用大数据分析比对方法，有针对性的筛选出由于燃气泄漏而造成的可燃气体超标事件，从而提供更加有效的 警信息。

5.3 燃气管线泄漏溯源功能

在接受到前端异常告警信息后，系统调取泄漏空间的边界条件，根据燃气泄漏溯源模型，推演出可能发生泄漏的目标燃气管段位置，从而在管线抢修作业时，实现对泄漏管线的快速定位，为管线快速修复提供指导。通过泄漏溯源功能，还可确定管线泄漏受影响用户，并通过短信提醒通知相关用户。

5.4 可燃气体扩散分析功能

以典型扩散模型为理论依据，结合泄漏点周边实际边界条件得到管线的扩散趋势，借助扩散分析功能可获取管线泄漏后的大致“燃气扩散区域”的范围，方便现场抢险人员圈定可燃气体泄漏影响区域，并对区域内可能存在可燃气体的地下空间进行放散置换，同时可为应急处置中交通管制、人员疏散提供参考。

5.5 安全评估 告功能

针对燃气管 相邻地下空间监测信息、燃气管 维护维修、突发事件（如燃气爆炸事故）信息，系统定期进行运行 警、巡检巡查、维护维修和突发事故处置相关信息等进行统计分析，并将分析 告分发给燃气集团及管理部门，使其对整个城市地下密闭空间的安全状况有一个宏观的把控，为燃气日常运行监测、巡检巡查等相关工作提出建议。如，建议燃气管 运行部门对管 燃气泄漏频率较高的区域加大日常人工复检和检修的频次和密度。

6 监测系统应用效果

6.1 系统总体运行效果

根据甲烷浓度指标对 警划分为3个等级：甲烷浓度1%vol～4%vol，为3级 警；甲烷浓度4%vol～ 10%vol，为2级 警；甲烷浓度10%vol以上，为1级 警。自监测系统运行至2017年底，共监测到 警点 31处。其中1级 警9处；2级 警3处；3级 警20处。燃气集团确认泄漏5处（监测点8处），监测范围内的燃气泄漏事故全部被准确监测，且 警均在人工巡检发现之前，沼气堆积23处，由沼气超标引起 警比例为74.19 %。

6.2 系统应用具体案例

2016年6月28日下午1时14分，系统监测到一处一级 警，该 警点的可燃气体浓度达到4.2%VOL，接近甲烷爆炸下限浓度。通过定位发现该 警发生在某小区西门出门入口的一个燃气阀门井，如图7所示。

对该监测点历史数据的分析之后初步判断该 警为燃气泄漏，泄漏点位于小区出入口，人车流量较大，泄漏管段邻近地下管线复杂，可能受到其影响的电力、雨污管线共有22处，泄漏点上方5m范围内是小区门卫室，同时附近还有派出所、中学等诸多重点防护目标，一旦发生爆炸，后果严重，因此系统第一时间推送 警信息至应急抢险部门处置。经抢修人员现场核查发现，该燃气井因阀门接口处松动出现了泄漏。经过及时抢修处理，避免了燃气泄漏爆炸事故的发生。

7 结束语

保证城市燃气管 的安全运行，科学地处理事故，是燃气企业服务城市民众的终极目标。合肥燃气集团立足城市公共安全视角，通过构建燃气管 监测系统，有效的保障了城市公共安全免受燃气管线泄漏的威胁，实现对燃气管 隐患的早发现、早预防、早预警和早处置，尽可能减少突发事件造成的损失；在提高燃气企业应急指挥能力、事故处置能力及日常巡检针对性的同时，为指挥决策的制定提供合理、直观的参考，进而促进燃气行业的快速安全发展。目前的监测系统在地下相邻空间燃气泄漏浓度监测、监测布点、设备选型、运维应用等方面做了一些探索性的尝试，其他可扩展的应用有待于进一步挖掘和开发。

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