Abstract：The reasons for indoor gas safety accidents and existing indoor gas safety protection methods are ana]yzed.An indoor gas safety protection method based on flame and flow signals is put forward.
Key words：indoor gas safety protection；odorant；flame failure device；gas sensor； excess flow protection
隨著社會進步和人民生活水平的提高，燃氣作為城市基礎設施的一部分越來越受到人們的重視。燃氣在給人們帶來環(huán)保高效便利的同時，也會由于各種原因導致泄漏而引發(fā)火災、爆炸等事故，給人民生命財產造成極大的損失。本文針對現(xiàn)有的戶內燃氣安全保護措施進行討論，探討各種方案的優(yōu)劣，尋求一種更有效的保障戶內燃氣安全用氣的方案。
1 戶內燃氣安全事故原因
造成戶內燃氣安全事故的原因可以歸結為人為因素、非人為因素。人為因素：施工安裝質量不合格又沒能對驗收進行有效把關，戶內管子、管件以及燃具質量不合格；用戶安全意識不強，疏忽大意，如用氣后閥門未關閉或關閉不到位等；為了室內裝修美觀，未經有關部門批準私自改裝燃氣管道，但施工質量難以保證，造成泄漏，發(fā)生事故；人為打開燃氣閥門進行自殺或破壞等。非人為因素：設備的老化、意外事故、地質災害等引起的燃氣泄漏，如閥門松動、密封件老化、密封脂風干及膠管被老鼠咬破等[1～2]。因此，戶內燃氣的泄漏原因是多方位的，具有很強的不可預知性。盡管我們采取了非常多的安全措施，但仍然無法從根本上杜絕燃氣泄漏事故的發(fā)生。因此，探索更有效的保護方法，對安全用氣、保護人民生命財產安全具有非常重要的意義。
2 戶內燃氣安全保護方法
如何對泄漏進行檢測以及發(fā)現(xiàn)泄漏之后如何在最大限度上保障用戶的安全，是戶內燃氣安全領域要解決的主要問題之一，這也是從根源上解決戶內燃氣安全用氣問題的有效手段。根據目前我國戶內燃氣安全領域的現(xiàn)狀，主要的戶內燃氣安全保護方法歸納起來有3類：方法1：直接對用氣房問進行可燃氣體檢測的保護方法；方法2：基于監(jiān)測燃具火焰的保護方法；方法3：基于監(jiān)測燃氣流量和壓力的保護方法。
2.1 方法1
可燃氣體檢測主要是指通過各種有效手段及設備，使用戶能夠及時發(fā)現(xiàn)燃氣的泄漏并采取相應的保護措施的方法。目前主要包括在用氣房間安裝可燃氣體傳感器，使用加臭劑的嗅覺感知以及燃氣公司定期上門使用檢漏儀檢測等方法。
使用氣體傳感器對燃氣泄漏進行檢測是普遍應用的方法之一，其原理是采用氣體傳感器來探測環(huán)境中的可燃氣體的濃度，并不斷地將濃度信號轉換成模擬量或數字量傳遞至控制電路。當周圍燃氣的濃度達到設定值時，控制電路通過執(zhí)行電路向執(zhí)行器發(fā)送指令，發(fā)出報警信號并執(zhí)行關閉燃氣閥門等動作。
由其工作原理可知，采用氣體傳感器檢測燃氣泄漏的方法有其獨特的優(yōu)勢，如無需用戶進行人工操作，發(fā)現(xiàn)泄漏即可直接切斷氣源，可以長時問對室內燃氣的泄漏情況進行監(jiān)測等。但是這種方法往往存在著各種弊端：
① 氣體傳感器的可靠性與價格等問題。目前普遍存在的一個問題就是可靠性高的傳感器往往價格偏高，而價格能夠被人們所接受的往往其可靠性又得不到保證。另外傳感器的核心部件氣敏探頭易受廚房煙氣的污染，必須定時清洗，否則靈敏度易受到影響，且一般的氣敏探頭使用壽命為3年左右，存在壽命偏低的問題。
② 對微量的泄漏無法及時檢測。由于當泄漏氣體濃度要達到傳感器設定的濃度時才會被檢測到，那么就存在微量的泄漏不能被及時發(fā)現(xiàn)的情況，造成了安全隱患。
③ 長期使用出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，影響正常使用。傳感器由于自身特性存在零點漂移，易出現(xiàn)錯報誤報的現(xiàn)象，影響正常使用。
④ 安全控制范圍不夠。氣體傳感器往往是作為燃氣報警器的核心部件使用的，根據規(guī)定，氣體傳感器要安裝在距離氣源半徑1.5m范圍內，一般均設置在廚房。具體要求是通風良好，一般液化石油氣的密度比空氣大，安裝在距地面約0.3m處；天然氣、人工煤氣的密度比空氣小，安裝在距天花板約0.3m處[3]，但即便可燃氣體傳感器安裝正確，一個氣體傳感器只能控制一定范圍，無法保證對整個戶內燃氣泄漏情況進行有效監(jiān)測。
采用加臭的方法對燃氣泄漏進行檢測是一種傳統(tǒng)且行之有效的方法。這種方法不僅廣泛應用于戶內燃氣管道，對于城市管網以及長輸管道也是行之有效的。這種方法主要是指在燃氣中注入加臭劑，對加臭劑的要求是氣味強烈、獨特、性質穩(wěn)定且長期存在空氣中不易被掩蓋，其本身無腐蝕性且燃燒產物對人體無害，廉價不稀缺等[4]。但是這種方法也存在著很大的弊端，即必須依靠人的嗅覺對其感知。當發(fā)生泄漏而現(xiàn)場無人時，或由于用戶嗅覺不夠靈敏而導致不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏時，或泄漏被及時發(fā)現(xiàn)但當事人不具備燃氣安全的基本常識，不能正確處理，就極易發(fā)生燃氣安全事故。因此，燃氣加臭的方法雖然有效但并不能從根本上解決戶內燃氣安全問題。
目前很多燃氣公司采用定期到用戶家中進行泄漏檢測的方法，一般規(guī)定1年不少于1次。這種方法的優(yōu)勢在于可以盡可能地排查出由于設備的老化、閥門松動等原因導致的泄漏，并能通過精密儀器的檢測發(fā)現(xiàn)微小的泄漏，可對老化設備及閥門等進行及時更換。但是由于這種定期檢查的次數較少，時間跨度較長，因此不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況。只能在一定程度上解決戶內燃氣泄漏問題，必須與其他的保護方法配合使用。有的用戶家里長期無人，就有可能形成一些盲點。
2.2 方法2
安裝于燃具上的熄火保護裝置也可以視為是一種保護裝置，它用于在燃具閥門開啟狀態(tài)下檢測火焰存在與否，如果在閥門為開啟狀態(tài)卻沒有火焰信號則會關閉燃氣閥門，以保證不會出現(xiàn)燃氣泄漏。這種基于檢測燃具火焰的保護方法主要用于對燃具的保護，在燃具意外熄火或點火失敗的情況下，自動切斷用氣設備氣源，防止燃氣大量泄漏。在家用燃具中，燃氣熱水器等燃具一直把熄火保護裝置作為強制標準，只有燃氣灶在很長的時間里沒有將其作為強制標準，其原因是過去長期以來在一些簡陋的燃氣灶上設置熄火保護裝置存在一定的技術問題，但GB 16410—2007《家用燃氣灶具》規(guī)定，自2008年5月1日起，所有的家用燃氣灶具必須帶有自動熄火保護功能[5]。目前，用于家用燃具的熄火保護裝置主要有熱敏式、離子感應式。
熱敏式熄火保護裝置有雙金屬片式、熱電偶式等，一般采用熱電偶式，可以直接利用其形成的熱電勢來驅動電磁閥，但此種保護裝置存在著熱惰性大、反應速度慢等缺點。
離子感應式熄火保護裝置采用“離子針”技術，是基于火焰導電的原理而發(fā)明的。在燃具正常燃燒時，利用火焰中的微電流就能保證持續(xù)通氣，當意外熄火時，離子針會在0.1s內感應電流變化，感應不到電流時電磁閥就會在4s內切斷氣源。目前離子感應式熄火保護裝置由早期的直流感應發(fā)展到后來的交流感應，可靠性得到了大幅度的提高，再發(fā)展到脈沖信號巡檢，大大降低了耗電量。
當然，熄火保護并不是一種真正意義上的泄漏保護，當閥門處于關閉狀態(tài)但仍然有泄漏時，熄火保護裝置不會有任何保護動作。
2.3 方法3
基于檢測燃氣流量和壓力的保護方法主要是指采用某種裝置，對燃氣管道內的燃氣流量或壓力進行實時監(jiān)測，當出現(xiàn)大量燃氣泄漏或管道內壓力過高、過低等異常情況時，這種裝置對燃氣管道進行及時切斷，保障用氣安全。目前這種安全裝置的種類很多，較為典型的是過流保護裝置。當燃氣管道突然斷開時(如膠管脫落)利用管道內燃氣流量發(fā)生突變的特點，及時切斷燃氣。但這類裝置只能針對大流量泄漏的情況，對于微量泄漏不能切斷燃氣，微量泄漏多出現(xiàn)在用戶膠管出現(xiàn)老化、龜裂、接口不嚴或管材、管件不合格等情況下。
還有一種燃氣安全自閉閥，它不僅能進行過流保護，還能進行超低壓、超高壓的保護[6]。燃氣安全自閉閥安裝在戶內燃氣管道末端，經軟管或金屬波紋管與燃具相連，是一種能夠感應燃氣壓力、自動關閉、需人工復位的無源安全裝置，其結構見圖1。
燃氣安全自閉閥在不工作狀態(tài)下可按下提鈕，提起提鈕進入正常工作狀態(tài)，燃氣壓力作用力與磁力形成一對平衡力，永磁鐵處于懸浮狀態(tài)(見圖1)，此時進氣腔與出氣腔連通，灶具正常工作；當出現(xiàn)超低壓或失壓狀態(tài)時，燃氣壓力的降低使得上鎖氣片下移與永磁體吸合，主閥瓣壓在閥口上部，實現(xiàn)自閉功能；當出現(xiàn)超高壓狀態(tài)時，燃氣壓力的上升使得超壓定值片與永磁鐵分離，下鎖氣片與永磁鐵吸合，副閥瓣壓在閥口下部，實現(xiàn)自閉功能，保障用氣安全。
燃氣安全自閉閥雖然在一定程度上保障了用氣安全，但還存在著很多缺陷：燃氣管道內的壓力變化是很復雜的，很難保證燃氣壓力的某種變化就一定是泄漏造成的，很容易形成誤動作，比如在用氣高峰期，管道壓力下降到較低水平，由于低壓保護功能，燃氣安全自閉閥可能出現(xiàn)關閉狀態(tài)，即使手動復位仍有可能繼續(xù)自行關閉，給生活帶來不便。
3 一種新的戶內燃氣安全保護方法
3.1 工作原理
任何管道泄漏都必然會有流量，但有流量并不一定是泄漏。流量分正常流量和非正常流量，非正常流量主要是泄漏造成，也有可能是偷氣、人為放散等。無論是什么原因，非正常流量都是我們所要禁止的。對于正常流量，由于城鎮(zhèn)燃氣都是用于燃燒提供熱能的，而燃氣在燃燒時，必然同時存在著火焰、流量兩種信號，因此只有同時存在這兩種信號，才能認定此時的流量信號為正常的，如果只有流量信號而沒有火焰信號，那一定是管道泄漏等非正常流量所造成的。如果我們根據這一基本原理設計一個安全系統(tǒng)，則可以保證對泄漏等非正常流量進行切斷，或者只允許正常流量通過控制閥門，就可從根本上保證燃氣的安全使用?；谏鲜鲈淼膽魞热細獍踩Ｗo方法原理見圖2。
新型戶內燃氣安全保護方法的原理是：針對燃具燃燒時產生的兩種信號(火焰信號、流量信號)進行實時監(jiān)測，分別由火焰信號采集模塊、流量信號采集模塊實時獲取戶內各燃具的火焰信號和燃氣進戶管道上的流量信號。具體有3種工況：
① 當進戶管道存在流量信號，且戶內有任何一個燃具存在火焰信號時，為正常工作狀態(tài)，常閉電磁閥打開，報警器無警報。
② 當進戶管道存在流量信號，且戶內所有燃具在一定時間內無火焰信號時，就說明存在燃氣泄漏，此時常閉電磁閥自動切斷，報警器發(fā)出警報。
③ 當進戶管道無流量信號，在某一燃具處出現(xiàn)火焰信號時，此時可能是燃具附近出現(xiàn)火災或火焰檢測裝置出現(xiàn)異常，此時也要切斷進戶管道并報數
火焰信號采集模塊、流量信號采集模塊均與控制電路連接，由控制電路控制常閉電磁閥以及報警器進行相應動作。報警解除需人工操作，這樣確保了危險能被真正排除，保障了戶內用氣的安全性。
3.2 可行性分析
顯然，要實現(xiàn)上述方案，核心就是有效獲取火焰信號和流量信號。
火焰信號的獲取可以利用前面提到的熄火保護裝置來獲取，根據GB 16410—2007《家用燃氣灶具》，所有的家用燃氣灶具都必須裝有熄火保護裝置，這就為我們獲得家用燃具的火焰信號提供了必要的客觀條件。如果是熱電偶式熄火保護裝置，可以將熱電偶作為傳感器，增加一個電路，將檢測到的火焰信號(熱電偶所產生的熱電勢)，轉換成控制信號一路去控制熄火保護電磁閥的開閉，另一路作為火焰信號對外輸出。如果是離子感應式熄火保護裝置，可以在控制電路輸出一個開關信號給熄火保護電磁閥的同時，也對外提供一個輸出信號，此信號是在檢測電路判斷有火焰信號后輸出的，因此輸出的電信號也就是火焰信號。
流量信號的獲取可以有多種途徑，比如可以通過燃氣表，也可以設置專門的流量傳感器獲取流量信號。對于大流量的泄漏，普通的流量檢測方法就可以了，但有些泄漏是很微量的，比如接頭的松動、膠管的老化等，普通的流量檢測方法很難滿足。能夠檢測微小流量的流量傳感器其流通能力也一定是很小的，如果將其安裝在管道上，必然在正常使用的流量下形成很大的阻力，因此需要找到一種既能檢測微小流量，又不會造成較大阻力的流量檢測裝置。流量開關信號采集裝置很好地解決了這個問題，其結構見圖3。
我們將流量開關裝置與切斷用的電磁閥巧妙地結合起來，大流量時利用節(jié)流閥芯產生的壓差驅動壓差開關輸出一個反映流量存在與否的開關信號。微小流量時利用常閉電磁閥開閉產生的脈沖壓差信號，再通過壓差開關輸出流量開關信號，具體的：[作原理如下：
將此裝置安裝在燃氣管道的上游，使壓差開關的高壓信號取壓管及低壓信號取壓管分別與常閉電磁閥的前取壓管和節(jié)流閥芯的后取壓管相連。壓差管道開關的開閉信號輸出給控制電路，再由控制電路控制常閉電磁閥的啟閉，決定是否切斷燃氣，實現(xiàn)保護。設定燃氣入口壓力為p1，燃氣出口壓力為p2，壓差開關設定的動作壓差分別為△p1和△p2。當壓差開關左右腔壓差上行到p1-p2＞△p1時，壓差開關控制電路導通；當壓差開關左右腔壓差下行到p1-p2＜△p2時，壓差開關控制電路斷開。氣流與節(jié)流閥芯接觸面積為4，節(jié)流閥芯的質量為m1，配重塊的質量為m2。下面根據流量大小兩種情況進行分析。
① 當管道內為常規(guī)流量時，由于節(jié)流閥芯的作用，使得p2＜p1，當滿足燃氣入口與出口壓差p1-p2＞△p1時，壓差開關控制電路導通，常閉電磁閥打開，控制電路將獲得一個連續(xù)的開關信號。此狀態(tài)下，滿足如下關系式：
式中p1——燃氣入口壓力，Pa
p2——燃氣出口壓力，Pa
m1——節(jié)流閥芯的質量，kg
m2——配重塊的質量，kg
g——重力加速度，m/s2，取9.8m/s2
A——氣流與節(jié)流閥芯接觸面積，m2
式(1)中氣流與節(jié)流閥芯接觸面積A是一個變量，隨著閥芯脫離閥口的程度而有所增大，但4的這種變化是很小的，在一定程度上可視為不變。由于m1、m2保持不變，4值變化微小，因此流量開關的阻力p1-p2只是在一個很小的范圍內變化，可視為常量。通過對m1、m2、A的控制，可以獲得一個相對燃氣壓力小得多的阻力，不會對燃具的使用造成影響。
② 當管道內為微小流量時，由于p1-p2＜△p2，壓差開關控制電路斷開，常閉電磁閥關閉，此時流量很小，節(jié)流閥芯關閉，隨著時間的延長，p2逐漸減小，當滿足p1-p2＞△p1時，壓差開關動作輸出一個開關信號，常閉電磁閥打開，閥體連通，p2又會迅速升高。當p1-p2＜△p2時，常閉電磁閥隨壓差開關控制電路斷開而關閉，一段時間后滿足p1-p2＞△p1時，常閉電磁閥再度開啟。這樣形成周期性開閉，使得流量開關向外輸出一個具有固定頻率的脈沖信號，這樣便獲得了微小流量時的流量開關信號。由以上分析可知，微小流量下的阻力大致與壓差開關的動作壓差相等，為一個△p2至△p1之間的一個值，變化范圍不大。
由此，我們便得到了一個在常規(guī)流量時的連續(xù)電信號和在微小流量時的脈沖信號，且不會因流量的增大而導致阻力的增大。顯然，針對戶內燃氣管道系統(tǒng)安全保護所需的流量信號和火焰信號是可以有效獲取的。
這種基于管道泄漏基本原理設計的安全裝置，對管道泄漏的判斷準確度高，并且由于這種判斷是針對正常流量的，因此除了可以判斷戶內管道的泄漏外，還可以發(fā)現(xiàn)并阻止所有非正常流量的出現(xiàn)。當然，這種安全保護方法還有不足的地方，那就是在正常使用時出現(xiàn)的泄漏無法判斷，即在有火焰信號時發(fā)生了泄漏，在這種情況下安全裝置將無法識別，這時只要燃具不是長時間連續(xù)工作，一旦燃具停止工作，泄漏就會立刻被發(fā)現(xiàn)，事實上家用燃具都是間歇工作的。因此對于微小流量的泄漏，如果恰逢在燃具使用過程中發(fā)生的，只要燃具停止工作就能被發(fā)現(xiàn)，不會造成大的危害。如果是在燃具的使用過程中發(fā)生大流量的泄漏，比如膠管脫落，這種情況可以考慮與過流保護裝置結合起來使用。
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(本文作者：劉文斌 楊帆 華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院 湖北武漢 430074)
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