户内燃气安全保护的探讨.doc

户内燃气安全保护的探讨第31卷第2期2011年2月煤气与热力GAS&HEATV01.31No.2Feb.201l勰勰各爨建筑燃气供应甏嚏s咚&户内燃气安全保护的探讨刘文斌,杨帆(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074)摘要:分析了户内燃气安全事故的原因及既有户内燃气安全保护方法,提出了基于火焰信号,流量信号的户内燃气安全保护方法.关键词:户内燃气安全保护;加臭剂;熄火保护装置;燃气传感器;过流保护中图分类号:TU996文献标识码:B文章编号:10004416(2011)02一OB1105DiscussiononIndoorGasSafetyProtecti0nLIUWenbin.YANGFanAbstract:Thereasonsforindoorgassafetyaccidentsandexistingindoorgassafetyprotectionmethodsareanalyzed.AnindoorgassafetyprotectionmethodbasedOilflameandflowsignalsisputforward.Keywords:indoorgassafetyprotection;odorant;flamefailuredevice;gassensor;excessflowprotection随着社会进步和人民生活水平的提高,燃气作为城市基础设施的一部分越来越受到人们的重视.燃气在给人们带来环保高效便利的同时,也会由于各种原因导致泄漏而引发火灾,爆炸等事故,给人民生命财产造成极大的损失.本文针对现有的户内燃气安全保护措施进行讨论,探讨各种方案的优劣,寻求一种更有效的保障户内燃气安全用气的方案.1户内燃气安全事故原因造成户内燃气安全事故的原因可以归结为人为因素,非人为因素.人为因素:施工安装质量不合格又没能对验收进行有效把关,户内管子,管件以及燃具质量不合格;用户安全意识不强,疏忽大意,如用气后阀门未关闭或关闭不到位等;为了室内装修美观,未经有关部门批准私自改装燃气管道,但施工质量难以保证,造成泄漏,发生事故;人为打开燃气阀门进行自杀或破坏等.非人为因素:设备的老化,意外事故,地质灾害等引起的燃气泄漏,如阀门松动,密封件老化,密封脂风干及胶管被老鼠咬破等I2.因此,户内燃气的泄漏原因是多方位的,具有很强的不可预知性.尽管我们采取了非常多的安全措施,但仍然无法从根本上杜绝燃气泄漏事故的发生.因此,探索更有效的保护方法,对安全用气,保护人民生命财产安全具有非常重要的意义.2户内燃气安全保护方法如何对泄漏进行检测以及发现泄漏之后如何在最大限度上保障用户的安全,是户内燃气安全领域要解决的主要问题之一,这也是从根源上解决户内燃气安全用气问题的有效手段.根据目前我国户内燃气安全领域的现状,主要的户内燃气安全保护方法归纳起来有3类:方法1:直接对用气房问进行可燃气体检测的保护方法;方法2:基于监测燃具火焰的保护方法;方法3:基于监测燃气流量和压力的保护方法.2.1方法1可燃气体检测主要是指通过各种有效手段及设备,使用户能够及时发现燃气的泄漏并采取相应的?B11-第31卷第2期煤气与热力保护措施的方法.目前主要包括在用气房间安装可燃气体传感器,使用加臭剂的嗅觉感知以及燃气公司定期上门使用检漏仪检测等方法.使用气体传感器对燃气泄漏进行检测是普遍应用的方法之一,其原理是采用气体传感器来探测环境中的可燃气体的浓度,并不断地将浓度信号转换成模拟量或数字量传递至控制电路.当周围燃气的浓度达到设定值时,控制电路通过执行电路向执行器发送指令,发出报警信号并执行关闭燃气阀门等动作.由其工作原理可知,采用气体传感器检测燃气泄漏的方法有其独特的优势,如无需用户进行人工操作,发现泄漏即可直接切断气源,可以长时间对室内燃气的泄漏情况进行监测等.但是这种方法往往存在着各种弊端:气体传感器的可靠性与价格等问题.目前普遍存在的一个问题就是可靠性高的传感器往往价格偏高,而价格能够被人们所接受的往往其可靠性又得不到保证.另外传感器的核心部件气敏探头易受厨房烟气的污染,必须定时清洗,否则灵敏度易受到影响,且一般的气敏探头使用寿命为3年左右,存在寿命偏低的问题.对微量的泄漏无法及时检测.由于当泄漏气体浓度要达到传感器设定的浓度时才会被检测到,那么就存在微量的泄漏不能被及时发现的情况,造成了安全隐患.长期使用出现零点漂移现象,影响正常使用.传感器由于自身特性存在零点漂移,易出现错报误报的现象,影响正常使用.安全控制范围不够.气体传感器往往是作为燃气报警器的核心部件使用的,根据规定,气体传感器要安装在距离气源半径1.5m范围内,一般均设置在厨房.具体要求是通风良好,一般液化石油气的密度比空气大,安装在距地面约0.3m处;天然气,人工煤气的密度比空气小,安装在距天花板约0.3m处J,但即便可燃气体传感器安装正确,一个气体传感器只能控制一定范围,无法保证对整个户内燃气泄漏情况进行有效监测.采用加臭的方法对燃气泄漏进行检测是一种传统且行之有效的方法.这种方法不仅广泛应用于户内燃气管道,对于城市管网以及长输管道也是行之有效的.这种方法主要是指在燃气中注入加臭剂,对加臭剂的要求是气味强烈,独特,性质稳定且长期存在空气中不易被掩盖,其本身无腐蚀性且燃烧产物对人体无害,廉价不稀缺等.但是这种方法也存在着很大的弊端,即必须依靠人的嗅觉对其感知.当发生泄漏而现场无人时,或由于用户嗅觉不够灵敏而导致不能及时发现泄漏时,或泄漏被及时发现但当事人不具备燃气安全的基本常识,不能正确处理,就极易发生燃气安全事故.因此,燃气加臭的方法虽然有效但并不能从根本上解决户内燃气安全问题.目前很多燃气公司采用定期到用户家中进行泄漏检测的方法,一般规定1年不少于1次.这种方法的优势在于可以尽可能地排查出由于设备的老化,阀门松动等原因导致的泄漏,并能通过精密仪器的检测发现微小的泄漏,可对老化设备及阀门等进行及时更换.但是由于这种定期检查的次数较少,时间跨度较长,因此不能及时发现泄漏情况,只能在一定程度上解决户内燃气泄漏问题,必须与其他的保护方法配合使用.有的用户家里长期无人,就有可能形成一些盲点.2.2方法2安装于燃具上的熄火保护装置也可以视为是一种保护装置,它用于在燃具阀门开启状态下检测火焰存在与否,如果在阀门为开启状态却没有火焰信号则会关闭燃气阀门,以保证不会出现燃气泄漏.这种基于检测燃具火焰的保护方法主要用于对燃具的保护,在燃具意外熄火或点火失败的情况下,自动切断用气设备气源,防止燃气大量泄漏.在家用燃具中,燃气热水器等燃具一直把熄火保护装置作为强制标准,只有燃气灶在很长的时间里没有将其作为强制标准,其原因是过去长期以来在一些简陋的燃气灶上设置熄火保护装置存在一定的技术问题,但C.B16410-2007家用燃气灶具规定,自2008年5月1日起,所有的家用燃气灶具必须带有自动熄火保护功能J.目前,用于家用燃具的熄火保护装置主要有热敏式,离子感应式.热敏式熄火保护装置有双金属片式,热电偶式等,一般采用热电偶式,可以直接利用其形成的热电势来驱动电磁阀,但此种保护装置存在着热惰性大,反应速度慢等缺点.离子感应式熄火保护装置采用离子针技术,是基于火焰导电的原理而发明的.在燃具正常燃烧?B12?刘文斌,等:户内燃气安全保护的探讨第3J卷第2期时,利用火焰中的微电流就能保证持续通气,当意外熄火时,离子针会在0.1S内感应电流变化,感应不到电流时电磁阀就会在4S内切断气源.目前离子感应式熄火保护装置由早期的直流感应发展到后来的交流感应,可靠性得到了大幅度的提高,再发展到脉冲信号巡检,大大降低了耗电量.当然,熄火保护并不是一种真正意义上的泄漏保护,当阀门处于关闭状态但仍然有泄漏时,熄火保护装置不会有任何保护动作.2.3方法3基于检测燃气流量和压力的保护方法主要是指采用某种装置,对燃气管道内的燃气流量或压力进行实时监测,当出现大量燃气泄漏或管道内压力过高,过低等异常情况时,这种装置对燃气管道进行及时切断,保障用气安全.目前这种安全装置的种类很多,较为典型的是过流保护装置.当燃气管道突然断开时(如胶管脱落)利用管道内燃气流量发生突变的特点,及时切断燃气.但这类装置只能针对大流量泄漏的情况,对于微量泄漏不能切断燃气,微量泄漏多出现在用户胶管出现老化,龟裂,接口不严或管材,管件不合格等情况下.还有一种燃气安全自闭阀,它不仅能进行过流保护,还能进行超低压,超高压的保护J.燃气安全自闭阀安装在户内燃气管道末端,经软管或金属波纹管与燃具相连,是一种能够感应燃气压力,自动关闭,需人工复位的无源安全装置,其结构见图1.进气腔1.座2.主Il司瓣3.盖4.水磁铁5.提钮6.闽杆7.上锁气片8.超压定值片9.下锁气片1O.上气腔11.旋塞阀12副阀杆13.副阀瓣14.阀口图1燃气安全自闭阀结构燃气安全自闭阀在不工作状态下可按下提钮,提起提钮进入正常工作状态,燃气压力作用力与磁力形成一对平衡力,永磁铁处于悬浮状态(见图1),此时进气腔与出气腔连通,灶具正常工作;当出现超低压或失压状态时,燃气压力的降低使得上锁气片下移与永磁体吸合,主阀瓣压在阀口上部,实现自闭功能;当出现超高压状态时,燃气压力的上升使得超压定值片与永磁铁分离,下锁气片与永磁铁吸合,副阀瓣压在阀口下部,实现自闭功能,保障用气安全.燃气安全自闭阀虽然在一定程度上保障了用气安全,但还存在着很多缺陷:燃气管道内的压力变化是很复杂的,很难保证燃气压力的某种变化就一定是泄漏造成的,很容易形成误动作,比如在用气高峰期,管道压力下降到较低水平,由于低压保护功能,燃气安全自闭阀可能出现关闭状态,即使手动复位仍有可能继续自行关闭,给生活带来不便.3一种新的户内燃气安全保护方法3.1工作原理任何管道泄漏都必然会有流量,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,也有可能是偷气,人为放散等.无论是什么原因,非正常流量都是我们所要禁止的.对于正常流量,由于城镇燃气都是用于燃烧提供热能的,而燃气在燃烧时,必然同时存在着火焰,流量两种信号,因此只有同时存在这两种信号,才能认定此时的流量信号为正常的,如果只有流量信号而没有火焰信号,那一定是管道泄漏等非正常流量所造成的.如果我们根据这基本原理设计一个安全系统,则可以保证对泄漏等非正常流量进行切断,或者只允许正常流量通过控制阀门,就可从根本上保证燃气的安全使用.基于上述原理的户内燃气安全保护方法原理见图2.户管道1.燃烧器2.火焰检测装置3.熄火保护电磁阀4.火焰信号采集模块5.控制电路6.报警器7常闭电磁阀8.流量信号采集模块图2新型户内燃气安全保护方法原理新型户内燃气安全保护方法的原理是:针对燃具燃烧时产生的两种信号(火焰信号,流量信号)进行实时监测,分别由火焰信号采集模块,流量信号采集模块实时获取户内各燃具的火焰信号和燃气进户管道上的流量信号.具体有3种工况:?B13?第31卷第2期煤气与热力当进户管道存在流量信号,且户内有任何一个燃具存在火焰信号时,为正常工作状态,常闭电磁阀打开,报警器无警报.当进户管道存在流量信号,且户内所有燃具在一定时间内无火焰信号时,就说明存在燃气泄漏,此时常闭电磁阀自动切断,报警器发出警报.当进户管道无流量信号,在某一燃具处出现火焰信号时,此时可能是燃具附近出现火灾或火焰检测装置出现异常,此时也要切断进户管道并报警.火焰信号采集模块,流量信号采集模块均与控制电路连接,由控制电路控制常闭电磁阀以及报警器进行相应动作.报警解除需人工操作,这样确保了危险能被真正排除,保障了户内用气的安全性.3.2可行性分析显然,要实现上述方案,核心就是有效获取火焰信号和流量信号.火焰信号的获取可以利用前面提到的熄火保护装置来获取,根据GB16410-2007家用燃气灶具,所有的家用燃气灶具都必须装有熄火保护装置,这就为我们获得家用燃具的火焰信号提供了必要的客观条件.如果是热电偶式熄火保护装置,可以将热电偶作为传感器,增加一个电路,将检测到的火焰信号(热电偶所产生的热电势),转换成控制信号一路去控制熄火保护电磁阀的开闭,另一路作为火焰信号对外输出.如果是离子感应式熄火保护装置,可以在控制电路输出一个开关信号给熄火保护电磁阀的同时,也对外提供一个输出信号,此信号是在检测电路判断有火焰信号后输出的,因此输出的电信号也就是火焰信号.流量信号的获取可以有多种途径,比如可以通过燃气表,也可以设置专门的流量传感器获取流量信号.对于大流量的泄漏,普通的流量检测方法就可以了,但有些泄漏是很微量的,比如接头的松动,胶管的老化等,普通的流量检测方法很难满足.能够检测微小流量的流量传感器其流通能力也一定是很小的,如果将其安装在管道上,必然在正常使用的流量下形成很大的阻力,因此需要找到一种既能检测微小流量,又不会造成较大阻力的流量检测装置.流量开关信号采集装置很好地解决了这个问题,其结构见图3.我们将流量开关装置与切断用的电磁阀巧妙地燃气人口1.压差开关2.低压信号取压管3.高压信号取压管4.节流d,TL5.节流阀芯6.配重块7.节流阀8.常闭电磁阀图3流量开关信号采集装置结构结合起来,大流量时利用节流阀芯产生的压差驱动压差开关输出一个反映流量存在与否的开关信号.微小流量时利用常闭电磁阀开闭产生的脉冲压差信号,再通过压差开关输出流量开关信号,具体的工作原理如下:将此装置安装在燃气管道的上游,使压差开关的高压信号取压管及低压信号取压管分别与常闭电磁阀的前取压管和节流阀芯的后取压管相连.压差管道开关的开闭信号输出给控制电路,再由控制电路控制常闭电磁阀的启闭,决定是否切断燃气,实现保护.设定燃气人口压力为P,燃气出口压力为P,压差开关设定的动作压差分别为p和p.当压差开关左右腔压差上行到P.一P>lXp时,压差开关控制电路导通;当压差开关左右腔压差下行到P一P<Ap时,压差开关控制电路断开.气流与节流阀芯接触面积为,节流阀芯的质量为m,配重块的质量为m,.下面根据流量大小两种情况进行分析.当管道内为常规流量时,由于节流阀芯的作用,使得P<p,当满足燃气人口与出口压差P一P>ap时,压差开关控制电路导通,常闭电磁阀打开,控制电路将获得一个连续的开关信号.此状态下,满足如下关系式:PlP2:(1)一一L式中P,燃气人口压力,Pap燃气出口压力,Pam节流阀芯的质量,kgm,配重块的质量,kg?B14?刘文斌,等:户内燃气安全保护的探讨第31卷第2期重力加速度,m/s,取9.8m/s/4气流与节流阀芯接触面积,m式(】)中气流与节流阀芯接触面积A是一个变量,随着阀芯脱离阀口的程度而有所增大,但A的这种变化是很小的,在一定程度上可视为不变.由于m,m保持不变,4值变化微小,因此流量开关的阻力P一P:只是在一个很小的范围内变化,可视为常量.通过对m,m,A的控制,可以获得一个相对燃气压力小得多的阻力,不会对燃具的使用造成影响.当管道内为微小流量时,由于P,一P<卸,压差开关控制电路断开,常闭电磁阀关闭,此时流量很小,节流阀芯关闭,随着时间的延长,P,逐渐减小,当满足P一P>p.时,压差开关动作输出一个开关信号,常闭电磁阀打开,阀体连通,P又会迅速升高.当P一P<p:时,常闭电磁阀随压差开关控制电路断开而关闭,一段时间后满足P一P:>p时,常闭电磁阀再度开启.这样形成周期性开闭,使得流量开关向外输出一个具有固定频率的脉冲信号,这样便获得了微小流量时的流量开关信号.由以上分析可知,微小流量下的阻力大致与压差开关的动作压差相等,为一个卸至p之间的一个值,变化范围不大.由此,我们便得到了一个在常规流量时的连续电信号和在微小流量时的脉冲信号,且不会因流量的增大而导致阻力的增大.显然,针对户内燃气管道系统安全保护所需的流量信号和火焰信号是可以有效获取的.这种基于管道泄漏基本原理设计的安全装置,对管道泄漏的判断准确度高,并且由于这种