(江苏省盐城市住房和城乡建设信息中心,江苏盐城)
概述
截止2023年底,盐城市燃气管线总长2161.8 km,管线最早铺设时间为2001年,运行年限超过15年的管线为906 km。这些管线中仅有少量20年以上管线列入改造计划,大部分燃气管线依然依赖于人工巡检的方式进行监管。这使得盐城市燃气管网监管面临诸多挑战,包括老旧管网数量较多、潜在风险较高以及监管手段相对落后等问题。为契合江苏省城市生命线安全工程提出的“能监管、能监测、能预警、能处置”的建设目标,2024年初,盐城市开始进行城市生命线安全工程燃气专项前端感知物联网建设,通过在燃气管线相邻地下空间安装可燃气体智能监测设备,构建城市燃气管网安全监测一张网,实现燃气管网系统风险的快速感知与及时预警。
1 燃气专项前端感知物联网监测范围选取原则
根据《城市生命线工程安全运行监测技术标准》(DB34/T4021-2021)中3.0.3要求,盐城城市生命线安全工程燃气专项前端感知物联网监测对象范围应包括:
(1)具有高泄漏风险的区域。根据燃气管网本身属性和历史发生事件的统计分析,优先选择泄漏或易发生异常事故的管线或区域进行监测。
(2)人口密集区域的地下管网。人口密集区域及重要道路周边燃气管线发生泄漏,极易造成严重后果与次生衍生灾害。需要对该区域内因管线异常而可能带来的爆炸、路面坍塌等事件进行提前预警监测。
(3)敏感区域周围的地下管网。政府机关、军事管辖区等特殊场所需要稳定的供气来源,因此需对这些敏感区域周边燃气管网进行监测。
(4)面临较大威胁区域管网。如位于快车道路面下的管线,因受地面交通压力影响而易受到损坏;酸碱腐蚀性强的土壤环境下,对于碳钢材质的管线影响较大,此类管线需开展针对性监测。
(5)燃气管线泄漏发生后危害较大区域管网。地势低洼、地下空间面积大,燃气管线泄漏后危害程度高,会造成大面积的群死群伤事故发生或较大经济损失,优先考虑此类管线进行针对性监测[1]。
同时《城市安全风险综合监测预警平台建设指南(试行)》(安委办函〔2021〕45号)中城市生命线工程燃气管线泄漏爆炸风险监测应“对管线相邻的地下空间内的燃气浓度进行监测,主要包括:燃气阀门井、周边雨污水、电力、通信等管沟,管线穿越的密闭和半密闭空间,易通过土壤和管沟扩散至的其他空间。”
作者简介:李江波(1974-),男,本科,房地产高级经济师,研究方向:房地产经济、城市建设信息化等。
2 前端感知物联网监测选点方案设计
基于燃气专项前端感知物联网监测范围选取原则,需要通过风险评估辨识具有高泄漏风险、人口密集、敏感区域、面临较大威胁、泄漏后危害后果较大的燃气管线及其相邻地下空间,建立指标体系对辨识得到的燃气管线相邻地下空间耦合风险点进行分级,选取燃爆风险较高的风险点用来指导城市燃气管线相邻地下空间监测点位初步选取,并通过测点优化模型对待选监测点位进行优化设计,提升监测的有效性及科学性[2-3]。
2.1 基于燃气管线耦合风险评估的监测点位初步选取
基于《GB50028-2020城镇燃气设计规范》表6.3.3-1与表6.3.3-2、《GB50289-2016城市工程管线综合规划规范》表4.1.9与表4.1.14中对于地下燃气管线与构筑物或相邻管线之间的水平净距、垂直净距要求,辨识燃气管线与相邻地下管线耦合风险点,即当地下燃气管线与其他管线的水平净距、垂直净距不满足标准要求时,存在燃气管线与相邻地下管线耦合风险。同时结合可燃气体泄漏在土壤及连通管线中扩散规律[4],确定燃气管线与相邻地下管线满足国家标准要求但燃气泄漏后易聚集的相邻地下空间。上述不满足标准要求的燃气管线与相邻地下管线空间位置处以及易聚集的相邻地下空间即为燃气管线与相邻地下管线耦合风险点。然后,根据燃气管线本身属性(如管龄、管材等)和历史燃气泄漏事件对上述耦合风险点所关联的燃气管线泄漏可能性进行评估,根据燃气管线周边人群密集场所、危险源、防护目标等信息对上述耦合风险点的后果危险性进行评估,进而得到耦合风险点对应的可能性等级和后果等级,然后根据《城市生命线工程安全运行监测技术标准》(DB34/T4021-2021)中图4.5.3风险等级划分图确定燃气管线与其他管线耦合风险点的风险等级[5]。在得到风险等级后,初步选取较大及以上风险等级的耦合风险点所关联的相邻地下管线上临近窨井(或易聚集的相邻地下空间)作为待选监测点位。针对排水管线,取耦合风险点上游30 m至下游100 m范围内的临近窨井作为待选监测点位;针对电力、通信管线,取耦合风险点两侧100 m范围内的临近窨井作为待选监测点位。选取示意图如图1所示。
2.2 基于待选监测点位窨井重要度分析的测点优化
在确定待选监测点位后,通常存在局部监测点位过
图1 待选监测点位选取示意
密、监测区域重复等问题,需对待选监测点位进行测点优化。通过对待选监测点位的窨井重要度进行评估,来对待监测点位进行测点优化。窨井重要度评估根据下式得到:
险点 i对应窨井风险控制度)
(1)
式中:n是指待选监测点位所关联的耦合风险点总数量;耦合风险点 i等级得分是指第 i个耦合风险点的风险等级对应评分;耦合风险点 i对应窨井耦合风险控制度是指第 i个耦合风险点对应的待选监测点位对于该耦合风险点的控制程度,可根据表1获取。
表1 耦合风险点 i风险等级及其对应窨井风险控制度取值
在得到待选监测点位的窨井重要度后,当某个耦合风险点对应多个待选监测点位,则优先选择窨井重要度最高的待选监测点位;若存在多个窨井重要度相同的待选监测点位,则选择距离耦合风险点最近的待选监测点位;同时12.5 m区域范围内同类型管线(排水、电力、通讯)仅保留一个监测点位。经过上述优化步骤得到的待选监测点位即为最终监测布设点。
2.3 确定前端感知物联网监测点位布设方案
通过盐城市燃气管线耦合风险评估,选取待选监测点位并利用窨井重要度评估进行测点优化后,得到最终的盐城市监测点位布设方案如图2所示。
图2 前端感知物联网监测点位布设
3 前端感知物联网构建
基于盐城市监测点位布设方案,运用智能传感装备、物联网等技术,构建盐城城市生命线安全工程燃气专项前端感知物联网,实现监测区域内高风险燃气安全隐患点的全覆盖监测[6]。
3.1 前端感知设备选型与安装
城市燃气管线相邻地下空间存在井内易积水、易腐蚀、易爆炸、通信差等问题,为满足城市级地下管线恶劣环境下的大范围监测需求,至少需选择具有 IPX8防水防护等级、耐硫化氢腐蚀、本安型防爆、适宜0~100% RH工作湿度、激光型传感器、无线通信模式的可燃气体智能监测设备。为实现城市燃气管线相邻地下空间内可燃气体浓度的不间断监测,前端监测设备还应具备以下功能:
(1)远程通信。前端感知设备具备有线或无线两种通信功能;能够按照定制化要求,按需配置通信内容与传输频率。(2)自检功能。前端感知设备能够近端或远程触发可燃气体的采样与检测,以及设备自检、水浸检测、自备电量检测等。(3)显示功能。前端感知设备能够远程显示工况信息。(4)报警功能。前端感知设备能够近端或远程控制报警,按照预置报警阈值进行报警;具有高、低两个报警阈值,低阈值即可启动报警。(5)信息存储。前端感知设备能够近端或远程存储包括燃气检测结果、设备状态与工况环境等信息。(6)时间校准。前端感知设备能够近端或远程校准内置时间,校准方式包
括有线或无线,自动或手动等。(7)其他功能。根据实际应用场景,系统或设备应配置其他必要功能等。
前端感知设备应安装在窨井井口以下20 cm左右位置,安装前应做好施工安全防护,对窨井内气体浓度进行检测安全后再进行安装,设备安装过程应符合安装工艺标准,安装完成后应恢复施工现场。
3.2 前端感知物联网设计
前端感知物联网采集服务平台采用异步通信技术(NIO)以及负载均衡技术(LB)作为其基本骨架,具备单节点每秒百万并发连接和全年24 h不停机运行的能力,可以为前端感知层传感器的海量数据采集和后端数据分析与挖掘提供有力保障。
前端感知设备独立部署,采用网关一体式设计,可以将采集到的数据信号直接转换成TCP/IP协议,利用窄带物联网技术(NB-IoT)无线通信网络传输。NB-IoT终端在接入过程中,需要经过复杂的认证鉴权、建立通道、分配 IP地址等,并在数据传输过程中采用了加密算法,可以有效保障数据传输的安全性。前端感知物联网采集模块每900 s采集1条数据,每条数据占2个字节,每上传一次数据需要11个字节对数据进行封装,然后经过128位分组加密以及物联网网关 IP封装上传数据。传感器间隔时间内的采集信息在1秒内传输完成,以30%的网络流量冗余计算,理论网络峰值为1.67 Kbps,满足带宽要求。
3.3 前端感知设备系统运行调试
完成设备安装及前端感知物联网搭建后,需对设备进行调试,通过查看设备传输频率确认数据是否正常上传至平台应用软件;通过对 IOT采集平台、应用软件系统进行数据一致性检验来确认数据是否在系统中正常展示;通过检查监测值是否超量程及其与现场记录数据是否相符,来确认上传数据准确性。经过设备调试,可在系统上实现设备数据采集/传输/存储、设备报警/预警、阈值设置以及移动报警等功能。