【论文精选】温湿度对综合管廊天然气舱室甲烷检测的影响

作者:张聪蕾,王怀秀,王亚慧,储冉,亓文杰

第一作者单位:北京建筑大学

摘自《煤气与热力》2017年4月刊

1   概述

①研究背景与目的

[1]

;2010年美国德克萨斯州的天然气管道爆炸事故造成至少3人死亡10人失踪;2011年北京朝阳区和平街的燃气爆燃事故造成居民楼坍塌、6死1伤

[1]

;2014年中国台湾高雄市多条街道的可燃气体外泄引发多次大爆炸,造成 31死310伤

[2]

天然气事故真实反映了天然气泄漏引发的巨大灾害。由此可知,若综合管廊中的天然气管道发生泄漏引发火灾爆炸,会对综合管廊造成毁灭性的灾害。因此,为保障天然气管道及整个综合管廊的安全运行,及早发现天然气泄漏至关重要。同时考虑到一年四季综合管廊内的环境温湿度不同,以及天然气中甲烷体积分数为94%~96%的特点,本文希望寻找一款适用于综合管廊的受温湿度变化影响小的甲烷传感器,对综合管廊天然气舱室的甲烷体积分数进行检测。

②实验主要技术路线

综合管廊建于地下,考虑到一年四季地下温湿度范围,实验设计了温度分别为-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃共10个温度档,同时每个温度档对应25%、50%、75%、100%共4个相对湿度档,通过实验装置模拟40个不同的综合管廊温湿度环境,并进行数据采集与处理,分析研究不同甲烷传感器所测甲烷体积分数与温湿度的关系,以此选择适合综合管廊的甲烷传感器。设计流程见图1。甲烷传感器与温湿度传感器采集数据,输出4~20 mA的电流信号,并通过变送器屏蔽线传输到数据采集模块;数据采集模块将电流信号转变为485信号;然后通过485转USB模块将数据传送至上位机;上位机负责实验数据的接收、处理、显示与存储;最后利用软件——统计产品与服务解决方案(SPSS)与MATLAB对数据进行深入处理与分析。

图1   设计流程

2   数据采集系统设计

①数据采集装置

数据采集装置见图2。图2中,天然气舱室为长2.4 m、宽2.5 m、高2 m的密闭长方体;燃气PE管长1.5 m,外直径为315 mm,壁厚为20 mm;从PE管向下距管道上方0.5 m处开始,每隔60 mm、左右间隔20 mm均匀打孔,小孔直径为8 mm,模拟管道泄漏。PE管最上方泄漏孔两侧分别设置甲烷传感器、温湿度传感器,采集数据并上传。甲烷混合气体输入端管道为PE管,外直径为20 mm、壁厚为2.8 mm。装置最下方布置防水防爆加热器与制冷机冷端,采用220 V交流供电,配合使用加湿器与轴流风扇实现整个装置的温湿度控制。升温时相对湿度变大,通过轴流风扇抽走实验装置内的水蒸气以降低相对湿度;降温时相对湿度降低,通过加湿器增加实验装置内的相对湿度。

图2   数据采集装置

②温湿度控制模块

通过大量市场调研、咨询相关技术人员以及实验测试,选择防水防爆加热器与小型制冷机进行温度控制。加热器的功率为3 kW,防爆等级为EX-II-T4;制冷机机组功率为750 W,制冷剂采用R22。R22气体在常温下为无色、近似无味、不燃烧、不爆炸、无腐蚀的气体,制冷机外机通过铜管与冷端连接,并安装在实验装置2.5 m之外,满足防爆的要求。加热器与制冷机都配备了温控装置用于调节温度。

③气源的选择

本文属于实验性研究,为确保实验的真实性,同时保证实验人员的安全,选择的实验气中甲烷体积分数为1%,其他为空气。

④甲烷传感器的选型

燃气的爆炸极限以体积分数计为5%~15%。因此,通过市场调研,选择红外式甲烷传感器与催化式甲烷传感器,量程以体积分数计均为0~5%。红外式甲烷传感器工作电压为直流电压5 V,工作电流小于等于50 mA,功耗很低。催化式甲烷传感器工作电压为直流电压(5±0.01)V,工作电流为100 mA,采样精度为±2%。

⑤温湿度传感器的选型

本实验选择传感器与变送器一体式的温湿度传感器,实时检测环境温湿度。其核心芯片为SHT10,响应时间小于30 s,功耗低,工作电压为直流电压3.3 V,电流小于1 mA,输出4~20 mA电流信号。温湿度传感器温度测量范围为-40~+80 ℃,相对湿度测量范围0~100%。

⑥数据的采集传输与控制模块

本实验中,红外式甲烷传感器、催化式甲烷传感器、温湿度传感器共输出4路4~20 mA电流信号。为方便今后进行扩展研究,选择了具有8路模拟量输入且支持4~20 mA输入格式的DAM-3058R数据采集卡。

4~20 mA的电流信号经数据采集卡转换成为485格式的数字信号,之后上传至上位机等待数据处理。由于DAM-3058R自带的是485接口,而当前大部分上位机都是USB接口,因此需要借助485转USB串口将数据传输至上位机。

上位机的数据采集模块使用了操作简单的ForceControl6.1软件,通过面向对象的界面编程语言完成数据的采集、接收、数据处理(将485格式的数字信号转变成实际值)、显示、存储。

3   实验数据的采集

实验共采集了40个不同温湿度环境下的甲烷体积分数,而且为了保证数据的可靠性,每个温湿度环境下进行数据采集时均充入1 L实验气,且重复进行3组实验。

4   数据的处理与分析

①有效数据的提取

为准确分析甲烷传感器灵敏度与温湿度的关系,必须保障数据的质量良好,确保数据的准确性、完整性、一致性、唯一性与有效性。所以,对于影响数据质量的重复记录、不完整数据、无法理解的数据等应及时进行分析处理

[3-4]

本实验采样周期为1 s,数据量庞大,存在一定数量的相似重复项,因此数据处理的第一步是清除无效值,精简数据表格

[5]

。考虑到数据量大,人工清理费时费力、易出错,因此本文借助功能强大且操作简便的SPSS进行数据的自动清理。清理步骤如下。

a.使用SPSS中的“识别相同的观测量”与“观测量选择”功能,自动识别并删除相似重复项。

b.利用SPSS中的快速聚类进行分类处理

[6-8]

本实验分别以红外式甲烷传感器与催化式甲烷传感器测试数据为观测量,将数据分为2类,第一类为刚充入甲烷时的零漂数据(指由于温度或其他原因导致的传感器基准零点发生变化,偏离零点位置的数据)与传感器刚开始反应的数据,第二类为甲烷体积分数保持稳定后的数据。通过快速聚类我们剔除了第二类数据,便找到与甲烷传感器灵敏度值相关的第一类数据。

②甲烷传感器灵敏度值的确定

有效项提取完毕,将剩余的少量数据导入MATLAB中,调用plot函数,绘制红外式甲烷传感器检测到的甲烷体积分数的时域图。温度为30  ℃、相对湿度为75%环境下红外式甲烷传感器检测到的甲烷体积分数的时域图见图3。观察图3中曲线斜率整体变化,可知,在点(240,0.014 65%)之前斜率一直是正负交替变化,之后斜率开始保持正值,0.014 65%即为温度为30 ℃、相对湿度为75%时红外式甲烷传感器的灵敏度值,即在点(240,0.014 65%)之前红外式甲烷传感器的值一直在一定范围内波动,之后呈上升状态,此点对应的甲烷体积分数即为红外传感器的灵敏度值。

图3红外式甲烷传感器检测到的甲烷体积分数的时域图

其他39个温湿度环境下的甲烷体积分数均按以上方法进行处理,得到第1组实验中40个不同温湿度环境下的传感器灵敏度值,同理共做3组实验。

③曲面拟合

不同温湿度环境下的传感器灵敏度值确定后,为进一步确定传感器灵敏度值与温湿度的关系,须对数据进行曲面拟合。对于曲面数据的处理,MATLAB自带的曲面拟合工具(Curve Fitting Tool)提供了4种曲面拟合方法:插值法、曲面拟合法、局部加权回归散点平滑法(LOWESS)、自定义函数拟合法(Polynomial)。

拟合优度用来评价曲面拟合的好坏程度,其中,误差平方和(SSE)越接近0,确定系数(R-square)越接近于1,模型选择、拟合效果以及数据预测越好。

在本实验的曲面拟合中,首先将不同温湿度环境下的红外式甲烷传感器的灵敏度数据(40个数据3组实验的平均值)表导入MATLAB,并命名为矩阵A,在Command Window中调用x=A(:,1);y=A(:,2);z=A(:,3)语句,x、y、z分别代表温度、相对湿度、传感器灵敏度值;然后进入曲线拟合工具箱,建立拟合任务,指定拟合参数与原始数据之间的对应关系。

通过对比4种曲面拟合方法的拟合优度参数,红外式甲烷传感器的灵敏度与温湿度的关系采用插值法进行曲面拟合。曲面拟合过程中,因温度、相对湿度和传感器灵敏度值三个参数不在同一数量级,为避免在计算过程中出现病态矩阵,复选“Center and scale”进行标准化。

曲面拟合执行后,拟合优度参数SSE为1.228e

-29

、R-square为1。复选View选单中的“Contour Plot”,将在三维曲面的下面同时显示等高线。红外式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的三维曲面见图4,红外式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的等高线见图5,图5中颜色所代表的值与图4相同。图5中相对湿度为20%及以下的值为曲面拟合出的无效值。

图4红外式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的三维曲面

图5红外式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的等高线

由图4、5可知,红外式甲烷传感器的灵敏度受环境温湿度的影响很不稳定。具体表现为以下3点。

a.深蓝色区域灵敏度值波动较小,此范围内甲烷的体积分数为0.011 60%~0.025 94%。

b.浅蓝色区域,即温度范围为-5~5 ℃、相对湿度范围为60%~95%的低温高湿环境,温度范围为10~20 ℃、相对湿度范围为60%~95%的环境,温度范围为-5~25 ℃、相对湿度范围为40%~60%的环境,以及温度范围为20~40 ℃、相对湿度范围为20%~40%的高温低湿环境,传感器的零漂很大,灵敏度值很大,为0.049 34%~0.104 70%,高出其他灵敏度值的2~3倍,此时,红外式甲烷传感器的灵敏性较差。

c.绿色、红色和黄色区域为无效区域,由于实验条件限制,以及温度与相对湿度的相互制约,实验过程中,相对湿度低于20%的环境并未出现。

同样,对不同温湿度环境下的催化式甲烷传感器的灵敏度数据进行处理。最终曲面拟合后,拟合优度参数SSE为1.341e

-32

,R-square为1;催化式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的三维曲面见图6,催化式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的等高线见图7,图7中颜色所代表的值与图6相同。

图6催化式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的三维曲面

图7催化式甲烷传感器的灵敏度值与温湿度曲面拟合后的等高线

由图6、7可知,催化式甲烷传感器的灵敏度受环境温湿度的影响很小。具体表现为以下2点。

a.浅蓝色与深蓝色区域灵敏度保持稳定,此范围内甲烷的体积分数为0.021 96%~0.027 55%。

b.绿色区域,即温度高于36 ℃、相对湿度高于40%的环境,零漂增大,灵敏度值小幅度增大,该区域内甲烷的体积分数为0.027 55%~0.033 00%。

对比红外式甲烷传感器与催化式甲烷传感器的曲面拟合及拟合后的等高线可知,红外式甲烷传感器的灵敏度受温湿度影响大,呈现出无规则的大幅度波动;而催化式甲烷传感器的灵敏度除温度高于36 ℃、相对湿度高于40%时略有上升外,始终保持稳定,因此催化式甲烷传感器更适合应用于综合管廊天然气舱室进行甲烷体积分数的检测。

5   结论

本文通过实验研究,分析红外式甲烷传感器与催化式甲烷传感器灵敏度受环境温湿度的影响情况,催化式甲烷传感器更适合应用于综合管廊天然气舱室进行甲烷体积分数的检测。

参考文献:

[1]林晓斌. 埋地天然气管道泄漏过程天然气在土壤中扩散的数值模拟研究(硕士学位论文)[D]. 北京:北京化工大学,2014:3.

[2]杨凯. 城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机理与灾害控制研究(博士学位论文)[D]. 北京:首都经济贸易大学,2016:2.

[3]陈伟. 数据清理关键技术及其软件平台的研究与应用(博士学位论文)[D]. 南京:南京航空航天大学,2005:1-3.

[4]邵明豪. 数据预处理技术的具体实现形式研究[J]. 网络安全技术与应用,2009(6):52-53,61.

[5]陈海燕,周俊林.数据清理的实现技术[J]. 新疆职业大学学报,2004,12(3):73-74,53.

[6]王骏,王士同,邓赵红.聚类分析研究中的若干问题[J]. 控制与决策,2012(3):321-328.

[7]许丽利. 聚类分析的算法及应用(硕士学位论文) [D]. 长春:吉林大学,2010:1-4.

[8]张静. 数据挖掘中聚类分析综述[J]. 价值工程,2014,(15):226-227.

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