舱室气体自动监控系统的研究与应用

尹志双，秦羽舟

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

在船舶建造过程中，存在大量密闭空间施工的情况。由于进出口受限、自然通风不良，易产生有毒有害、易燃易爆物质积聚以及氧气含量不足的问题，这往往会造成事故。因此，工作人员在密闭空间作业时，要时刻监测舱室气体浓度，保障人身安全。目前，施工人员通常采用手持式易燃易爆检测仪对密闭空间的相关气体含量进行监测，这种检测仪只能监测某一时间点该区域易燃易爆气体的含量，不能在施工过程中进行全天候监测。此外，由于气体成分不同，气体在密闭舱室空间分布情况也会有所不同，这就导致人为监测往往存在监测盲区。

随着船舶建造数量逐年上升，工作负荷逐渐加大，施工人员更容易忽视密闭空间的施工安全问题。本文对气体监控现状进行分析，提出一种可以准确进行全天候监测、保障作业安全的智能化舱室气体监控系统，以降低安监人员劳动负荷、提高工作效率、保障作业人员安全。

1 国内外气体监控现状调研

目前我国普遍采用人工监测的方式，由施工人员手持单一种类气体检测仪（见图1），直接进入待检测区域，对施工区域气体进行数据采样分析，停留一段时间后，离开所测区域。人工监测存在3个缺点：1）人工监测气体种类单一，覆盖范围小；2）人工监测气体效率低下，存在盲区，不能实现全天候连续监测，无法第一时间发现并处理突发情况；3）人工监测气体方式落后，设备不够先进，功能性不强。

图1 手持气体检测仪

美国和日本等发达国家通常采用无人巡检的监测方式。这种监测方式由监测人员通过控制机器车或机器人进入到监测区域，对气体信息进行收集。无人巡检能够解决巡检人员安全性的问题，但是存在造价成本高、易发生故障和维修困难等问题，这限制了无人巡检的普及。

2 气体自动监控系统研究

2.1 多种类气体监测研究

在船舶建造和涂装过程中会产生各种各样的有毒有害气体，手持气体监测仪可检测的气体种类覆盖范围小，不具备多种气体同步检测的条件，且对油漆挥发的有毒有害气体缺乏针对性分析。这就导致了施工场所的安全性问题较为严重。为缓解上述问题，需要对喷涂作业中挥发气体的种类、挥发气体的主要成分和含量进行分析。

1）确定主要的挥发气体及其来源

挥发气体主要来源于喷涂作业时使用的油漆，根据涂装方案，摘取常用油漆及挥发气体明细表（见表1），确定油漆挥发的主要成分为苯、二甲苯和丁醇。

表1 常用油漆及挥发气体明细表（续）

表1 常用油漆及挥发气体明细表

2）确定挥发气体的燃烧/爆炸浓度极限

梳理苯、二甲苯和丁醇的闪点和沸点，确定气体的爆炸浓度极限（见表2）。

表2 挥发气体爆炸浓度极限

2.2 气体自动监控系统构成及功能研究

为了解决人工监测效率低下、存在盲区、无法全天候监测等问题，亟待研发一种可进行全天候监测、为作业安全提供保障的智能化舱室气体监控系统（见图 2）。

图2 气体监控系统运行原理图

目前气体自动监控系统信号输送方式主要为有线连接和无线连接。无论是哪种传输方式，其系统构成基本相同，主要由监控主机、可燃气体探测器、可燃气体报警控制器、声光报警器、风机、联动控制箱、电磁阀和喷枪等设备构成。对于气体监测系统，最重要的因素是气体传感器的质量和数据传输的及时性。传感器质量的好坏关系到气体监测的准确性，数据的传输效果会影响监测结果的判断。

气体自动监控系统工作原理为：可燃气体探测器实时监测周围气体浓度值，将浓度值通过有线/无线信号发送给可燃气体报警控制器，然后将气体浓度值转发给主机。主机记录并分析浓度值，当气体浓度超过阈值时，声光报警器发出高分贝声音并闪烁亮光警告施工人员及时撤离。与此同时，主机向联动控制箱发送信号以控制电磁阀开关，及时切断喷枪喷涂作业，降低密闭空间中挥发气体的浓度值。

下面对气体自动监控系统的各组成部分进行介绍。

1）监控主机

可燃气体报警控制器将气体浓度值转发给主机，主机记录并分析浓度值变化趋势，当气体浓度接近或达到报警阈值时，主机界面显示报警信息，供工作人员参考处理。

2）可燃气体探测器

参考《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，根据现场船舱密闭空间的大小及探测气体的种类，布置可燃气体探测器。声光报警器可与现场的可燃气体报警器一起使用，当用于防爆场合时，使用的设备必须是隔爆设备。当气体浓度超过设定值时，声光报警器会提示现场操作人员及时做相应处理。

3）风机

风机由联动控制箱供电，并受到主机系统的控制。当风机出现故障停止工作时，主机系统会检测到故障信号，进而自动切断电磁阀，停止喷漆作业。

4）联动控制箱

联动控制箱与主机系统连接，负责监测风机故障信号，并将故障信号反馈至主机。

5）电磁阀

电磁阀安装于喷漆泵的压力管道上，在喷枪的使用过程中，当船舱的可燃气体浓度超过设定值后，控制器将联动信号传递至电池阀，自动关闭阀门，及时切断喷枪喷涂作业。

6）喷枪

喷枪为整套系统的末端执行机构，与电磁阀相连。通过设备之间的联动，系统可对气体浓度和风机状态实现有效监测，通过中央控制器内部算法、风机状态监测模块、气体浓度监测模块和气泵无线控制模块、实现喷涂场所环境安全监测及智能控制。此外，系统的云平台会实时监测数据，对报警信息和控制信息进行记录，具有大数据分析和事前故障预警提醒等功能。

2.3 气体自动监测系统功能性研究

气体自动监测系统具有8个主要功能：

1）声光报警功能

当检测到气体浓度高于或低于报警设定值时，声光报警器自动响应，发出声光报警信号，响应时间≤3 s。

2）24 h连续监测功能

自动监测系统可对可燃气体、有毒气体和烟雾进行24 h连续监测。当气体浓度超过阈值时，系统用户界面会弹出报警信息，响应时间≤3 s。

表3 挥发气体阈值

3）系统自检功能

通常情况下，报警设备和探测器的工作环境恶劣，难以进行日常防护。因此，系统必须具备自检功能

4）实时位置显示功能

系统平台对各区域的气体浓度值进行监测，根据实际测量位置，在地图上进行实时数值显示。

5）数据查询功能

数据查询功能包括历史数据查询分析、报警记录查询分析以及数据报表导出。

6）数据分析功能

系统可以对来自不同传感器的历史气体浓度值和报警次数等信息进行多维度分析，以图表方式展示分析结果并显示报警信息。

7）提前预警功能

当气体浓度值增减速异常，或者在正常区间波动即将突破警戒线的情况下，系统会提前弹出警告信息，并预判报警倒计时，倒计时精度为±1 s。

表4 挥发气体预警值

8）气泵紧急切断功能

当可燃气体浓度超过设定报警值后，控制器提供联动信号给到安装于喷漆泵压力管道上的电磁阀，自动关闭阀门，及时切断喷枪喷涂作业。当密闭舱室环境温度≥40 ℃时，则自动启动声光报警，并切断气泵，关闭响应时间≤3 s。

通过对气体自动监测系统功能性研究和实船试验，证明了该系统还具备进一步的升级空间，可与人员定位系统进行联动，做到真正意义上的覆盖各类船型。

3 结论

本文通过对智能化舱室气体监测系统的研究，实现了密闭空间气体浓度实时监测、声光报警、气泵切断、自我检测、位置显示、数据查询、数据分析和提前预警等功能，可有效提高生产过程的安全性和工作效率，降低安监人员的劳动负荷，减少事故损失造成的企业直接经济效益。