1 引 言
煤礦安全生產(chǎn)是我國安全生產(chǎn)的重中之重，是全國人民都關(guān)注的焦點。煤礦輸氣管道內(nèi)甲烷濃度的在線檢測就是保障安全生產(chǎn)的必須條件之一。
本文討論的本安型甲烷在線檢測系統(tǒng)已被廣泛用于煤層氣抽放泵站、瓦斯發(fā)電站、煤礦井下煤層氣輸送管道、民用瓦斯輸送工程計量等各類管道甲烷檢測，還成功應(yīng)用于燃氣發(fā)電機組的空燃比電控系統(tǒng)甲烷濃度信號的采集，并實現(xiàn)閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在環(huán)境質(zhì)量檢測和污染源排放監(jiān)測領(lǐng)域，也有廣泛的應(yīng)用前景。
我國在線分析工程應(yīng)用領(lǐng)域，2008年由金義忠先生提出本安型樣氣處理系統(tǒng)的技術(shù)概念，并申請了“本安型樣氣處理系統(tǒng)”的發(fā)明專利，本系統(tǒng)最突出的技術(shù)特點就是本安型低壓差樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，實屬煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)急需的創(chuàng)新技術(shù)。本系統(tǒng)與引進國外的同類在線分析儀器相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、價格低、安裝維護簡便、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。
2 對樣氣處理系統(tǒng)的要求
2.1 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的核心地位
“樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)是在線分析工程技術(shù)的核心和關(guān)鍵技術(shù)。”[1]本安型樣氣處理系統(tǒng)自然也是本安型甲烷分析系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，如果達不到本質(zhì)安全的應(yīng)用要求，幾乎不可能應(yīng)用在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域。樣氣處理系統(tǒng)和紅外甲烷傳感器的適應(yīng)性匹配必須妥善解決，才能保障甲烷在線檢測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。
2.2 取樣點選擇
本系統(tǒng)巧妙利用輸氣管道上下游兩個取樣點的壓差構(gòu)成快速循環(huán)回路來實現(xiàn)自動取樣。直通式取樣管伸入工藝管道的長度最好大于管道通徑的三分之一，取樣管可選用φ12不銹鋼管，其末端斜口應(yīng)背向樣氣流，同時應(yīng)注意避免管道內(nèi)回水可能帶來沖擊的不利影響。
2.3 樣氣傳輸
樣氣傳輸管線越短越好，以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。為防止北方用戶冬季結(jié)冰的危害，應(yīng)采取必要的伴熱保溫措施：管道保溫材料可用硅酸鋁保溫繩，儀表箱可內(nèi)襯聚苯乙烯泡沫塑料，伴熱宜用蒸氣、暖氣或熱水，謹慎采用電伴熱帶（管）方式，必須嚴格評估其對安全性的影響。
2.4 樣氣處理
我國分析儀器的創(chuàng)始人和開拓者朱良漪教授生前曾精辟總結(jié)在線分析的“難點和閃點是：取樣系統(tǒng)、可靠性、少維護和軟件技術(shù)。”[2]在線分析樣氣處理的原則是樣氣成分不失真，樣氣處理裝置的可靠性、少維護、安全性以及低成本等，總之對工業(yè)生產(chǎn)惡劣的工程現(xiàn)場條件和嚴格的應(yīng)用條件必須有極強針對性，并保障實現(xiàn)協(xié)調(diào)運行的良好效果。
樣氣處理的具體要求是樣氣壓力控制、樣氣溫度調(diào)節(jié)、樣氣的除塵、除濕、樣氣流量控制以及干擾組分影響誤差的控制等。由于本安型的要求，應(yīng)避免采用抽氣泵。
2.5 尾氣處理
經(jīng)紅外甲烷傳感器檢測后的尾氣不可以直接排空，必須經(jīng)過回收管道直接回流入輸氣管道，真正做到零排放，從而避免造成使用環(huán)境的安全隱患和環(huán)境污染。
2.6 取樣條件
樣氣溫度 ＞50°
樣氣濕度 ＞95% RH
樣氣壓力 ＞100 kPa（管道正壓）
樣氣壓差 ＜500 Pa（上游取樣點和下游回流點之間的壓力差）
樣氣流量 ＞300 ml/min
3 本安型樣氣處理系統(tǒng)的設(shè)計
圖1是水平管道樣氣處理系統(tǒng)氣路流程圖，圖2的氣路流程圖與圖1完全相同，只是適用于豎直類輸氣管道。
圖1 水平管道樣氣處理系統(tǒng)氣路流程圖
1-工藝管道 2-取樣管 3-調(diào)節(jié)閥 4-冷卻/溢流裝置 5-氣水分離器 6-流量計 7-校準用切換閥 8-紅外甲烷傳感器 9-快速置換旁路 10-回流管路 11-排污閥 12-截止閥
圖2 豎直管道樣氣處理系統(tǒng)氣路流程圖
3.1 樣氣處理的過程
輸氣管道中的源流體經(jīng)取樣管取樣后，流經(jīng)冷卻裝置降溫,冷凝水進入溢流裝置后自動溢流排放到回流管路。樣氣進入氣水分離器進一步降溫并實現(xiàn)進一步的氣水分離，并過濾除去粉塵等雜質(zhì)。其濾芯采用重慶凌卡分析儀器有限公司具有納米疏水特性的超微孔SiC高效過濾元件，過濾＞1μm的粉塵可達99%，也能凝結(jié)分離和攔截＞1μm粒度的細細液霧。樣氣進入甲烷傳感器前要加熱升溫，以避免檢測時發(fā)生冷凝，影響檢測準確度?；亓鞴艿朗羌苁椒忾]排放，回流輸氣管道實現(xiàn)零排放。校準用切換閥用于現(xiàn)場免拆卸校準傳感器。
由于煤礦生產(chǎn)安全防爆的特殊要求，樣氣處理系統(tǒng)的防靜電設(shè)計也十分重要，必須切實做到位。
3.2 本系統(tǒng)的技術(shù)特點
在線分析工程技術(shù)的專業(yè)理論，將樣氣壓力＜0.01 MPa（即10kPa）定義為負壓類，一般都要使用抽氣泵，這是此類樣氣處理系統(tǒng)的標志性部件。本系統(tǒng)的取樣壓差低至500 Pa以下，卻沒有采用抽氣泵。這一技術(shù)新思維及低壓差樣氣處理技術(shù)方案比較容易地實現(xiàn)本安型的苛刻要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、小巧，使用維護簡便，運行協(xié)調(diào)、可靠，成本也低，為推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
4 本安型甲烷在線檢測系統(tǒng)
煤礦輸氣管道用本安型紅外甲烷在線檢測系統(tǒng)由GJG1000H（B）型紅外甲烷傳感器、本安型樣氣處理系統(tǒng)和防雨型儀表箱組成。本系統(tǒng)是采用在線分析系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗，針對煤礦瓦斯抽放甲烷在線檢測的應(yīng)用要求和工程現(xiàn)場樣氣條件、環(huán)境條件研制的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。
煤炭生產(chǎn)使用瓦斯報警器由來已久，但應(yīng)用甲烷在線分析系統(tǒng)還是近幾年的安全新舉措，由于在線應(yīng)用的苛刻要求，條件的惡劣和樣氣處理的困難曾被視為是不可逾越的技術(shù)障礙。本系統(tǒng)的研制可認為是在線分析工程應(yīng)用領(lǐng)域的一次技術(shù)突破。
4.1 紅外甲烷傳感器
紅外甲烷傳感器采用非分光紅外光譜法（NDIR），可測定對2～12 μm紅外波段有選擇性吸收的非單元素氣體。根據(jù)郎伯-比爾吸收定律：
式中：
I0—紅外輻射被氣體吸收前的能量
I—紅外輻射被氣體吸收后的能量
K—被測組分的光能吸收系數(shù)（消光系數(shù)）
C—吸收氣體（即被測組分）的濃度
L—光程，即紅外輻射經(jīng)過吸收氣體層的長度
紅外甲烷傳感器與熱導(dǎo)、催化等甲烷傳感器相比，具有測量范圍寬、靈敏度高、檢測準確、選擇性好和反應(yīng)速度快等優(yōu)點。紅外甲烷傳感器實現(xiàn)了高精度甲烷檢測，同時保持了傳統(tǒng)甲烷報警類設(shè)備的小體積，適應(yīng)煤炭產(chǎn)業(yè)的行業(yè)特點。
紅外甲烷傳感器通過連接電纜以12~24 VDC本質(zhì)安全型電源供電，最大輸入電流小于100 mA，輸出線性的4～20 mA信號或200～1000 Hz信號，屬本質(zhì)安全型設(shè)備，防爆標志代號為ExibⅠ。在線連續(xù)檢測的技術(shù)本質(zhì)上應(yīng)屬于本安型紅外在線分析器，煤炭行業(yè)習(xí)慣稱作紅外傳感器。
紅外甲烷傳感器可設(shè)置干擾濾光片來降低干擾組分（如SO2、H2O等）的干擾誤差。
4.2 樣氣處理系
樣氣處理系統(tǒng)的低壓差取樣的適應(yīng)性及反應(yīng)速度都應(yīng)在實際試驗中測定。
經(jīng)實測，本樣氣處理系統(tǒng)在300 ml/min的最佳流量下的氣流阻力是180 Pa，遠小于500 Pa，系統(tǒng)的總滯后時間小于15S。
5 結(jié) 論
本系統(tǒng)按照GB3836.1-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第一部分：通用要求》，GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第四部分：本質(zhì)安全“i”》設(shè)計制造。
將非分光紅外甲烷傳感器應(yīng)用于煤礦瓦斯抽放類管道甲烷濃度在線檢測是當代前沒技術(shù)，特殊應(yīng)用要求下本安型樣氣處理系統(tǒng)的研制成功，有一定新穎的創(chuàng)新性。
本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)在線分析系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，造價高，使用維護復(fù)雜、困難的缺點，具有性價比高，體積?。▋x表箱體積僅為0.06 m3）、重量輕，安裝維護簡便，免拆卸校準傳感器等一系列優(yōu)點。由于采用結(jié)構(gòu)簡單和低成本的本安型設(shè)計，特別適用于煤炭生產(chǎn)中甲烷的實時自動檢測。
參考文獻
1 金義忠、曹以剛， 在線分析工程技術(shù)導(dǎo)論，分析儀器，2008，（5）：39-45
2 朱良漪，21世紀的前沿技術(shù) “分析技術(shù)”與“自動化”的系統(tǒng)集成，第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國際論壇 論文集，2007：4-6