1 引 言
煤礦安全生產(chǎn)是我國(guó)安全生產(chǎn)的重中之重，是全國(guó)人民都關(guān)注的焦點(diǎn)。煤礦輸氣管道內(nèi)甲烷濃度的在線檢測(cè)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(cè)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(jì)量等各類管道甲烷檢測(cè)，還成功應(yīng)用于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的空燃比電控系統(tǒng)甲烷濃度信號(hào)的采集，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)和污染源排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，也有廣泛的應(yīng)用前景。
我國(guó)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(qǐng)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(diǎn)就是本安型低壓差樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)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(jìn)國(guó)外的同類在線分析儀器相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
2 對(duì)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(dá)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(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 取樣點(diǎn)選擇
本系統(tǒng)巧妙利用輸氣管道上下游兩個(gè)取樣點(diǎn)的壓差構(gòu)成快速循環(huán)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣。直通式取樣管伸入工藝管道的長(zhǎng)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(shí)應(yīng)注意避免管道內(nèi)回水可能帶來(lái)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(jǐn)慎采用電伴熱帶（管）方式，必須嚴(yán)格評(píng)估其對(duì)安全性的影響。
2.4 樣氣處理
我國(guó)分析儀器的創(chuàng)始人和開(kāi)拓者朱良漪教授生前曾精辟總結(jié)在線分析的“難點(diǎn)和閃點(diǎn)是：取樣系統(tǒng)、可靠性、少維護(hù)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(hù)、安全性以及低成本等，總之對(duì)工業(yè)生產(chǎn)惡劣的工程現(xiàn)場(chǎng)條件和嚴(yán)格的應(yīng)用條件必須有極強(qiáng)針對(duì)性，并保障實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)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(cè)后的尾氣不可以直接排空，必須經(jīng)過(guò)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(diǎn)和下游回流點(diǎn)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(jì)
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(jì) 7-校準(zhǔn)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(guò)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(jìn)入溢流裝置后自動(dòng)溢流排放到回流管路。樣氣進(jìn)入氣水分離器進(jìn)一步降溫并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的氣水分離，并過(guò)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(guò)濾元件，過(guò)濾＞1μm的粉塵可達(dá)99%，也能凝結(jié)分離和攔截＞1μm粒度的細(xì)細(xì)液霧。樣氣進(jìn)入甲烷傳感器前要加熱升溫，以避免檢測(cè)時(shí)發(fā)生冷凝，影響檢測(cè)準(zhǔn)確度?；亓鞴艿朗羌苁椒忾]排放，回流輸氣管道實(shí)現(xiàn)零排放。校準(zhǔn)用切換閥用于現(xiàn)場(chǎng)免拆卸校準(zhǔn)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(jì)也十分重要，必須切實(shí)做到位。
3.2 本系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
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(fù)壓類，一般都要使用抽氣泵，這是此類樣氣處理系統(tǒng)的標(biāo)志性部件。本系統(tǒng)的取樣壓差低至500 Pa以下，卻沒(méi)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(shí)現(xiàn)本安型的苛刻要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，使用維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)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(cè)系統(tǒng)
煤礦輸氣管道用本安型紅外甲烷在線檢測(cè)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(yàn)，針對(duì)煤礦瓦斯抽放甲烷在線檢測(cè)的應(yīng)用要求和工程現(xiàn)場(chǎng)樣氣條件、環(huán)境條件研制的，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
煤炭生產(chǎn)使用瓦斯報(bào)警器由來(lái)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(rèn)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(cè)定對(duì)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(cè)組分的光能吸收系數(shù)（消光系數(shù)）
C—吸收氣體（即被測(cè)組分）的濃度
L—光程，即紅外輻射經(jīng)過(guò)吸收氣體層的長(zhǎng)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(cè)量范圍寬、靈敏度高、檢測(cè)準(zhǔn)確、選擇性好和反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。紅外甲烷傳感器實(shí)現(xiàn)了高精度甲烷檢測(cè)，同時(shí)保持了傳統(tǒng)甲烷報(bào)警類設(shè)備的小體積，適應(yīng)煤炭產(chǎn)業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)。
紅外甲烷傳感器通過(guò)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(hào)或200～1000 Hz信號(hào)，屬本質(zhì)安全型設(shè)備，防爆標(biāo)志代號(hào)為ExibⅠ。在線連續(xù)檢測(cè)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(lái)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(shí)際試驗(yàn)中測(cè)定。
經(jīng)實(shí)測(cè)，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(yuǎn)小于500 Pa，系統(tǒng)的總滯后時(shí)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(jì)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(cè)是當(dāng)代前沒(méi)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(jià)高，使用維護(hù)復(fù)雜、困難的缺點(diǎn)，具有性價(jià)比高，體積?。▋x表箱體積僅為0.06 m3）、重量輕，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便，免拆卸校準(zhǔn)傳感器等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低成本的本安型設(shè)計(jì)，特別適用于煤炭生產(chǎn)中甲烷的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)。
參考文獻(xiàn)
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(jì)的前沿技術(shù) “分析技術(shù)”與“自動(dòng)化”的系統(tǒng)集成，第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇 論文集，2007：4-6