摘 要  在線分析系統(tǒng)已經(jīng)突破和超越了在線分析器是不爭的事實,，在線分析系統(tǒng)在工程應(yīng)用中發(fā)生的故障比起分析器的故障來,，有更加廣泛,、更為復雜和針對煤礦輸氣管道甲烷檢測的應(yīng)用要求及環(huán)境條件的特殊性,，設(shè)計一種能夠適應(yīng)在線檢測的本安型樣氣處理系統(tǒng),，進而采用紅外甲烷傳感器研制成本安型甲烷在線檢測系統(tǒng)，成功實現(xiàn)煤礦輸氣管道甲烷長期穩(wěn)定的閉環(huán)檢測,。

   關(guān)鍵詞  輸氣管道  安全型  樣氣處理系統(tǒng)  甲烷傳感器  在線檢測系統(tǒng)

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,，本系統(tǒng)zui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*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*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*，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*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,。回流管道是集管式封閉排放,，回流輸氣管道實現(xiàn)*,。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,、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,，zui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*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  *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,、復雜，造價高,，使用維護復雜,、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)展論壇  論文集,，2007：4-6