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)測領域，也有廣泛的應用前景。
我國在線分析工程應用領域，2008年由金義忠先生提出本安型樣氣處理系統(tǒng)的技術概念，并申請了“本安型樣氣處理系統(tǒng)”的發(fā)明專利，本系統(tǒng)最突出的技術特點就是本安型低壓差樣氣處理系統(tǒng)技術，實屬煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)急需的創(chuàng)新技術。本系統(tǒng)與引進國外的同類在線分析儀器相比，具有結構緊湊、價格低、安裝維護簡便、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。
2 對樣氣處理系統(tǒng)的要求
2.1 樣氣處理系統(tǒng)技術的核心地位
“樣氣處理系統(tǒng)技術是在線分析工程技術的核心和關鍵技術。”[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)的核心和關鍵技術，如果達不到本質(zhì)安全的應用要求，幾乎不可能應用在煤礦生產(chǎn)領域。樣氣處理系統(tǒng)和紅外甲烷傳感器的適應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，其末端斜口應背向樣氣流，同時應注意避免管道內(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)的反應速度。為防止北方用戶冬季結冰的危害，應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。”[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)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)的防靜電設計也十分重要，必須切實做到位。
3.2 本系統(tǒng)的技術特點
在線分析工程技術的專業(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。這一技術新思維及低壓差樣氣處理技術方案比較容易地實現(xiàn)本安型的苛刻要求，而且結構簡單、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)技術經(jīng)驗，針對煤礦瓦斯抽放甲烷在線檢測的應用要求和工程現(xiàn)場樣氣條件、環(huán)境條件研制的，具有自主知識產(chǎn)權。
煤炭生產(chǎn)使用瓦斯報警器由來已久，但應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障礙。本系統(tǒng)的研制可認為是在線分析工程應用領域的一次技術突破。
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)甲烷報警類設備的小體積，適應煤炭產(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)安全型設備，防爆標志代號為ExibⅠ。在線連續(xù)檢測的技術本質(zhì)上應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性及反應速度都應在實際試驗中測定。
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 論
本系統(tǒng)按照GB3836.1-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第一部分：通用要求》，GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第四部分：本質(zhì)安全“i”》設計制造。
將非分光紅外甲烷傳感器應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，特殊應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，體積小（儀表箱體積僅為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。由于采用結構簡單和低成本的本安型設計，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， 在線分析工程技術導論，分析儀器，2008，（5）：39-45
2 朱良漪，21世紀的前沿技術 “分析技術”與“自動化”的系統(tǒng)集成，第二屆在線分析儀器應用及發(fā)展國際論壇 論文集，2007：4-6