煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中重要的組成部分

瓦斯是煤炭開采過程中產(chǎn)生的伴生氣，是導致煤礦安全事故的五大災害之一。據(jù)統(tǒng)計，每年瓦斯爆炸造成的人員傷亡占煤礦所有重大傷亡事故人數(shù)的50%以上，為此，國家提出瓦斯治理十二字方針，即“先抽后采，以風定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控”。

“先抽后采”就是在煤礦瓦斯突出的煤層開采之前，必須對煤層中的瓦斯進行抽采，消除瓦斯隱患后再開采，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件，是從源頭上治理瓦斯災害的關鍵舉措。因此，對瓦斯抽采管道的濃度在線監(jiān)測是煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中重要的組成部分。

煤礦瓦斯主要成份是甲烷，濃度一般在3%-40%VOL，并且瓦斯氣中帶有水汽和煤粉。目前，檢測甲烷氣體的傳感器主要包括催化燃燒式甲烷氣體傳感器、平面半導體氣體傳感器、紅外/激光類型的傳感器等，每種檢測原理都有各自的優(yōu)缺點。

針對抽采瓦斯的工況，要進行甲烷濃度實時監(jiān)測是具有相當大的挑戰(zhàn)性：水汽和煤粉對于氣體傳感器性能和壽命具有很大的破壞性，必須加裝前端過濾系統(tǒng)；如此高濃度的甲烷，已經(jīng)超出催化燃燒、平面半導體等傳統(tǒng)傳感器的量程。綜上所述，對氣體的除水除塵等預處理以及傳感器種類的選擇，就顯得尤為重要。

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感聞環(huán)境提出的解決方案

1、系統(tǒng)組成

本技術方案基于防爆伴熱抽取式測量來制定。系統(tǒng)主要由采樣部分、預處理部分、氣體分析部分、傳輸管線、正壓防爆機柜等組成。系統(tǒng)原理圖如下。

圖一、系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)分析儀表采用紅外氣體分析儀檢測甲烷氣體，能夠測量多種氣體濃度，具有測量范圍寬、選擇性好、不會中毒、使用壽命長、功耗低、便于操作與維護、與計算機技術相結合可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測等諸多優(yōu)點；預處理部分為國內(nèi)集成，有防爆采樣探頭，防爆采樣管，旋風冷凝器，過濾器等組成。本系統(tǒng)可將所有監(jiān)測信號以隔離的4～20mADC信號輸出，或是數(shù)字信號，可以根據(jù)需求定制。

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2、適用規(guī)范和標準

檢測設備滿足但不限于下列標準：

大氣物排放標準（GB13223）

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范（HJ/T75－2007）

HJ/T76－2007固定源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法

煤礦卸壓瓦斯地面鉆井抽采技術方法NB/T10366-2019

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3、系統(tǒng)工作原理和特點

設計了三級過濾系統(tǒng)，確保氣體分析儀能夠穩(wěn)定工作，測量精確；

系統(tǒng)高溫抽取流程，取樣器、取樣管、抽氣泵、各類管接頭等均采用316L不銹鋼、提高了系統(tǒng)防腐性，保證了系統(tǒng)的使用壽命；

針對易燃易爆氣體我們采用旋風冷凝裝置，除去樣氣中的水，保證分析儀的檢測過程順利進行；獨特的螺旋設計保證測量數(shù)據(jù)的真實、準確性；

排水系統(tǒng)為漸進式蠕動泵，可以時時進行排水增加采樣的有效時間，穩(wěn)定性大大增強，避免了以前壓縮空氣的干擾；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高度集成在機柜中，操作界面更加合理，人性化，增加了采樣等周期調(diào)節(jié)等；

全套系統(tǒng)安裝在正壓防爆機柜中；

紅外分析儀精度高，穩(wěn)定性能好；

具有數(shù)據(jù)比較、處理、自動校對、量程范圍設定、超限報警聯(lián)鎖功能；

系統(tǒng)采用PLC控制，智能化分析儀表，具有自動化程度高、維護工作量小、數(shù)據(jù)處理快速方便。

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各子系統(tǒng)詳細介紹

1、采樣部分

圖二、防爆采樣探頭

隔爆采樣探頭可為氣體連續(xù)采樣提供精細的過濾。在氣體樣品進入采樣管線之前，濾除粒徑大小不等的顆粒物。探頭具有加熱功能，能使樣品氣體溫度在露點以上，以防止出現(xiàn)冷凝。

伴熱管纜是將氣體從采樣探頭運輸?shù)椒治鰴C柜的通道。因環(huán)境溫度下水汽是會凝結，為避免樣氣中的水汽凝結而造成監(jiān)測組分的流失。就需要將這個通道內(nèi)的溫度加熱至110℃以上，同時需要有良好的保溫裝置。

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2、防爆伴熱線

耐腐伴熱采樣復合管是一組由耐腐蝕高性能樹脂管與自限溫伴熱帶組成內(nèi)芯，外加保溫層、鋁帶，最后敷以阻燃聚烯烴保護外套復合而成。主要用于監(jiān)測控制系統(tǒng)采集樣氣。在石油、化工、電力、冶金、焦化、環(huán)保等行業(yè)得到廣泛應用。

圖三、耐腐伴熱采樣復合管

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3、正壓防爆機柜：

圖四、正壓防爆機柜

正壓防爆機柜功能：

當氣壓高于1000Pa時，泄壓閥自動開啟排氣閥，自動調(diào)整內(nèi)部氣壓，保證產(chǎn)品不受高氣壓沖擊而變形損壞；

當氣壓低于50Pa時，自控系統(tǒng)自動發(fā)出報警以及輸出報警信號，需調(diào)整內(nèi)部壓力，補氣成功時，自動恢復正常，否則必要時可設置系統(tǒng)自動斷電（國標規(guī)定1區(qū)低壓報警需切斷柜體電源，2區(qū)低壓報警可以不切斷電源）；

只有柜體氣壓滿足規(guī)定的氣壓要求時，正壓吹掃控制系統(tǒng)會對柜體進行有效換氣（1區(qū)需置換7倍柜體自由空間，2區(qū)需置換5倍柜體自由空間），當有效換氣完成后提供信號給柜體送電；

柜體內(nèi)的工作氣壓為50Pa≤P≤1000Pa。

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4、預處理部分

機柜里安裝的預處理設備單元包括：旋風冷凝器、耐腐抽氣泵、二級過濾器、流量計等。

預處理的作用是將樣氣凈化、除塵、除濕，其過濾精度可達0.1μ，將符合分析儀器要求的超凈、恒溫、流量穩(wěn)定的樣氣，源源不斷送入分析儀器，從而確保了分析儀器的分析準確性和長期可靠性。

系統(tǒng)連續(xù)工作，正常無須維護。如有出錯或維護要求時系統(tǒng)有相應的信號送往控制室，維護人員及時發(fā)現(xiàn)。

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5、紅外氣體分析儀

圖五、紅外甲烷氣體分析儀

紅外多組份分析儀測量甲烷分析儀提供自動標定功能，用周圍環(huán)境氣體標定零點，同時敏感性被校正。各參數(shù)通道相對獨立，性能穩(wěn)定可靠，智能化程度高。多組份氣體分析系統(tǒng)，配非色散紅外吸收法分析模塊和電化學氧分析模塊；同時監(jiān)測甲烷等氣體組分。

測量經(jīng)吸收后紅外光的強度便能計算出相應氣體的濃度，這便是紅外氣體分析的理論根據(jù)。紅外氣體分析儀利用了甲烷氣體具有較強的特征吸收帶這一特性，通過測量氣體吸收光強分析甲烷等含量。

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