瓦斯是煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的伴生氣，是導(dǎo)致煤礦安全事故的五大災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guó)家提出瓦斯治理十二字方針，即“先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”。

“先抽后采”就是在煤礦瓦斯突出的煤層開(kāi)采之前，必須對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，消除瓦斯隱患后再開(kāi)采，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件，是從源頭上治理瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵舉措。因此，對(duì)瓦斯抽采管道的濃度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是煤礦安全監(jiān)測(cè)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(cè)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(dǎo)體氣體傳感器、紅外/激光類(lèi)型的傳感器等，每種檢測(cè)原理都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

針對(duì)抽采瓦斯的工況，要進(jìn)行甲烷濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性：水汽和煤粉對(duì)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(guò)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(dǎo)體等傳統(tǒng)傳感器的量程。綜上所述，對(duì)氣體的除水除塵等預(yù)處理以及傳感器種類(lèi)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(shù)方案基于防爆伴熱抽取式測(cè)量來(lái)制定。系統(tǒng)主要由采樣部分、預(yù)處理部分、氣體分析部分、傳輸管線(xiàn)、正壓防爆機(jī)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(cè)甲烷氣體，能夠測(cè)量多種氣體濃度，具有測(cè)量范圍寬、選擇性好、不會(huì)中毒、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、便于操作與維護(hù)、與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)；預(yù)處理部分為國(guó)內(nèi)集成，有防爆采樣探頭，防爆采樣管，旋風(fēng)冷凝器，過(guò)濾器等組成。本系統(tǒng)可將所有監(jiān)測(cè)信號(hào)以隔離的4～20mADC信號(hào)輸出，或是數(shù)字信號(hào)，可以根據(jù)需求定制。

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2、適用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)設(shè)備滿(mǎn)足但不限于下列標(biāo)準(zhǔn)：

大氣物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223）

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（HJ/T75－2007）

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

煤礦卸壓瓦斯地面鉆井抽采技術(shù)方法NB/T10366-2019

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3、系統(tǒng)工作原理和特點(diǎn)

設(shè)計(jì)了三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)，確保氣體分析儀能夠穩(wěn)定工作，測(cè)量精確；

系統(tǒng)高溫抽取流程，取樣器、取樣管、抽氣泵、各類(lèi)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(duì)易燃易爆氣體我們采用旋風(fēng)冷凝裝置，除去樣氣中的水，保證分析儀的檢測(cè)過(guò)程順利進(jìn)行；獨(dú)特的螺旋設(shè)計(jì)保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確性；

排水系統(tǒng)為漸進(jìn)式蠕動(dòng)泵，可以時(shí)時(shí)進(jìn)行排水增加采樣的有效時(shí)間，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，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(jī)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(jī)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(dòng)校對(duì)、量程范圍設(shè)定、超限報(bào)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(dòng)化程度高、維護(hù)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(xì)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(xì)的過(guò)濾。在氣體樣品進(jìn)入采樣管線(xiàn)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(diǎn)以上，以防止出現(xiàn)冷凝。

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

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2、防爆伴熱線(xiàn)

耐腐伴熱采樣復(fù)合管是一組由耐腐蝕高性能樹(shù)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(hù)外套復(fù)合而成。主要用于監(jiān)測(cè)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(yīng)用。

圖三、耐腐伴熱采樣復(fù)合管

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3、正壓防爆機(jī)柜：

圖四、正壓防爆機(jī)柜

正壓防爆機(jī)柜功能：

當(dāng)氣壓高于1000Pa時(shí)，泄壓閥自動(dòng)開(kāi)啟排氣閥，自動(dòng)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(dāng)氣壓低于50Pa時(shí)，自控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警以及輸出報(bào)警信號(hào)，需調(diào)整內(nèi)部壓力，補(bǔ)氣成功時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)正常，否則必要時(shí)可設(shè)置系統(tǒng)自動(dòng)斷電（國(guó)標(biāo)規(guī)定1區(qū)低壓報(bào)警需切斷柜體電源，2區(qū)低壓報(bào)警可以不切斷電源）；

只有柜體氣壓滿(mǎn)足規(guī)定的氣壓要求時(shí)，正壓吹掃控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)柜體進(jìn)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(dāng)有效換氣完成后提供信號(hào)給柜體送電；

柜體內(nèi)的工作氣壓為50Pa≤P≤1000Pa。

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4、預(yù)處理部分

機(jī)柜里安裝的預(yù)處理設(shè)備單元包括：旋風(fēng)冷凝器、耐腐抽氣泵、二級(jí)過(guò)濾器、流量計(jì)等。

預(yù)處理的作用是將樣氣凈化、除塵、除濕，其過(guò)濾精度可達(dá)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(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可靠性。

系統(tǒng)連續(xù)工作，正常無(wú)須維護(hù)。如有出錯(cuò)或維護(hù)要求時(shí)系統(tǒng)有相應(yīng)的信號(hào)送往控制室，維護(hù)人員及時(shí)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(cè)量甲烷分析儀提供自動(dòng)標(biāo)定功能，用周?chē)h(huán)境氣體標(biāo)定零點(diǎn)，同時(shí)敏感性被校正。各參數(shù)通道相對(duì)獨(dú)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(xué)氧分析模塊；同時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷等氣體組分。

測(cè)量經(jīng)吸收后紅外光的強(qiáng)度便能計(jì)算出相應(yīng)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(qiáng)的特征吸收帶這一特性，通過(guò)測(cè)量氣體吸收光強(qiáng)分析甲烷等含量。

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