李 軍　孫世嶺　龔仲?gòu)?qiáng)　張書林 　郭清華　王　堯

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

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儀器研制與改進(jìn)

一種微差壓原位式取樣激光甲烷在線分析系統(tǒng)

李 軍1 ,2孫世嶺1,2龔仲?gòu)?qiáng)1,2張書林1,2郭清華1,2王堯1,2

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

設(shè)計(jì)了一種煤礦抽放管道原位式微差壓取樣裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道甲烷氣體進(jìn)行在線式準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。裝置中的甲烷在線分析儀采用先進(jìn)的可調(diào)諧激光光譜吸收技術(shù)，具有高分辨率、抗干擾、響應(yīng)快、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。該技術(shù)的成功應(yīng)用將為瓦斯抽采管道內(nèi)甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供一種準(zhǔn)確有效的解決方法。

微差壓取樣吸收光譜甲烷激光

礦井中的有害氣體[1]主要是以甲烷為主構(gòu)成的煤層氣，有時(shí)單指甲烷。礦井瓦斯抽放是為了減少和解除瓦斯對(duì)煤礦安全的威脅，利用機(jī)械設(shè)備和專用管道造成的負(fù)壓，將煤層中存在或釋放出來(lái)的瓦斯抽出，輸送到地面或其他安全地點(diǎn)的方法。瓦斯抽放是消除重大瓦斯事故的治本措施，能夠解決僅靠通風(fēng)難以解決的問題，降低礦井通風(fēng)成本，有效利用寶貴的瓦斯資源。我國(guó)是以礦井瓦斯涌出量的大小作為瓦斯抽放的基本條件的，總的原則[2]是：如果用通風(fēng)方法不能將涌出的瓦斯稀釋到《煤礦安全規(guī)程》允許的安全濃度，就必須考慮進(jìn)行瓦斯抽放。然而對(duì)瓦斯抽放濃度準(zhǔn)確檢測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)成為困擾計(jì)量監(jiān)測(cè)的難題，特別是國(guó)家大力提倡節(jié)能減排，瓦斯再利用過(guò)程中計(jì)量準(zhǔn)確檢測(cè)也是目前急需解決的難題。

煤礦瓦斯抽放管路為了安全需要，往往存在管路中水汽大，負(fù)壓高，粉塵濃度高等特點(diǎn)[3]。并且管道氣體具有爆炸性，要求分析儀必須本質(zhì)安全，本安防爆要求必須按照“Exia I Ma”等級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這些苛刻條件給在線分析儀在煤礦管道應(yīng)用帶來(lái)難題。

目前大量應(yīng)用的基于非色散紅外光譜吸收原理的甲烷分析儀，在實(shí)際應(yīng)用中大多存在受水汽、非甲烷等碳?xì)錃怏w交叉影響等缺陷，往往都不能滿足甲烷測(cè)量精度1.5%FS的要求。在實(shí)際管道氣體采樣中大多采用旁側(cè)管、泵吸式等各種樣氣處理裝置，造成管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抽氣泵壽命低、氣泵本安防爆處理復(fù)雜等致命缺陷，造成在實(shí)際應(yīng)用中維護(hù)量大，監(jiān)測(cè)失真等問題。在煤礦實(shí)際應(yīng)用中存在以下弊端[3]：①抽氣管路長(zhǎng)，導(dǎo)致分析值滯后時(shí)間長(zhǎng)；②管路容易堵塞。③管理難度大。因管路長(zhǎng)，如出現(xiàn)堵塞、漏氣或斷管現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信度差。隨著檢測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，筆者結(jié)合多年現(xiàn)場(chǎng)對(duì)在線甲烷分析儀應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了一種原位式微差壓取樣方法，甲烷分析儀采用可調(diào)諧激光光譜吸收技術(shù)研制，具有高分辨率、抗干擾、響應(yīng)快、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)[4]。該系統(tǒng)的成功實(shí)施旨在彌補(bǔ)紅外式在線氣體分析儀以及傳統(tǒng)旁側(cè)管過(guò)濾取樣的不足，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)瓦斯抽放管路瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。

1　原位式微差壓取樣裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦瓦斯抽放管道束管抽采瓦斯檢測(cè)的弊端，根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一套原位式微差壓取樣裝置，該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　原位式微差壓取樣裝置結(jié)構(gòu)圖1.管道； 2.進(jìn)氣管； 3.氣液分離器；4.激光甲烷分析儀；5.回氣管；6.安裝支架；7.正壓取樣口； 8. 背壓取樣口

該裝置對(duì)抽放管道內(nèi)樣氣處理過(guò)程如下：

①樣氣經(jīng)取樣探頭正壓取樣口取出后，經(jīng)進(jìn)氣管流入氣液分離器，冷凝水進(jìn)入氣液分離器底部溢流裝置。

②樣氣經(jīng)氣液分離器后降溫，達(dá)到氣水分離目的，經(jīng)內(nèi)置膜式過(guò)濾器過(guò)濾掉樣氣中的固體雜質(zhì)；

③樣氣經(jīng)過(guò)降溫脫濕后，在采樣頭中預(yù)熱保溫，再流入激光甲烷分析儀內(nèi)，這樣就不會(huì)在采樣氣室中形成冷凝水，保證了激光甲烷檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期在線的正常工作。

該裝置主要作用是對(duì)管道內(nèi)惡劣環(huán)境的氣體進(jìn)行預(yù)處理，以便后期激光甲烷分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量。激光甲烷分析儀的性能直接影響測(cè)量甲烷濃度的準(zhǔn)確性，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。

2　激光甲烷在線分析儀

2.1基本原理

激光甲烷在線分析儀采用國(guó)際上先進(jìn)的可調(diào)諧光譜吸收技術(shù)，利用半導(dǎo)體激光器光頻率隨溫度和電流可調(diào)的特性，對(duì)待測(cè)氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行定量檢測(cè)。光波頻率為的單頻激光束通過(guò)光程為L(zhǎng)、壓力為P、溫度為T和濃度為X的待測(cè)氣體，待測(cè)氣體對(duì)激光能量的吸收滿足Beer-Lambert定律[5]，該表達(dá)式為：

I=I0exp[-S(T)Φ(υ,P,X,T)PXT]

(1)

其中，I0和I分別是入射和透射光強(qiáng)度；線性函數(shù)Ф決定被測(cè)氣體吸收譜線的形狀；譜線的線強(qiáng)S(T)是T的函數(shù)。

通過(guò)注入正弦波電流，激光器出射光波頻率受到調(diào)制，瞬時(shí)光波頻率為：

υ=υc+δcos(ωt)

(2)

其中，δ為調(diào)制幅度，ω為調(diào)制角頻率。

激光光強(qiáng)用I(v)的余弦傅里葉級(jí)數(shù)表示為：

(3)

其中每個(gè)諧波分量均可以通過(guò)鎖相放大器得到：

(4)

由上式可知，當(dāng)n=2時(shí)，透射光強(qiáng)的二次諧波分量A2(v)與氣體濃度X成一一對(duì)應(yīng)的正比關(guān)系。

激光甲烷氣體檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)甲烷檢測(cè)技術(shù)相比，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)[5，6]：(1)分辨率高：半導(dǎo)體激光器譜線精度很高，結(jié)合頻率調(diào)制和諧波鎖相解調(diào)技術(shù)可使系統(tǒng)檢測(cè)限達(dá)到10-6量級(jí)。(2)抗干擾性好：系統(tǒng)工作譜線寬度約為0.2nm，能在復(fù)雜背景下選擇甲烷氣體吸收譜線進(jìn)行測(cè)量，避免水汽/其它烷烴氣體干擾。(3)分布式測(cè)量：結(jié)合光纖和波分復(fù)用技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，也可以得出該光路上甲烷氣體的平均濃度。

2.2系統(tǒng)框圖

在紅外通信波段范圍，通過(guò)查詢HITRAN光譜吸收數(shù)據(jù)庫(kù)可知，甲烷在1653nm處有一個(gè)特征吸收窗口，與通信波段1550nm接近，光譜吸收譜線如圖2所示。

圖2　甲烷在近紅外1650nm區(qū)域的吸收光譜圖

激光甲烷在線分析系統(tǒng)主要由分布式反饋半導(dǎo)體激光器，激光器驅(qū)動(dòng)及溫控電路，采樣氣室，探測(cè)器，探測(cè)電路及信號(hào)處理，顯示電路等組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　激光甲烷在線分析系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)軟件通過(guò)控制波形發(fā)生器輸出正弦波模擬信號(hào)對(duì)DFB激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，掃描頻率為10kHZ；光波通過(guò)采樣氣室被甲烷氣體吸收，進(jìn)入InGaAs光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通過(guò)控制數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測(cè)器接收的電信號(hào)。采集的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)鎖相放大處理、濾波、互相關(guān)等數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)氣體的濃度等特征信息。

2.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

2.3.1解調(diào)信號(hào)濃度反演及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為降低系統(tǒng)噪聲，采用高頻正弦波疊加低頻鋸齒波的方式注入激光器，出射光束經(jīng)過(guò)采樣氣室時(shí)，對(duì)應(yīng)1653.1nm波長(zhǎng)的光波被吸收，光電探測(cè)器接收的對(duì)應(yīng)光信號(hào)如圖4所示。

圖4　經(jīng)甲烷吸收后，光電探測(cè)器接收的信號(hào)波形

系統(tǒng)通過(guò)控制半導(dǎo)體激光器在1653.0nm～1653.2nm波段范圍內(nèi)來(lái)回掃描，光波經(jīng)過(guò)采樣氣室時(shí)，1653.1nm波段的光波被吸收，透射光波經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如圖5所示。系統(tǒng)采集的探測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)鎖相放大，濾波，諧波提取等處理得到二次諧波信號(hào)，如圖5所示。解調(diào)出的二次諧波信號(hào)面積與甲烷氣體的濃度成一一對(duì)應(yīng)正相關(guān)關(guān)系，如圖6所示。

圖5　吸收波形解調(diào)出的二次諧波信號(hào)

圖6　二次諧波信號(hào)面積與甲烷濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

因此，通過(guò)求解出檢測(cè)波形二次諧波的面積S，再通過(guò)分段最小二乘法擬合的方法，得到面積S與甲烷濃度值y的函數(shù)關(guān)系，就可以反演出光路中甲烷的平均濃度y，如圖7所示。

圖7　二次諧波信號(hào)面積與甲烷濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)上述算法，在0.0%～100.0%甲烷氣體濃度范圍內(nèi)，反演的甲烷濃度值與實(shí)際通入的標(biāo)準(zhǔn)甲烷濃度線性誤差小于1%。

2.3.2氣體壓強(qiáng)變化對(duì)甲烷的影響及算法補(bǔ)償

由Beer-Lambert吸收定律表達(dá)式可知，氣體壓強(qiáng)會(huì)影響線性函數(shù)Ф的吸收譜線寬度和單光譜吸收率值，進(jìn)而會(huì)對(duì)測(cè)量值造成較大的測(cè)量誤差，因此需要在算法上根據(jù)實(shí)際甲烷氣體的壓強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

壓強(qiáng)補(bǔ)償算法的核心內(nèi)容是利用初步測(cè)量的氣體濃度數(shù)據(jù)結(jié)合氣壓測(cè)量值，采用迭代法逐步逼近真實(shí)濃度下的壓強(qiáng)補(bǔ)償并結(jié)合分段線性插值、重心拉格朗日插值，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的氣壓補(bǔ)償。

壓強(qiáng)算法補(bǔ)償過(guò)程包括以下步驟：

(1)考慮煤礦瓦斯抽放管道工作環(huán)境，在系統(tǒng)氣壓工作30kpa～150kpa范圍內(nèi)，選取Ρ1,Ρ2,…,Ρn為氣壓特征點(diǎn)；在系統(tǒng)測(cè)量量程內(nèi)均勻選取C1,C2,…,Cm為濃度特征點(diǎn)，并在其中確定系統(tǒng)原始?xì)鈮?、濃度特征點(diǎn)P0,C0，測(cè)量系統(tǒng)氣壓影響率Acb(Pa)。

(2)利用測(cè)量甲烷氣體濃度C′和氣壓P′，代入系統(tǒng)氣壓影響率Acp(Pa)，求得相應(yīng)的補(bǔ)償率F(C′,P′)。

(3)由補(bǔ)償率F(C′,P′)補(bǔ)償氣壓對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，得到第一次補(bǔ)償后的氣體濃度C″。

(4)將求得的C″帶入(1)～(3),進(jìn)行循環(huán)迭代運(yùn)算，當(dāng)?shù)昂髢纱螡舛戎抵畹慕^對(duì)值小于設(shè)定值時(shí)，結(jié)束迭代過(guò)程，最后一次迭代計(jì)算的濃度值為甲烷的測(cè)量濃度值Cz。

上述壓強(qiáng)補(bǔ)償算法的具體實(shí)現(xiàn)流程，如圖8所示。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，通過(guò)改變測(cè)試的甲烷濃度和氣體壓強(qiáng)，對(duì)研制的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。以測(cè)量20.0%標(biāo)準(zhǔn)甲烷為例，在系統(tǒng)工作氣壓30kpa～150kpa范圍，補(bǔ)償前后激光甲烷分析儀測(cè)量值存在較大偏差，數(shù)據(jù)變化如圖9所示，其中虛線代表補(bǔ)償前的測(cè)量結(jié)果，數(shù)值波動(dòng)范圍為15.2%～22.8%，實(shí)線代表進(jìn)行壓強(qiáng)補(bǔ)償后的測(cè)試結(jié)果，數(shù)值波動(dòng)范圍為19.9%～20.1%。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，激光甲烷分析儀進(jìn)行氣體壓強(qiáng)補(bǔ)償后，基本上消除了管道內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量甲烷濃度的影響，誤差小于1%。

圖8　氣體壓強(qiáng)補(bǔ)償算法流程

圖9　　　　激光甲烷分析儀進(jìn)行氣體壓強(qiáng)算法補(bǔ)償前后的測(cè)量值隨甲烷壓強(qiáng)的變化

3　結(jié)論

針對(duì)煤礦瓦斯抽采管道內(nèi)甲烷濃度的測(cè)定，設(shè)計(jì)了一套基于原位式微差壓取樣裝置的激光甲烷在線分析系統(tǒng)。

(1)針對(duì)煤礦瓦斯抽采管道，提出了一套原位式微差壓取樣裝置，該裝置主要用于管道內(nèi)氣體的實(shí)時(shí)處理，有效避免水汽、粉塵等對(duì)測(cè)量的影響。

(2)采用先進(jìn)的可調(diào)諧激光光譜吸收技術(shù)進(jìn)行甲烷氣體濃度的檢測(cè)，介紹了激光甲烷在線分析系統(tǒng)的基本原理，給出了其結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

(3)針對(duì)瓦斯抽采管道的具體應(yīng)用環(huán)境，對(duì)氣體壓強(qiáng)變化對(duì)甲烷測(cè)量的影響進(jìn)行了具體分析，給出了一種壓強(qiáng)補(bǔ)償算法，由測(cè)試結(jié)果可知，該補(bǔ)償算法能基本消除管道內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量甲烷濃度的影響，誤差小于1%。

[1] 程遠(yuǎn)平，付建華，等.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，(2)：15-17.

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A situ micro-differential pressure sampling device based on laser for on-line analysis of methane.

Li Jun1,2, Sun Shiling1,2, Gong Zhongqiang1,2, Zhang Shulin1,2，Guo Qinghua1,2,WangYao1,2

(1.ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp.Chongqing400039,China；2.NationalKeyLabforGasDisasterMonitoringandEmergencyTechnology.Chongqing400037,China)

This device can monitor the methane gas in pipe accurately. The methane analyzer uses advanced tunable laser absorption spectroscopy technology, has the characters of high-resolution, anti-interference, fast-response and high-stability.

micro-differential pressure sampling device; absorption spectroscopy; methane; laser

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子項(xiàng)目(2014BAC17B00、2014BAC17B04)

李軍，男，1980年出生，在職碩士，副研究員，2004年7月畢業(yè)于山東理工大學(xué)材料成型及其控制工程專業(yè)，主要從事礦用安全儀器儀表的研發(fā)，E-mail：cklijun@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.05.001

2015-11-25