煤礦注氮防滅火計量監測系統設計

李 濤

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

注氮防滅火是煤礦采空區及開采煤層防火防氧化自燃的有效手段。制氮機提純空氣中的N2氣，然后通過加壓將N2氣注入相應發火區域，沖淡區域內O2含量，達到滅火防自燃的目的[1]。礦用制氮設備多采用碳分子篩變壓吸附產氮方式，裝置出廠時多已裝了壓力表、流量計、測氧儀等設備[2-9]，但這些設備都不具備信號輸出、遠傳及統計功能，對實現制氮總量的統計以及遠程實時監測制氮設備運行狀況多有不便。另外，從制氮設備輸出的N2氣會被多個分支管路分別輸送至不同的注氮現場，對每一個注氮分支管路進行計量可以實現注氮量及壓力的準確把控，同時也對輸氣管路漏氣情況進行實時分析監測，以免N2氣大量泄漏而發生安全事故。注氮計量監測系統對防火制注氮系統作用巨大。

1 注氮防滅火系統監測需求

對制氮量、輸出壓力、N2氣濃度進行監測可以實現制氮設備運行狀態的實時分析。當出現波動較大、輸出值達不到規定值的情況時，可能意味著制氮設備運行出現了異常，應立即進行停機檢查，以免發生事故。

對制注氮過程進行實時、有效、可靠計量監測，是檢驗注氮是否達到現場實際要求的考評手段。注氮量是注氮滅火過程中最重要的參數，直接決定著滅火和防自燃效果。注氮量太小，會因達不到惰化采空區氣體的目的而起不到防火的作用；注氮量太大則造成經濟上的浪費。

對注氮各分支管路進行計量監測，將制氮機輸出總量與分支管路流量相結合，可以起到分析輸氣管道是否發生大量漏氣，確保安全生產的目的，同時也便于領導的管理及統配調度。

對制氮機周圍以及注氮口周圍環境O2氣濃度進行監測，可以防止裝置及接口泄露N2造成氧含量下降，威脅人身安全。

2 系統組成及功能設計

注氮計量監測系統可切實保障制注氮系統的穩定高效運行，提升注氮滅火工作的效率以安全性[10-14]。系統組成應包含以下部分：在線式管道氣體流量檢測設備、在線式管道氣體壓力檢測設備、在線式管道氣體溫度檢測設備、在線式管道N2氣濃度檢測設備、環境O2氣濃度檢測設備、信號采集傳輸設備、上位機軟件等。系統組成架構如圖1所示。

圖1 注氮計量系統組成結構Fig.1 Composition and structure of nitrogen injection metering system

在線式管道氣體流量檢測設備主要用于對制氮設備制氮量以及注氮量，進行實時監測計量；在線式管道氣體壓力檢測設備主要用于對制氮設備N2氣出口壓力以及注氮口壓力，進行實時監測；在線式管道氣體溫度檢測設備主要用于對制氮設備輸出氣體的溫度進行實時監測；在線式管道濃度檢測設備主要用于對制氮設備輸出N2氣的濃度進行實時監測；環境O2傳感器主要用于監視制氮機周圍，以及注氮口周圍環境O2氣體濃度，以防N2氣泄露造成O2氣含量下降，威脅人身安全。

注氮計量監測系統應具備以下功能：

1）在線監測制氮機總輸出流量、N2濃度以及制氮出口壓力；

2）在線監測每一條注氮管路的N2輸出量、N2濃度以及注氮壓力；

3）在線監測制氮機周圍及注氮口周圍O2濃度；

4）能夠實時上傳監測到的流量瞬時流量、N2濃度、O2濃度，在上位機監控軟件上顯示并上傳至集團公司；

5）具有數據分析功能，可分析輸送管路泄露與否并發出報警的功能；

6）上位機監控軟件具有注入N2日累計、月累積及年累積功能并具有打印報表的功能。

3 系統數據測量與采集設計

3.1 氮氣流量的測量設計

從制氮機出來的氣體是較為潔凈的氣體介質，N2氣產量約為（標準狀態下）300～1500 m3/h，出口 N2壓力范圍為0～1.0 MPa，故對于該氣體流量的測量設備只要在流量測量精度以及防爆性能上滿足要求，則均可應用。當前煤礦注氮計量裝置常用流量計有孔板流量計、金屬管浮子流量計。

孔板流量計起源早，歷史悠久，國際通用，機構簡單，成本低且無可轉動部件，也是現用流量計應用范圍最廣泛的流量計，屬于差壓式流量計中的一種。其安裝與在制氮機出口，通過差壓變送器測量孔板兩側的壓差并轉換成相應的工況流量顯示出來，以便工作人員了解輸出的流量大小。

但是，它存在如下問題：①孔板的節流特性會給N2輸出帶來較大的阻力，產生大的壓力損失，影響氣量及輸出壓力，這會給用戶帶來很大的能源浪費；②孔板邊緣易磨損，隨著使用時間的增長，磨損越發嚴重，孔板流出系數發生變化，測量誤差增大；③一般不具有信號輸出和遠傳功能，不能夠實現流量的在線監測。

金屬管浮子流量計是一種變面積流量測量儀表，浮子在測量管中，隨著流量的變化，將浮子向上移動，在某一位置浮子所受的浮力與浮子重力達到平衡。此時，浮子與孔板（或錐管）間的流通環隙面積保持一定，環隙面積與浮子的上升高度成正比，即浮子在測量管中上升的位置代表流量的大小，變化浮子的位置由內部磁鐵傳輸到外部的指示器，使指示器正確地指示此時的流量值。

該流量計具有體積小，檢測范圍大，使用方便，沒有直管段要求等特點，但只能用于自下向上流動且必須保持垂直的管道安裝。這就使得制氮機在現場安裝時一定要保證流量計的安裝角度，當達不到其安裝要求時，其測量準確性也將無法保證。另外，當前在制氮上使用的浮子流量計也只具有本地顯示功能，不具備信號輸出和遠傳功能，不能夠實現流量的在線監測。

為了達到監測數據遠傳的目的，上述2種流量計均不適合應用到注氮計量監測系統中。另外，由于礦用制氮系統多為移動式，考慮到后期的拆卸及運輸方便性，對于注氮計量用的流量計建議選用測量準確、拆卸方便的插入式流量計——威力巴流量計[13]。

威力巴流量計基于皮托管原型而設計開發的一種實時在線插入式流量測量裝置，為管道截面線式流量測量（非點式測量）裝置。通過同時檢測管道截面中心線上的多個特征點平均動壓而最終換算出管道的平均流速，進而測量出管道實際流量，測量準確性高且方便后期的拆卸與維護，同時也可避免永久性壓損影響注氮機輸氣量問題。此外，該流量計具有測量數據遠傳功能，同時還集成了溫度壓力測量功能，可將工況流量計轉換為標況流量，方便計量統計，同時還可用于管道內N2壓力和溫度的測量，這樣無需再單獨安裝管道壓力傳感器和溫度傳感器，簡化了系統架構。該威力巴流量計的測量量程比≮10∶1，最低測量流速可達1 m/s，測量精度≯1.5%；壓力測量范圍為0～2 MPa；溫度測量范圍為-10～50℃。

3.2 氣體濃度的測量設計

在制注氮系統中需要測量管道內的N2濃度和相應區域環境的O2濃度。制氮機輸出的N2是由空氣提純而來，主要組分為O2和N2，其中N2體積分數φ（N2）應大于97%。為了確保制氮機輸出的N2濃度達標，則實時監測輸出N2的濃度是非常有必要的。

但由于N2屬于惰性氣體，直接檢測N2濃度的技術相對繁瑣，目前N2濃度的測量方法主要是通過測目標氣體中的氧含量來間接換算[14-15]，即

φ（N2）=1-φ（O2）

所以，測量管道內的N2濃度和相應區域環境的O2濃度均通過氧氣傳感器來實現。當前煤礦上用于測量O2濃度的傳感器均為電化學原理，測量方式為自由擴散式。然而，為保障O2濃度的測量準確性，建議選用具有溫度補償和抗電磁干擾功能的氧氣傳感器，此外還具有測量數據遠傳功能。

傳感器的溫度補償范圍應涵蓋-10～50℃，O2體積濃度測量范圍應涵蓋0.0%～25.0%，允許基本誤差應不超過±3%FS，測量響應時間應≯60 s。

3.3 數據采集與處理

流量、濃度等測量設備傳出的數據就近接入具有從通訊口（或相應信號類型的采集端口）的監控分站。所有監測數據接入礦井本部監控系統，并在中心站軟件上通過定義或邏輯定義方式將所監測的數據顯示出來，并同時上傳至集團公司或上層管理部門。

系統數據采集與處理應達到以下功能：①自動監測N2輸送管道總管、分支管的O2濃度、管道壓力、管道溫度、管道工況及標況混合流量等管道參數；②自動統計管道N2標況混合流量的年、月、日累計量；③O2濃度可以在中心站軟件上進行報警點等參數設置；④各監測參數和累計量等在接入的監控系統上位機上可實時顯示并生產、打印報表。

4 現場安裝工藝設計

現場安裝工藝的好壞直接決定了計量設備測量性能表現及后期運行維護質量。故要求設備現場安裝工藝至少應考慮：直管段長度預留充足；流量濃度整體安裝；設備拆卸方便；預裝人工校驗設備或措施；等方面。

圖2 濃度測量工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of concentration measurement process

濃度傳感器安裝于來氣方向最前端，采用旁側式取氣安裝方式，一端取氣，另一端對外排空，具體的安裝工藝及工作流程如圖2所示。將減壓閥安裝在管道上，用于將引出的高壓管道氣減壓，減壓閥出氣口連接軟膠管至玻璃轉子流量計進氣口上，調整減壓閥壓力及輸出流量至濃度傳感器需要的流量（如 300～500 mL/min），O2濃度傳感器的氣室進氣口通過軟膠管接至玻璃轉子流量計的出氣口；微量的氣體進入濃度傳感器測量氣室，最后排入大氣。這種安裝工藝也方便了后期設備的維護與更換。傳感器進氣要求：氣體溫度0～40℃，流速300～500 mL/min，無明水。

流量計量設備緊隨濃度傳感器安裝，流量計采用插入式安裝方式，方便后期設備的維護與更換，同時應注意在該流量計前后留出足夠長的直管段（具體參考相應的流量計說明書）。

最后安裝用于人工后期的流量比對測量的設備及措施。由于注氮體屬于高壓氣體，考慮到后期校驗的安全性，建議比對流量計采用孔板流量計，同時考慮到孔板流量計壓損較大的問題，在安裝孔板流量計時建議將孔板流量計安裝于旁側管，旁側管長度應不小于20D。同時，還需要在孔板流量計的前后安裝1個手動閥門，用于后期孔板的維護拆卸，在旁側管對應主管道的中間安裝手動閥門1個，用于流量比對校驗時的流體控制，具體如圖3所示。流量校準過程如下：

關閉手動球閥2和手動球閥3，手動球閥1保持打開，將校準旁路管泄壓，將U形管連接到校準裝置上，并確保牢固；打開手動球閥2和手動球閥3，關閉手動球閥1；待流量穩定后，記錄校準裝置的數據和在線式計量裝置的數據，進行比對調校；關閉手動球閥2和手動球閥3，打開手動球閥1；校準結束。

圖3 現場安裝工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of field installation process

5 結語

設計的注氮計量監測系統，目前已經在安徽淮北礦業集團下屬煤礦進行了實際應用，實現了煤礦制注氮系統的實時監測與控制，提高了注氮工作效率，確保了注氮人員的工作環境安全，保障了煤礦的安全生產。