煤礦用空氣中甲烷標準氣體的自動配氣系統的研究

雷文龍

摘 要：甲烷標準氣體是煤礦用甲烷類氣體檢測報警儀器、傳感器等儀表在標定過程中進行量值傳遞所必須的一種標準物質。本文介紹了一種采用流量比例法原理設計的煤礦用空氣中甲烷標準氣體自動化配氣系統，給出了系統總體設計，詳細介紹了各關鍵組成部分：配氣管路、驅動氣路、數據采集與控制系統等的構成，本系統具有操作簡便、自動化程度高、安全、高效的特點。

關鍵詞：標準氣體;自動控制;比例閥;質量流量控制

中圖分類號：TD67 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0122-02

0 引言

標準氣體是一種標準物質，是一種濃度均勻的，具有良好穩定性和量值準確的物質。用于校準測量儀器和測量過程，評價測量方法的準確度和檢測實驗室的檢測能力，確定材料或產品的特性量值，進行量值仲裁等。

煤礦用空氣中甲烷標準氣體濃度在0.5%～3.5%，主要用于礦用甲烷傳感器、報警儀的校準、檢測。

制備方法主要有稱量法、分壓法、流量比例混合法、電解法、滲透法等幾種方式，其中稱量法、分壓法、流量比例混合法為主要配氣方式。

稱量法是應用高載荷精密天平稱量裝入鋼瓶中的各氣體組份，根據各組份的質量比，計算出鋼瓶中標準氣體的濃度。此方法主要用于精度等級較高的標氣的配制。全程需人工參與，工作效率較低，精度高。

分壓法主要依據理想氣體的“道爾頓”定律：在給定容積下，混合氣體總壓等于混合氣體中各組分分壓之和。分壓法生產效率較高，多采用人工配氣，配氣過程中有較高的危險性。

流量比例混合法是使已知濃度的原料氣與稀釋氣按恒定比例連續不斷地進行混合，從而可以連續不斷地配制并供給一定濃度的標準氣，根據兩股氣流的流量比可計算出標準氣的濃度，流量法適于大量自動化生產。

1 裝置總體方案設計

本方案采用流量比例混合法，由2路質量流量控制器動態控制每一路流量，通過上位機根據目標濃度和總流量自動分配每一路氣體流量，配氣最大輸出壓力0.4MPa，配置好混合氣體通過氣體增壓泵增壓充裝到鋼瓶內，最大充裝壓力10MPa。

裝置主要由配氣管路系統、數據采集與處理控制系統、驅動氣源系統等三大部分組成（如圖1）。

2 各系統設計

2.1 配氣管路系統設計

配氣管路系統主要由：原料氣供應系統、低壓配氣系統、氣體濃度在線分析系統、混合氣高壓充裝系統等四部分組成（如圖2）。待用成品空氣瓶先由真空泵抽真空。高純高壓原料氣經減壓閥減壓為0.6MPa的低壓氣后經過濾后送入質量流量控制器，流量控制器根據所需濃度需求控制各自組分的流速，在混合氣罐處經混合后得到低壓混合氣，混合氣再經支路進行在線濃度分析，如不達標則經排空放空，如達標則送入后端增壓泵增壓充瓶。

原料氣供應系統主要是所需配置混合氣體需要的高純原料氣氣源，主要包括：原料氣體減壓器、鋼瓶接頭、過濾器、高壓軟管等。

低壓配氣系統主要包括：2路質量流量控制器、電磁閥、壓力變送器、氣體混合罐、不銹鋼管道、接頭等。為保證成品氣的清潔，所有氣體管道及接頭均采用不銹鋼材質。混合氣出口設置氣體混合罐，內部流道特殊設計保證氣體充分混合，混合罐出口設置背壓閥，保證輸出氣體壓力穩定在0.4MPa。

氣體濃度在線分析系統選用高精度氣體濃度分析儀測量濃度。在管路前端設計了穩壓閥，保證主管路的壓力穩定，由針形閥調節進入分析儀的氣體流量，多余的混合氣經支路排空。混合氣高壓充裝系統主要包括：真空泵、氣動增壓泵、高壓電磁閥、氣體冷卻器、氣瓶快換接頭。真空泵用于對成品用氣瓶進行預處理，可以減小原瓶中氣體與水分對成品氣精度的影響。氣動增壓泵以0.2MPa～0.8MPa的清潔壓縮空氣為動力源，利用大面積活塞端的低壓氣體驅動活塞往復運動從而在小面積活塞端流體的壓力提高。缸體采用不銹鋼，活塞體采用鋁制，運動部件無油潤滑可保證成品標氣的清潔。進口壓力0.4MPa，出口端可達10MPa。

在標氣的壓縮充瓶過程中，被壓縮標氣與外界環境有不完全的熱交換，有升溫。可以認為這是一個非等溫、非絕熱下多變壓縮過程。由此有壓縮后的溫度方程式：

T2壓縮后標氣溫度，K;T1壓縮前標氣溫度，K;n多變指數;

P2壓縮后標氣壓力，MPa;P1壓縮前標氣壓力，MPa。以壓縮前溫度20℃，壓縮前0.4MPa，壓縮后壓力10MPa，多變指數取1.2計，將達到210℃，所以需設計壓縮后冷卻器，本案設計不銹鋼盤管水浸冷卻。

2.2 驅動氣源系統設計

驅動氣源所需設備有：壓縮機、儲氣罐、過濾器、油水分離器、冷凍式干燥機，具體系統圖見圖3。壓縮機可選用0.8MPa的螺桿式空壓縮機，它具有噪聲小、安裝方便、免維護等優點。儲氣罐可保證氣流的穩定。過濾器可去除壓縮空氣中的固定雜質。油水分離器可分離掉氣體中的液體顆粒狀態懸浮的潤滑油與水分。冷凍式干燥機可保證壓縮空氣的干燥，壓縮空氣通過冷干機后的壓力露點可達0℃。

2.3 數據采集與處理控制系統

數據采集與處理控制系統（詳見圖4）主要基于PLC可編程邏輯控制器，上位機采用工控機，由亞控組態王專業軟件進行集成控制。溫度、壓力、氣體濃度等參數由PLC的AI采集;控制動作由PLC的DO模塊發出開關量信號，控制電磁閥、壓縮機、真空泵等的動作。流量控制器、PLC通過RS485協議與工控機通訊，由組態王處理數據并發出動作指令。

3 配氣流程

先運行驅動氣源系統，再將原料氣減壓閥打開，將其壓力減到0.6MPa后運行真空泵，為成品氣瓶抽真空預處理。根據選擇或輸入需配氣體濃度，控制流量控制器開度到需要的值后配氣正式開始，在配氣過程中實時測量配氣濃度，直到濃度達標后向增壓泵送驅動氣，運行增壓泵進行充瓶直到達到要求10MPa，配氣完成。

4 結語

該配氣系統具有配氣準確、自動化程度高、產氣量大、工作效率高等優點。已在重慶安標檢測研究院有限公司配氣實驗室得到了應用。