一種微差壓原位式取樣激光甲烷在線分析系統

李 軍　孫世嶺　龔仲強　張書林 　郭清華　王　堯

(1.中國煤炭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 400037)

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儀器研制與改進

一種微差壓原位式取樣激光甲烷在線分析系統

李 軍1 ,2孫世嶺1,2龔仲強1,2張書林1,2郭清華1,2王堯1,2

(1.中國煤炭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 400037)

設計了一種煤礦抽放管道原位式微差壓取樣裝置，以實現對管道甲烷氣體進行在線式準確監測。裝置中的甲烷在線分析儀采用先進的可調諧激光光譜吸收技術，具有高分辨率、抗干擾、響應快、高穩定性等特點。該技術的成功應用將為瓦斯抽采管道內甲烷濃度的實時監測提供一種準確有效的解決方法。

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成的煤層氣，有時單指甲烷。礦井瓦斯抽放是為了減少和解除瓦斯對煤礦安全的威脅，利用機械設備和專用管道造成的負壓，將煤層中存在或釋放出來的瓦斯抽出，輸送到地面或其他安全地點的方法。瓦斯抽放是消除重大瓦斯事故的治本措施，能夠解決僅靠通風難以解決的問題，降低礦井通風成本，有效利用寶貴的瓦斯資源。我國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：如果用通風方法不能將涌出的瓦斯稀釋到《煤礦安全規程》允許的安全濃度，就必須考慮進行瓦斯抽放。然而對瓦斯抽放濃度準確檢測長期以來成為困擾計量監測的難題，特別是國家大力提倡節能減排，瓦斯再利用過程中計量準確檢測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，負壓高，粉塵濃度高等特點[3]。并且管道氣體具有爆炸性，要求分析儀必須本質安全，本安防爆要求必須按照“Exia I Ma”等級進行系統設計，這些苛刻條件給在線分析儀在煤礦管道應用帶來難題。

目前大量應用的基于非色散紅外光譜吸收原理的甲烷分析儀，在實際應用中大多存在受水汽、非甲烷等碳氫氣體交叉影響等缺陷，往往都不能滿足甲烷測量精度1.5%FS的要求。在實際管道氣體采樣中大多采用旁側管、泵吸式等各種樣氣處理裝置，造成管路結構復雜，抽氣泵壽命低、氣泵本安防爆處理復雜等致命缺陷，造成在實際應用中維護量大，監測失真等問題。在煤礦實際應用中存在以下弊端[3]：①抽氣管路長，導致分析值滯后時間長；②管路容易堵塞。③管理難度大。因管路長，如出現堵塞、漏氣或斷管現象，監測數據可信度差。隨著檢測技術不斷進步與發展，筆者結合多年現場對在線甲烷分析儀應用經驗，提出了一種原位式微差壓取樣方法，甲烷分析儀采用可調諧激光光譜吸收技術研制，具有高分辨率、抗干擾、響應快、高穩定性等特點[4]。該系統的成功實施旨在彌補紅外式在線氣體分析儀以及傳統旁側管過濾取樣的不足，及時準確地對瓦斯抽放管路瓦斯濃度進行實時準確檢測。

1　原位式微差壓取樣裝置設計

針對煤礦瓦斯抽放管道束管抽采瓦斯檢測的弊端，根據煤礦現場需求，設計了一套原位式微差壓取樣裝置，該裝置結構如圖1所示。

圖1　原位式微差壓取樣裝置結構圖1.管道； 2.進氣管； 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

該裝置對抽放管道內樣氣處理過程如下：

①樣氣經取樣探頭正壓取樣口取出后，經進氣管流入氣液分離器，冷凝水進入氣液分離器底部溢流裝置。

②樣氣經氣液分離器后降溫，達到氣水分離目的，經內置膜式過濾器過濾掉樣氣中的固體雜質；

③樣氣經過降溫脫濕后，在采樣頭中預熱保溫，再流入激光甲烷分析儀內，這樣就不會在采樣氣室中形成冷凝水，保證了激光甲烷檢測系統長期在線的正常工作。

該裝置主要作用是對管道內惡劣環境的氣體進行預處理，以便后期激光甲烷分析儀進行實時準確的測量。激光甲烷分析儀的性能直接影響測量甲烷濃度的準確性，是系統中最關鍵的部分。

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際上先進的可調諧光譜吸收技術，利用半導體激光器光頻率隨溫度和電流可調的特性，對待測氣體濃度等參數進行定量檢測。光波頻率為的單頻激光束通過光程為L、壓力為P、溫度為T和濃度為X的待測氣體，待測氣體對激光能量的吸收滿足Beer-Lambert定律[5]，該表達式為：

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度；線性函數Ф決定被測氣體吸收譜線的形狀；譜線的線強S(T)是T的函數。

通過注入正弦波電流，激光器出射光波頻率受到調制，瞬時光波頻率為：

υ=υc+δcos(ωt)

(2)

其中，δ為調制幅度，ω為調制角頻率。

激光光強用I(v)的余弦傅里葉級數表示為：

(3)

其中每個諧波分量均可以通過鎖相放大器得到：

(4)

由上式可知，當n=2時，透射光強的二次諧波分量A2(v)與氣體濃度X成一一對應的正比關系。

激光甲烷氣體檢測技術與傳統甲烷檢測技術相比，具有以下幾個方面的優點[5，6]：(1)分辨率高：半導體激光器譜線精度很高，結合頻率調制和諧波鎖相解調技術可使系統檢測限達到10-6量級。(2)抗干擾性好：系統工作譜線寬度約為0.2nm，能在復雜背景下選擇甲烷氣體吸收譜線進行測量，避免水汽/其它烷烴氣體干擾。(3)分布式測量：結合光纖和波分復用技術，不僅可以實現多點的同時監測，也可以得出該光路上甲烷氣體的平均濃度。

2.2系統框圖

在紅外通信波段范圍，通過查詢HITRAN光譜吸收數據庫可知，甲烷在1653nm處有一個特征吸收窗口，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區域的吸收光譜圖

激光甲烷在線分析系統主要由分布式反饋半導體激光器，激光器驅動及溫控電路，采樣氣室，探測器，探測電路及信號處理，顯示電路等組成，其系統框圖如圖3所示。

圖3　激光甲烷在線分析系統框圖

系統軟件通過控制波形發生器輸出正弦波模擬信號對DFB激光器進行波長掃描，掃描頻率為10kHZ；光波通過采樣氣室被甲烷氣體吸收，進入InGaAs光電探測器轉換成電信號。通過控制數據采集卡采集光電探測器接收的電信號。采集的數字信號再經過鎖相放大處理、濾波、互相關等數據處理，得到被測氣體的濃度等特征信息。

2.3實驗測試驗證

2.3.1解調信號濃度反演及實驗測試

為降低系統噪聲，采用高頻正弦波疊加低頻鋸齒波的方式注入激光器，出射光束經過采樣氣室時，對應1653.1nm波長的光波被吸收，光電探測器接收的對應光信號如圖4所示。

圖4　經甲烷吸收后，光電探測器接收的信號波形

系統通過控制半導體激光器在1653.0nm～1653.2nm波段范圍內來回掃描，光波經過采樣氣室時，1653.1nm波段的光波被吸收，透射光波經光電探測器轉換成電信號，如圖5所示。系統采集的探測信號數據，經鎖相放大，濾波，諧波提取等處理得到二次諧波信號，如圖5所示。解調出的二次諧波信號面積與甲烷氣體的濃度成一一對應正相關關系，如圖6所示。

圖5　吸收波形解調出的二次諧波信號

圖6　二次諧波信號面積與甲烷濃度的對應關系

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

圖7　二次諧波信號面積與甲烷濃度的對應關系

通過上述算法，在0.0%～100.0%甲烷氣體濃度范圍內，反演的甲烷濃度值與實際通入的標準甲烷濃度線性誤差小于1%。

2.3.2氣體壓強變化對甲烷的影響及算法補償

由Beer-Lambert吸收定律表達式可知，氣體壓強會影響線性函數Ф的吸收譜線寬度和單光譜吸收率值，進而會對測量值造成較大的測量誤差，因此需要在算法上根據實際甲烷氣體的壓強進行相應的補償。

壓強補償算法的核心內容是利用初步測量的氣體濃度數據結合氣壓測量值，采用迭代法逐步逼近真實濃度下的壓強補償并結合分段線性插值、重心拉格朗日插值，實現對測量系統的氣壓補償。

壓強算法補償過程包括以下步驟：

(1)考慮煤礦瓦斯抽放管道工作環境，在系統氣壓工作30kpa～150kpa范圍內，選取Ρ1,Ρ2,…,Ρn為氣壓特征點；在系統測量量程內均勻選取C1,C2,…,Cm為濃度特征點，并在其中確定系統原始氣壓、濃度特征點P0,C0，測量系統氣壓影響率Acb(Pa)。

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

(3)由補償率F(C′,P′)補償氣壓對測量系統的影響，得到第一次補償后的氣體濃度C″。

(4)將求得的C″帶入(1)～(3),進行循環迭代運算，當迭代前后兩次濃度值之差的絕對值小于設定值時，結束迭代過程，最后一次迭代計算的濃度值為甲烷的測量濃度值Cz。

上述壓強補償算法的具體實現流程，如圖8所示。

在實驗室環境中，通過改變測試的甲烷濃度和氣體壓強，對研制的系統進行了實驗測試。以測量20.0%標準甲烷為例，在系統工作氣壓30kpa～150kpa范圍，補償前后激光甲烷分析儀測量值存在較大偏差，數據變化如圖9所示，其中虛線代表補償前的測量結果，數值波動范圍為15.2%～22.8%，實線代表進行壓強補償后的測試結果，數值波動范圍為19.9%～20.1%。實驗測試結果表明，激光甲烷分析儀進行氣體壓強補償后，基本上消除了管道內氣體壓強變化對測量甲烷濃度的影響，誤差小于1%。

圖8　氣體壓強補償算法流程

圖9　　　　激光甲烷分析儀進行氣體壓強算法補償前后的測量值隨甲烷壓強的變化

3　結論

針對煤礦瓦斯抽采管道內甲烷濃度的測定，設計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。

(1)針對煤礦瓦斯抽采管道，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氣體的實時處理，有效避免水汽、粉塵等對測量的影響。

(2)采用先進的可調諧激光光譜吸收技術進行甲烷氣體濃度的檢測，介紹了激光甲烷在線分析系統的基本原理，給出了其結構框圖，并進行了試驗測試。

(3)針對瓦斯抽采管道的具體應用環境，對氣體壓強變化對甲烷測量的影響進行了具體分析，給出了一種壓強補償算法，由測試結果可知，該補償算法能基本消除管道內氣體壓強變化對測量甲烷濃度的影響，誤差小于1%。

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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

國家科技支撐計劃子項目(2014BAC17B00、2014BAC17B04)

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

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

2015-11-25