煤礦用空氣中甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體的自動(dòng)配氣系統(tǒng)的研究

雷文龍

摘 要：甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體是煤礦用甲烷類氣體檢測(cè)報(bào)警儀器、傳感器等儀表在標(biāo)定過(guò)程中進(jìn)行量值傳遞所必須的一種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。本文介紹了一種采用流量比例法原理設(shè)計(jì)的煤礦用空氣中甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體自動(dòng)化配氣系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了各關(guān)鍵組成部分：配氣管路、驅(qū)動(dòng)氣路、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等的構(gòu)成，本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、安全、高效的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)氣體;自動(dòng)控制;比例閥;質(zhì)量流量控制

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0122-02

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)氣體是一種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，是一種濃度均勻的，具有良好穩(wěn)定性和量值準(zhǔn)確的物質(zhì)。用于校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量過(guò)程，評(píng)價(jià)測(cè)量方法的準(zhǔn)確度和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力，確定材料或產(chǎn)品的特性量值，進(jìn)行量值仲裁等。

煤礦用空氣中甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度在0.5%～3.5%，主要用于礦用甲烷傳感器、報(bào)警儀的校準(zhǔn)、檢測(cè)。

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(yīng)用高載荷精密天平稱量裝入鋼瓶中的各氣體組份，根據(jù)各組份的質(zhì)量比，計(jì)算出鋼瓶中標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度。此方法主要用于精度等級(jí)較高的標(biāo)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(jù)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(chǎn)效率較高，多采用人工配氣，配氣過(guò)程中有較高的危險(xiǎn)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(xù)不斷地進(jìn)行混合，從而可以連續(xù)不斷地配制并供給一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，根據(jù)兩股氣流的流量比可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度，流量法適于大量自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

本方案采用流量比例混合法，由2路質(zhì)量流量控制器動(dòng)態(tài)控制每一路流量，通過(guò)上位機(jī)根據(jù)目標(biāo)濃度和總流量自動(dòng)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(guò)氣體增壓泵增壓充裝到鋼瓶?jī)?nèi)，最大充裝壓力10MPa。

裝置主要由配氣管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)氣源系統(tǒng)等三大部分組成（如圖1）。

2 各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 配氣管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配氣管路系統(tǒng)主要由：原料氣供應(yīng)系統(tǒng)、低壓配氣系統(tǒng)、氣體濃度在線分析系統(tǒng)、混合氣高壓充裝系統(tǒng)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(jīng)減壓閥減壓為0.6MPa的低壓氣后經(jīng)過(guò)濾后送入質(zhì)量流量控制器，流量控制器根據(jù)所需濃度需求控制各自組分的流速，在混合氣罐處經(jīng)混合后得到低壓混合氣，混合氣再經(jīng)支路進(jìn)行在線濃度分析，如不達(dá)標(biāo)則經(jīng)排空放空，如達(dá)標(biāo)則送入后端增壓泵增壓充瓶。

原料氣供應(yīng)系統(tǒng)主要是所需配置混合氣體需要的高純?cè)蠚鈿庠矗饕ǎ涸蠚怏w減壓器、鋼瓶接頭、過(guò)濾器、高壓軟管等。

低壓配氣系統(tǒng)主要包括：2路質(zhì)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(zhì)。混合氣出口設(shè)置氣體混合罐，內(nèi)部流道特殊設(shè)計(jì)保證氣體充分混合，混合罐出口設(shè)置背壓閥，保證輸出氣體壓力穩(wěn)定在0.4MPa。

氣體濃度在線分析系統(tǒng)選用高精度氣體濃度分析儀測(cè)量濃度。在管路前端設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓閥，保證主管路的壓力穩(wěn)定，由針形閥調(diào)節(jié)進(jìn)入分析儀的氣體流量，多余的混合氣經(jīng)支路排空。混合氣高壓充裝系統(tǒng)主要包括：真空泵、氣動(dòng)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(duì)成品用氣瓶進(jìn)行預(yù)處理，可以減小原瓶中氣體與水分對(duì)成品氣精度的影響。氣動(dòng)增壓泵以0.2MPa～0.8MPa的清潔壓縮空氣為動(dòng)力源，利用大面積活塞端的低壓氣體驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件無(wú)油潤(rùn)滑可保證成品標(biāo)氣的清潔。進(jìn)口壓力0.4MPa，出口端可達(dá)10MPa。

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

T2壓縮后標(biāo)氣溫度，K;T1壓縮前標(biāo)氣溫度，K;n多變指數(shù);

P2壓縮后標(biāo)氣壓力，MPa;P1壓縮前標(biāo)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(shù)取1.2計(jì)，將達(dá)到210℃，所以需設(shè)計(jì)壓縮后冷卻器，本案設(shè)計(jì)不銹鋼盤管水浸冷卻。

2.2 驅(qū)動(dòng)氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)氣源所需設(shè)備有：壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器、油水分離器、冷凍式干燥機(jī)，具體系統(tǒng)圖見圖3。壓縮機(jī)可選用0.8MPa的螺桿式空壓縮機(jī)，它具有噪聲小、安裝方便、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)氣罐可保證氣流的穩(wěn)定。過(guò)濾器可去除壓縮空氣中的固定雜質(zhì)。油水分離器可分離掉氣體中的液體顆粒狀態(tài)懸浮的潤(rùn)滑油與水分。冷凍式干燥機(jī)可保證壓縮空氣的干燥，壓縮空氣通過(guò)冷干機(jī)后的壓力露點(diǎn)可達(dá)0℃。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理控制系統(tǒng)（詳見圖4）主要基于PLC可編程邏輯控制器，上位機(jī)采用工控機(jī)，由亞控組態(tài)王專業(yè)軟件進(jìn)行集成控制。溫度、壓力、氣體濃度等參數(shù)由PLC的AI采集;控制動(dòng)作由PLC的DO模塊發(fā)出開關(guān)量信號(hào)，控制電磁閥、壓縮機(jī)、真空泵等的動(dòng)作。流量控制器、PLC通過(guò)RS485協(xié)議與工控機(jī)通訊，由組態(tài)王處理數(shù)據(jù)并發(fā)出動(dòng)作指令。

3 配氣流程

先運(yùn)行驅(qū)動(dòng)氣源系統(tǒng)，再將原料氣減壓閥打開，將其壓力減到0.6MPa后運(yùn)行真空泵，為成品氣瓶抽真空預(yù)處理。根據(jù)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(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量配氣濃度，直到濃度達(dá)標(biāo)后向增壓泵送驅(qū)動(dòng)氣，運(yùn)行增壓泵進(jìn)行充瓶直到達(dá)到要求10MPa，配氣完成。

4 結(jié)語(yǔ)

該配氣系統(tǒng)具有配氣準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)氣量大、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。已在重慶安標(biāo)檢測(cè)研究院有限公司配氣實(shí)驗(yàn)室得到了應(yīng)用。