防湍及自校準氣體預處理裝置設計

王 堯

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤礦瓦斯管道、煤礦采空區、城市綜合管廊燃氣倉、城市地下管網、化糞池、沼氣池、垃圾處理廠等場所，需要對甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）、氧氣（O2）等有毒有害、易燃易爆的危險氣體進行定量檢測，并對其成分含量進行科學分析[1-3]。對這些危險氣體進行檢測前，往往需要對氣體中的粉塵、水蒸汽、焦油、液滴、氣溶膠等懸浮顆粒及灰渣等固體顆粒進行預處理，以防這些物質進入探測器等測量設備導致測量不準確或難以測量[3]。

目前的多種氣體預處理系統或裝置氣路氣流不穩定、氣流湍流現象明顯，導致測量結果不準確，同時現有的預處理系統或裝置不具備探測器零點自校準功能，依然通過人工定期對探測器進行零點校準，操作復雜。故在此設計了一款具有防湍與自校準功能的氣體預處理裝置，能夠對探測器等測量設備進行校準， 有效地去除氣體中的各種雜質，并確保處理后氣體氣流的穩定性。該裝置適用范圍廣，安裝簡單，操作方便，為準確定量測量危險氣體含量提供了有效的技術保障。

1 氣體預處理裝置技術特點

氣體預處理裝置適用于國家標準GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中規定的0區爆炸性氣體環境，裝置由隔爆兼本安直流電源供電，控制電路采用本質安全設計，抽氣泵選用本質安全型無刷抽氣泵。因此，該裝置需符合國家標準GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1 部分：設備通用要求》中規定Ⅰ類、Ⅱ類爆炸性氣體環境用電氣設備的要求。

氣體預處理裝置的技術特點包括：

①裝置控制電路采用本質安全設計，由本安電源供電，抽氣泵選用無刷本質安全型真空泵，裝置適用于0 區爆炸性氣體環境，符合Ⅰ類、Ⅱ類爆炸性氣體環境用電氣設備的要求；

②氣路通過真空抽氣泵提供動力，具有2 級過濾結構， 其中二級過濾器串聯在真空抽氣泵后端，探測器前端，過濾進入探測器敏感元件的采樣氣中的水分和粉塵等雜質，并且對進入探測器的氣流起到緩沖穩流的作用，可以提高探測器的工作穩定性和測量準確性；

③真空抽氣泵采用間歇式工作方式，以提高抽氣泵的使用壽命；

④氣路在抽氣泵的前端串聯三通電磁閥，一路進氣級聯一級過濾器， 一路進氣連接外界空氣，通過控制電路控制三通電磁閥切換氣路，實現對探測器零點自動校準。

2 氣體預處理裝置設計

2.1 氣路設計

該裝置的組成沿氣體流動的方向依次為粗過濾器、三通電磁閥、真空抽氣泵以及精過濾器，如圖1 所示。

圖1 防湍及自校準氣體預處理裝置示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of anti-turbulence and self-calibration gas pretreatment device

1）粗過濾器 實現對采樣氣的粗過濾，濾芯采用纖維多孔材質，粉塵過濾精度為10 μm，過濾進入真空抽氣泵的采樣氣中的水分和粉塵等雜質，以提高泵的使用壽命，過濾器濾除的水分可通過放水口排出，濾芯可清洗或更換。

2） 三通電磁閥 三通電磁閥一路進氣級聯一級過濾器，一路進氣連接外界空氣，通過控制電路控制三通電磁閥切換氣路，實現對探測器零點自動校準。

3）真空抽氣泵 為抽采測點樣氣提供動力。真空抽氣泵選用本質安全型無刷真空泵，額定工作電壓12 V，符合Ⅰ類、Ⅱ類爆炸性氣體環境用電氣設備的要求。通過控制電路控制抽氣泵間歇運行，以提高泵的使用壽命， 抽氣泵設置在探測器前端，使探測器監測敏感元件處氣壓為正壓，保證探測器準確測量。

4）精過濾器 實現對采樣氣的精過濾。濾芯采用纖維多孔材質，粉塵過濾精度為3 μm，過濾進入探測器敏感元件的采樣氣中的水分和粉塵等雜質，并且對進入探測器的氣流起到緩沖穩流的作用，可以提高探測器的工作穩定性和測量準確性，過濾器濾除的水分可通過放水口排出，濾芯可清洗或更換。

2.2 真空泵選用

真空泵是氣體預處理裝置的核心功能部件，是該裝置工作電流最大的消耗部件，因此其選型設計必須進行嚴格的計算與測試。

（1）最大工作電流計算

該裝置設計應用環境為爆炸性氣體環境，因此采用隔爆兼本安直流電源供電，其輸出電壓為24 V。設計供電傳輸距離為2 km，其電壓差為15 V，線纜等效阻抗為51.2 Ω。裝置的最低工作電壓為9 V，則由公式I=U/R 計算得知，I=15 V/51.2 Ω=292 mA。因此預處理裝置的最大工作電流應小于292 mA。

（2）平均抽氣流量計算

該裝置進氣口連接采樣管，考慮具體應用場所裝置安裝位置與取氣點之間的距離，真空泵的抽氣流量能力直接決定了裝置的響應時間。設計采樣管的直徑為8 mm，則采樣管橫截面積為

S=πr2=3.14×42mm2=50.24 mm2≈0.5 cm2

由體積公式V=SH 可知，100 m 長束管的空間容量V=0.5 cm2×100 m=5 L。若需要3 min 內將采樣管內氣體抽光，則平均抽氣流量為1.67 L/min。

經過查找比對，VLC65××-12V 型真空泵的性能參數為額定工作電壓12 V， 平均工作電流≤220 mA，平均流量≥2 L/min。

綜上可知，VLC65××-12V 型真空泵完全可以滿足裝置的設計需求，故選用該真空泵作為所設計裝置的核心抽氣部件。

2.3 控制電路設計

該裝置電控電路是該裝置的重要組成部分，主要包括電源電壓轉換、顯示電路、抽氣泵驅動電路、遙控接收電路、通訊電路，控制電路本質安全設計。控制電路與抽氣泵、三通電磁閥連接，實現采樣點樣氣抽采及校準氣路切換的邏輯控制。控制電路原理如圖2 所示。

圖2 控制電路原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of control circuit

根據裝置的使用要求和真空抽氣泵的使用壽命條件，可設置控制三通電磁閥切換空氣氣路的時間，即零點自動校準時間間隔；裝置采樣功能采用間歇式工作方式，真空抽氣泵工作時間和抽氣泵停止時間可在一定時間范圍內設置。

2.4 裝置測試

裝置完成樣機試制后，對工作電壓、工作電流、流量等指標進行測試，具體結果見表1 和表2。由表可知各項指標均滿足設計要求。

表1 工作電壓電流測試結果Tab.1 Test results of working voltage and current

表2 流量測試結果Tab.2 Flow test results

3 氣體預處理裝置應用

城市下水道和化糞池擔負著生活污水、工業廢水的接納、輸送功能，但由于其相對封閉，環境特殊， 污水中的有機物和無機物質在密閉的管道中，在厭氧條件下受微生物作用，會分解產生多種有毒有害、易燃易爆氣體[4]。

該氣體預處理裝置作為監控系統的預處理單元，已成功應用于重慶市兩江新區地下管網及化糞池危險源智能監控系統（其現場應用照片如圖3 所示），對市政地下管網及化糞池中有毒有害氣體（CH4，H2S，等）進行實時采集和測量，確保污水管網、化糞池設施的安全運行。

圖3 地下管網及化糞池危險源智能監控系統現場應用Fig.3 Field application of intelligent monitoring system for hazard source of underground pipe network and septic tank

煤的氧化自燃特性表明，煤自燃可產生多種標志性氣體如CO，C2H4，C2H2等，并隨著煤溫的升高，其產生量將發生顯著的變化，同時其背景氣如O2，CO2和CH4，也是評判煤自燃發火趨勢的重要指標[5]。該裝置作為監控系統的預處理單元，已成功應用于淮北礦業股份有限公司的礦井防火關鍵參數實時在線監測，對礦井煤氧化自燃特征氣體進行實時采集和測量，為進一步采取措施提供技術依據。

從現場應用情況看，監測數據實時準確，性能穩定，滿足應用要求。

4 結語

所設計的氣體預處理裝置控制電路采用本質安全設計，由本安電源供電，抽氣泵選用無刷本質安全型真空泵， 裝置適用于0 區爆炸性氣體環境，符合Ⅰ類、 Ⅱ類爆炸性氣體環境用電氣設備的要求；該裝置對進入檢測探測器的氣流起緩沖穩流作用， 可提高探測器的工作穩定性和測量準確性；通過控制電路控制三通電磁閥切換氣路，可實現對探測器零點自動校準。從試驗測試及現場應用情況看，監測數據實時準確，性能穩定，滿足應用要求。