煤礦注氮防滅火計(jì)量測(cè)量系統(tǒng)工況情況

　針對(duì)煤礦制注氮系統(tǒng)工況當(dāng)前存在的問題與需求情況，上自儀設(shè)計(jì)了一套注氮計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合用戶實(shí)際應(yīng)用的需求，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)；使用了目前成熟、穩(wěn)定且先進(jìn)的氣體流量和O2濃度檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用目的。

    注氮防滅火是煤礦采空 區(qū)及開采煤 層防火防氧化自燃的有效手段。 制氮機(jī)提純空氣中的 N2 氣， 然后通過加壓將 N2 氣注入相應(yīng)發(fā)火區(qū)域，沖淡區(qū)域內(nèi) O2 含量，達(dá)到滅火防自燃的目的。 礦用制氮設(shè)備多采用碳分子篩變壓吸附產(chǎn)氮方式，裝置出廠時(shí)多已裝了壓力表、流量計(jì)、測(cè)氧儀等設(shè)備，但這些設(shè)備都不具備信號(hào)輸出、遠(yuǎn)傳及統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)制氮總量的統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制氮設(shè)備運(yùn) 行狀況多有不便。 另外，從制氮設(shè)備輸出的 N2 氣會(huì)被多個(gè)分支管路分別輸送至不同的注氮現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)每一個(gè)注氮分支管路進(jìn)行計(jì)量可以實(shí)現(xiàn)注氮量及壓 力的準(zhǔn)確把控，同時(shí)也對(duì)輸氣管路漏氣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)，以免 N2 氣大量泄漏而發(fā)生安全事故。 注氮計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)防火制注氮系統(tǒng)作用巨大。

1   注氮防滅火系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需求
    對(duì)制氮量、 輸出壓力、N2 氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)制氮設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析。 當(dāng)出現(xiàn)波動(dòng)較大、輸出值達(dá)不到規(guī)定值的情況時(shí)，可能意味著制氮設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)了異常， 應(yīng)立即進(jìn)行停機(jī)檢查，以免發(fā)生事故。對(duì)制注氮過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、可靠計(jì)量監(jiān)測(cè)，是檢驗(yàn)注氮是否達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求的考評(píng)手段。 注氮量是注氮滅火過程中非常重要的參數(shù)，直接決定著滅火和防自燃效果。 注氮量太小，會(huì)因達(dá)不到惰化采空區(qū)氣體的目的而起不到防火的作用；注氮量太大則造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。對(duì)注氮各分支管路進(jìn)行計(jì)量監(jiān)測(cè)，將制氮機(jī)輸出總量與分支管路流量相結(jié)合，可以起到分析輸氣管道是否發(fā)生大量漏氣， 確保安全生產(chǎn)的目的，同時(shí)也便于領(lǐng)導(dǎo)的管理及統(tǒng)配調(diào)度。對(duì)制氮機(jī)周圍以及注氮口周圍環(huán)境 O2 氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)
    注 氮 計(jì) 量 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 可 切 實(shí) 保 障 制 注 氮 系 統(tǒng)的 穩(wěn)定高效運(yùn)行，提升注氮滅火工作的效率以安全性。 系統(tǒng)組成應(yīng)包含以下部分：在線式管道氣體流量檢測(cè)設(shè)備、 在線式管道氣體壓力檢測(cè)設(shè)備、在線式管道氣體溫度檢測(cè)設(shè)備、在線式管道 N2 氣濃度檢測(cè)設(shè)備、環(huán)境 O2 氣濃度檢測(cè)設(shè)備、信號(hào)采集傳輸設(shè)備、上位機(jī)軟件等。 系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖 1 所示。

在線式管道氣體流量檢 測(cè)設(shè)備主要 用于對(duì)制氮設(shè)備制氮量以及注氮量， 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量；在線式管道氣體壓力檢測(cè)設(shè)備主要用于對(duì)制氮設(shè) 備N2 氣出口壓力以及注氮口壓力， 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在線式管道氣體溫度檢測(cè)設(shè)備主要用于對(duì)制氮設(shè)備輸出氣體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在線式管道濃度檢測(cè)設(shè)備主要用于對(duì)制氮設(shè)備輸出 N2 氣的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 環(huán)境 O2 傳感器主要用于監(jiān)視制氮機(jī)周圍，以及注氮口周圍環(huán)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(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能： 1）在線監(jiān)測(cè)制氮機(jī)總輸出流量、N2 濃度以及制氮出口壓力； 2）在線 監(jiān) 測(cè) 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(jiān)測(cè)制氮機(jī)周圍及注氮口周圍 O2 濃度； 4）能夠?qū)崟r(shí)上傳監(jiān)測(cè)到的流量瞬時(shí)流量、N2 濃 度、O2 濃度，在上位機(jī)監(jiān)控軟件上顯示并上傳至集團(tuán)公司； 5）具有數(shù)據(jù)分析功能，可分析輸送管路泄露與否并發(fā)出報(bào)警的功能； 6）上位機(jī)監(jiān)控軟件具有注入 N2 日累計(jì)、月累積及年累積功能并具有打印報(bào)表的功能。 3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量與采集設(shè)計(jì)

3.1 氮?dú)饬髁康臏y(cè)量設(shè)計(jì)
    從制氮機(jī)出來的氣體是較為潔凈的氣體介質(zhì)， N2 氣產(chǎn)量約為（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）300～1500 m3/h，出口 N2 壓力范圍為 0～1.0 MPa， 故對(duì)于該氣體流量的測(cè)量設(shè)備只要在流量測(cè)量精度以及防爆性能上滿足要求，則均可應(yīng)用。 當(dāng)前煤礦注氮計(jì)量裝置常用流量計(jì)有孔板流量計(jì)、金屬管浮子流量計(jì)?？装辶髁坑?jì)起源早，歷史悠久，國際通用，機(jī)構(gòu)簡單，成本低且無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，也是現(xiàn)用流量計(jì)應(yīng)用范圍非常廣泛的流量計(jì)，屬于差壓式流量計(jì)中的一種。 其安裝與在制氮機(jī)出口，通過差壓變送器測(cè)量孔板兩側(cè)的壓差并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jié)流 特性會(huì)給 N2 輸出帶來較大的阻力， 產(chǎn)生大的壓力損失，影響氣量及輸出壓力，這會(huì)給用戶帶來很大的能源浪費(fèi)；②孔板邊緣易磨損，隨著使用時(shí)間的增長，磨損越發(fā)嚴(yán)重，孔板流出系數(shù)發(fā)生變化，測(cè)量誤差增大； ③一般不具有信號(hào)輸出和遠(yuǎn)傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測(cè)。金屬管浮子 流量計(jì)是一 種變面積流 量測(cè)量儀表，浮子在測(cè)量管中，隨著流量的變化，將浮子向上移動(dòng)，在某一位置浮子所受的浮力與浮子重力達(dá)到平衡。 此時(shí)，浮子與孔板（或錐管）間的流通環(huán)隙面積保持一定， 環(huán)隙面積與浮子的上升高度成正比，即浮子在測(cè)量管中上升的位置代表流量的大小，變化浮子的位置由內(nèi)部磁鐵傳輸?shù)酵獠康闹甘酒?，使指示器正確地指示此時(shí)的流量值。該流量計(jì)具有體積小，檢測(cè)范圍大，使用方便，沒有直管段要求等特點(diǎn)，但只能用于自下向上流動(dòng)且必須保持垂直的管道安裝。 這就使得制氮機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)一定要保證流量計(jì)的安裝角度，當(dāng)達(dá)不到其安裝要求時(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確性也將無法保證。 另外，當(dāng)前在制氮上使用的浮子流量計(jì)也只具有本地 顯示功能，不具備信號(hào)輸出和遠(yuǎn)傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測(cè)。為了達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的目的，上述 2 種流量計(jì)均不適合應(yīng)用到注氮計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。 另外，由于礦用制氮系統(tǒng)多為移動(dòng)式，考慮到后期的拆卸及運(yùn) 輸 方 便 性，對(duì) 于 注 氮 計(jì) 量 用 的 流 量 計(jì) 建 議 選 用測(cè) 量準(zhǔn)確、拆卸方便的插入式流量計(jì)———威力巴流量計(jì)。 威力巴流量計(jì)基于皮托 管原型而設(shè) 計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)在線插入式流量測(cè)量裝置，為管道截面線式流量測(cè)量（非點(diǎn)式測(cè)量）裝置。 通過同時(shí)檢測(cè)管道截面中心線上的多個(gè)特征點(diǎn)平均動(dòng)壓而非常終換 算出管道的平均流速， 進(jìn)而測(cè)量出管道實(shí)際流量，測(cè)量準(zhǔn)確性高且方便后期的拆卸與維護(hù)，同時(shí)也可避免永久性壓損影響注氮機(jī)輸氣量問題。 此外，該流量計(jì)具有測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，同時(shí)還集成了溫度壓力測(cè)量功能， 可將工況流量計(jì)轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量，方便計(jì)量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還可用于管道內(nèi) N2 壓力和溫度的測(cè)量，這樣無需再單好安裝管道壓力傳感器和溫度傳感器，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。 該威力巴流量計(jì)的測(cè)量量程比≮10∶1， 非常低測(cè)量流速可達(dá) 1 m/s， 測(cè)量精度≯1.5%；壓力測(cè)量范圍為 0～2 MPa；溫度測(cè)量范圍為-10～50 ℃。

3.2 氣體濃度的測(cè)量設(shè)計(jì)
    在制注氮系統(tǒng)中需要測(cè)量管道內(nèi)的 N2 濃度和相應(yīng)區(qū)域環(huán)境的 O2 濃度。 制氮機(jī)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(shù)φ（N2）應(yīng)大于 97%。 為了確保制氮機(jī)輸出的 N2 濃度達(dá)標(biāo)，則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè) N2 濃度的技術(shù)相對(duì)繁瑣，目前 N2 濃度的測(cè)量方法主要是通過測(cè)目標(biāo)氣體中的氧含量來間接換算[14-15]，即 φ（N2）=1-φ（O2） 所以，測(cè)量管道內(nèi)的 N2 濃度和相應(yīng)區(qū)域環(huán)境的O2 濃度均通過氧氣傳感器來實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)前煤礦上用于測(cè)量 O2 濃度的傳感器均為電化學(xué)原理，測(cè)量方式為自由擴(kuò)散式。然而，為保障 O2 濃度的測(cè)量準(zhǔn)確性，建議選用具有溫度補(bǔ)償和抗電磁干擾功能的氧氣 傳感器，此外還具有測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。傳感器的溫度補(bǔ)償范圍應(yīng)涵蓋-10～50 ℃，O2 體 積濃度測(cè)量范圍應(yīng)涵蓋 0.0%～25.0%，允許基本誤差應(yīng)不超過±3%FS，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間應(yīng)≯60 s。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理
    流量、濃度等測(cè)量設(shè)備傳出的數(shù)據(jù)就近接入具有從通訊口（或相應(yīng)信號(hào)類型的采集端口）的監(jiān)控分站。 所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入礦井本部監(jiān)控系統(tǒng)，并在中心站軟件上通過定義或邏輯定義方式將 所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示出來，并同時(shí)上傳至集團(tuán)公司或上層管理部門。
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)達(dá)到以下功能：①自動(dòng)監(jiān)測(cè) 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(biāo)況混合流量等管道參數(shù)；②自動(dòng)統(tǒng)計(jì)管道 N2 標(biāo)況混合流量的年、月、日累計(jì)量；③O2 濃度可以在中心站軟件上進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)等參數(shù)設(shè)置；④各監(jiān)測(cè)參數(shù)和累計(jì)量等在接入的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)上可實(shí)時(shí)顯示并生產(chǎn)、打印報(bào)表。

4   現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝設(shè)計(jì)
    現(xiàn)場(chǎng)安裝工 藝的好壞直 接決定了計(jì) 量設(shè)備測(cè)量性能表現(xiàn)及后期運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量。 故要求設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝至少應(yīng)考慮：直管段長度預(yù)留充足；流量濃度整體安裝；設(shè)備拆卸方便；預(yù)裝人工校驗(yàn)設(shè)備或措施；等方面。濃度傳感器安裝于來氣方向非常前端，采用旁側(cè)式取氣安裝方式，一端取氣，另一端對(duì)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(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣口上，調(diào)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(jìn)氣 口 通 過 軟 膠 管 接 至 玻 璃 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) 的 出 氣 口；微量的氣體進(jìn)入濃度傳感器測(cè)量氣室，非常后排入大氣。 這種安裝工藝也方便了后期設(shè)備的維護(hù)與更換。 傳感器進(jìn)氣要求：氣體溫度 0～40 ℃，流速 300～500 mL/min，無明水。流量計(jì)量設(shè)備緊隨濃度傳感器安裝，流量計(jì)采用插入式安裝方式， 方便后期設(shè)備的維護(hù)與更換，同時(shí)應(yīng)注意在該流量計(jì)前后留出足夠長的直 管段（具體參考相應(yīng)的流量計(jì)說明書）。非常后安裝用于人工后期 的流量比對(duì) 測(cè)量的設(shè)備及措施。 由于注氮體屬于高壓氣體，考慮到后期校驗(yàn)的安全性， 建議比對(duì)流量計(jì)采用孔板流量計(jì)，同時(shí)考慮到孔板流量計(jì)壓損較大的問題，在安裝孔板流量計(jì)時(shí)建議將孔板流量計(jì)安裝于旁側(cè)管，旁側(cè)管長度應(yīng)不小于 20D。同時(shí)，還需要在孔板流量計(jì)的前后安裝 1 個(gè)手動(dòng)閥門， 用于后期孔板的維護(hù)拆卸， 在旁側(cè)管對(duì) 應(yīng)主管道 的 中 間 安 裝 手 動(dòng) 閥 門 1 個(gè)， 用于流量比對(duì)校驗(yàn)時(shí)的流體控制， 具體如圖 3 所示。 流量校準(zhǔn)過程如下：關(guān)閉手動(dòng)球閥 2 和手動(dòng)球閥 3，手動(dòng)球閥 1 保持打開，將校準(zhǔn)旁路管泄壓，將 U 形管連接到校準(zhǔn)裝置上，并確保牢固；打開手動(dòng)球閥 2 和手動(dòng)球閥 3， 關(guān)閉手動(dòng)球閥 1；待流量穩(wěn)定后，記錄校準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)和在線式計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對(duì)調(diào)校；關(guān)閉手動(dòng)球閥 2 和手動(dòng)球閥 3，打開手動(dòng)球閥 1；校準(zhǔn)結(jié)束。

5 結(jié)語
   　　 設(shè)計(jì)的注氮計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前已經(jīng)在安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦制注氮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，提高了注氮工作效率，確保了注氮人員的工作環(huán)境安全，保障了煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)。