煤礦注氮防滅火計量測量系統(tǒng)工況情況

　針對煤礦制注氮系統(tǒng)工況當前存在的問題與需求情況，上自儀設計了一套注氮計量監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合用戶實際應用的需求，對監(jiān)測系統(tǒng)進行了整體規(guī)劃和設計；使用了目前成熟、穩(wěn)定且先進的氣體流量和O2濃度檢測技術(shù)，設計了檢測設備的現(xiàn)場安裝工藝，達到了系統(tǒng)設計的實用目的。

    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。 制氮機提純空氣中的 N2 氣， 然后通過加壓將 N2 氣注入相應發(fā)火區(qū)域，沖淡區(qū)域內(nèi) O2 含量，達到滅火防自燃的目的。 礦用制氮設備多采用碳分子篩變壓吸附產(chǎn)氮方式，裝置出廠時多已裝了壓力表、流量計、測氧儀等設備，但這些設備都不具備信號輸出、遠傳及統(tǒng)計功能，對實現(xiàn)制氮總量的統(tǒng)計以及遠程實時監(jiān)測制氮設備運 行狀況多有不便。 另外，從制氮設備輸出的 N2 氣會被多個分支管路分別輸送至不同的注氮現(xiàn)場，對每一個注氮分支管路進行計量可以實現(xiàn)注氮量及壓 力的準確把控，同時也對輸氣管路漏氣情況進行實時分析監(jiān)測，以免 N2 氣大量泄漏而發(fā)生安全事故。 注氮計量監(jiān)測系統(tǒng)對防火制注氮系統(tǒng)作用巨大。

1   注氮防滅火系統(tǒng)監(jiān)測需求
    對制氮量、 輸出壓力、N2 氣濃度進行監(jiān)測可以實現(xiàn)制氮設備運行狀態(tài)的實時分析。 當出現(xiàn)波動較大、輸出值達不到規(guī)定值的情況時，可能意味著制氮設備運行出現(xiàn)了異常， 應立即進行停機檢查，以免發(fā)生事故。對制注氮過程進行實時、有效、可靠計量監(jiān)測，是檢驗注氮是否達到現(xiàn)場實際要求的考評手段。 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，會因達不到惰化采空區(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)濟上的浪費。對注氮各分支管路進行計量監(jiān)測，將制氮機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，同時也便于領(lǐng)導的管理及統(tǒng)配調(diào)度。對制氮機周圍以及注氮口周圍環(huán)境 O2 氣濃度進行監(jiān)測，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)組成及功能設計
    注 氮 計 量 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 可 切 實 保 障 制 注 氮 系 統(tǒng)的 穩(wěn)定高效運行，提升注氮滅火工作的效率以安全性。 系統(tǒng)組成應包含以下部分：在線式管道氣體流量檢測設備、 在線式管道氣體壓力檢測設備、在線式管道氣體溫度檢測設備、在線式管道 N2 氣濃度檢測設備、環(huán)境 O2 氣濃度檢測設備、信號采集傳輸設備、上位機軟件等。 系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖 1 所示。

在線式管道氣體流量檢 測設備主要 用于對制氮設備制氮量以及注氮量， 進行實時監(jiān)測計量；在線式管道氣體壓力檢測設備主要用于對制氮設 備N2 氣出口壓力以及注氮口壓力， 進行實時監(jiān)測；在線式管道氣體溫度檢測設備主要用于對制氮設備輸出氣體的溫度進行實時監(jiān)測；在線式管道濃度檢測設備主要用于對制氮設備輸出 N2 氣的濃度進行實時監(jiān)測； 環(huán)境 O2 傳感器主要用于監(jiān)視制氮機周圍，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。注氮計量監(jiān)測系統(tǒng)應具備以下功能： 1）在線監(jiān)測制氮機總輸出流量、N2 濃度以及制氮出口壓力； 2）在線 監(jiān) 測 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)測制氮機周圍及注氮口周圍 O2 濃度； 4）能夠?qū)崟r上傳監(jiān)測到的流量瞬時流量、N2 濃 度、O2 濃度，在上位機監(jiān)控軟件上顯示并上傳至集團公司； 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)出報警的功能； 6）上位機監(jiān)控軟件具有注入 N2 日累計、月累積及年累積功能并具有打印報表的功能。 3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量與采集設計

3.1 氮氣流量的測量設計
    從制氮機出來的氣體是較為潔凈的氣體介質(zhì)， N2 氣產(chǎn)量約為（標準狀態(tài)下）300～1500 m3/h，出口 N2 壓力范圍為 0～1.0 MPa， 故對于該氣體流量的測量設備只要在流量測量精度以及防爆性能上滿足要求，則均可應用。 當前煤礦注氮計量裝置常用流量計有孔板流量計、金屬管浮子流量計?？装辶髁坑嬈鹪丛?，歷史悠久，國際通用，機構(gòu)簡單，成本低且無可轉(zhuǎn)動部件，也是現(xiàn)用流量計應用范圍非常廣泛的流量計，屬于差壓式流量計中的一種。 其安裝與在制氮機出口，通過差壓變送器測量孔板兩側(cè)的壓差并轉(zhuǎn)換成相應的工況流量 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，這會給用戶帶來很大的能源浪費；②孔板邊緣易磨損，隨著使用時間的增長，磨損越發(fā)嚴重，孔板流出系數(shù)發(fā)生變化，測量誤差增大； ③一般不具有信號輸出和遠傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。金屬管浮子 流量計是一 種變面積流 量測量儀表，浮子在測量管中，隨著流量的變化，將浮子向上移動，在某一位置浮子所受的浮力與浮子重力達到平衡。 此時，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)酵獠康闹甘酒鳎怪甘酒髡_地指示此時的流量值。該流量計具有體積小，檢測范圍大，使用方便，沒有直管段要求等特點，但只能用于自下向上流動且必須保持垂直的管道安裝。 這就使得制氮機在現(xiàn)場安裝時一定要保證流量計的安裝角度，當達不到其安裝要求時，其測量準確性也將無法保證。 另外，當前在制氮上使用的浮子流量計也只具有本地 顯示功能，不具備信號輸出和遠傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。為了達到監(jiān)測數(shù)據(jù)遠傳的目的，上述 2 種流量計均不適合應用到注氮計量監(jiān)測系統(tǒng)中。 另外，由于礦用制氮系統(tǒng)多為移動式，考慮到后期的拆卸及運 輸 方 便 性，對 于 注 氮 計 量 用 的 流 量 計 建 議 選 用測 量準確、拆卸方便的插入式流量計———威力巴流量計。 威力巴流量計基于皮托 管原型而設 計開發(fā)的一種實時在線插入式流量測量裝置，為管道截面線式流量測量（非點式測量）裝置。 通過同時檢測管道截面中心線上的多個特征點平均動壓而非常終換 算出管道的平均流速， 進而測量出管道實際流量，測量準確性高且方便后期的拆卸與維護，同時也可避免永久性壓損影響注氮機輸氣量問題。 此外，該流量計具有測量數(shù)據(jù)遠傳功能，同時還集成了溫度壓力測量功能， 可將工況流量計轉(zhuǎn)換為標況流量，方便計量統(tǒng)計，同時還可用于管道內(nèi) N2 壓力和溫度的測量，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)。 該威力巴流量計的測量量程比≮10∶1， 非常低測量流速可達 1 m/s， 測量精度≯1.5%；壓力測量范圍為 0～2 MPa；溫度測量范圍為-10～50 ℃。

3.2 氣體濃度的測量設計
    在制注氮系統(tǒng)中需要測量管道內(nèi)的 N2 濃度和相應區(qū)域環(huán)境的 O2 濃度。 制氮機輸出的 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）應大于 97%。 為了確保制氮機輸出的 N2 濃度達標，則實時監(jiān)測輸出 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 N2 濃度的技術(shù)相對繁瑣，目前 N2 濃度的測量方法主要是通過測目標氣體中的氧含量來間接換算[14-15]，即 φ（N2）=1-φ（O2） 所以，測量管道內(nèi)的 N2 濃度和相應區(qū)域環(huán)境的O2 濃度均通過氧氣傳感器來實現(xiàn)。 當前煤礦上用于測量 O2 濃度的傳感器均為電化學原理，測量方式為自由擴散式。然而，為保障 O2 濃度的測量準確性，建議選用具有溫度補償和抗電磁干擾功能的氧氣 傳感器，此外還具有測量數(shù)據(jù)遠傳功能。傳感器的溫度補償范圍應涵蓋-10～50 ℃，O2 體 積濃度測量范圍應涵蓋 0.0%～25.0%，允許基本誤差應不超過±3%FS，測量響應時間應≯60 s。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理
    流量、濃度等測量設備傳出的數(shù)據(jù)就近接入具有從通訊口（或相應信號類型的采集端口）的監(jiān)控分站。 所有監(jiān)測數(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)測的數(shù)據(jù)顯示出來，并同時上傳至集團公司或上層管理部門。
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理應達到以下功能：①自動監(jiān)測 N2 輸送管道總管、 分支管的 O2 濃度、 管道壓力、管道溫度、管道工況及標況混合流量等管道參數(shù)；②自動統(tǒng)計管道 N2 標況混合流量的年、月、日累計量；③O2 濃度可以在中心站軟件上進行報警點等參數(shù)設置；④各監(jiān)測參數(shù)和累計量等在接入的監(jiān)控系統(tǒng)上位機上可實時顯示并生產(chǎn)、打印報表。

4   現(xiàn)場安裝工藝設計
    現(xiàn)場安裝工 藝的好壞直 接決定了計 量設備測量性能表現(xiàn)及后期運行維護質(zhì)量。 故要求設備現(xiàn)場安裝工藝至少應考慮：直管段長度預留充足；流量濃度整體安裝；設備拆卸方便；預裝人工校驗設備或措施；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)子流量計進氣口上，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 進氣 口 通 過 軟 膠 管 接 至 玻 璃 轉(zhuǎn) 子 流 量 計 的 出 氣 口；微量的氣體進入濃度傳感器測量氣室，非常后排入大氣。 這種安裝工藝也方便了后期設備的維護與更換。 傳感器進氣要求：氣體溫度 0～40 ℃，流速 300～500 mL/min，無明水。流量計量設備緊隨濃度傳感器安裝，流量計采用插入式安裝方式， 方便后期設備的維護與更換，同時應注意在該流量計前后留出足夠長的直 管段（具體參考相應的流量計說明書）。非常后安裝用于人工后期 的流量比對 測量的設備及措施。 由于注氮體屬于高壓氣體，考慮到后期校驗的安全性， 建議比對流量計采用孔板流量計，同時考慮到孔板流量計壓損較大的問題，在安裝孔板流量計時建議將孔板流量計安裝于旁側(cè)管，旁側(cè)管長度應不小于 20D。同時，還需要在孔板流量計的前后安裝 1 個手動閥門， 用于后期孔板的維護拆卸， 在旁側(cè)管對 應主管道 的 中 間 安 裝 手 動 閥 門 1 個， 用于流量比對校驗時的流體控制， 具體如圖 3 所示。 流量校準過程如下：關(guān)閉手動球閥 2 和手動球閥 3，手動球閥 1 保持打開，將校準旁路管泄壓，將 U 形管連接到校準裝置上，并確保牢固；打開手動球閥 2 和手動球閥 3， 關(guān)閉手動球閥 1；待流量穩(wěn)定后，記錄校準裝置的數(shù)據(jù)和在線式計量裝置的數(shù)據(jù)，進行比對調(diào)校；關(guān)閉手動球閥 2 和手動球閥 3，打開手動球閥 1；校準結(jié)束。

5 結(jié)語
   　　 設計的注氮計量監(jiān)測系統(tǒng)，目前已經(jīng)在安徽淮南礦業(yè)集團下屬煤礦進行了實際應用，實現(xiàn)了煤礦制注氮系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制，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)。