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煤矿用空气中甲烷标准气体的自动配气系统的研究

范文

雷文龙

摘要：甲烷标准气体是煤矿用甲烷类气体检测报警仪器、传感器等仪表在标定过程中进行量值传递所必须的一种标准物质。本文介绍了一种采用流量比例法原理设计的煤矿用空气中甲烷标准气体自动化配气系统，给出了系统总体设计，详细介绍了各关键组成部分：配气管路、驱动气路、数据采集与控制系统等的构成，本系统具有操作简便、自动化程度高、安全、高效的特点。

关键词：标准气体;自动控制;比例阀;质量流量控制

中图分类号：TD67 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0122-02

0 引言

标准气体是一种标准物质，是一种浓度均匀的，具有良好稳定性和量值准确的物质。用于校准测量仪器和测量过程，评价测量方法的准确度和检测实验室的检测能力，确定材料或产品的特性量值，进行量值仲裁等。

煤矿用空气中甲烷标准气体浓度在0.5%～3.5%，主要用于矿用甲烷传感器、报警仪的校准、检测。

制备方法主要有称量法、分压法、流量比例混合法、电解法、渗透法等几种方式，其中称量法、分压法、流量比例混合法为主要配气方式。

称量法是应用高载荷精密天平称量装入钢瓶中的各气体组份，根据各组份的質量比，计算出钢瓶中标准气体的浓度。此方法主要用于精度等级较高的标气的配制。全程需人工参与，工作效率较低，精度高。

分压法主要依据理想气体的“道尔顿”定律：在给定容积下，混合气体总压等于混合气体中各组分分压之和。分压法生产效率较高，多采用人工配气，配气过程中有较高的危险性。

流量比例混合法是使已知浓度的原料气与稀释气按恒定比例连续不断地进行混合，从而可以连续不断地配制并供给一定浓度的标准气，根据两股气流的流量比可计算出标准气的浓度，流量法适于大量自动化生产。

1 装置总体方案设计

本方案采用流量比例混合法，由2路质量流量控制器动态控制每一路流量，通过上位机根据目标浓度和总流量自动分配每一路气体流量，配气最大输出压力0.4MPa，配置好混合气体通过气体增压泵增压充装到钢瓶内，最大充装压力10MPa。

装置主要由配气管路系统、数据采集与处理控制系统、驱动气源系统等三大部分组成（如图1）。

2 各系统设计

2.1 配气管路系统设计

配气管路系统主要由：原料气供应系统、低压配气系统、气体浓度在线分析系统、混合气高压充装系统等四部分组成（如图2）。待用成品空气瓶先由真空泵抽真空。高纯高压原料气经减压阀减压为0.6MPa的低压气后经过滤后送入质量流量控制器，流量控制器根据所需浓度需求控制各自组分的流速，在混合气罐处经混合后得到低压混合气，混合气再经支路进行在线浓度分析，如不达标则经排空放空，如达标则送入后端增压泵增压充瓶。

原料气供应系统主要是所需配置混合气体需要的高纯原料气气源，主要包括：原料气体减压器、钢瓶接头、过滤器、高压软管等。

低压配气系统主要包括：2路质量流量控制器、电磁阀、压力变送器、气体混合罐、不锈钢管道、接头等。为保证成品气的清洁，所有气体管道及接头均采用不锈钢材质。混合气出口设置气体混合罐，内部流道特殊设计保证气体充分混合，混合罐出口设置背压阀，保证输出气体压力稳定在0.4MPa。

气体浓度在线分析系统选用高精度气体浓度分析仪测量浓度。在管路前端设计了稳压阀，保证主管路的压力稳定，由针形阀调节进入分析仪的气体流量，多余的混合气经支路排空。混合气高压充装系统主要包括：真空泵、气动增压泵、高压电磁阀、气体冷却器、气瓶快换接头。真空泵用于对成品用气瓶进行预处理，可以减小原瓶中气体与水分对成品气精度的影响。气动增压泵以0.2MPa～0.8MPa的清洁压缩空气为动力源，利用大面积活塞端的低压气体驱动活塞往复运动从而在小面积活塞端流体的压力提高。缸体采用不锈钢，活塞体采用铝制，运动部件无油润滑可保证成品标气的清洁。进口压力0.4MPa，出口端可达10MPa。

在标气的压缩充瓶过程中，被压缩标气与外界环境有不完全的热交换，有升温。可以认为这是一个非等温、非绝热下多变压缩过程。由此有压缩后的温度方程式：

T2压缩后标气温度，K;T1压缩前标气温度，K;n多变指数;

P2压缩后标气压力，MPa;P1压缩前标气压力，MPa。以压缩前温度20℃，压缩前0.4MPa，压缩后压力10MPa，多变指数取1.2计，将达到210℃，所以需设计压缩后冷却器，本案设计不锈钢盘管水浸冷却。

2.2 驱动气源系统设计

驱动气源所需设备有：压缩机、储气罐、过滤器、油水分离器、冷冻式干燥机，具体系统图见图3。压缩机可选用0.8MPa的螺杆式空压缩机，它具有噪声小、安装方便、免维护等优点。储气罐可保证气流的稳定。过滤器可去除压缩空气中的固定杂质。油水分离器可分离掉气体中的液体颗粒状态悬浮的润滑油与水分。冷冻式干燥机可保证压缩空气的干燥，压缩空气通过冷干机后的压力露点可达0℃。

2.3 数据采集与处理控制系统

数据采集与处理控制系统（详见图4）主要基于PLC可编程逻辑控制器，上位机采用工控机，由亚控组态王专业软件进行集成控制。温度、压力、气体浓度等参数由PLC的AI采集;控制动作由PLC的DO模块发出开关量信号，控制电磁阀、压缩机、真空泵等的动作。流量控制器、PLC通过RS485协议与工控机通讯，由组态王处理数据并发出动作指令。

3 配气流程

先运行驱动气源系统，再将原料气减压阀打开，将其压力减到0.6MPa后运行真空泵，为成品气瓶抽真空预处理。根据选择或输入需配气体浓度，控制流量控制器开度到需要的值后配气正式开始，在配气过程中实时测量配气浓度，直到浓度达标后向增压泵送驱动气，运行增压泵进行充瓶直到达到要求10MPa，配气完成。

4 结语

该配气系统具有配气准确、自动化程度高、产气量大、工作效率高等优点。已在重庆安标检测研究院有限公司配气实验室得到了应用。

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