一种微差压原位式取样激光甲烷在线分析系统

李 军　孙世岭　龚仲强　张书林 　郭清华　王　尧

(1.中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)



仪器研制与改进

一种微差压原位式取样激光甲烷在线分析系统

李 军1 ,2孙世岭1,2龚仲强1,2张书林1,2郭清华1,2王尧1,2

(1.中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

设计了一种煤矿抽放管道原位式微差压取样装置，以实现对管道甲烷气体进行在线式准确监测。装置中的甲烷在线分析仪采用先进的可调谐激光光谱吸收技术，具有高分辨率、抗干扰、响应快、高稳定性等特点。该技术的成功应用将为瓦斯抽采管道内甲烷浓度的实时监测提供一种准确有效的解决方法。

微差压取样吸收光谱甲烷激光

矿井中的有害气体[1]主要是以甲烷为主构成的煤层气，有时单指甲烷。矿井瓦斯抽放是为了减少和解除瓦斯对煤矿安全的威胁，利用机械设备和专用管道造成的负压，将煤层中存在或释放出来的瓦斯抽出，输送到地面或其他安全地点的方法。瓦斯抽放是消除重大瓦斯事故的治本措施，能够解决仅靠通风难以解决的问题，降低矿井通风成本，有效利用宝贵的瓦斯资源。我国是以矿井瓦斯涌出量的大小作为瓦斯抽放的基本条件的，总的原则[2]是：如果用通风方法不能将涌出的瓦斯稀释到《煤矿安全规程》允许的安全浓度，就必须考虑进行瓦斯抽放。然而对瓦斯抽放浓度准确检测长期以来成为困扰计量监测的难题，特别是国家大力提倡节能减排，瓦斯再利用过程中计量准确检测也是目前急需解决的难题。

煤矿瓦斯抽放管路为了安全需要，往往存在管路中水汽大，负压高，粉尘浓度高等特点[3]。并且管道气体具有爆炸性，要求分析仪必须本质安全，本安防爆要求必须按照“Exia I Ma”等级进行系统设计，这些苛刻条件给在线分析仪在煤矿管道应用带来难题。

目前大量应用的基于非色散红外光谱吸收原理的甲烷分析仪，在实际应用中大多存在受水汽、非甲烷等碳氢气体交叉影响等缺陷，往往都不能满足甲烷测量精度1.5%FS的要求。在实际管道气体采样中大多采用旁侧管、泵吸式等各种样气处理装置，造成管路结构复杂，抽气泵寿命低、气泵本安防爆处理复杂等致命缺陷，造成在实际应用中维护量大，监测失真等问题。在煤矿实际应用中存在以下弊端[3]：①抽气管路长，导致分析值滞后时间长；②管路容易堵塞。③管理难度大。因管路长，如出现堵塞、漏气或断管现象，监测数据可信度差。随着检测技术不断进步与发展，笔者结合多年现场对在线甲烷分析仪应用经验，提出了一种原位式微差压取样方法，甲烷分析仪采用可调谐激光光谱吸收技术研制，具有高分辨率、抗干扰、响应快、高稳定性等特点[4]。该系统的成功实施旨在弥补红外式在线气体分析仪以及传统旁侧管过滤取样的不足，及时准确地对瓦斯抽放管路瓦斯浓度进行实时准确检测。

1　原位式微差压取样装置设计

针对煤矿瓦斯抽放管道束管抽采瓦斯检测的弊端，根据煤矿现场需求，设计了一套原位式微差压取样装置，该装置结构如图1所示。

图1　原位式微差压取样装置结构图1.管道； 2.进气管； 3.气液分离器；4.激光甲烷分析仪；5.回气管；6.安装支架；7.正压取样口； 8. 背压取样口

该装置对抽放管道内样气处理过程如下：

①样气经取样探头正压取样口取出后，经进气管流入气液分离器，冷凝水进入气液分离器底部溢流装置。

②样气经气液分离器后降温，达到气水分离目的，经内置膜式过滤器过滤掉样气中的固体杂质；

③样气经过降温脱湿后，在采样头中预热保温，再流入激光甲烷分析仪内，这样就不会在采样气室中形成冷凝水，保证了激光甲烷检测系统长期在线的正常工作。

该装置主要作用是对管道内恶劣环境的气体进行预处理，以便后期激光甲烷分析仪进行实时准确的测量。激光甲烷分析仪的性能直接影响测量甲烷浓度的准确性，是系统中最关键的部分。

2　激光甲烷在线分析仪

2.1基本原理

激光甲烷在线分析仪采用国际上先进的可调谐光谱吸收技术，利用半导体激光器光频率随温度和电流可调的特性，对待测气体浓度等参数进行定量检测。光波频率为的单频激光束通过光程为L、压力为P、温度为T和浓度为X的待测气体，待测气体对激光能量的吸收满足Beer-Lambert定律[5]，该表达式为：

I=I0exp[-S(T)Φ(υ,P,X,T)PXT]

(1)

其中，I0和I分别是入射和透射光强度；线性函数Ф决定被测气体吸收谱线的形状；谱线的线强S(T)是T的函数。

通过注入正弦波电流，激光器出射光波频率受到调制，瞬时光波频率为：

υ=υc+δcos(ωt)

(2)

其中，δ为调制幅度，ω为调制角频率。

激光光强用I(v)的余弦傅里叶级数表示为：

(3)

其中每个谐波分量均可以通过锁相放大器得到：

(4)

由上式可知，当n=2时，透射光强的二次谐波分量A2(v)与气体浓度X成一一对应的正比关系。

激光甲烷气体检测技术与传统甲烷检测技术相比，具有以下几个方面的优点[5，6]：(1)分辨率高：半导体激光器谱线精度很高，结合频率调制和谐波锁相解调技术可使系统检测限达到10-6量级。(2)抗干扰性好：系统工作谱线宽度约为0.2nm，能在复杂背景下选择甲烷气体吸收谱线进行测量，避免水汽/其它烷烃气体干扰。(3)分布式测量：结合光纤和波分复用技术，不仅可以实现多点的同时监测，也可以得出该光路上甲烷气体的平均浓度。

2.2系统框图

在红外通信波段范围，通过查询HITRAN光谱吸收数据库可知，甲烷在1653nm处有一个特征吸收窗口，与通信波段1550nm接近，光谱吸收谱线如图2所示。

图2　甲烷在近红外1650nm区域的吸收光谱图

激光甲烷在线分析系统主要由分布式反馈半导体激光器，激光器驱动及温控电路，采样气室，探测器，探测电路及信号处理，显示电路等组成，其系统框图如图3所示。

图3　激光甲烷在线分析系统框图

系统软件通过控制波形发生器输出正弦波模拟信号对DFB激光器进行波长扫描，扫描频率为10kHZ；光波通过采样气室被甲烷气体吸收，进入InGaAs光电探测器转换成电信号。通过控制数据采集卡采集光电探测器接收的电信号。采集的数字信号再经过锁相放大处理、滤波、互相关等数据处理，得到被测气体的浓度等特征信息。

2.3实验测试验证

2.3.1解调信号浓度反演及实验测试

为降低系统噪声，采用高频正弦波叠加低频锯齿波的方式注入激光器，出射光束经过采样气室时，对应1653.1nm波长的光波被吸收，光电探测器接收的对应光信号如图4所示。

图4　经甲烷吸收后，光电探测器接收的信号波形

系统通过控制半导体激光器在1653.0nm～1653.2nm波段范围内来回扫描，光波经过采样气室时，1653.1nm波段的光波被吸收，透射光波经光电探测器转换成电信号，如图5所示。系统采集的探测信号数据，经锁相放大，滤波，谐波提取等处理得到二次谐波信号，如图5所示。解调出的二次谐波信号面积与甲烷气体的浓度成一一对应正相关关系，如图6所示。

图5　吸收波形解调出的二次谐波信号

图6　二次谐波信号面积与甲烷浓度的对应关系

因此，通过求解出检测波形二次谐波的面积S，再通过分段最小二乘法拟合的方法，得到面积S与甲烷浓度值y的函数关系，就可以反演出光路中甲烷的平均浓度y，如图7所示。

图7　二次谐波信号面积与甲烷浓度的对应关系

通过上述算法，在0.0%～100.0%甲烷气体浓度范围内，反演的甲烷浓度值与实际通入的标准甲烷浓度线性误差小于1%。

2.3.2气体压强变化对甲烷的影响及算法补偿

由Beer-Lambert吸收定律表达式可知，气体压强会影响线性函数Ф的吸收谱线宽度和单光谱吸收率值，进而会对测量值造成较大的测量误差，因此需要在算法上根据实际甲烷气体的压强进行相应的补偿。

压强补偿算法的核心内容是利用初步测量的气体浓度数据结合气压测量值，采用迭代法逐步逼近真实浓度下的压强补偿并结合分段线性插值、重心拉格朗日插值，实现对测量系统的气压补偿。

压强算法补偿过程包括以下步骤：

(1)考虑煤矿瓦斯抽放管道工作环境，在系统气压工作30kpa～150kpa范围内，选取Ρ1,Ρ2,…,Ρn为气压特征点；在系统测量量程内均匀选取C1,C2,…,Cm为浓度特征点，并在其中确定系统原始气压、浓度特征点P0,C0，测量系统气压影响率Acb(Pa)。

(2)利用测量甲烷气体浓度C′和气压P′，代入系统气压影响率Acp(Pa)，求得相应的补偿率F(C′,P′)。

(3)由补偿率F(C′,P′)补偿气压对测量系统的影响，得到第一次补偿后的气体浓度C″。

(4)将求得的C″带入(1)～(3),进行循环迭代运算，当迭代前后两次浓度值之差的绝对值小于设定值时，结束迭代过程，最后一次迭代计算的浓度值为甲烷的测量浓度值Cz。

上述压强补偿算法的具体实现流程，如图8所示。

在实验室环境中，通过改变测试的甲烷浓度和气体压强，对研制的系统进行了实验测试。以测量20.0%标准甲烷为例，在系统工作气压30kpa～150kpa范围，补偿前后激光甲烷分析仪测量值存在较大偏差，数据变化如图9所示，其中虚线代表补偿前的测量结果，数值波动范围为15.2%～22.8%，实线代表进行压强补偿后的测试结果，数值波动范围为19.9%～20.1%。实验测试结果表明，激光甲烷分析仪进行气体压强补偿后，基本上消除了管道内气体压强变化对测量甲烷浓度的影响，误差小于1%。

图8　气体压强补偿算法流程

图9　　　　激光甲烷分析仪进行气体压强算法补偿前后的测量值随甲烷压强的变化

3　结论

针对煤矿瓦斯抽采管道内甲烷浓度的测定，设计了一套基于原位式微差压取样装置的激光甲烷在线分析系统。

(1)针对煤矿瓦斯抽采管道，提出了一套原位式微差压取样装置，该装置主要用于管道内气体的实时处理，有效避免水汽、粉尘等对测量的影响。

(2)采用先进的可调谐激光光谱吸收技术进行甲烷气体浓度的检测，介绍了激光甲烷在线分析系统的基本原理，给出了其结构框图，并进行了试验测试。

(3)针对瓦斯抽采管道的具体应用环境，对气体压强变化对甲烷测量的影响进行了具体分析，给出了一种压强补偿算法，由测试结果可知，该补偿算法能基本消除管道内气体压强变化对测量甲烷浓度的影响，误差小于1%。

[1] 程远平，付建华，等.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，(2)：15-17.

[2] 杨军.煤矿安全风险评价与预警研究[D].中国矿业大学，博士学位论文，2013：65-75.

[3] 张浩然.煤矿瓦斯抽采技术研究及应用[D].太原理工大学，硕士学位论文，2011：35-55.

[4] 刘彬，童敏明，等.调谐式激光甲烷检测装置[J].煤炭技术，2010，(5)：57-59.

[5] 樊荣，侯媛彬，等.可调谐半导体激光吸收光谱式甲烷传感器温度补偿技术[J].煤炭学报，2015，(1)：227-230.

[6] 李军，孙世岭，等.本质安全型甲烷在线检测系统的研制.分析仪器 ，2009，(4):26-27.

A situ micro-differential pressure sampling device based on laser for on-line analysis of methane.

Li Jun1,2, Sun Shiling1,2, Gong Zhongqiang1,2, Zhang Shulin1,2，Guo Qinghua1,2,WangYao1,2

(1.ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp.Chongqing400039,China；2.NationalKeyLabforGasDisasterMonitoringandEmergencyTechnology.Chongqing400037,China)

This device can monitor the methane gas in pipe accurately. The methane analyzer uses advanced tunable laser absorption spectroscopy technology, has the characters of high-resolution, anti-interference, fast-response and high-stability.

micro-differential pressure sampling device; absorption spectroscopy; methane; laser

国家科技支撑计划子项目(2014BAC17B00、2014BAC17B04)

李军，男，1980年出生，在职硕士，副研究员，2004年7月毕业于山东理工大学材料成型及其控制工程专业，主要从事矿用安全仪器仪表的研发，E-mail：cklijun@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.05.001

2015-11-25