防湍及自校准气体预处理装置设计

王 尧

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

煤矿瓦斯管道、煤矿采空区、城市综合管廊燃气仓、城市地下管网、化粪池、沼气池、垃圾处理厂等场所，需要对甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、氧气（O2）等有毒有害、易燃易爆的危险气体进行定量检测，并对其成分含量进行科学分析[1-3]。对这些危险气体进行检测前，往往需要对气体中的粉尘、水蒸汽、焦油、液滴、气溶胶等悬浮颗粒及灰渣等固体颗粒进行预处理，以防这些物质进入探测器等测量设备导致测量不准确或难以测量[3]。

目前的多种气体预处理系统或装置气路气流不稳定、气流湍流现象明显，导致测量结果不准确，同时现有的预处理系统或装置不具备探测器零点自校准功能，依然通过人工定期对探测器进行零点校准，操作复杂。故在此设计了一款具有防湍与自校准功能的气体预处理装置，能够对探测器等测量设备进行校准， 有效地去除气体中的各种杂质，并确保处理后气体气流的稳定性。该装置适用范围广，安装简单，操作方便，为准确定量测量危险气体含量提供了有效的技术保障。

1 气体预处理装置技术特点

气体预处理装置适用于国家标准GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中规定的0区爆炸性气体环境，装置由隔爆兼本安直流电源供电，控制电路采用本质安全设计，抽气泵选用本质安全型无刷抽气泵。因此，该装置需符合国家标准GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1 部分：设备通用要求》中规定Ⅰ类、Ⅱ类爆炸性气体环境用电气设备的要求。

气体预处理装置的技术特点包括：

①装置控制电路采用本质安全设计，由本安电源供电，抽气泵选用无刷本质安全型真空泵，装置适用于0 区爆炸性气体环境，符合Ⅰ类、Ⅱ类爆炸性气体环境用电气设备的要求；

②气路通过真空抽气泵提供动力，具有2 级过滤结构， 其中二级过滤器串联在真空抽气泵后端，探测器前端，过滤进入探测器敏感元件的采样气中的水分和粉尘等杂质，并且对进入探测器的气流起到缓冲稳流的作用，可以提高探测器的工作稳定性和测量准确性；

③真空抽气泵采用间歇式工作方式，以提高抽气泵的使用寿命；

④气路在抽气泵的前端串联三通电磁阀，一路进气级联一级过滤器， 一路进气连接外界空气，通过控制电路控制三通电磁阀切换气路，实现对探测器零点自动校准。

2 气体预处理装置设计

2.1 气路设计

该装置的组成沿气体流动的方向依次为粗过滤器、三通电磁阀、真空抽气泵以及精过滤器，如图1 所示。

图1 防湍及自校准气体预处理装置示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of anti-turbulence and self-calibration gas pretreatment device

1）粗过滤器 实现对采样气的粗过滤，滤芯采用纤维多孔材质，粉尘过滤精度为10 μm，过滤进入真空抽气泵的采样气中的水分和粉尘等杂质，以提高泵的使用寿命，过滤器滤除的水分可通过放水口排出，滤芯可清洗或更换。

2） 三通电磁阀 三通电磁阀一路进气级联一级过滤器，一路进气连接外界空气，通过控制电路控制三通电磁阀切换气路，实现对探测器零点自动校准。

3）真空抽气泵 为抽采测点样气提供动力。真空抽气泵选用本质安全型无刷真空泵，额定工作电压12 V，符合Ⅰ类、Ⅱ类爆炸性气体环境用电气设备的要求。通过控制电路控制抽气泵间歇运行，以提高泵的使用寿命， 抽气泵设置在探测器前端，使探测器监测敏感元件处气压为正压，保证探测器准确测量。

4）精过滤器 实现对采样气的精过滤。滤芯采用纤维多孔材质，粉尘过滤精度为3 μm，过滤进入探测器敏感元件的采样气中的水分和粉尘等杂质，并且对进入探测器的气流起到缓冲稳流的作用，可以提高探测器的工作稳定性和测量准确性，过滤器滤除的水分可通过放水口排出，滤芯可清洗或更换。

2.2 真空泵选用

真空泵是气体预处理装置的核心功能部件，是该装置工作电流最大的消耗部件，因此其选型设计必须进行严格的计算与测试。

（1）最大工作电流计算

该装置设计应用环境为爆炸性气体环境，因此采用隔爆兼本安直流电源供电，其输出电压为24 V。设计供电传输距离为2 km，其电压差为15 V，线缆等效阻抗为51.2 Ω。装置的最低工作电压为9 V，则由公式I=U/R 计算得知，I=15 V/51.2 Ω=292 mA。因此预处理装置的最大工作电流应小于292 mA。

（2）平均抽气流量计算

该装置进气口连接采样管，考虑具体应用场所装置安装位置与取气点之间的距离，真空泵的抽气流量能力直接决定了装置的响应时间。设计采样管的直径为8 mm，则采样管横截面积为

S=πr2=3.14×42mm2=50.24 mm2≈0.5 cm2

由体积公式V=SH 可知，100 m 长束管的空间容量V=0.5 cm2×100 m=5 L。若需要3 min 内将采样管内气体抽光，则平均抽气流量为1.67 L/min。

经过查找比对，VLC65××-12V 型真空泵的性能参数为额定工作电压12 V， 平均工作电流≤220 mA，平均流量≥2 L/min。

综上可知，VLC65××-12V 型真空泵完全可以满足装置的设计需求，故选用该真空泵作为所设计装置的核心抽气部件。

2.3 控制电路设计

该装置电控电路是该装置的重要组成部分，主要包括电源电压转换、显示电路、抽气泵驱动电路、遥控接收电路、通讯电路，控制电路本质安全设计。控制电路与抽气泵、三通电磁阀连接，实现采样点样气抽采及校准气路切换的逻辑控制。控制电路原理如图2 所示。

图2 控制电路原理框图Fig.2 Schematic block diagram of control circuit

根据装置的使用要求和真空抽气泵的使用寿命条件，可设置控制三通电磁阀切换空气气路的时间，即零点自动校准时间间隔；装置采样功能采用间歇式工作方式，真空抽气泵工作时间和抽气泵停止时间可在一定时间范围内设置。

2.4 装置测试

装置完成样机试制后，对工作电压、工作电流、流量等指标进行测试，具体结果见表1 和表2。由表可知各项指标均满足设计要求。

表1 工作电压电流测试结果Tab.1 Test results of working voltage and current

表2 流量测试结果Tab.2 Flow test results

3 气体预处理装置应用

城市下水道和化粪池担负着生活污水、工业废水的接纳、输送功能，但由于其相对封闭，环境特殊， 污水中的有机物和无机物质在密闭的管道中，在厌氧条件下受微生物作用，会分解产生多种有毒有害、易燃易爆气体[4]。

该气体预处理装置作为监控系统的预处理单元，已成功应用于重庆市两江新区地下管网及化粪池危险源智能监控系统（其现场应用照片如图3 所示），对市政地下管网及化粪池中有毒有害气体（CH4，H2S，等）进行实时采集和测量，确保污水管网、化粪池设施的安全运行。

图3 地下管网及化粪池危险源智能监控系统现场应用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，煤自燃可产生多种标志性气体如CO，C2H4，C2H2等，并随着煤温的升高，其产生量将发生显著的变化，同时其背景气如O2，CO2和CH4，也是评判煤自燃发火趋势的重要指标[5]。该装置作为监控系统的预处理单元，已成功应用于淮北矿业股份有限公司的矿井防火关键参数实时在线监测，对矿井煤氧化自燃特征气体进行实时采集和测量，为进一步采取措施提供技术依据。

从现场应用情况看，监测数据实时准确，性能稳定，满足应用要求。

4 结语

所设计的气体预处理装置控制电路采用本质安全设计，由本安电源供电，抽气泵选用无刷本质安全型真空泵， 装置适用于0 区爆炸性气体环境，符合Ⅰ类、 Ⅱ类爆炸性气体环境用电气设备的要求；该装置对进入检测探测器的气流起缓冲稳流作用， 可提高探测器的工作稳定性和测量准确性；通过控制电路控制三通电磁阀切换气路，可实现对探测器零点自动校准。从试验测试及现场应用情况看，监测数据实时准确，性能稳定，满足应用要求。