Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李　濤

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶　400039)

煤礦瓦斯抽放監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)探討

Investigation of the Monitoring and Controlling Technology for Coalmine Gas Drainage

李濤

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039)

摘要：瓦斯抽放系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的治本措施，瓦斯抽放監(jiān)測監(jiān)控是保障抽放系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段。為提高當(dāng)前煤礦瓦斯抽放監(jiān)控水平，針對當(dāng)前瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性不夠高的問題，從監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的幾個(gè)關(guān)鍵要素(流量監(jiān)測、瓦斯?jié)舛葯z測、壓力溫度監(jiān)測、泵站自動(dòng)控制等)出發(fā)，分析了每一個(gè)要素的常用技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題，提出了采用超聲波、威力巴以及激光檢測等新技術(shù)、新工藝解決現(xiàn)存問題的建議。

關(guān)鍵詞：瓦斯流量瓦斯?jié)舛纫谎趸紳舛葔毫囟缺O(jiān)測泵站自動(dòng)控制

Abstract：The gas drainage system is the radical measure to guarantee safety production of coalmine, while the monitoring and control is the important means to ensure normal operation of the gas drainage system. In order to improve the current level of gas drainage monitoring, aiming at the problem of low stability of the gas drainage system, on the basis of several critical elements that constitute the monitoring system, including flow detection, gas concentration detection, temperature and pressure detection, and pump station automatic control, etc., the commonly used technologies and existing problems for each element are analyzed, and the suggestion of using new technologies and processes, such as ultrasonic, Verabar and laser detection, etc., to solve existing problems is proposed.

Keywords：Gas flowGas concentrationConcentration of carbon monoxidePressure and tempratare detection

Pump station automatic control

0引言

瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)是一個(gè)綜合性的技術(shù)，它包括流量監(jiān)測技術(shù)、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測技術(shù)、一氧化碳濃度監(jiān)測技術(shù)、管道氣體壓力監(jiān)測技術(shù)、管道溫度監(jiān)測技術(shù)、泵站監(jiān)控技術(shù)等。瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)用來監(jiān)測煤礦瓦斯抽放管路中的甲烷濃度、一氧化碳濃度、壓力、流量、溫度、抽放泵狀態(tài)、閥門狀態(tài)等，并實(shí)現(xiàn)甲烷、一氧化碳等超限聲光報(bào)警，瓦斯抽放泵和閥門控制等功能[1]。瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展水平影響著瓦斯抽放系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及抽放效果評價(jià)[2]。

1瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀

1.1　流量監(jiān)測技術(shù)

瓦斯抽放流量檢測是抽放監(jiān)控系統(tǒng)中最為重要的檢測項(xiàng)目之一，也是最難檢測的項(xiàng)目。煤礦抽放出的瓦斯氣具有成分復(fù)雜、濕度大、雜質(zhì)多、流速變化范圍大、壓力小等特點(diǎn)。目前，在瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)中用量較多的在線式流量測量儀器有：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、V錐流量計(jì)等。

渦街流量計(jì)是速度式流量計(jì)中的一種，根據(jù)檢測漩渦個(gè)數(shù)的不同方式，渦街流量計(jì)大體可以分為三種：壓電式渦街流量計(jì)、超聲式渦街流量計(jì)和熱式渦街流量計(jì)(即所謂的循環(huán)自激式流量計(jì))。

① 壓電式渦街流量計(jì)

壓電式渦街流量計(jì)通過壓力元件檢測漩渦個(gè)數(shù)，具有無易損部件、安裝拆洗方便、阻力小、無易堵點(diǎn)、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在單點(diǎn)測量受插入深度影響、直管段要求長、對震動(dòng)敏感、測量瓦斯最低流速不低于5 m/s、測量精度受流體中原始漩渦的影響等缺點(diǎn)。

② 超聲式渦街流量計(jì)

超聲式渦街流量計(jì)通過漩渦對超聲波束的調(diào)制來檢測漩渦個(gè)數(shù)，解決了壓電式渦街流量計(jì)測量下限高的關(guān)鍵問題，使得測量下限降低至0.4 m/s。但它依然存在單點(diǎn)測量受插入深度影響、直管段要求長、測量精度受流體中原始漩渦的影響等缺點(diǎn)，而且超聲探頭無法適應(yīng)高濕、高臟的測量環(huán)境，探頭易損害。

③ 熱式渦街流量計(jì)

熱式渦街流量計(jì)即所謂的循環(huán)自激式流量計(jì),它通過漩渦推動(dòng)導(dǎo)流管內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)而帶走熱絲熱量的方式來檢測漩渦個(gè)數(shù)。該流量計(jì)同樣是為了解決壓電式渦街流量計(jì)測量下限高的關(guān)鍵問題，使得測量下限降低至1.5 m/s。但它也依然存在渦街流量計(jì)的共同缺點(diǎn)：單點(diǎn)測量受插入深度影響、直管段要求長、測量精度受流體中原始漩渦的影響等；由于導(dǎo)流管的存在，帶來了導(dǎo)流管入口孔易堵塞的實(shí)際問題；導(dǎo)流管口的小孔過小，是易堵點(diǎn)，很容易被水滴或固體雜質(zhì)堵塞，維護(hù)量大且不易疏通。

熱式渦街流量計(jì)無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件、耐臟污介質(zhì)能力強(qiáng)；安裝拆卸方便；測量量程比寬；永久性壓損小。它只適用于高流速介質(zhì)的測量，對于小流量的瓦斯抽放管道將無法使用。要測量低流速介質(zhì)流量，就需要縮小輸氣管道，提高通過渦街流量計(jì)的氣體流速，但這會帶來額外永久性壓損問題。

另外，渦街流量計(jì)還對周圍環(huán)境振動(dòng)敏感，對直管段安裝要求苛刻。

④ 旋進(jìn)漩渦流量計(jì)

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)屬于流體振動(dòng)型流量計(jì)，由于儀表內(nèi)部流通面類似標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置文丘利管，因此也有人稱其為“文丘利渦街”。它主要是解決渦街流量計(jì)直管段要求高和下限流速高的問題，但是其存在壓損巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，易堵塞固體雜質(zhì)，清洗麻煩等缺點(diǎn)。

⑤ V錐流量計(jì)

V錐流量計(jì)是通過在管道中央懸掛一個(gè)沿管道軸向逐漸收縮的錐型節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)該節(jié)流件時(shí)會在節(jié)流件的前后產(chǎn)生差壓，通過采集該差壓計(jì)算流體流量。V錐流量計(jì)具有自整流、自清潔功能，只需要很短的直管段甚至不需要直管段[4]，在相同條件下，壓損相比孔板小；可以測量低流速流體，現(xiàn)場適應(yīng)能力強(qiáng)，是目前現(xiàn)場應(yīng)用中比較適合測量煤礦各種瓦斯氣體的一種流量計(jì)。

瓦斯抽放系統(tǒng)氣體輸送管道從鉆孔、鉆場到支管、干管總管，管道管徑大小不一，氣體流速從小到大，涵蓋范圍較寬，管道氣體壓力也是從幾千帕至上百千帕，變化幅度較大。不同的工況對流量測量設(shè)備的影響也不盡相同。前面所述的各種流量計(jì)都具有不同的自身特點(diǎn)，故流量計(jì)選擇得合適與否將直接影響到設(shè)備最終的應(yīng)用效果。

1.2　瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測技術(shù)

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測也是瓦斯抽放監(jiān)測系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的參數(shù)之一。目前，國內(nèi)外瓦斯抽放系統(tǒng)中用于檢測瓦斯?jié)舛鹊募夹g(shù)有載體催化式、熱導(dǎo)式、光干涉式、紅外式等。

① 載體催化式

載體催化式是低濃度瓦斯檢測(0~4%CH4)用量最大的一種檢測方式?；谶@種方式的檢測儀器測量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉，深受廣大用戶喜歡。但是它存在調(diào)校周期短(一般為15天)、受其他烷類氣體影響且容易發(fā)生H2S中毒的缺點(diǎn)。由于檢測范圍較窄，載體催化式一般被應(yīng)用到環(huán)境瓦斯監(jiān)測中。

② 熱導(dǎo)方式

熱導(dǎo)方式是通過利用測量甲烷與空氣熱導(dǎo)率的差異而得到甲烷濃度相關(guān)的電信號，從而確定甲烷濃度。這種檢測方式可以檢測高濃度瓦斯氣，測量范圍可達(dá)100%CH4;價(jià)格低廉，是之前檢測高濃度瓦斯氣裝置中用量最大的一種。但是它在檢測低濃度瓦斯氣時(shí)精度很低，誤差較大,且易受水蒸氣、其他烷類氣體和環(huán)境溫度影響。

③ 光干涉式

光干涉式利用同一光源發(fā)出的兩束光,分別經(jīng)過充有空氣的參比氣室和充有待測氣體的測量氣室,再相遇時(shí)兩束光將產(chǎn)生干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的位置而測定瓦斯?jié)舛?。這種方式測量范圍寬、使用壽命長且不會發(fā)生氣體中毒現(xiàn)象，但它受二氧化碳?xì)怏w影響，氣體選擇性不好。目前,在用光干涉式儀器多是便攜式產(chǎn)品且屬于純物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能對壓力和溫度進(jìn)行修正和補(bǔ)償，故它受溫度和氣壓的影響。另外,由于采用人為視覺查看干涉條紋，精度較低，測量誤差較大。

④ 紅外式檢測技術(shù)

紅外式檢測技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最為迅猛的一種瓦斯氣體檢測技術(shù)[5]。它基于郎伯-比爾定律的“NDIR技術(shù)”，采用單光源雙波長測量，由電調(diào)制的光源發(fā)出脈沖光經(jīng)過氣室時(shí)與氣體相互作用，處在氣體吸收峰處的某一段波長的紅外光被氣體吸收，而另一波長的光未被吸收，通過檢測在氣體特征吸收峰被吸收的光的能量,計(jì)算出氣體的濃度。這種檢測方式測量范圍寬，在全量程范圍內(nèi)精度都很高，不受溫度和壓力影響，檢測元件使用壽命長，穩(wěn)定性好。但是由于紅外光的波長單一性不好，當(dāng)被檢測的瓦斯氣中存在其他處于與甲烷吸收峰相近的氣體時(shí)仍然會存在測量誤差較大的問題，容易受水蒸氣、其他烷類氣體的影響。

1.3　泵站的監(jiān)控技術(shù)

目前，泵站的監(jiān)控主要包括對泵房環(huán)境瓦斯?jié)舛鹊臋z測、環(huán)境溫度的檢測、泵軸溫的檢測、泵啟停狀態(tài)的檢測、循環(huán)水池水深和水溫的檢測、泵電壓電流的檢測、泵的啟停控制等，但還有許多泵房里以及泵房周圍的相關(guān)設(shè)施或設(shè)備沒有被監(jiān)控到，還不能完全實(shí)現(xiàn)全泵站的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)真正的無人值守。

對于自動(dòng)控制來說，控制系統(tǒng)內(nèi)檢測設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、測量結(jié)果有效性是實(shí)現(xiàn)控制邏輯判斷的先決條件。若這些設(shè)備經(jīng)常損壞或檢測誤差較大，將會給自動(dòng)控制帶來誤判或不動(dòng)作的情況，這是自動(dòng)控制最不愿意看到的結(jié)果。

對于執(zhí)行設(shè)備來說，PLC發(fā)出控制命令之后，應(yīng)能夠迅速有效地執(zhí)行相應(yīng)的操作并反饋執(zhí)行結(jié)果。但是，在當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用過程中還存在部分設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、設(shè)備可靠性差等問題，如檢測儀表抗干擾差、測量結(jié)果不準(zhǔn)確、閥門電動(dòng)裝置經(jīng)常損壞等。這些還需要進(jìn)一步的完善和提高。

2提高瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)水平的建議

2.1　流量監(jiān)測技術(shù)

對于氣體流量的監(jiān)測，還需要進(jìn)一步降低壓力無用損耗、擴(kuò)大流量檢測范圍、降低流量測量下限、增強(qiáng)抗臟污介質(zhì)能力、提高測量精度，使得有一種流量計(jì)能夠完全適合用于瓦斯抽放計(jì)量。建議可以采用以下3種方式進(jìn)行流量監(jiān)測技術(shù)的提高。

① 引進(jìn)更先進(jìn)的測量技術(shù)

目前，在天然氣檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的超聲波流量計(jì)就是一個(gè)很好的技術(shù)[6]，它采用非接觸式超聲波原理進(jìn)行檢測，無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件,抗臟污介質(zhì)能力強(qiáng),無壓損,量程比可達(dá)1∶40,測量精度可達(dá)0.5級,測量下限可低至1 m/s以下，能夠滿足上述特點(diǎn)中的多個(gè)技術(shù)指標(biāo)。將其引入到瓦斯抽放領(lǐng)域中，能夠解決上述一系列問題，但是目前超聲波流量計(jì)價(jià)格高昂。該檢測技術(shù)將是一個(gè)很好的發(fā)展方向。

推出不久的一種A+K平衡式流量計(jì)，采用平衡節(jié)流原理，直管段要求比V錐流量更短、測量精度更高、壓損更低等，也具備提高上述諸多指標(biāo)的特點(diǎn)，且價(jià)格適中，亦可以作為流量監(jiān)測技術(shù)的另一發(fā)展借鑒途徑。

② 技術(shù)升級和創(chuàng)新

皮托管檢測范圍寬、測量下限低、微壓損、測量精度高，多用于標(biāo)準(zhǔn)裝置中作為標(biāo)準(zhǔn)源使用，其缺點(diǎn)是在檢測臟污介質(zhì)時(shí)易堵塞，在檢測低流速流體時(shí)輸出差壓小。但是隨著檢測技術(shù)的不斷更新，目前檢測微壓已不是問題，只要能夠通過某種方式解決易堵塞的缺點(diǎn)，將皮托管流量計(jì)做成在線式檢測儀表，將具有很好的發(fā)展趨勢。

威力巴流量計(jì)起源于皮托管，測量原理與皮托管相同；演變于均速管流量計(jì)，保持了均速管流量計(jì)同一截面多處取壓測速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了均速管流量計(jì)易堵塞、長期運(yùn)行穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。通過配合高穩(wěn)定度的微差壓測量模塊,威力巴流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)寬范圍氣體流量的檢測。目前，該流量計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，測量準(zhǔn)確性高，運(yùn)行穩(wěn)定性好，安裝拆卸方便。

通過采取防堵技術(shù)以及一體化集成技術(shù)，皮托管流量計(jì)已經(jīng)能夠被應(yīng)用到復(fù)雜的煤層氣流量在線監(jiān)測領(lǐng)域。由于小巧的體積以及小流量測量的優(yōu)勢，當(dāng)前皮托管流量計(jì)主要被應(yīng)用于流量較小、用量較大的井下支管、鉆場及鉆孔管道上。

③ 研制并增加必要的管道氣體工藝處理裝備

通過在瓦斯管道源頭(如鉆場等)安裝氣體工藝處理裝置，盡可能多地除掉管道瓦斯氣中水霧、液態(tài)水、固態(tài)雜質(zhì)，使較為干凈的氣體進(jìn)入到輸送管道內(nèi)，這即有利于流量計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，也可延長計(jì)量裝置的使用壽命和穩(wěn)定周期;同時(shí),也會對整個(gè)瓦斯輸送系統(tǒng)起到很好的保護(hù)作用，減少因?yàn)楣艿纼?nèi)堵塞水和雜質(zhì)帶來輸送阻力加大影響抽放效果的狀況。但井下瓦斯氣源頭較為分散，需要安裝大量的工藝處理裝備。對于煤礦用戶來說，這將是一筆不小的支出，所以這種工藝處理裝備還應(yīng)考慮成本問題。

另外，建議在選擇在線式流量監(jiān)測設(shè)備時(shí)，一定要根據(jù)安裝地點(diǎn)、測量介質(zhì)的工況條件以及流量計(jì)的適用特性選擇合適的流量計(jì)，保證流量測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

2.2　氣體濃度監(jiān)測技術(shù)

對于氣體濃度監(jiān)測，現(xiàn)在的技術(shù)主要存在氣體選擇性差、現(xiàn)場應(yīng)用限制條件較多、測量大的問題。隨著科技的發(fā)展，目前已有采用激光檢測氣體濃度的技術(shù)。激光式檢測技術(shù)[7]是近兩年來才發(fā)展起來的一種光學(xué)氣體濃度檢測技術(shù)，其檢測原理與紅外檢測技術(shù)的原理相同。激光光譜的單一性好，使得其測量氣體的選擇性更好，測量準(zhǔn)確性好，抗干擾能力強(qiáng)，且對灰塵、水汽和液態(tài)水的敏感度也較低，使用壽命長，調(diào)校周期長，是一種很有發(fā)展前途的甲烷檢測技術(shù)。采用這種技術(shù)無疑會大大提升氣體濃度測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.3　泵站監(jiān)控技術(shù)

對于泵站的監(jiān)控技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大其監(jiān)控范圍，將周圍與之相關(guān)的設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和情況都盡量納入到其系統(tǒng)范圍內(nèi)。同時(shí)，鑒于當(dāng)前檢測設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備的穩(wěn)定性差的情況，可以考慮采用安裝多臺設(shè)備同時(shí)檢測、同時(shí)執(zhí)行的方式，以提高檢測結(jié)果和執(zhí)行結(jié)果的可靠性，爭取實(shí)現(xiàn)泵站甚至整個(gè)抽放控制系統(tǒng)的無人值守。另外，對于提高檢測設(shè)備以及執(zhí)行設(shè)備的可靠性問題，應(yīng)從提高設(shè)備自身的環(huán)境耐受能力以及適應(yīng)

性上下功夫(如提高系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備抗干擾能力、防護(hù)等級等)。

3結(jié)束語

瓦斯抽放監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)性的技術(shù)，涵蓋物理檢測、數(shù)據(jù)采集、信號傳輸、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、指令生成、設(shè)備執(zhí)行與反饋等多個(gè)方面，其中任何一個(gè)方面出現(xiàn)問題或不穩(wěn)定，都會導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至癱瘓。不可否認(rèn)，當(dāng)前現(xiàn)用的抽放監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)還存在各方面的不完善和不穩(wěn)定，正視這些問題，采用新技術(shù)、新手段，不遺余力地去分析、完善它們，相信在科技高度發(fā)達(dá)的今天，瓦斯抽放監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)會再上一個(gè)新臺階。

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中圖分類號：TH81;TD712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508011

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號：2012ZX05041004)。

修改稿收到日期：2015-06-17。

作者李濤(1982-)，男，2004年畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，助理研究員；主要從事礦用瓦斯流量監(jiān)測技術(shù)的研究。