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煤氣管道泄漏檢測(cè)的研究

文檔作者：郭祖培劉晨楊佑豪文檔來(lái)源：武漢工學(xué)院武漢市煤氣公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月26日
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煤氣管道泄漏檢測(cè)的研究
郭祖培剃晨
(武投工學(xué)院)
楊佑囊
(武漢市煤氣公司)
提要： 本文研究煤氣設(shè)施泄漏時(shí)， 由于分子的噴射撞擊產(chǎn)生聲波， 應(yīng)用超聲波
探頭將微弱信號(hào)接收并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理和顯示， 預(yù)洲氣體泄漏的部位及大小， 以
便及時(shí)排除隱患， 防止發(fā)生惡性事故，達(dá)到安全供氣的目的。
1．概述
煤氣從貯氣設(shè)備和輸氣管道內(nèi)泄漏出來(lái)
時(shí)， 因氣體從細(xì)小的孔洞里噴射出來(lái)， 氣體
分子之間相互沖撞會(huì)產(chǎn)生聲波， 此聲波如同
無(wú)線電的電磁波一樣， 隨著離聲波距離的增
加而信號(hào)逐漸減弱。同時(shí)還同傳波的介質(zhì)
(如空氣、敷設(shè)管道的覆蓋結(jié)構(gòu)等)有關(guān)。
因此， 要根據(jù)不同的介質(zhì)， 標(biāo)定不同介質(zhì)情
況下的對(duì)比信號(hào)。這樣才能使測(cè)出的信號(hào)具
有真實(shí)的價(jià)值。從而判斷出煤氣泄漏的實(shí)際
情況。
本文研究一種檢測(cè)氣體泄漏的探測(cè)儀，
可以根據(jù)從超聲波探頭接收到的氣體泄漏的
微弱信號(hào)， 經(jīng)調(diào)諧前置放大器、放大器、緩
沖器、交直流變換器、比較器、驅(qū)動(dòng)器和數(shù)
字顯示， 來(lái)尋找煤氣管道氣體泄漏部位及大
小程度， 并及時(shí)顯示報(bào)警， 以達(dá)到保證安全
供氣防止爆炸惡性事故的發(fā)生。
防爆是潑電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一， 要求既
安全可靠叉能及時(shí)報(bào)警， 因此該電路電源部
份是低電位和低電流，小容量的電容和電感
等電子元件組成。本文以超聲波探頭為中心
加以敘述。
2．梭潮儀系統(tǒng)
檢測(cè)儀系統(tǒng)由壓電元件的超聲波探頭和
工藝簡(jiǎn)單，集成度高， 功耗小的MOS，
CMOS等元件組成。探測(cè)儀系統(tǒng)部件接線圖
(見圖1)和原理圖(略)。
(1) 超聲波探頭
某些電介質(zhì)物質(zhì)如石英晶體、壓電陶瓷
等沿一定方向上受到外力作用而變形時(shí)， 內(nèi)
部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在表而上產(chǎn)生電
西德，H．D．貝爾著! 工程熱力學(xué) ， 栝東華
等譯， 赳才銓霞；
c美 A．H．夏皮 著- 《可壓縮螽{【的動(dòng)力學(xué)與熱力
學(xué) ， 陳立于等譯}
c蘇 M．A．柯里雅達(dá)， Ⅱ．M．高弗曼— — 孔晴 夫
著- 煤氣管道的氣密性與瀚氣測(cè)定社 ， 王品
生譯一
北京市公用局一 “北京市地下煤氣管道設(shè)計(jì)， 施
工， 驗(yàn)收的技術(shù)規(guī)定” ，1984·
[6] 中耳市政工程華北設(shè)計(jì)院t “城市地下煤氣管道
與煤氣調(diào)壓靖施工與驗(yàn)收技術(shù)暫行規(guī)定” 1981，
【7] 上海市煤氣公司管線所： 地下煤氣管道施工和
設(shè)備安裝的質(zhì)量駐收標(biāo)準(zhǔn)和幢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范 ·
1 984． 6
：8] 蘇聰部長(zhǎng)告議國(guó)家建設(shè)委員會(huì)： “城市、居民區(qū)
叵工業(yè)盤業(yè)煤氣網(wǎng)工程施工受驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范”
(C卜{117~ 60)
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圖1 部件接線罔
荷。當(dāng)外力除去后，又重新回到不帶電的狀
態(tài)。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為
“順壓電效應(yīng)” 。相反， 電介質(zhì)的極化方向
上施加電場(chǎng)它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加
電場(chǎng)時(shí)， 電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電
能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。
因此， 當(dāng)壓電式傳感器的壓電元件受到外力
(泄漏煤氣的聲波)作用時(shí)， 會(huì)在壓電元件
一定方向的兩個(gè)表T (電極面) 上產(chǎn)生電
荷，在一個(gè)表面上聚集正電荷，在另一個(gè)表
而上聚集等量的負(fù)電荷。此時(shí)， 可以把壓電
式傳感器看作一個(gè)靜電發(fā)生器—— 超聲波探
頭。
(2)信號(hào)處理
壓電式傳感器輸出的信號(hào)非常微弱， 一
般需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出煤氣泄漏的
情況。因?yàn)樽匀唤缰杏性S多不同頻率的范圍
信號(hào)， 為了檢測(cè)出有用的信號(hào)(煤氣泄漏的
聲波)抑制干擾信號(hào)，采用二極調(diào)諧式的前
置放大器， 因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯碾娮璐螅?通常
應(yīng)將傳感器的輸出信號(hào)輸入到高輸入阻抗的
前置調(diào)諧放大器中，然后再栗用一般的放大
器等處理裝置。
(3)交直流轉(zhuǎn)換器
將放大后的信號(hào)經(jīng)緩沖器再經(jīng)壘波整流
平均值轉(zhuǎn)換電路， 使其輸出電壓經(jīng)比較器、
驅(qū)動(dòng)器屠作為CC71fi6液晶數(shù)字顯示的輸入
電壓。由運(yùn)算放大器、二極管組成半波線性
整流電路， 在U > 0 的半個(gè)周期內(nèi)
uB一 u ， 而在U< 0的另半個(gè)周期
n 2 0
內(nèi)UB 0 運(yùn)算放大器及阻容元件組成有源
低通濾波器， 這一有源濾波器是由加法運(yùn)算
電路和濾波電容復(fù)臺(tái)而成的。加法運(yùn)算電路
可以將半波整流信號(hào)uB和輸入信號(hào)u 按不
同比倒相加，在輸出端得到一個(gè)全波整流信
號(hào)， 由=F電容的存在， 實(shí)際輸出u 將是全
波整流的直流分量。即UA的平均值，再經(jīng)比
較器和驅(qū)動(dòng)器輸出為CC7106的輸入電壓。
(1) 顯示電路
1
采用3÷位cc71o6A／D轉(zhuǎn)換摸擬電路。
其CCv106單片A／D轉(zhuǎn)換器具有犬規(guī)模
集成的優(yōu)點(diǎn)， 它將雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的模
擬部分電路，如緩沖器、積分器、電壓比較
器、正負(fù)電壓參考源和模擬開關(guān)、以及數(shù)字
電路部分如振蕩器、計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼
器、驅(qū)動(dòng)器和控制邏輯電路等全部集成在一
47
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煤氣爆炸極限與安全動(dòng)火濃度的確定
一
、引 言
王志壯
(吉林省通化鋼鐵公司動(dòng)力廠)
焱所周知，煤氣是易燃易爆的。然而在
冶金化工等工業(yè)企業(yè)中， 煤氣設(shè)備的各種檢
修動(dòng)火，每年都有數(shù)百次之多。如果稍有疏
忽， 即可發(fā)生煤氣著火、爆炸事故，給工人
的生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。如
何防止此類事故的發(fā)生，首先要對(duì)煤氣的爆
炸極限和安全動(dòng)火濃度做一探討。
二、煤氣爆炸極限的討算
煤氣中的可燃組分(H 、CO、CH“
C II。等) ，在火源(或高溫)條件下與氧
進(jìn)行激烈化合而伴有放熱發(fā)光的物理—— 化
學(xué)反應(yīng)過(guò)程， 稱之為燃燒。煤氣在空氣中的
濃度如果『氐于某一限度時(shí)， 氧化反應(yīng)所產(chǎn)生
的熱量就不足以彌補(bǔ)散失的熱量， 則燃燒無(wú)
法進(jìn)行。相反， 當(dāng)煤氣在空氣中的濃度高于
某一限度時(shí)， 由于氧含量相對(duì)減少也無(wú)法燃
燒。通常把前一濃度極限稱為爆炸下限(著
火濃度下限) ； 后一濃度極限稱為爆炸上限
(著火濃度上限)。爆炸上限與爆炸下限統(tǒng)
稱爆炸極限(著火濃度極限) 。
煤氣的爆炸極限可依據(jù)呂·查德律公式
計(jì)算：
100
L
一Vi
__
式中，L一一煤氣的爆炸上或下限(體
積 ) ；
Li一一煤氣中i可燃組分的爆炸上限
或下限(體積 ) ；
Vi一一煤氣中i可燃組分體積百分?jǐn)?shù)
( )
實(shí)際煤氣中都含有一小部分不可燃的惰
性氣體(如N 、CO 等)。煤氣中惰性氣體含
量的增多或減少， 其爆炸上限也隨之下降或
增高。因此在計(jì)算含有惰性氣體的煤氣爆炸
極限時(shí)，可按圖1的要求將惰性氣體與可燃
氣體搭配組成新組分，并根據(jù)其組合比率查
出相應(yīng)的爆炸極限。
以焦?fàn)t煤氣為倒， 其爆炸極限計(jì)算步驟
如下：
(1)準(zhǔn)確分析煤氣組分(見表1)
個(gè)芯片上， 其精度高、功耗小、液晶顯示電
流小于10mA。
5．結(jié)束語(yǔ)
本文初步研究的煤氣管道探測(cè)儀具有體
積小， 便于攜帶， 具有防爆和及時(shí)顯示煤氣
泄漏的情況。如果在煤氣站還可以在不同的
地點(diǎn)安放超聲波探頭，通過(guò)同軸電纜傳到中
心控制室采用微機(jī)對(duì)各部位進(jìn)行控制， 顯示
和打印出煤氣泄漏程度和部位。
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襄1
一 普
璺1 氣可燃組抒的爆炸扳阻
H 2 cTI CO N 。o C H O 2
56． 25．42％ 5．57 4．01 2．04 2．67 0．69
(2)扣除0．69 含氧量對(duì)應(yīng)的空氣當(dāng)
量3．29 ，計(jì)算出無(wú)空氣基的可燃組分的百
分含量(見表2) 。
襄2
H 2+N 2 CO CO CH j C H
61．13％ 98．3 26．28 2．76
(3)查找出各單一可燃組分的爆炸極
限。表2中的(H N ) 和(CO+COz)
可視為一種可燃組分，并依據(jù)圖1，查找出
爆炸極限(見表3) 。
襄5
組訃 H2+N± CO +co2 CH‘ C H
爆炸下限 2O．5
爆炸上限 72 11．7
限
(4)計(jì)算無(wú)空氣基的混合氣體爆炸極
Lj
．
100
61．13 9．83
72 68．2
3．3 5
26．28 2．7 6
15 11．7
L下
100
+ 旦+一! ：
20．5 5 。2
(5) 頭算愛1原煤氣組分時(shí)的爆炸極
限(即含有3．29 空氣當(dāng)量時(shí))。
L 。。 +33．55％
= 34．69t％
。。 + 4．46
= ．1．61
通過(guò)上述計(jì)算得知， 只要具有65．31～
95．39 之間的任何比值的空氣量，焦?fàn)t煤
氣就具備了爆炸的必要條件， 而0～
65．31 ，95．39~100 的空氣當(dāng)量(1lIJ煤
氣含量0～L_F，L~ 100％)是不能引起
煤氣爆炸的二個(gè)濃度區(qū)域， 處于煤氣爆炸極
限之外的這二個(gè)濃度區(qū)域稱之為火焰非延
區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)動(dòng)火，從理論上講是比較安
全的。
三、安全動(dòng)火濃度值的確定
煤氣設(shè)備動(dòng)火可分為二類： 一類是在停
煤氣設(shè)備上動(dòng)火j另一類是在運(yùn)行中的煤氣
設(shè)備上動(dòng)火。前一類安全動(dòng)火濃度值的確定
就要從煤氣含量0～LT這個(gè)火焰非延區(qū)域
內(nèi)選擇一個(gè)安全濃度值。后一類安全動(dòng)火濃
度值的確定則相反，需要從L．k~100 這個(gè)
火焰非延區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)安全濃度值。由于
各種煤氣的組分不同， 其爆炸極限也不同
(見表 ) 。
上述各類煤氣的停氣動(dòng)火， 一般均采用
蒸汽或惰性氣體置換干凈可燃?xì)怏w，如果把
可燃?xì)怏w置換為零， 那是很難辦到的。因
此， 我們可以通過(guò)下式求得較為適宜的安全
動(dòng)火濃度值(即混合氣體中煤氣的安全含
一 4
日7 6 5 4 3 2 1
一 嬖蹬翥凄拉 攀工!!
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裹4
爆士乍極限‘體積
煤氣種婁
下 限 上 限
天然氣 4．9 15．6
石誼伴生氣
高爐煤氣 35．8
發(fā)生爐煤氣 17．3
直立爐煤氣 37．4
木摸氣 6．3 73．8
水平爐煤氣 7．1 43．7
焦?fàn)t攥氣 4．61 3 ．69
礦井氣 45．1 70．4
重油薔熱摧化裂解煤氣 44．8
重油蓄熱熱裂解煤氣 30．4
純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煤氣 1 8．22 P,8．22
量)， 其中0．2為保安系數(shù)。
安全動(dòng)火濃度=L—Fx 0．2
各類煤氣的停氣安全動(dòng)火濃度建議值見
袁5。
裊S
煤 氣種類 安全動(dòng) 火 煤 氣 種婁 安全 動(dòng)
散 度( ) 濃度 ‘
天然氣 0．9B 東平爐煤氣 1．{2
石油伴生氣 焦?fàn)t煤氣 O．022
高爐煤氣 礦井氣 9．02
發(fā)生 煤 氣 3 重 油蓄 熱催
．d6 憂裂儡煤氣
直爐 煤氣 1 重油 蓄熱 熱
． 06 裂解 煤 氣 O． 4
水 蠛 氣 1 純 氧頂吹
． 26 轉(zhuǎn) 爐煤氣 3．64
注， 袁中所列數(shù)值均為煤氣在空氣中占有的體積百甘
比。
在運(yùn)行中的煤氣設(shè)備上動(dòng)火(包括風(fēng)機(jī)
的啟動(dòng)、電除塵的投運(yùn)、儲(chǔ)氣罐及其管網(wǎng)等
設(shè)備的置換， 因?yàn)檫@些操作可產(chǎn)生火花或可
能產(chǎn)生火花)，通常要取樣分析煤氣中氧含
5O
量的比值多少，來(lái)確定其安全可靠的程度。
由于煤氣是在運(yùn)行中，其氧含量的比值變化
不會(huì)太大，我們可確定一個(gè)保安系數(shù)O·4，
通過(guò)下式求得安全動(dòng)火濃度值(即煤氣中安
全含氧量) 。
安全動(dòng)火濃度值：(1一L上)×21
×0．4
各類煤氣運(yùn)行中安全動(dòng)火濃度建議值見
表6。
裊6
煤氣 種類 安 全動(dòng) 火 煤氣種類 安 全曲
}盤度( ) 散度‘
無(wú)揀氣 承平爐摸氣
石油拌生氣 7．14 焦?fàn)t麒氣 5． 8
高爐煤氣 2．36 礦井氣 2． 8
發(fā)生爐摸氣 1．84 置油蓄熱催化襲解煤氣 4．64
直立爐摸氣 5．26 重臨蓄熱熱裂解摸氣 5．Bd
承煤氣 純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煤氣 2．62
注- 襄中所列數(shù)值均為氧在煤氣中占有的體積百分比
四、結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)表4、表5和表6我們可以看出，
由于煤氣的種類不同，它們的爆炸極限和安
全動(dòng)火濃度也不盡相同。既使是同一種類的
煤氣， 由于其組分比值的不同， 它們的爆炸
極限也有差別， 因此其安全動(dòng)火濃度值也不
能強(qiáng)求同__。我們?cè)诿簹庠O(shè)備的檢修動(dòng)火、
運(yùn)行、操作過(guò)程中，必須要了解它們的不同
特性。注意不同種類煤氣或同一種類煤氣之
間存在著的這些差異。結(jié)合各廠的實(shí)際確認(rèn)
一個(gè)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全、適宜的爆炸極限與
安全動(dòng)火濃度值，這樣才能有效地防止煤氣
著火、爆炸事故的發(fā)生
參考文獻(xiàn)
[]： 《城市摸氣設(shè)仆參考赍科 中國(guó)建筑工正出版
牡。1981年
：2] 《撼市傅氣供應(yīng) 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，

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