摘 要  管道瓦斯流量計(jì)量是對瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)的重要監(jiān)測手段。煤層抽放管道中的混合氣體，具有顆粒雜質(zhì)多、濕度大、現(xiàn)場條件惡劣等特點(diǎn)，要求計(jì)量設(shè)備須無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件、耐臟污介質(zhì)能力強(qiáng)、成本低、精度高、安裝方便。通過分析渦街、V錐流量計(jì)等煤礦管道瓦斯流量計(jì)量發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)在北皂煤礦應(yīng)用情況，從技術(shù)特點(diǎn)、調(diào)校維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸與分析方面，重點(diǎn)研究如何保證管道瓦斯計(jì)量結(jié)果既準(zhǔn)確又適合煤礦現(xiàn)場工況條件，真實(shí)地反映實(shí)際瓦斯抽采情況。

 

        北皂煤礦海下采煤填補(bǔ)國內(nèi)空白，但具體實(shí)施過程中，在海域的掘進(jìn)和回采過程中遇到了瓦斯?jié)舛壬仙�的問題，海域區(qū)域也劃為了瓦斯異常區(qū)，所以需要對工作面的煤層瓦斯進(jìn)行抽放。在煤層瓦斯抽放進(jìn)程中，需要對抽放管路中抽出氣體累計(jì)量、瓦斯量等進(jìn)行計(jì)算，從而對抽放效果進(jìn)行評估，具體是通過對抽放管道內(nèi)混合氣體的流量、管道內(nèi)溫度、管道內(nèi)壓力、混合氣體中的甲烷濃度、一氧化碳濃度等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。并且充分利用本礦現(xiàn)有的KJ95N 安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全礦井瓦斯數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和分析，因此對管道瓦斯抽放監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。

 

1 管道瓦斯計(jì)量現(xiàn)狀

        煤層氣管道瓦斯氣具有雜質(zhì)多、粉塵大、濕度大、濃度變化范圍大、監(jiān)測傳感器不易維護(hù)和調(diào)校的特點(diǎn)，而目前在用的安全監(jiān)控瓦斯、流量等傳感器由于結(jié)構(gòu)的不適應(yīng)，不能直接應(yīng)用于管道瓦斯抽放監(jiān)測。必須解決氣體采樣、去濕、防污的問題，要求具有量程寬、結(jié)構(gòu)無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件、滿足多種參數(shù)測量、不易堵塞磨損和自清潔的特征。

 

2 幾種可用的管道瓦斯流量計(jì)分析對比

當(dāng)前適用于煤礦管道瓦斯流量監(jiān)測的幾種可用的管道瓦斯流量計(jì)有孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、皮托管流量計(jì)、V錐流量計(jì)等。

        （1）孔板流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)中的一種。是利用流體通過孔板時(shí)在孔板前后產(chǎn)生的差壓來測量流量的一種方法，主要由孔板、取壓裝置、信號管路、差壓變送器及顯示儀表組成。其原理是將一個(gè)孔板節(jié)流件固定在管道內(nèi)部，節(jié)流件的孔徑小，對流過的流體有約束作用，流體的流束截面突然收縮，流速隨之加快，由于節(jié)流件前后的流速突然變化，使得在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓力差，流體通過節(jié)流件的流量越大，產(chǎn)生的靜壓力差越大，通過測量節(jié)流件前后的差壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對流量的測量。孔板流量計(jì)是較早用于測量氣體流量的流量計(jì)，它的優(yōu)點(diǎn)是便于安裝、成本低、無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件。孔板流量計(jì)的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，流動(dòng)性差，流速范圍小，節(jié)流件前段容易堆積雜質(zhì)，測量精度差等。

 

        （2）渦街流量計(jì)類似于目前煤礦廣泛使用的渦街風(fēng)速傳感器，也是根據(jù)卡曼渦街原理，是在一穩(wěn)定的流體中安放一根非流線型阻流體，流體受阻流體的影響，動(dòng)能和壓能相互轉(zhuǎn)換，外部流體壓強(qiáng)大于內(nèi)部流體，迫使內(nèi)部流體向相反方向移動(dòng)，從而在阻流體兩側(cè)交替地形成兩串規(guī)則的旋渦，而產(chǎn)生的旋渦周期頻率與管道內(nèi)的流體流速之間有確定的數(shù)值關(guān)系，通過超聲、熱敏、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等其他形式的檢測方式測出旋渦的分離頻率變化就可以換算出流體的流量。渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，耐臟污介質(zhì)能力強(qiáng)，測量量程比寬，yongjiu性壓損小。渦街流量計(jì)的缺點(diǎn)是在高粘度、低流速流體精度差，不適用于低雷諾數(shù)測量，只適用于高流速流體的測量，對測量管道前后的直管段長度要求長，方能保證穩(wěn)定的測量。

 

        （3）皮托管流量計(jì)又名“空速管”，“風(fēng)速管”，是通過測量管道內(nèi)某點(diǎn)流體的動(dòng)壓與靜壓之差來測量流量的，原理是在皮托管頭部迎流方向開有一個(gè)小孔稱為總壓孔，在該處形成“駐點(diǎn)”，在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔．各靜壓孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出，由于流體的總壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數(shù)值關(guān)系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計(jì)算出被測流體的流量。皮托管流量計(jì)在飛機(jī)上廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是測量范圍寬，使用制造方便，點(diǎn)流速測量準(zhǔn)確度高。缺點(diǎn)是低流速性差，受流速分布影響大，容易堵塞。

        （4）V錐流量計(jì)也是一種差壓式流量計(jì)，同樣是基于密閉管道中能量相互轉(zhuǎn)化的伯努利定律，利用節(jié)流效應(yīng)來測量流體流量。它是在管道中心安裝一個(gè)錐形體來對流體進(jìn)行節(jié)流，使管道中心的流體繞錐形體流動(dòng)，并將流體收縮到管壁。與孔板流量計(jì)的中心孔節(jié)流不同，V錐流量計(jì)是管道外圍的環(huán)狀節(jié)流。管道內(nèi)的流體流過 V 錐體時(shí)，被收縮到管壁，使管壁流體的流速加快，在 V 錐體的前后產(chǎn)生差壓，流體的流速與差壓的平方有確定的數(shù)值關(guān)系。并且錐體與管道同軸，錐體前部直接作用于流體中心部分，迫使高速的中心與接近管壁的低速流體均勻化，從而產(chǎn)生正確的壓差。V錐流量計(jì)具有量程下限低，量程比寬，適用磨損小，流場自動(dòng)調(diào)整，自清掃等特點(diǎn)。

綜上比較，非常適合管道瓦斯抽放監(jiān)測的是 V錐流量計(jì)。

 

3 V 錐管道流量計(jì)在北皂煤礦的應(yīng)用

3.1 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求

（1）量程比：1:10；

（2）公稱直徑 DN:DN150；

（3）公稱壓力 PN:1MPa；

（4）介質(zhì)溫度：20~25℃；

（5）負(fù)壓范圍：-10~ -40kPa；

（6）流量范圍： 6~42m 3 /min；

（7）測量精度：0.5 級；

（8）錐體材質(zhì)：不銹鋼；

（9）管道外殼材質(zhì)：碳鋼或不銹鋼；

（10）RS485 通 信 方 式： 可 運(yùn) 行 KJ95N 以及 其 他 基 于 RS485 接 口 的 通 訊 協(xié) 議， 波 特 率1200~115200bps 可調(diào)；

（11）通信距離：傳感器到抽放顯示控制裝置非常大距離不小于 2km；

（12）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)：10/100/1000Mbit/s。

 

3.2 主要設(shè)備

主要設(shè)備包括 V 錐管件、GD3 多參數(shù)傳感器、GJG100H 紅外甲烷傳感器、GTH1000 一氧化碳傳感器、KPPI 汽水分離器。

        (1)V 錐管件。直管段滿足前 3D 后 1D(D 指管道的直徑 )，安裝前直管段要求不低于 0.6m。在 V錐測壓孔上安裝三閥組，通過穩(wěn)壓組件連接到傳感器；把汽水分離裝置、管道紅外瓦斯傳感器和管道一氧化碳傳感器分別用螺絲緊固于 V 錐支架上，汽水分離裝置導(dǎo)氣管低進(jìn)高出，后連到兩個(gè)傳感器上。在北皂煤礦應(yīng)用時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)瓦斯和一氧化碳傳感器數(shù)值顯示為零、流量低的問題，原因是導(dǎo)氣管將流量、瓦斯和一氧化碳傳感器串聯(lián)，導(dǎo)致氣阻過大，將流量與瓦斯、一氧化碳傳感器氣路分離后正常。

 

        （2）GD3 多參數(shù)傳感器。用于監(jiān)測管道瓦斯氣體，實(shí)時(shí)顯示管道內(nèi)瓦斯氣體多種參數(shù)值（差壓、絕壓、負(fù)壓、溫度、流量、累積流量等值），在此處用于采集管道流量、負(fù)壓和溫度，并由 GD3 將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)奖O(jiān)測分站。

        （3）GJG100H 紅外甲烷傳感器。用于監(jiān)測管道甲烷濃度。甲烷檢測范圍：0~100%；甲烷基本誤差：甲烷濃度≤1%：真值±0.07%；甲烷濃度＞1%：±7%（真值）。為避免管道瓦斯氣體內(nèi)的水分對紅外甲烷測量造成影響，在進(jìn)氣端安裝汽水分離器。監(jiān)測數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸?shù)奖O(jiān)測分站。

 

        （4）GTH1000 一氧化碳傳感器。對管道內(nèi)的CO 進(jìn)行測量及顯示測量范圍：0~1000×10 -6 CO；監(jiān)測數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸?shù)奖O(jiān)測分站。

        （5）與 KJ95N 系統(tǒng)的聯(lián)接。瓦斯抽放監(jiān)測系統(tǒng)所采用的設(shè)備均是 KJ95N 系統(tǒng)的聯(lián)檢設(shè)備。在接入方式上有兩種模式，一是接入專用監(jiān)測分站，通過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另一種是接入通用監(jiān)測分站，通過電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。而無論哪兩種方法，由于管道氣體監(jiān)測傳感器的測量范圍與環(huán)境氣體監(jiān)測傳感器測量范圍大不相同，需要在系統(tǒng)主機(jī)上對傳感器進(jìn)行定義后方可正常使用，否則會(huì)增大數(shù)據(jù)傳輸誤差。

 

4 應(yīng)用效果

        在北皂煤礦海域 H2302 工作面應(yīng)用 V 錐管道瓦斯抽放監(jiān)測，并將瓦斯抽放監(jiān)測系統(tǒng)接入到 KJ95N安全監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳和統(tǒng)一監(jiān)控。自2016 年 8 月至 2017 年 2 月，累計(jì)抽放瓦斯 32.84萬 m 3 。

5 結(jié)束語

        通過管道瓦斯流量計(jì)在北皂煤礦的應(yīng)用，在現(xiàn)場對比了渦街流量計(jì)和 V錐流量計(jì)，V錐流量計(jì)的量程下限低，低流速測量性能好，安裝簡單的特點(diǎn)比較突出，而且利用 V 錐產(chǎn)生的氣壓將氣樣導(dǎo)出抽放管道的方式，大大減少了管道氣內(nèi)的粉塵、水分對瓦斯、一氧化碳傳感器敏感元件的影響。為北皂煤礦工作面的瓦斯抽放工作提供了準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)保障。