摘 要  管道瓦斯流量計(jì)量是對(duì)瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)的重要監(jiān)測(cè)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(chǎng)條件惡劣等特點(diǎn)，要求計(jì)量設(shè)備須無(wú)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(guò)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(chǎng)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(guó)內(nèi)空白，但具體實(shí)施過(guò)程中，在海域的掘進(jìn)和回采過(guò)程中遇到了瓦斯?jié)舛壬仙�的�?wèn)題，海域區(qū)域也劃為了瓦斯異常區(qū)，所以需要對(duì)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(duì)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(duì)抽放效果進(jìn)行評(píng)估，具體是通過(guò)對(duì)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(cè)。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(duì)管道瓦斯抽放監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)。必須解決氣體采樣、去濕、防污的問(wèn)題，要求具有量程寬、結(jié)構(gòu)無(wú)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件、滿足多種參數(shù)測(cè)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(duì)比

當(dāng)前適用于煤礦管道瓦斯流量監(jiān)測(cè)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(guò)孔板時(shí)在孔板前后產(chǎn)生的差壓來(lái)測(cè)量流量的一種方法，主要由孔板、取壓裝置、信號(hào)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(duì)流過(guò)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(guò)節(jié)流件的流量越大，產(chǎn)生的靜壓力差越大，通過(guò)測(cè)量節(jié)流件前后的差壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。孔板流量計(jì)是較早用于測(cè)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(wú)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件�？装辶髁坑�(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(cè)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(guò)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(cè)方式測(cè)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(jiǎn)單，無(wú)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，耐臟污介質(zhì)能力強(qiáng)，測(cè)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(cè)量，只適用于高流速流體的測(cè)量，對(duì)測(cè)量管道前后的直管段長(zhǎng)度要求長(zhǎng)，方能保證穩(wěn)定的測(cè)量。

 

        （3）皮托管流量計(jì)又名“空速管”，“風(fēng)速管”，是通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)某點(diǎn)流體的動(dòng)壓與靜壓之差來(lái)測(cè)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(cè)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(cè)流體的流速有確定的數(shù)值關(guān)系，因此可以用皮托管測(cè)得流體流速?gòu)亩��?jì)算出被測(cè)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(cè)量范圍寬，使用制造方便，點(diǎn)流速測(cè)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(lái)測(cè)量流體流量。它是在管道中心安裝一個(gè)錐形體來(lái)對(duì)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(guò) 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(chǎng)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(cè)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(cè)量精度：0.5 級(jí)；

（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(cè)壓孔上安裝三閥組，通過(guò)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(wèn)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(guò)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(cè)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(cè)分站。

        （3）GJG100H 紅外甲烷傳感器。用于監(jiān)測(cè)管道甲烷濃度。甲烷檢測(cè)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(duì)紅外甲烷測(cè)量造成影響，在進(jìn)氣端安裝汽水分離器。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站。

 

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

        （5）與 KJ95N 系統(tǒng)的聯(lián)接。瓦斯抽放監(jiān)測(cè)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(cè)分站，通過(guò)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另一種是接入通用監(jiān)測(cè)分站，通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。而無(wú)論哪兩種方法，由于管道氣體監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量范圍與環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)量范圍大不相同，需要在系統(tǒng)主機(jī)上對(duì)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(cè)，并將瓦斯抽放監(jiān)測(cè)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(wàn) m 3 。

5 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)管道瓦斯流量計(jì)在北皂煤礦的應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(cè)量性能好，安裝簡(jiǎn)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)保障。