萬　勇（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400039）

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淺談威力巴流量計原理及現(xiàn)場運用

萬勇
（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

摘要：本文針對煤礦管道瓦斯輸送計量現(xiàn)狀，比較了傳統(tǒng)的管道瓦斯流量計量優(yōu)缺點，重點介紹了一種非常適合測量煤層氣管道混合氣體流量的新技術(shù)——威力巴流量計。通過威力巴流量計的原理、特點，分析并比對得出其更適合于煤礦管道瓦斯計量的理論依據(jù)，并通過現(xiàn)場應(yīng)用案例進一步證實其在管道瓦斯計量領(lǐng)域的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：管道瓦斯流量；孔板；渦街；V錐；威力巴

0. 引言

由于我國煤礦瓦斯災(zāi)害非常嚴(yán)重，國有重點煤礦有348處高瓦斯和突出礦井；近幾年突出次數(shù)300多次/年，隨著礦井開采深度的加深和開采強度的加大，礦井瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出的危險性也相應(yīng)增大。那么對于高瓦斯礦井進行瓦斯抽放、監(jiān)控、治理就顯得尤為重要，煤炭企業(yè)必須加強瓦斯治理工作，全面貫徹落實“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的瓦斯治理12字方針和“通風(fēng)可靠、抽采達標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的十六字體系。

煤礦瓦斯又稱煤層氣，是賦存在煤層中的烴類氣體，和天然氣一樣，主要成分是甲烷。許多高瓦斯礦井對抽出的瓦斯進行瓦斯發(fā)電或者用于民用燃料、化工原料。故提高煤礦瓦斯利用率，擴大促進抽放規(guī)模已成為煤礦企業(yè)當(dāng)前瓦斯防治工作重點。那么，對瓦斯抽采利用的監(jiān)測監(jiān)控，不但需要了解瓦斯量消耗的規(guī)律，更重要的是要掌握管道內(nèi)流量或瓦斯?jié)舛鹊膶崟r變化情況，提高安全生產(chǎn)指數(shù)。對于管道內(nèi)混合氣體流量大小由我院自主研發(fā)的GD3系列威力巴流量計來測量。

1. 威力巴測量的工作原理

GD3系列威力巴流量計是近幾年發(fā)展起來的以差壓式、速率平均式流量技術(shù)為原理，由一體化威力巴傳感器、差壓變送器和流量積算儀等組成的測量系統(tǒng)。當(dāng)流體流過威力巴傳感器時，在探桿的迎流測形成一個高壓分布區(qū)，其壓力略高于管道靜壓；在探桿的側(cè)后兩邊、流體與探桿的分離點處形成一個低壓分布區(qū)，其壓力略高于管道靜壓。傳感器設(shè)有按契比雪夫分布的3對取壓孔，分別引入管道對應(yīng)點上的壓力。迎流面為高壓取壓孔，讀取高壓平均值信號P1，后側(cè)壁為低壓取壓孔，讀取高壓平均值信號P2。將P1和P2分別引入差壓變送器，測得差壓△P；基于密閉管道中能量相互轉(zhuǎn)化的伯努利定律（在穩(wěn)定流場情況下，管道中的流速與差壓的平方根成正比），故△P能實時反映管道內(nèi)部流體流速的變化，由此推算出流體的標(biāo)況體積流量公式：

式中：K為流量系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；△P為差壓。根據(jù)威力巴探桿結(jié)構(gòu)原理（如圖1所示）可見，威力巴流量計是根據(jù)流體力學(xué)和空氣動力學(xué)設(shè)計的多組取壓孔，使得其在流體剖面十分復(fù)雜的情況下也能測得準(zhǔn)確流速。威力巴流量探桿彈頭狀外形及前表面粗糙處理工藝使產(chǎn)生最精確壓力分布區(qū)和最穩(wěn)定的壓力信號，介質(zhì)流速最低可測至0.3m/s，最高可測至35m/s，所以適用于正、負(fù)壓管道的總管、干管、支管及鉆場。

GD3系列威力巴流量計主要適用于監(jiān)測煤礦井下抽采管路及地面煤層氣綜合利用管道計量，配接的表頭上的液晶顯示屏可以同時就地顯示瞬時標(biāo)況混合流量、壓力、溫度和累計流量（如圖2所示）。表頭可以同時提供RS485總線、200Hz～1000Hz頻率和4MA～20MA電流3種通信信號輸出，用戶根據(jù)情況通過鍵盤進行簡單處理后，選擇其一適合自身需要的信號進行數(shù)據(jù)給上位機的遠(yuǎn)程距離傳輸。

圖1威力巴探桿工作原理示意圖

圖2　　GD3系列威力巴流量計表頭顯示界面

2. 與其他傳統(tǒng)流量計性能比較

目前，運用于煤礦管道瓦斯計量的儀器設(shè)備種類較多；比較廣泛的有傳統(tǒng)的孔板、渦街、旋進漩渦及V錐流量計等。眾所周知的孔板傳統(tǒng)技術(shù)，因受原理和結(jié)構(gòu)的限制，不但對于前后管道的直管道長度有相當(dāng)高的要求，且容易受管道內(nèi)粉塵的影響，使粉塵會慢慢累積在孔板與管道內(nèi)避連接處產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，永久性壓力損失大，節(jié)流件邊緣易磨損而使精度隨使用時間的延長而迅速下降，需要定期維護，且流出系數(shù)易變化。渦街及旋進漩渦流量計屬于單點式測量，既對安裝的直管道要求較長又對管道的震動十分敏感，受自身測量精度影響一般只能測量最低流速不低于5m/s，測量精度還會受到流體中原始漩渦的影響，所以不適用于抽采管道流速及流場不穩(wěn)定且含有較多雜質(zhì)的煤層氣計量；V錐流量計安裝對直管段要求短，測量精度高、不堵塞、維護量小、測量下限可以控制到很低，但是安裝管段是法蘭式安裝，需要停氣安裝拆卸；在強制校準(zhǔn)流量計時需停氣拆卸，仍然存在較大壓損。

3. 貴州盤江精煤股份煤層氣利用開發(fā)公司運用實例

本次運用是將威力巴流量計垂直安裝在DN500管徑的抽放管道上，接上18V本安直流電源后調(diào)試完成后投入正式計量。該管道內(nèi)絕對壓力為67kPa，溫度在14℃左右，管道標(biāo)況混合流量在120m3/min～130m3/min，至2015年4月安裝運行以來，已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運行了7個多月時間，期間沒有任何異常狀況發(fā)生，從流量數(shù)據(jù)在軟件上顯示的33天曲線（如圖2所示）可以看出，曲線沒有較大波動比較平滑，說明威力巴探桿對氣體流過時產(chǎn)生的壓差反應(yīng)靈敏，測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

結(jié)語

GD3威力巴流量計的測量精高度，達到國家1.5級；多點測量管道內(nèi)平均流速，測量更準(zhǔn)確；不受探桿插入深度影響，測量重復(fù)性好；本質(zhì)防堵特型的設(shè)計大大降低了探桿被堵塞的幾率，使得現(xiàn)場運行穩(wěn)定性好、維護量??；測量元件不直接接觸被測介質(zhì)，調(diào)校方便；整機結(jié)構(gòu)輕便、采用插入式的安裝方式工藝簡單易操作、管道內(nèi)部無壓損；表頭輸出及顯示參數(shù)內(nèi)容豐富、直觀；采用了自校準(zhǔn)技術(shù)免日常維護，維護量大大降低；截止目前，GD3系列威力巴流量計在現(xiàn)場運用達2000余套，其中用量較多的比如淮北礦業(yè)集團、川煤集團、盤江精煤股份煤層氣利用開發(fā)公司等，尤其是在山西晉城煤業(yè)集團寺河煤礦煤層氣利用CDM項目，其計量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性系統(tǒng)得到聯(lián)合國CDM項目驗收組專家的一致肯定及表揚，并建議相關(guān)煤炭企業(yè)在瓦斯抽采及利用計量裝置選購裝備時予以優(yōu)先考慮并廣泛應(yīng)用于瓦斯抽放計量、井下抽放支管監(jiān)測、風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)及煤層氣利用CDM項目，盡早及時投入使用。

圖3　　11月5日至12月7日威力巴流量計監(jiān)測流量曲線

參考文獻

［1］王君.通風(fēng)可靠抽采達標(biāo)監(jiān)控有效管理到位把煤礦瓦斯治理攻堅戰(zhàn)扎實有效地推向深入——王君在全國煤礦瓦斯治理現(xiàn)場會上的講話［J］.中國煤層氣，2008，5（3）：3-7.

［2］張德江.大力推進煤礦瓦斯抽采利用［J］.求是，2009（24）：3-5.

［3］譚飛.威力巴流量計在煤礦管道瓦斯流量計中的應(yīng)用［J］.工礦自動化，2013，39（6）：13-16.

［4］陳軍.威力巴流量計的使用［J］.甘肅科技，2008，24（11）：67-68.

中圖分類號：TP27

文獻標(biāo)識碼：A

基金項目：中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備升級改造項目（CQ1611）。