萬 勇

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測定儀在抽采系統(tǒng)中的應(yīng)用

萬 勇1，2

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

針對煤礦瓦斯抽采鉆場、支管及單孔內(nèi)氣體流速較小或波動較大，常見的計量設(shè)備不能滿足簡單快捷測量其流量、壓力、溫度、瓦斯及一氧化碳濃度的要求，該文介紹了一種以皮托管原理為核心的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測定儀。提出了基于皮托管原理檢測差壓、壓力及溫度，再利用真空泵抽取被測管道內(nèi)氣樣循環(huán)至甲烷及一氧化碳元件處檢測其濃度，最后排放至被測管道內(nèi)的研究方法，簡述其工作原理、結(jié)構(gòu)特征等內(nèi)容。通過現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證明，該測定儀對小管徑、低流速計量操作簡單、精度高、故障率低，對減少人員勞動強度及在煤炭企業(yè)推廣有重要意義。

ZKC6；流量計；鉆場；小管徑；低流速

“先抽后采”是我國煤礦瓦斯治理的治本之策，通過抽采管道排放出煤層氣[1]。煤礦瓦斯抽采管路內(nèi)流量檢測方法主要有孔板、均速管、V型錐及威力巴流量計[2-3]等測定法。其中孔板法是較為公認(rèn)的，但孔板流量計采用的是通過人為突變管徑形成節(jié)流產(chǎn)生差壓的原理，會導(dǎo)致管內(nèi)大幅增加壓損而影響整體抽放效果；皮托管由于結(jié)構(gòu)簡潔、測量準(zhǔn)確性國際公認(rèn)、拆卸方便、可靠性高、幾乎無壓損等諸多優(yōu)點被較早地運用在煤礦現(xiàn)場并得到廣泛好評。但是這些流量計在測量低流速、低流量的較小管徑及鉆場單孔的場合就顯示出了一些自身的不足，尤其是需要固定安裝在抽放管道上而不能根據(jù)實際需要進行移動測量是其較大的弊端。

隨著國家對煤礦瓦斯抽采達標(biāo)考核要求的不斷提高，煤礦企業(yè)也越來越重視抽采計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并開始建立瓦斯抽采評價單元，檢測管道內(nèi)流量的相關(guān)儀表技術(shù)逐漸向抽采的鉆場及支管源頭延伸，但抽采鉆場和支管源頭普遍管徑小、流量少，有些單孔流速甚至低至0.3 m/s，這些工況條件對抽采計量裝置的選擇提出了嚴(yán)格甚至苛刻的要求[4-13]。目前多數(shù)煤炭企業(yè)在抽采計量設(shè)備選型時主要是靠查詢資料、聽取廠家宣傳或技術(shù)交流、比較類型產(chǎn)品后選擇購買并運用，往往出現(xiàn)因選型不合適導(dǎo)致安裝不便、測量精度低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得不到保障。本文根據(jù)長期廣泛調(diào)研煤礦現(xiàn)場鉆場、支管及單孔內(nèi)氣體流量的特點后，研發(fā)設(shè)計了一種適用于檢測低流速低流量管道內(nèi)的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測定儀。

1 結(jié)構(gòu)特征與工作原理

中煤科工集團重慶研究院有限公司自主研發(fā)的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測定儀，是基于皮托管流量計原理基礎(chǔ)上，將其探頭插入被測管道中，利用其內(nèi)部差壓傳感器、壓力傳感器及Pt100鉑電阻溫度傳感器檢測計算出相關(guān)參數(shù)，然后利用測定儀內(nèi)部的微型調(diào)速真空泵在被測管道內(nèi)抽取實時氣樣，經(jīng)管路系統(tǒng)中的除塵、除濕濾水裝置后再循環(huán)至紅外甲烷及一氧化碳元件安裝處檢測氣樣中的瓦斯及一氧化碳濃度含量后，最后經(jīng)利用調(diào)速真空泵排放至被測管道內(nèi)的研究方法。皮托管由于有成熟的技術(shù)規(guī)范和使用經(jīng)驗，常被運用在通風(fēng)管道、工業(yè)管道以及爐窯煙道內(nèi)測量氣體流速，用皮托管測速和確定流量，有可靠的理論依據(jù)，也是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上常用的計量器具[14]，依據(jù)皮托管原理研發(fā)的ZKC6型多參數(shù)測定儀，使用方便、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶至需要測量的地點，且只需要在管道上開一個DN10的觀測孔即可測量，測量下限可低至0.3 m/s。

1.1 結(jié)構(gòu)特征

測定儀由主機和探頭兩部分組成，主機與探頭的外觀示意分別如圖1和圖2所示。

圖1 ZKC6測定儀主機外觀示意Fig.1 Schematic diagram of ZKC6 teste

圖2 測定儀探頭外觀示意Fig.2 Schematic diagram of probe

1.2 工作原理

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測定儀是由一體化探頭，差壓變送器和流量積算儀等組成的測量系統(tǒng)，可以同時測量管道內(nèi)工況及標(biāo)況瞬時流量、溫度、絕對壓力、差壓和環(huán)境大氣壓等參數(shù)。傳統(tǒng)的皮托管流量計測量方式主要采用皮托管為檢測探頭，配以U型管壓差計作為測量設(shè)備，通過U型管內(nèi)壓差值來計算得出流量；本測定儀采用將溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器封裝在一起的一體化的智能探頭，經(jīng)信號處理電路采集3路傳感器信號后通過RS232接口輸出進入測定儀CPU微處理器，當(dāng)主機檢測到探頭通過RS232傳來的數(shù)字信號后，經(jīng)過微處理器CPU內(nèi)部程序的系列化處理和計算，在主機面板上的液晶屏顯示出具體的測量參數(shù)數(shù)據(jù)，大幅度縮減了人為因素帶來的介質(zhì)壓力、差壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的測量誤差，同時將皮托管計算公式植入CPU內(nèi)部程序，避免了因公式不統(tǒng)一、人為計算錯誤等因素造成的計算記過誤差較大的幾率，保證了測定儀測量結(jié)果的有效性和可靠性。測定儀電路原理如圖3所示。

圖3 測定儀工作原理Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument

當(dāng)主機開機進入測量功能后，測定儀會自動開啟內(nèi)部的調(diào)速真空泵，此時真空泵會從被管道中抽取部分樣氣進入主機內(nèi)的紅外甲烷和一氧化碳元件裝置處，此時2個元件進行混合氣體內(nèi)的甲烷和一氧化碳濃度分析測量，最終計算出被測管道內(nèi)混合氣體中的甲烷及一氧化碳濃度值，再通過人機界面直觀顯示出來[15-18]。被測管道內(nèi)的不同環(huán)境下工況數(shù)據(jù)可以保存在主機內(nèi)，也可以通過藍牙接口將保存的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔籔C機予以存儲、生成報表并打印。

2 現(xiàn)場適應(yīng)性應(yīng)用

2.1 開孔工藝

在被測量輸氣管道上需要預(yù)先開設(shè)2個直徑10 mm的螺紋孔，其中一個孔作為檢測甲烷和一氧化碳濃度的取氣口用，另一個孔用于插入一體化皮托管來測量管道內(nèi)氣體的流速及流量。其開孔位置要求為直管段較長 （至少前7D后5D，D為管道內(nèi)徑）、氣流較穩(wěn)的位置，一體化智能皮托管測量孔應(yīng)開在上風(fēng)位，甲烷及一氧化碳濃度測量取氣孔應(yīng)開在下風(fēng)位，并與皮托管取氣孔保持20 cm以上的間隔距離，主要是避免儀器內(nèi)調(diào)速真空泵在進行抽氣取樣工作時擾亂了管道內(nèi)皮托管取氣孔附近的氣流穩(wěn)定性。如果被測管道內(nèi)存在積水的情況，此時應(yīng)避免垂直向下開孔方式，而采用切斜于管道30°～40°開孔，以防一體化皮托管插入管道時進入到被測管內(nèi)積水中導(dǎo)致取壓口進水，引起測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者損壞皮托管內(nèi)傳感器。

2.2 現(xiàn)場測量

打開測定儀主機的上箱蓋，通過配套的數(shù)據(jù)線纜連接好測定儀及一體化皮托管探頭，再將主機面板上的抽氣嘴和排氣嘴通過DN 8 mm的氣管連接到被測管道上的預(yù)先開設(shè)的濃度取氣，開機預(yù)熱后進入測量狀態(tài)；將探頭上的皮托管垂直于管道并保持與插入管道的角度一致，按動測定儀“清零”鍵，將皮托管差壓清零（由于是微差壓測量，差壓傳感器比較敏感，探頭放置的角度改變時差壓的零點也會改變，所以清零時應(yīng)保持探頭與插入管道的角度一致，且清零時需保持皮托管取壓口為無風(fēng)狀態(tài)），再將皮托管緩慢地垂直插入管道中并用密封膠塞保證密封性，此時才可以開始測量數(shù)據(jù)。連接示意如圖4所示。

2.3 測量使用操作

長按測定儀主機上電源鍵，系統(tǒng)開始初始化，初始化完成后自動進入功能界面，如圖5所示。再按上下左右4個方向鍵來選擇相應(yīng)的功能進入相應(yīng)頁面。

圖4 測量示意圖Fig.4 Sketch map of measurement

圖5 功能界面顯示Fig.5 Functional interface display

2.4 測量功能

從功能界面進入到參數(shù)測量預(yù)設(shè)頁面后（如圖6所示），按上下鍵可移動光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)落在“開始測量”按鈕上時，按“確定”鍵進入?yún)?shù)測量頁面。

圖6 測量設(shè)置頁面顯示Fig.6 Measurement settings page display

當(dāng)光標(biāo)落在“地址號”上時，按數(shù)字鍵輸入測點地址號。選好地址號后下移光標(biāo)，自動顯示出對應(yīng)的地址名稱和管道內(nèi)徑 （可預(yù)先通過PC機下載）。數(shù)字輸錯時可以按“刪除”鍵后重新輸入，設(shè)置管道壁厚是為了準(zhǔn)確計算皮托管插入深度。設(shè)置“輸入濃度”是為了在不便進行濃度測量或濃度已知時進行流量密度補償，當(dāng)輸入的濃度值是“0”時，儀器將會啟動調(diào)速真空泵抽氣正常測量混合氣內(nèi)的甲烷和一氧化碳濃度；當(dāng)輸入的濃度值非“0”固定值時，儀器自動關(guān)閉調(diào)速真空泵不啟動，微處理器CPU內(nèi)程序會按照輸入的固定濃度值進行混合氣體密度補償計算。

“測量模式”可以分別為“一點位置”、“四點位置”和“十點位置”測量方法，選擇測量點數(shù)越多，其對應(yīng)的測量精度越高，特別是管內(nèi)氣體氣流不均勻時應(yīng)盡量選擇點數(shù)多的方法以保證測量數(shù)據(jù)的可靠性。進入?yún)?shù)測量頁面1后（如圖7所示），會顯示當(dāng)前測量值，圖7中選擇的是“一點位置”測量法，顯示了1個點的插入深度，若之前選擇了“十點位置”測量方法，則頁面下方會顯示出皮托管應(yīng)該插入的10個深度。如果在參數(shù)測量頁面1的界面上，再按動鍵盤區(qū)右鍵則可進入?yún)?shù)測量頁面2，如圖8所示。

在參數(shù)測量頁面1按“清零”鍵將對差壓測量值清零，清零前需保持皮托管取壓口處于無風(fēng)環(huán)境中。頁面右上方顯示抽氣泵的工作狀態(tài)和主機與探頭的通訊狀態(tài)，抽氣泵的工作狀態(tài)具體為“電機正?！薄ⅰ半姍C未工作”和“電機堵轉(zhuǎn)”；主機與探頭的通信狀態(tài)具體為“通訊正?！焙汀巴ㄓ嵵袛唷保础胺祷亍辨I返回主頁。

圖7 參數(shù)測量頁面1顯示Fig.7 Parameter measurement page 1

圖8 參數(shù)測量頁面2顯示Fig.8 Parameter measurement page 2

3 現(xiàn)場運行情況分析

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測定儀于2016年7月至8月在山西陽煤集團新景礦二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場進行分單元抽采監(jiān)測計量以及地面瓦斯發(fā)電站利用輸氣管道上的實際測量運用。井下北九鉆場尺寸為4.8 m×4.6 m×3.6 m（長×寬×高），鉆場內(nèi)設(shè)置鉆孔62個。本鉆場具有井下抽采鉆場的所有特點并更具代表性：鉆孔出水量較大、固體雜志較多、管徑小（DN50）、流速低，流量小、瓦斯?jié)舛雀?、變化快且變化幅度大；地面利用管道管徑大（DN900）、流速高、流量大、瓦斯?jié)舛容^低。

測定儀在該鉆場分單元計量的多個單孔實際測量期間，新景礦瓦斯抽采科及其通風(fēng)管理科技術(shù)人員通過用第三方檢測裝置人工實測及根據(jù)理論計算的數(shù)據(jù)反復(fù)對ZKC6測定儀檢測數(shù)據(jù)的真實性及準(zhǔn)確性進行了現(xiàn)場比對。部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄情況如表1、表2所示。

表1 新景煤礦二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場分單元計量管道（DN50）流量及濃度比對數(shù)據(jù)Tab.1 Mining roadway drilling field measurement unit pipe two district nine north Xinjing coal mine gas（DN50）flow rate and concentration ratio data

表2 新景煤礦地面瓦斯發(fā)電站輸氣管（DN900）流量及壓力比對數(shù)據(jù)Tab.2 Xinjing coal mine ground gas power station（DN900）pipeline flow and pressure data

根據(jù)表1和表2兩者不同管徑、不同流速及流量的比對數(shù)據(jù)可以看出，ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測定儀能夠較長時間在不同工況環(huán)境下保持穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量，既可以測量小管徑（DN50）內(nèi)0.3 m/s的流速及流量，又能測量大型管道（DN900）內(nèi)參數(shù)，并能夠保持較高的精度，絕對誤差和誤差率很小，滿足測量設(shè)計及礦方提出的誤差在±1%以內(nèi)的要求，達到1.0級精度等級，能夠很好地適應(yīng)鉆場內(nèi)單孔（小管徑）和地面利用輸氣管道內(nèi)混合氣體的流速及混合流量、甲烷及一氧化碳濃度、壓力及溫度等數(shù)據(jù)的便攜式檢測。

4 結(jié)語

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測定儀具有操作簡單方便、不受前期準(zhǔn)備工作的限制（走到哪里就可以測到哪里）、故障率低、效率高，對減少測量人員勞動強度有著重要意義；測量下限低、精度及準(zhǔn)確性高、完全適用于小管徑、低流速、低流量的抽放管道環(huán)境，完全能夠滿足煤礦鉆場及地面瓦斯利用輸氣管道內(nèi)混合氣體流量、甲烷及一氧化碳濃度檢測。通過在山西陽泉煤業(yè)集團新景公司二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場的現(xiàn)場實踐及試用，各項氣體工況參數(shù)數(shù)據(jù)測量與人工實測比對以及長期使用的穩(wěn)定性、可靠性等情況可以直觀地看出，本多參數(shù)測定儀能夠滿足國內(nèi)煤礦鉆場及單孔小管徑、低流速、小流量區(qū)域計量檢測的要求，也能達到煤礦提出的簡單、快捷檢測出管道內(nèi)混合氣體參數(shù)的要求，非常值得大力推廣到各煤炭及管道輸氣相關(guān)企業(yè)使用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of ZKC6 Type Gas Drainage Parameter Measuring Instrument in Gas Drainage System

WAN Yong1，2
（1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China）

According to the mining and drilling field，branch pipe and single hole gas flow rate in the small or large fluctuations in gas pumping，common measurement equipment can not meet the simple and fast measuring the flow，pressure，temperature，gas and the concentration of CO，to introduce a pitot tube as the core principle of ZKC6 type gas drainage parameters tester is proposed.The detection principle of pitot tube differential pressure，pressure and temperature on the extraction was measured by the vacuum pump in the pipeline gas is recycled to the methane and CO element to detect the concentration of emissions to be measured.Finally，research methods in the pipeline and the working principle，the structure，content and other characteristics.Through the field application results show that the measuring instrument of small diameter and low velocity measurement has the advantages of simple operation，high accuracy，low failure rate，has great significance to reduce labor intensity and promotion in coal enterprises.

ZKC6；flowmeter；drill field；small diameter；low flow rate

TD712.6

B

1001-9944（2017）08-0025-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.007

2017-03-09；

2017-06-16

“十三五”重大專項項目（2016ZX05045-006）

萬勇（1980—），男，本科，工程師，主要從事瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)及儀器儀表、自動化系統(tǒng)等研發(fā)及技術(shù)推廣工作。