淺談威力巴流量計(jì)原理及現(xiàn)場運(yùn)用

萬　勇（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶　400039）

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淺談威力巴流量計(jì)原理及現(xiàn)場運(yùn)用

萬勇
（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

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

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(diǎn)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(qiáng)度的加大，礦井瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性也相應(yīng)增大。那么對(duì)于高瓦斯礦井進(jìn)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(qiáng)瓦斯治理工作，全面貫徹落實(shí)“先抽后采、監(jiān)測(cè)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(dá)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(duì)抽出的瓦斯進(jìn)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(kuò)大促進(jìn)抽放規(guī)模已成為煤礦企業(yè)當(dāng)前瓦斯防治工作重點(diǎn)。那么，對(duì)瓦斯抽采利用的監(jiān)測(cè)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?shí)時(shí)變化情況，提高安全生產(chǎn)指數(shù)。對(duì)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(jì)來測(cè)量。

1. 威力巴測(cè)量的工作原理

GD3系列威力巴流量計(jì)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(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)流體流過威力巴傳感器時(shí)，在探桿的迎流測(cè)形成一個(gè)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(diǎn)處形成一個(gè)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(duì)取壓孔，分別引入管道對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的壓力。迎流面為高壓取壓孔，讀取高壓平均值信號(hào)P1，后側(cè)壁為低壓取壓孔，讀取高壓平均值信號(hào)P2。將P1和P2分別引入差壓變送器，測(cè)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(shí)時(shí)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(jì)是根據(jù)流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)，介質(zhì)流速最低可測(cè)至0.3m/s，最高可測(cè)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(jì)主要適用于監(jiān)測(cè)煤礦井下抽采管路及地面煤層氣綜合利用管道計(jì)量，配接的表頭上的液晶顯示屏可以同時(shí)就地顯示瞬時(shí)標(biāo)況混合流量、壓力、溫度和累計(jì)流量（如圖2所示）。表頭可以同時(shí)提供RS485總線、200Hz～1000Hz頻率和4MA～20MA電流3種通信信號(hào)輸出，用戶根據(jù)情況通過鍵盤進(jìn)行簡單處理后，選擇其一適合自身需要的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)給上位機(jī)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(jì)表頭顯示界面

2. 與其他傳統(tǒng)流量計(jì)性能比較

目前，運(yùn)用于煤礦管道瓦斯計(jì)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(jìn)漩渦及V錐流量計(jì)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(duì)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(huì)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(shí)間的延長而迅速下降，需要定期維護(hù)，且流出系數(shù)易變化。渦街及旋進(jìn)漩渦流量計(jì)屬于單點(diǎn)式測(cè)量，既對(duì)安裝的直管道要求較長又對(duì)管道的震動(dòng)十分敏感，受自身測(cè)量精度影響一般只能測(cè)量最低流速不低于5m/s，測(cè)量精度還會(huì)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(jì)量；V錐流量計(jì)安裝對(duì)直管段要求短，測(cè)量精度高、不堵塞、維護(hù)量小、測(cè)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(qiáng)制校準(zhǔn)流量計(jì)時(shí)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(yùn)用實(shí)例

本次運(yùn)用是將威力巴流量計(jì)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(jì)量。該管道內(nèi)絕對(duì)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(yùn)行以來，已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了7個(gè)多月時(shí)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(dòng)比較平滑，說明威力巴探桿對(duì)氣體流過時(shí)產(chǎn)生的壓差反應(yīng)靈敏，測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

結(jié)語

GD3威力巴流量計(jì)的測(cè)量精高度，達(dá)到國家1.5級(jí)；多點(diǎn)測(cè)量管道內(nèi)平均流速，測(cè)量更準(zhǔn)確；不受探桿插入深度影響，測(cè)量重復(fù)性好；本質(zhì)防堵特型的設(shè)計(jì)大大降低了探桿被堵塞的幾率，使得現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定性好、維護(hù)量??；測(cè)量元件不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，調(diào)校方便；整機(jī)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(hù)，維護(hù)量大大降低；截止目前，GD3系列威力巴流量計(jì)在現(xiàn)場運(yùn)用達(dá)2000余套，其中用量較多的比如淮北礦業(yè)集團(tuán)、川煤集團(tuán)、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(tuán)寺河煤礦煤層氣利用CDM項(xiàng)目，其計(jì)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性系統(tǒng)得到聯(lián)合國CDM項(xiàng)目驗(yàn)收組專家的一致肯定及表揚(yáng)，并建議相關(guān)煤炭企業(yè)在瓦斯抽采及利用計(jì)量裝置選購裝備時(shí)予以優(yōu)先考慮并廣泛應(yīng)用于瓦斯抽放計(jì)量、井下抽放支管監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及煤層氣利用CDM項(xiàng)目，盡早及時(shí)投入使用。

圖3　　11月5日至12月7日威力巴流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量曲線

參考文獻(xiàn)

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

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

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

中圖分類號(hào)：TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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