管道瓦斯流量計(jì)量技術(shù)在北皂煤礦的應(yīng)用

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。上海自動(dòng)化儀表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(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)施過程中，在海域的掘進(jìn)和回采過程中遇到了瓦斯?jié)舛壬仙膯栴}，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(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。是利用流體通過孔板時(shí)在孔板前后產(chǎn)生的差壓來測(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(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”，是通過測(cè)量管道內(nèi)某點(diǎn)流體的動(dòng)壓與靜壓之差來測(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)得流體流速從而計(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。

(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(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(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 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(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。上海自動(dòng)化儀表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。