摘要:阐述了煤矿管道瓦斯流量计量的发展现状,分析了孔板流量计、涡街流量计、皮托管流量计、旋进漩涡流量计、V锥流量计的优缺点;针对瓦斯流量测量精度受气体中的杂质和瓦斯体积分数变化影响的问题,提出了解决办法;建议煤矿瓦斯抽放管网中的主管、干管、支管采用V锥流量计,汇流管以及各评价单元采用多点采样的插入式流量计;指出煤矿管道瓦斯流量计量应根据不同的现场状况、工况条件及测量需求选择相应的流量计。
0引言
《2012年煤矿安全工作要点》第三条强调:强力.推进先抽后采、综合治理的治本措施,深化煤矿瓦斯防治。特别强调“强力推进瓦斯抽采达标”的实施措施。督促煤矿企业严格执行《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》,建立瓦斯抽采达标自评估制度,把瓦斯抽采达标能力作为矿井能力核定的重要约束性指标,组织开展瓦斯抽采达标监督.检查,切实做到先抽后采、抽采达标,实现抽、掘、采平衡以。作为保证瓦斯抽采达标的重要手段一管道瓦斯流量计量将在整个考核过程中起到一定作用。本文分析如何保证管道瓦斯计量结果既准确又适合煤矿现场工况条件。
1管道瓦斯流量计量发展现状
到目前为止,煤矿管道瓦斯流量计量经历了从无到有、从人工计量到仪器自动计量、从简易粗放计量到正确结算计量的过程。由于管道瓦斯气体的特殊性,目前在瓦斯抽放计量领域使用较为广泛的仍然是孔板流量计、涡街流量计、皮托管流量计、旋进漩涡流量计、V锥流量计等。
孔板流量计起源早,历史悠久,机构简单,成本低且无可转动部件,取压孔不易被脏污介质堵塞,能够保持取压的长期稳定可靠,故孔板流量计在管道瓦斯抽放现场的适应性好。在前期抽放计量仪器少的时候,孔板流量计几乎占据了整个应用领域,可以说其市场占有率是最大的。
涡街流量计产生于20世纪50年代,其相对孔板流量计来说具有量程比宽、压损小等优点。在只有孔板流量计的时代,涡街流量计的出现体现了其应有的价值,并在瓦斯抽放计量市场上占有一定的份额。
皮托管流量计由一个直径较细的圆管构成,主要采用人工测量方式。在输气管道上开一个小孔，将皮托管插人管道内，皮托管即可测量出管道内测量点气体的动压,进而可以推算出该点的流速及流量。该种流量计主要用于管道气体流量摸底与现场流量比对,在煤矿管道瓦斯流量计量领域的使用普遍。
旋进漩涡流量计是缩小了内径的涡街流量计，其与涡街流量计都属于流体振动型流量计。因旋进漩涡流量计内部流通面类似标准节流装置一文丘利管,也有人称其为“文丘利涡街”。该仪表解决了涡街流量计直管段要求高和下限流速高的问题。
V锥流量计出现于20世纪80年代,其在保持孔板流量计测量精度高、稳定性高、可测量多相流等优点的基础上,针对孔板流量计的主要缺点进行了改进,因此还具有测量量程比宽、自整流、自清洁、压损小、稳定性高等孔板流量计所没有的优点。V锥流量计早在石化、热能、供水等领域得到广泛应用,2007年被用于瓦斯抽放流量计量领域,并迅速表现出其在管道瓦斯流量计量方面的优势:可测量多相流，能够适应管道瓦斯这种高湿、高脏的气体环境，现场适应性较好;测量量程比宽,测量下限更低，能够适应抽放管道瓦斯气体流速低的特点;具有自
整流特点，使得现场所需的直管段长度大大缩短，能够适应煤矿现场安装空间狭窄的实际情况;具有自清洁功能,节流件不会被气体中的污垢腐蚀、磨损，能够保持节流装置流量系数的长期稳定性,增大校准周期;压损小,适用于低负压抽放管道的流量计量而不影响其抽放效果;稳定性高,使得现场维护成本下降。
2管道瓦斯流量计量存在的问题及解决方案
2.1管道瓦斯流量计量存在的问题
管道瓦斯气体存在湿度大、杂质多、气液固混合、压力低、流量变化范围宽、流速下限低、现场安装.环境局限性大等特点,这就要求测量其流量的流量计具有如下特征:无可转动部件，测量量程比宽，可测量多项流,不易堵塞磨损,永久性压损小，测量下限低,直管段要求短。虽然气体流量计种类很多,但适用于管道瓦斯流量测量的流量计并不是很多。当前应用最为广泛的孔板流量计、涡街流量计、皮托管流量计.V锥流量计等在测量管道瓦斯时也存在相应的问题。
孔板流量计存在的问题:(1)测量量程比窄,约为1:3,相对煤矿流量变化范围来说,测量范围窄;(2)采用边缘截止、中间流通的锐角节流方式，使管道瓦斯气体中的液体或固体杂质无法顺利流过,造成孔板前方液体和固体杂质堆积的现象,需要经常清洗管道;(3)对流场的分布要求较高,直管段要求长，现场安装局限性大;(4)对管道介质造成的永久性压损大,特别是负压端会影响井下抽放压力,同一条管道上不适宜串联使用多台孔板。
涡街流量计存在的问题:(1)对环境振动较为敏感,现场长期运行稳定性较差;(2)测量下限较高,特别是对于低密度介质,如气体介质,特别是负压状态下的气体介质,测量下限一般不低于5m/s;(3)采用插人式点测量方式,插人的深度不同,测量的流量结果也不相同,无法保证现场与实验室的测量精度一致;(4)直管段要求长,现场安装局限性大。
皮托管流量计由于插人杆较细,取压孔较小,容易堵塞,不适宜长期在线测量瓦斯流量。
旋进漩涡流量计存在的问题:(1)适用管径范围小,一般最大只能测量300mm管径,适用面窄;(2)给管道带来的永久性压力损失大，影响瓦斯抽放效果,主要应用于油田井口平台高中压油、气的流量测量;(3)现场适应性差,同一管径的每一台仪表都具有相同的流速测量范围,且不可更改,只能通过现场管道的扩管或缩管来滿足流量计的流速测量要求，即以现场工况条件来适应并满足流量计的.需要;(4)易受被测介质影响,特别在介质脏污的情况下,其导流器(旋转导流槽、在人口处的螺旋浆形叶片)容易结垢,严重时可能封闭叶片面积,需要经常清理。
V锥流量计主要是为了解决孔板流量计和涡街流量计存在的问题而引入的,具有测量量程比宽、自.整流等优点,但它整体结构较为复杂,运输、安装较为不便。
2.2提高管道瓦斯流量计量准确度的方法
瓦斯流量的测量精度是管道瓦斯流量测量过程中存在的一个主要问题。瓦斯气体里含有大量的液态水以及固体杂质,并且瓦斯体积分数会实时变化,这些因素会严重影响气体的物理性质,如密度、黏度等,特别是对气体密度影响较大。
解决该问题可采用以下办法:(1)对瓦斯体积分数进行实时检测并最终转换为对瓦斯气体密度的实时修正,从而解决瓦斯体积分数变化带来的密度误差;(2)在管道上多加放水器，使气体中的液态水和固体杂质能够在经过一段距离的输送之后,最终排除到管道之外,从而尽可能保证到达流量计的气体为较为洁净和干燥的瓦斯气体,减小液态水和固体杂质对气体密度的影响;(3)注意现场的输气管道布置,应保证靠近水源端的管道处于低处,使得液态水不能够流入后端管道内，同时流量计应远离水源端;(4)采取措施使输气管道的温度变化保持在一定范围内,从而减少瓦斯气体中的水分在流量计处冷凝的情况;(5)在有条件的地方增加气体预处理装置,直接滤除气体中的液态水和固体杂质。
3管道瓦斯流计量t发展方向
《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第十四条规定:煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井必须建立地面固定抽采瓦斯系统,其他应当抽采瓦斯的矿井可以建立井下临时抽采瓦斯系统;同时具有煤层瓦斯预抽和采空区瓦斯抽采方式的矿井,根据需要分别建立高、低负压抽采瓦斯系统[2]。从这些信息可以看出,瓦斯抽放流量计量将是未来国家相关部门考核煤矿瓦斯抽放达标的一个重要手段,如何保证抽放效果良好并达到要求将是煤矿瓦斯抽放领域必须考虑的问题。
瓦斯抽采矿井应当配备瓦斯抽采监控系统,实时监控管网瓦斯浓度、压力或压差、流量、温度参数及设备的开停状态等;抽采瓦斯计量仪器应当符合相关计量标准要求;计量测点布置应当满足瓦斯抽采达标评价的需要,在泵站、主管、干管、支管及需要单独评价的区域分支、钻场等布置测点幻。从上述规定可以看出,在瓦斯抽放管网系统中的各阶段均要设置监测点,作为考察抽采达标的一个重要指标,各阶段的瓦斯流量监测也将是重点考察对象。
煤矿瓦斯抽放管网一般由总管、干管、支管、汇流管以及钻孔等构成,如图1所示。
考虑到主管、干管、支管不经常移动,且要求测量仪器稳定性高、测量精度高,建议采用V锥流量计。汇流管以及各评价单元建议采用插人式流量计,但当前插人式流量计多采用点式测量方式,以测量一点的流量来代替整个管道截面的流量,而一个管道界面上每一点的流速是不相同的。理想状态(紊流状态)下的流速分布为一个抛物面形式，即越靠近管壁位置流速越低，而越靠近管道中央位置流速越高,因此以点带面的插人式测量方式的测量精度相对较低。这种情况宜在一个界面下采用多点测量的方式来改善,但这样做无疑又会增加成本和安装维护复杂度,故推荐采用多点采样的插人式流量计作为在线式流量测量设备,如匀速管流量计。
不同阶段的输气管可能有不同的现场状况，如管径不同、是否经常移动、周围空间大小不同、直管段长度不同等。不同阶段的瓦斯气体也可能有不同的工况条件，如含水量大小不同、脏污介质多少不同、气体压力大小不同等。考察不同阶段管道瓦斯流量的目的不同,对每个阶段管道瓦斯流量测量的准确度要求也不相同。故煤矿管道瓦斯流量计量应根据不同的现场状况、工况条件及测量需求选择相应的流量计。
4结语
阐述了煤矿管道瓦斯流量计量发展现状,分析了各种存在的问题并提出了解决办法;建议煤矿瓦斯抽放管网中的主管、干管、支管采用V锥流量计,汇流管以及各评价单元采用多点采样的插人式流量计;指出煤矿管道瓦斯流量计量应根据不同的现场状况.工况条件及测量需求选择相应的流量计。
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