摘要:闡述了煤礦管道瓦斯流量計量的發展現狀,分析了孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計、旋進漩渦流量計、V錐流量計的優缺點;針對瓦斯流量測量精度受氣體中的雜質和瓦斯體積分數變化影響的問題,提出了解決辦法;建議煤礦瓦斯抽放管網中的主管、干管、支管采用V錐流量計,匯流管以及各評價單元采用多點采樣的插入式流量計;指出煤礦管道瓦斯流量計量應根據不同的現場狀況、工況條件及測量需求選擇相應的流量計。
0引言
《2012年煤礦安全工作要點》第三條強調:強力.推進先抽后采、綜合治理的治本措施,深化煤礦瓦斯防治。特別強調“強力推進瓦斯抽采達標”的實施措施。督促煤礦企業嚴格執行《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》,建立瓦斯抽采達標自評估制度,把瓦斯抽采達標能力作為礦井能力核定的重要約束性指標,組織開展瓦斯抽采達標監督.檢查,切實做到先抽后采、抽采達標,實現抽、掘、采平衡以。作為保證瓦斯抽采達標的重要手段一管道瓦斯流量計量將在整個考核過程中起到一定作用。本文分析如何保證管道瓦斯計量結果既準確又適合煤礦現場工況條件。
1管道瓦斯流量計量發展現狀
到目前為止,煤礦管道瓦斯流量計量經歷了從無到有、從人工計量到儀器自動計量、從簡易粗放計量到正確結算計量的過程。由于管道瓦斯氣體的特殊性,目前在瓦斯抽放計量領域使用較為廣泛的仍然是孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計、旋進漩渦流量計、V錐流量計等。
孔板流量計起源早,歷史悠久,機構簡單,成本低且無可轉動部件,取壓孔不易被臟污介質堵塞,能夠保持取壓的長期穩定可靠,故孔板流量計在管道瓦斯抽放現場的適應性好。在前期抽放計量儀器少的時候,孔板流量計幾乎占據了整個應用領域,可以說其市場占有率是最大的。
渦街流量計產生于20世紀50年代,其相對孔板流量計來說具有量程比寬、壓損小等優點。在只有孔板流量計的時代,渦街流量計的出現體現了其應有的價值,并在瓦斯抽放計量市場上占有一定的份額。
皮托管流量計由一個直徑較細的圓管構成,主要采用人工測量方式。在輸氣管道上開一個小孔，將皮托管插人管道內，皮托管即可測量出管道內測量點氣體的動壓,進而可以推算出該點的流速及流量。該種流量計主要用于管道氣體流量摸底與現場流量比對,在煤礦管道瓦斯流量計量領域的使用普遍。
旋進漩渦流量計是縮小了內徑的渦街流量計，其與渦街流量計都屬于流體振動型流量計。因旋進漩渦流量計內部流通面類似標準節流裝置一文丘利管,也有人稱其為“文丘利渦街”。該儀表解決了渦街流量計直管段要求高和下限流速高的問題。
V錐流量計出現于20世紀80年代,其在保持孔板流量計測量精度高、穩定性高、可測量多相流等優點的基礎上,針對孔板流量計的主要缺點進行了改進,因此還具有測量量程比寬、自整流、自清潔、壓損小、穩定性高等孔板流量計所沒有的優點。V錐流量計早在石化、熱能、供水等領域得到廣泛應用,2007年被用于瓦斯抽放流量計量領域,并迅速表現出其在管道瓦斯流量計量方面的優勢:可測量多相流，能夠適應管道瓦斯這種高濕、高臟的氣體環境，現場適應性較好;測量量程比寬,測量下限更低，能夠適應抽放管道瓦斯氣體流速低的特點;具有自
整流特點，使得現場所需的直管段長度大大縮短，能夠適應煤礦現場安裝空間狹窄的實際情況;具有自清潔功能,節流件不會被氣體中的污垢腐蝕、磨損，能夠保持節流裝置流量系數的長期穩定性,增大校準周期;壓損小,適用于低負壓抽放管道的流量計量而不影響其抽放效果;穩定性高,使得現場維護成本下降。
2管道瓦斯流量計量存在的問題及解決方案
2.1管道瓦斯流量計量存在的問題
管道瓦斯氣體存在濕度大、雜質多、氣液固混合、壓力低、流量變化范圍寬、流速下限低、現場安裝.環境局限性大等特點,這就要求測量其流量的流量計具有如下特征:無可轉動部件，測量量程比寬，可測量多項流,不易堵塞磨損,永久性壓損小，測量下限低,直管段要求短。雖然氣體流量計種類很多,但適用于管道瓦斯流量測量的流量計并不是很多。當前應用最為廣泛的孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計.V錐流量計等在測量管道瓦斯時也存在相應的問題。
孔板流量計存在的問題:(1)測量量程比窄,約為1:3,相對煤礦流量變化范圍來說,測量范圍窄;(2)采用邊緣截止、中間流通的銳角節流方式，使管道瓦斯氣體中的液體或固體雜質無法順利流過,造成孔板前方液體和固體雜質堆積的現象,需要經常清洗管道;(3)對流場的分布要求較高,直管段要求長，現場安裝局限性大;(4)對管道介質造成的永久性壓損大,特別是負壓端會影響井下抽放壓力,同一條管道上不適宜串聯使用多臺孔板。
渦街流量計存在的問題:(1)對環境振動較為敏感,現場長期運行穩定性較差;(2)測量下限較高,特別是對于低密度介質,如氣體介質,特別是負壓狀態下的氣體介質,測量下限一般不低于5m/s;(3)采用插人式點測量方式,插人的深度不同,測量的流量結果也不相同,無法保證現場與實驗室的測量精度一致;(4)直管段要求長,現場安裝局限性大。
皮托管流量計由于插人桿較細,取壓孔較小,容易堵塞,不適宜長期在線測量瓦斯流量。
旋進漩渦流量計存在的問題:(1)適用管徑范圍小,一般最大只能測量300mm管徑,適用面窄;(2)給管道帶來的永久性壓力損失大，影響瓦斯抽放效果,主要應用于油田井口平臺高中壓油、氣的流量測量;(3)現場適應性差,同一管徑的每一臺儀表都具有相同的流速測量范圍,且不可更改,只能通過現場管道的擴管或縮管來滿足流量計的流速測量要求，即以現場工況條件來適應并滿足流量計的.需要;(4)易受被測介質影響,特別在介質臟污的情況下,其導流器(旋轉導流槽、在人口處的螺旋漿形葉片)容易結垢,嚴重時可能封閉葉片面積,需要經常清理。
V錐流量計主要是為了解決孔板流量計和渦街流量計存在的問題而引入的,具有測量量程比寬、自.整流等優點,但它整體結構較為復雜,運輸、安裝較為不便。
2.2提高管道瓦斯流量計量準確度的方法
瓦斯流量的測量精度是管道瓦斯流量測量過程中存在的一個主要問題。瓦斯氣體里含有大量的液態水以及固體雜質,并且瓦斯體積分數會實時變化,這些因素會嚴重影響氣體的物理性質,如密度、黏度等,特別是對氣體密度影響較大。
解決該問題可采用以下辦法:(1)對瓦斯體積分數進行實時檢測并最終轉換為對瓦斯氣體密度的實時修正,從而解決瓦斯體積分數變化帶來的密度誤差;(2)在管道上多加放水器，使氣體中的液態水和固體雜質能夠在經過一段距離的輸送之后,最終排除到管道之外,從而盡可能保證到達流量計的氣體為較為潔凈和干燥的瓦斯氣體,減小液態水和固體雜質對氣體密度的影響;(3)注意現場的輸氣管道布置,應保證靠近水源端的管道處于低處,使得液態水不能夠流入后端管道內，同時流量計應遠離水源端;(4)采取措施使輸氣管道的溫度變化保持在一定范圍內,從而減少瓦斯氣體中的水分在流量計處冷凝的情況;(5)在有條件的地方增加氣體預處理裝置,直接濾除氣體中的液態水和固體雜質。
3管道瓦斯流計量t發展方向
《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》第十四條規定:煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井必須建立地面固定抽采瓦斯系統,其他應當抽采瓦斯的礦井可以建立井下臨時抽采瓦斯系統;同時具有煤層瓦斯預抽和采空區瓦斯抽采方式的礦井,根據需要分別建立高、低負壓抽采瓦斯系統[2]。從這些信息可以看出,瓦斯抽放流量計量將是未來國家相關部門考核煤礦瓦斯抽放達標的一個重要手段,如何保證抽放效果良好并達到要求將是煤礦瓦斯抽放領域必須考慮的問題。
瓦斯抽采礦井應當配備瓦斯抽采監控系統,實時監控管網瓦斯濃度、壓力或壓差、流量、溫度參數及設備的開停狀態等;抽采瓦斯計量儀器應當符合相關計量標準要求;計量測點布置應當滿足瓦斯抽采達標評價的需要,在泵站、主管、干管、支管及需要單獨評價的區域分支、鉆場等布置測點幻。從上述規定可以看出,在瓦斯抽放管網系統中的各階段均要設置監測點,作為考察抽采達標的一個重要指標,各階段的瓦斯流量監測也將是重點考察對象。
煤礦瓦斯抽放管網一般由總管、干管、支管、匯流管以及鉆孔等構成,如圖1所示。
考慮到主管、干管、支管不經常移動,且要求測量儀器穩定性高、測量精度高,建議采用V錐流量計。匯流管以及各評價單元建議采用插人式流量計,但當前插人式流量計多采用點式測量方式,以測量一點的流量來代替整個管道截面的流量,而一個管道界面上每一點的流速是不相同的。理想狀態(紊流狀態)下的流速分布為一個拋物面形式，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,因此以點帶面的插人式測量方式的測量精度相對較低。這種情況宜在一個界面下采用多點測量的方式來改善,但這樣做無疑又會增加成本和安裝維護復雜度,故推薦采用多點采樣的插人式流量計作為在線式流量測量設備,如勻速管流量計。
不同階段的輸氣管可能有不同的現場狀況，如管徑不同、是否經常移動、周圍空間大小不同、直管段長度不同等。不同階段的瓦斯氣體也可能有不同的工況條件，如含水量大小不同、臟污介質多少不同、氣體壓力大小不同等。考察不同階段管道瓦斯流量的目的不同,對每個階段管道瓦斯流量測量的準確度要求也不相同。故煤礦管道瓦斯流量計量應根據不同的現場狀況、工況條件及測量需求選擇相應的流量計。
4結語
闡述了煤礦管道瓦斯流量計量發展現狀,分析了各種存在的問題并提出了解決辦法;建議煤礦瓦斯抽放管網中的主管、干管、支管采用V錐流量計,匯流管以及各評價單元采用多點采樣的插人式流量計;指出煤礦管道瓦斯流量計量應根據不同的現場狀況.工況條件及測量需求選擇相應的流量計。
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