管道瓦斯流量計量技術在北皂煤礦的應用

李榮夫 劉海霞

（龍口煤電有限公司北皂煤礦，山東 龍口 265700）

北皂煤礦海下采煤填補國內空白，但具體實施過程中，在海域的掘進和回采過程中遇到了瓦斯濃度上升的問題，海域區域也劃為了瓦斯異常區，所以需要對工作面的煤層瓦斯進行抽放。在煤層瓦斯抽放進程中，需要對抽放管路中抽出氣體累計量、瓦斯量等進行計算，從而對抽放效果進行評估，具體是通過對抽放管道內混合氣體的流量、管道內溫度、管道內壓力、混合氣體中的甲烷濃度、一氧化碳濃度等進行連續監測。并且充分利用本礦現有的KJ95N安全監控系統，實現全礦井瓦斯數據的統一采集和分析，因此對管道瓦斯抽放監測技術進行了研究和應用。

1 管道瓦斯計量現狀

煤層氣管道瓦斯氣具有雜質多、粉塵大、濕度大、濃度變化范圍大、監測傳感器不易維護和調校的特點，而目前在用的安全監控瓦斯、流量等傳感器由于結構的不適應，不能直接應用于管道瓦斯抽放監測。必須解決氣體采樣、去濕、防污的問題，要求具有量程寬、結構無可轉動部件、滿足多種參數測量、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分析對比

當前適用于煤礦管道瓦斯流量監測的幾種可用的管道瓦斯流量計有孔板流量計、渦街流量計、皮托管流量計、V錐流量計等。

（1）孔板流量計屬于差壓式流量計中的一種。是利用流體通過孔板時在孔板前后產生的差壓來測量流量的一種方法，主要由孔板、取壓裝置、信號管路、差壓變送器及顯示儀表組成。其原理是將一個孔板節流件固定在管道內部，節流件的孔徑小，對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，由于節流件前后的流速突然變化，使得在節流件前后產生靜壓力差，流體通過節流件的流量越大，產生的靜壓力差越大，通過測量節流件前后的差壓，進而實現對流量的測量。孔板流量計是較早用于測量氣體流量的流量計，它的優點是便于安裝、成本低、無可轉動部件。孔板流量計的缺點是穩定性差，流動性差，流速范圍小，節流件前段容易堆積雜質，測量精度差等。

（2）渦街流量計類似于目前煤礦廣泛使用的渦街風速傳感器，也是根據卡曼渦街原理，是在一穩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，動能和壓能相互轉換，外部流體壓強大于內部流體，迫使內部流體向相反方向移動，從而在阻流體兩側交替地形成兩串規則的旋渦，而產生的旋渦周期頻率與管道內的流體流速之間有確定的數值關系，通過超聲、熱敏、應力、應變、電容、電磁、光電、光纖等其他形式的檢測方式測出旋渦的分離頻率變化就可以換算出流體的流量。渦街流量計的優點是結構簡單，無可轉動部件，耐臟污介質能力強，測量量程比寬，永久性壓損小。渦街流量計的缺點是在高粘度、低流速流體精度差，不適用于低雷諾數測量，只適用于高流速流體的測量，對測量管道前后的直管段長度要求長，方能保證穩定的測量。

（3）皮托管流量計又名“空速管”，“風速管”，是通過測量管道內某點流體的動壓與靜壓之差來測量流量的，原理是在皮托管頭部迎流方向開有一個小孔稱為總壓孔，在該處形成“駐點”，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流體的流速有確定的數值關系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計算出被測流體的流量。皮托管流量計在飛機上廣泛應用，其優點是測量范圍寬，使用制造方便，點流速測量準確度高。缺點是低流速性差，受流速分布影響大，容易堵塞。

（4）V錐流量計也是一種差壓式流量計，同樣是基于密閉管道中能量相互轉化的伯努利定律，利用節流效應來測量流體流量。它是在管道中心安

裝一個錐形體來對流體進行節流，使管道中心的流體繞錐形體流動，并將流體收縮到管壁。與孔板流量計的中心孔節流不同，V錐流量計是管道外圍的環狀節流。管道內的流體流過V錐體時，被收縮到管壁，使管壁流體的流速加快，在V錐體的前后產生差壓，流體的流速與差壓的平方有確定的數值關系。并且錐體與管道同軸，錐體前部直接作用于流體中心部分，迫使高速的中心與接近管壁的低速流體均勻化，從而產生正確的壓差。V錐流量計具有量程下限低，量程比寬，適用磨損小，流場自動調整，自清掃等特點。

圖1 V錐流量計結構圖

表1 幾種管道流量計參數對比

綜上比較，最適合管道瓦斯抽放監測的是V錐流量計。

3 V錐管道流量計在北皂煤礦的應用

3.1 相關技術指標要求

（1）量程比：1：10；

（2）公稱直徑DN：DN150；

（3）公稱壓力PN：1MPa；

（4）介質溫度：20～25℃；

（5）負壓范圍：-10～ -40kPa；

（6）流量范圍： 6～42m3/min；

（7）測量精度：0.5級；

（8）錐體材質：不銹鋼；

（9）管道外殼材質：碳鋼或不銹鋼；

（10）RS485通信方式：可運行KJ95N以及其他基于RS485接口的通訊協議，波特率1200～115200bps可調；

（11）通信距離：傳感器到抽放顯示控制裝置最大距離不小于2km；

（12）工業以太環網平臺：10/100/1000Mbit/s。

3.2 主要設備

主要設備包括V錐管件、GD3多參數傳感器、GJG100H紅外甲烷傳感器、GTH1000一氧化碳傳感器、KPPI汽水分離器。

(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錐測壓孔上安裝三閥組，通過穩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，汽水分離裝置導氣管低進高出，后連到兩個傳感器上。在北皂煤礦應用時曾經出現瓦斯和一氧化碳傳感器數值顯示為零、流量低的問題，原因是導氣管將流量、瓦斯和一氧化碳傳感器串聯，導致氣阻過大，將流量與瓦斯、一氧化碳傳感器氣路分離后正常。

（2）GD3多參數傳感器。用于監測管道瓦斯氣體，實時顯示管道內瓦斯氣體多種參數值（差壓、絕壓、負壓、溫度、流量、累積流量等值），在此處用于采集管道流量、負壓和溫度，并由GD3將數據統一傳輸到監測分站。

（3）GJG100H紅外甲烷傳感器。用于監測管道甲烷濃度。甲烷檢測范圍：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的水分對紅外甲烷測量造成影響，在進氣端安裝汽水分離器。監測數據單獨傳輸到監測分站。

（4）GTH1000一氧化碳傳感器。對管道內的CO進行測量及顯示測量范圍：0～1000×10-6CO；監測數據單獨傳輸到監測分站。

（5）與KJ95N系統的聯接。瓦斯抽放監測系統所采用的設備均是KJ95N系統的聯檢設備。在接入方式上有兩種模式，一是接入專用監測分站，通過環網進行數據傳輸；另一種是接入通用監測分站，通過電纜實現數據上傳。而無論哪兩種方法，由于管道氣體監測傳感器的測量范圍與環境氣體監測傳感器測量范圍大不相同，需要在系統主機上對傳感器進行定義后方可正常使用，否則會增大數據傳輸誤差。

4 應用效果

圖2 V錐流量計安裝示意圖

在北皂煤礦海域H2302工作面應用V錐管道瓦斯抽放監測，并將瓦斯抽放監測系統接入到KJ95N安全監控系統中，實現了數據上傳和統一監控。自2016年8月至2017年2月，累計抽放瓦斯32.84萬m3。

5 結束語

通過管道瓦斯流量計在北皂煤礦的應用，在現場對比了渦街流量計和V錐流量計，V錐流量計的量程下限低，低流速測量性能好，安裝簡單的特點比較突出，而且利用V錐產生的氣壓將氣樣導出抽放管道的方式，大大減少了管道氣內的粉塵、水分對瓦斯、一氧化碳傳感器敏感元件的影響。為北皂煤礦工作面的瓦斯抽放工作提供了準確的監測數據保障。