摘要:闡述了煤礦管道瓦斯流量計(jì)量的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、皮托管流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、V錐流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn);針對(duì)瓦斯流量測(cè)量精度受氣體中的雜質(zhì)和瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化影響的問題,提出了解決辦法;建議煤礦瓦斯抽放管網(wǎng)中的主管、干管、支管采用V錐流量計(jì),匯流管以及各評(píng)價(jià)單元采用多點(diǎn)采樣的插入式流量計(jì);指出煤礦管道瓦斯流量計(jì)量應(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況、工況條件及測(cè)量需求選擇相應(yīng)的流量計(jì)。
0引言
《2012年煤礦安全工作要點(diǎn)》第三條強(qiáng)調(diào):強(qiáng)力.推進(jìn)先抽后采、綜合治理的治本措施,深化煤礦瓦斯防治。特別強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)力推進(jìn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)”的實(shí)施措施。督促煤礦企業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》,建立瓦斯抽采達(dá)標(biāo)自評(píng)估制度,把瓦斯抽采達(dá)標(biāo)能力作為礦井能力核定的重要約束性指標(biāo),組織開展瓦斯抽采達(dá)標(biāo)監(jiān)督.檢查,切實(shí)做到先抽后采、抽采達(dá)標(biāo),實(shí)現(xiàn)抽、掘、采平衡以。作為保證瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的重要手段一管道瓦斯流量計(jì)量將在整個(gè)考核過程中起到一定作用。本文分析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。
1管道瓦斯流量計(jì)量發(fā)展現(xiàn)狀
到目前為止,煤礦管道瓦斯流量計(jì)量經(jīng)歷了從無(wú)到有、從人工計(jì)量到儀器自動(dòng)計(jì)量、從簡(jiǎn)易粗放計(jì)量到正確結(jié)算計(jì)量的過程。由于管道瓦斯氣體的特殊性,目前在瓦斯抽放計(jì)量領(lǐng)域使用較為廣泛的仍然是孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、皮托管流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、V錐流量計(jì)等。
孔板流量計(jì)起源早,歷史悠久,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低且無(wú)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件,取壓孔不易被臟污介質(zhì)堵塞,能夠保持取壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠,故孔板流量計(jì)在管道瓦斯抽放現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性好。在前期抽放計(jì)量?jī)x器少的時(shí)候,孔板流量計(jì)幾乎占據(jù)了整個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,可以說其市場(chǎng)占有率是最大的。
渦街流量計(jì)產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,其相對(duì)孔板流量計(jì)來說具有量程比寬、壓損小等優(yōu)點(diǎn)。在只有孔板流量計(jì)的時(shí)代,渦街流量計(jì)的出現(xiàn)體現(xiàn)了其應(yīng)有的價(jià)值,并在瓦斯抽放計(jì)量市場(chǎng)上占有一定的份額。
皮托管流量計(jì)由一個(gè)直徑較細(xì)的圓管構(gòu)成,主要采用人工測(cè)量方式。在輸氣管道上開一個(gè)小孔，將皮托管插人管道內(nèi)，皮托管即可測(cè)量出管道內(nèi)測(cè)量點(diǎn)氣體的動(dòng)壓,進(jìn)而可以推算出該點(diǎn)的流速及流量。該種流量計(jì)主要用于管道氣體流量摸底與現(xiàn)場(chǎng)流量比對(duì),在煤礦管道瓦斯流量計(jì)量領(lǐng)域的使用普遍。
旋進(jìn)漩渦流量計(jì)是縮小了內(nèi)徑的渦街流量計(jì)，其與渦街流量計(jì)都屬于流體振動(dòng)型流量計(jì)。因旋進(jìn)漩渦流量計(jì)內(nèi)部流通面類似標(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(jì)直管段要求高和下限流速高的問題。
V錐流量計(jì)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代,其在保持孔板流量計(jì)測(cè)量精度高、穩(wěn)定性高、可測(cè)量多相流等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)孔板流量計(jì)的主要缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),因此還具有測(cè)量量程比寬、自整流、自清潔、壓損小、穩(wěn)定性高等孔板流量計(jì)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。V錐流量計(jì)早在石化、熱能、供水等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,2007年被用于瓦斯抽放流量計(jì)量領(lǐng)域,并迅速表現(xiàn)出其在管道瓦斯流量計(jì)量方面的優(yōu)勢(shì):可測(cè)量多相流，能夠適應(yīng)管道瓦斯這種高濕、高臟的氣體環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較好;測(cè)量量程比寬,測(cè)量下限更低，能夠適應(yīng)抽放管道瓦斯氣體流速低的特點(diǎn);具有自
整流特點(diǎn)，使得現(xiàn)場(chǎng)所需的直管段長(zhǎng)度大大縮短，能夠適應(yīng)煤礦現(xiàn)場(chǎng)安裝空間狹窄的實(shí)際情況;具有自清潔功能,節(jié)流件不會(huì)被氣體中的污垢腐蝕、磨損，能夠保持節(jié)流裝置流量系數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,增大校準(zhǔn)周期;壓損小,適用于低負(fù)壓抽放管道的流量計(jì)量而不影響其抽放效果;穩(wěn)定性高,使得現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本下降。
2管道瓦斯流量計(jì)量存在的問題及解決方案
2.1管道瓦斯流量計(jì)量存在的問題
管道瓦斯氣體存在濕度大、雜質(zhì)多、氣液固混合、壓力低、流量變化范圍寬、流速下限低、現(xiàn)場(chǎng)安裝.環(huán)境局限性大等特點(diǎn),這就要求測(cè)量其流量的流量計(jì)具有如下特征:無(wú)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，測(cè)量量程比寬，可測(cè)量多項(xiàng)流,不易堵塞磨損,永久性壓損小，測(cè)量下限低,直管段要求短。雖然氣體流量計(jì)種類很多,但適用于管道瓦斯流量測(cè)量的流量計(jì)并不是很多。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、皮托管流量計(jì).V錐流量計(jì)等在測(cè)量管道瓦斯時(shí)也存在相應(yīng)的問題。
孔板流量計(jì)存在的問題:(1)測(cè)量量程比窄,約為1:3,相對(duì)煤礦流量變化范圍來說,測(cè)量范圍窄;(2)采用邊緣截止、中間流通的銳角節(jié)流方式，使管道瓦斯氣體中的液體或固體雜質(zhì)無(wú)法順利流過,造成孔板前方液體和固體雜質(zhì)堆積的現(xiàn)象,需要經(jīng)常清洗管道;(3)對(duì)流場(chǎng)的分布要求較高,直管段要求長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)安裝局限性大;(4)對(duì)管道介質(zhì)造成的永久性壓損大,特別是負(fù)壓端會(huì)影響井下抽放壓力,同一條管道上不適宜串聯(lián)使用多臺(tái)孔板。
渦街流量計(jì)存在的問題:(1)對(duì)環(huán)境振動(dòng)較為敏感,現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性較差;(2)測(cè)量下限較高,特別是對(duì)于低密度介質(zhì),如氣體介質(zhì),特別是負(fù)壓狀態(tài)下的氣體介質(zhì),測(cè)量下限一般不低于5m/s;(3)采用插人式點(diǎn)測(cè)量方式,插人的深度不同,測(cè)量的流量結(jié)果也不相同,無(wú)法保證現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量精度一致;(4)直管段要求長(zhǎng),現(xiàn)場(chǎng)安裝局限性大。
皮托管流量計(jì)由于插人桿較細(xì),取壓孔較小,容易堵塞,不適宜長(zhǎng)期在線測(cè)量瓦斯流量。
旋進(jìn)漩渦流量計(jì)存在的問題:(1)適用管徑范圍小,一般最大只能測(cè)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(yīng)用于油田井口平臺(tái)高中壓油、氣的流量測(cè)量;(3)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性差,同一管徑的每一臺(tái)儀表都具有相同的流速測(cè)量范圍,且不可更改,只能通過現(xiàn)場(chǎng)管道的擴(kuò)管或縮管來滿足流量計(jì)的流速測(cè)量要求，即以現(xiàn)場(chǎng)工況條件來適應(yīng)并滿足流量計(jì)的.需要;(4)易受被測(cè)介質(zhì)影響,特別在介質(zhì)臟污的情況下,其導(dǎo)流器(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流槽、在人口處的螺旋漿形葉片)容易結(jié)垢,嚴(yán)重時(shí)可能封閉葉片面積,需要經(jīng)常清理。
V錐流量計(jì)主要是為了解決孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)存在的問題而引入的,具有測(cè)量量程比寬、自.整流等優(yōu)點(diǎn),但它整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,運(yùn)輸、安裝較為不便。
2.2提高管道瓦斯流量計(jì)量準(zhǔn)確度的方法
瓦斯流量的測(cè)量精度是管道瓦斯流量測(cè)量過程中存在的一個(gè)主要問題。瓦斯氣體里含有大量的液態(tài)水以及固體雜質(zhì),并且瓦斯體積分?jǐn)?shù)會(huì)實(shí)時(shí)變化,這些因素會(huì)嚴(yán)重影響氣體的物理性質(zhì),如密度、黏度等,特別是對(duì)氣體密度影響較大。
解決該問題可采用以下辦法:(1)對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并最終轉(zhuǎn)換為對(duì)瓦斯氣體密度的實(shí)時(shí)修正,從而解決瓦斯體積分?jǐn)?shù)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(tài)水和固體雜質(zhì)能夠在經(jīng)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(dá)流量計(jì)的氣體為較為潔凈和干燥的瓦斯氣體,減小液態(tài)水和固體雜質(zhì)對(duì)氣體密度的影響;(3)注意現(xiàn)場(chǎng)的輸氣管道布置,應(yīng)保證靠近水源端的管道處于低處,使得液態(tài)水不能夠流入后端管道內(nèi)，同時(shí)流量計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)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(nèi),從而減少瓦斯氣體中的水分在流量計(jì)處冷凝的情況;(5)在有條件的地方增加氣體預(yù)處理裝置,直接濾除氣體中的液態(tài)水和固體雜質(zhì)。
3管道瓦斯流計(jì)量t發(fā)展方向
《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》第十四條規(guī)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(tǒng),其他應(yīng)當(dāng)抽采瓦斯的礦井可以建立井下臨時(shí)抽采瓦斯系統(tǒng);同時(shí)具有煤層瓦斯預(yù)抽和采空區(qū)瓦斯抽采方式的礦井,根據(jù)需要分別建立高、低負(fù)壓抽采瓦斯系統(tǒng)[2]。從這些信息可以看出,瓦斯抽放流量計(jì)量將是未來國(guó)家相關(guān)部門考核煤礦瓦斯抽放達(dá)標(biāo)的一個(gè)重要手段,如何保證抽放效果良好并達(dá)到要求將是煤礦瓦斯抽放領(lǐng)域必須考慮的問題。
瓦斯抽采礦井應(yīng)當(dāng)配備瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)瓦斯?jié)舛�、壓力或壓差、流量、溫度參�?shù)及設(shè)備的開停狀態(tài)等;抽采瓦斯計(jì)量?jī)x器應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求;計(jì)量測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)當(dāng)滿足瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)的需要,在泵站、主管、干管、支管及需要單獨(dú)評(píng)價(jià)的區(qū)域分支、鉆場(chǎng)等布置測(cè)點(diǎn)幻。從上述規(guī)定可以看出,在瓦斯抽放管網(wǎng)系統(tǒng)中的各階段均要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),作為考察抽采達(dá)標(biāo)的一個(gè)重要指標(biāo),各階段的瓦斯流量監(jiān)測(cè)也將是重點(diǎn)考察對(duì)象。
煤礦瓦斯抽放管網(wǎng)一般由總管、干管、支管、匯流管以及鉆孔等構(gòu)成,如圖1所示。
考慮到主管、干管、支管不經(jīng)常移動(dòng),且要求測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定性高、測(cè)量精度高,建議采用V錐流量計(jì)。匯流管以及各評(píng)價(jià)單元建議采用插人式流量計(jì),但當(dāng)前插人式流量計(jì)多采用點(diǎn)式測(cè)量方式,以測(cè)量一點(diǎn)的流量來代替整個(gè)管道截面的流量,而一個(gè)管道界面上每一點(diǎn)的流速是不相同的。理想狀態(tài)(紊流狀態(tài))下的流速分布為一個(gè)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(diǎn)帶面的插人式測(cè)量方式的測(cè)量精度相對(duì)較低。這種情況宜在一個(gè)界面下采用多點(diǎn)測(cè)量的方式來改善,但這樣做無(wú)疑又會(huì)增加成本和安裝維護(hù)復(fù)雜度,故推薦采用多點(diǎn)采樣的插人式流量計(jì)作為在線式流量測(cè)量設(shè)備,如勻速管流量計(jì)。
不同階段的輸氣管可能有不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況，如管徑不同、是否經(jīng)常移動(dòng)、周圍空間大小不同、直管段長(zhǎng)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(zhì)多少不同、氣體壓力大小不同等�？疾觳煌A段管道瓦斯流量的目的不同,對(duì)每個(gè)階段管道瓦斯流量測(cè)量的準(zhǔn)確度要求也不相同。故煤礦管道瓦斯流量計(jì)量應(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況、工況條件及測(cè)量需求選擇相應(yīng)的流量計(jì)。
4結(jié)語(yǔ)
闡述了煤礦管道瓦斯流量計(jì)量發(fā)展現(xiàn)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(wǎng)中的主管、干管、支管采用V錐流量計(jì),匯流管以及各評(píng)價(jià)單元采用多點(diǎn)采樣的插人式流量計(jì);指出煤礦管道瓦斯流量計(jì)量應(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況.工況條件及測(cè)量需求選擇相應(yīng)的流量計(jì)。
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