孔板流量計在煤礦瓦斯抽采計量中應用 發布時間：2018-01-29
瓦斯抽采準確計量是瓦斯抽采達標評價的前提。由于抽采環境極端惡劣，高塵、高濕、高負壓，多數瓦斯流量傳感器使用中存在種種問題，常常需要進行現場比對，而孔板流量計是最傳統的現場比對基準。通過煤礦瓦斯抽采檢測計量儀器的技術應用及研究，在流量傳感器應用過程中，發現孔板流量計因其結構簡單、性能穩定、操作方便，在煤礦瓦斯抽采檢測計量領域得以普遍應用，應用其他檢測流量的傳感器時還常常以孔板測量結果作為基準[1]。在煤礦瓦斯抽采計量領域，煤礦普遍選擇標準孔板作為瓦斯抽采流量的計量手段，目前多依靠人工定期觀測“U”型差壓計的差壓水柱高度、用光學瓦檢儀檢測瓦斯濃度、用“U”型差壓計的差壓水銀柱高度測量負壓、用氣壓表測量當地大氣壓、通過公式人工計算管道瓦斯標況流量。但多個用戶因種種原因，并不能正確使用孔板流量計測量瓦斯流量，致使測量結果誤差特別大，無法與其他測量方式對比，根本不能作為檢測結果計量瓦斯流量[2-3]。常見問題有孔板選型、孔板制造、孔板安裝位置選取和安裝不符合要求、孔板計算等4類[4]。 1孔板在選型中的問題 常見孔板流量計的量程比為1:3～1:4。在此之間的流量值測量準確性相對高。低于測量下限孔板自身誤差和人工讀取誤差加大，高于測量上限，孔板自身誤差加大，同時流體流過孔板的永久壓力損失隨流體的速度平方急劇增大，導致抽采效率降低，能耗加大。人工孔板的理想水柱高差為10～100mm。孔板生產商常常通過調整孔板開孔比控制水柱高差范圍[5]。 用戶在選擇孔板時，如果不清楚選型原則，將導致要么在孔板的測量下限，要么在孔板測量上限，嚴重影響計量準確度。 因此選擇孔板需要根據檢測的流量大小設計合適的水柱差壓范圍。煤礦瓦斯抽采水柱差壓一般靠人工觀測，常以mm為分度值，即肉眼能分辨的刻度線為毫米。由于瓦斯抽采流量是隨時波動的，加之玻璃管內水柱液面為凹面，所以水柱高差頂多能估讀到小數點后1位。因此5mm以下的水柱高差應避免作為計量依據。 事實上，多個煤礦用戶因選型不當，或實際瓦斯抽采量比預期小得多時，孔板水柱高差在0～1mm，甚至在0.2mm以下，觀測工直接把水柱高差計作1mm。導致誤差特別大。 在其他參數相同前提下，0.5mm水柱高被讀作1mm水柱高的誤差，經計算約大實際值41.4％，即： 2孔板制造誤差造成的誤差 標準孔板制造尺寸及公差國家有相應的標準。煤礦一般選擇的標準孔板由制造商提供。實際上部分制造商在加工孔板時認為孔板簡單，煤礦用戶也不具備檢驗和試驗條件，常常尺寸和形位公差控制不嚴格，也不具備標定條件，尺寸超差嚴重，進口處倒角誤差較大[6]，也能通過驗收，導致制造造成孔板誤差。 3孔板安裝位置選擇造成的誤差 標準孔板安裝有一定的要求[7-8]： 1）直管段要求，按計算書計算出安裝孔板時要求的前后直管段長度，通常為前20D后10D（D是指孔板的通徑）安裝節流裝置[9-10]。 2）直流件裝置在管道中，其前端面必需與管道軸線垂直，允許的最大不垂直度不得超越±1°。 3）節流件裝置在管道中后，其開孔必需與管道同心，其允許的最大不同心度ε不得超越：ε≤0.015D（1/β－1）。 4）墊片不能用太厚的材料，最好不超過0.5mm，墊片不能突出管壁內，否則會引起很大的測量誤差。 5）調節流量用的閥門，應裝在節流件前后最小直管段長度以外。現場孔板常常因位置狹小，造成前后水平直管段長度滿足不了前20D后10D的要求，閥門的位置距離孔板也不滿足要求。由于井下管道安裝條件差，直流件、節流件及墊片使用誤差會超過要求。導致孔板測量誤差加大。安裝方式及要求如圖1。 實際工作中，由于人工孔板監測靠人工每隔一段時間讀數1次，把每次計算出的數據作為這個時間段的平均流量，而實際瓦斯抽采過程中抽采參數隨時存在波動，1個瞬時流量代表1個波動流量，畢竟存在較大誤差；多個煤礦逐步使用在線流量傳感器連續監測計量瓦斯抽采參數；考慮到在線流量傳感器也也需要周期校準，一般仍保留人工孔板流量計做周期比對用。常見有以下2種安裝方式（圖2、圖3）。 比較2種布置方式，可以分析出后者存在一定的問題： 1）2種流量檢測方式做對比時必須先做其中1個，后做另外1個，無法做到同步。 2）氣流經過的路徑不同，沿程和局部阻力損失不一樣，造成同樣的抽采條件，經過2種流量計的流量大小不同。 3）做孔板計量時，只能關閉在線流量傳感器前端的閥門，在線流量傳感器監測流量為0，且持續1個孔板對比時間，造成抽采量計量損失。 4）需要開閉至少上下2個閥門，增加了現場人員的工作量。 而前者即串聯式布置，不存在上述問題，因此推薦串聯布置方式。 4孔板計算 孔板計算在煤礦瓦斯抽采檢測領域一直有多個方法，但基本歸結2大類： 1）MT/T642—1996管道瓦斯抽放綜合參數測定儀技術條件規定了瓦斯抽采標準狀況混合流量計量計算公式為[11]： 式中：QH為管道混合氣體流量，m3/min；Kk為孔板系數，Pa-0.5m3/min；△hk為孔板前后端壓差，Pa；δx為瓦斯濃度校正系數；δp為壓力校正系數；δT為溫度校正系數；x為混合氣體中瓦斯濃度，％；pJ為管道內氣體絕對壓力，Pa；t為氣體溫度，℃。 式中：Qc為標況純流量。 這是業內通用的計算公式。 2）在很多煤礦用戶，常常使用該公式的簡易公式計算混合流量，如下： 采用該公式，如果用于測量常壓下通風管路，誤差倒不太大。但是用在瓦斯抽采的負壓側，計算出的流量值與實際標況流量值偏差將很大。 5案例 案例：某礦地面泵站使用孔板流量計，孔板水柱差壓為225mmH2O（1mmH2O=9.8Pa），管道負壓為－28.4kPa，濃度23％，溫度18℃；當地大氣壓為94kPa，管道為DN600，孔板系數為10.6176。試計算標況混合流量和純流量？ 計算過程如下： 1）絕壓 pJ＝當地大氣壓－管道負壓＝94－28.4＝65.6kPa 2）壓力修正系數。 以下將壓力、濃度及溫度在流量計算中不修正引起的流量誤差做一匯總（表1）。 因此，對于瓦斯抽采用人工孔板計量比對，標況流量計算必須考慮壓力、濃度、溫度的修正系數。 作為在線計量的各種流量傳感器，一般要求流量誤差不大于±3％F.S.。如不對孔板按照標準公式計算，其偏差將動輒在10％以上，將失去對比意義。 6人工對比常見問題 煤礦瓦斯抽采計量常常需要對比多種儀器的測量值，以掌握傳感器的運行穩定性和準確性。 由于瓦斯抽采工況的波動性，對比工作應遵循同點同時的原則，即應將2種以上傳感器安裝在相近位置，同時進行取樣和對比，才能得到較真實的對比結果。 由于孔板流量計算涉及到壓力和濃度修正，因此應準確測量瓦斯的濃度和壓力。 測量瓦斯濃度常見的問題有： 1）管道內濃度低于10％，卻選擇高濃度光學瓦斯鑒定器測量，造成測量量程誤差。 2）高負壓狀態應用抽氣筒多次抽取氣樣，卻用常壓下使用的橡膠吸氣球取氣，造成取樣誤差。 3）差壓較小時，用水銀柱而不是用水柱測量差壓，造成誤差。 4）估計而非測量當地大氣壓，計算管道氣體絕壓時形成誤差。 7孔板維護中存在的問題 孔板處于完好狀態是孔板準確計量的前提。但現場維護經常存在以下幾個問題： 1）孔板系數因管理不善被記錯誤用。 2）由于瓦斯抽采管道塵大、水大，孔板前端常積水、積塵、積存大量雜物，使得孔板系數嚴重失真。 3）孔板一旦安裝，大部分會在井下長期使用。孔板在瓦斯中塵粒及碎煤屑的長期高速沖刷之下，孔板內孔前緣的銳角將會被打磨成圓角，孔板表面的粗糙度將會變大，將會造成孔板系數顯著變化。但用戶做不到定期在實驗室里重新核定孔板系數。常用進廠時孔板廠家提供的原始孔板系數進行計算。 上述情況造成孔板計量流量誤差加大。 8結語 孔板計量瓦斯流量結構簡單，成本低，計量穩定；但真正用好，做到長期準確計量，需要嚴格按照技術規范選型、安裝、使用，同時要掌握準確的孔板系數，計算必須進行各種修正。管理上必須進行正常維護，定期清理孔板及管道內的積塵、雜物，對于容易積水的孔板位置，應安裝自動放水器。定期進行孔板系數的驗證。對于超過一定年限的孔板，應及時報廢處理。因此應引起瓦斯抽采檢測專業人員的高度重視。
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