摘要:闡述了煤礦管道瓦斯流量計量的發(fā)展現(xiàn)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(yōu)缺點;針對瓦斯流量測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,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(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場狀況、工況條件及測量需求選擇相應(yīng)的流量計。
0引言
《2012年煤礦安全工作要點》第三條強調(diào):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(diào)“強力推進瓦斯抽采達(dá)標(biāo)”的實施措施。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,切實做到先抽后采、抽采達(dá)標(biāo),實現(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(jié)果既準(zhǔn)確又適合煤礦現(xiàn)場工況條件。
1管道瓦斯流量計量發(fā)展現(xiàn)狀
到目前為止,煤礦管道瓦斯流量計量經(jīng)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(jié)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(lǐng)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(gòu)簡單,成本低且無可轉(zhuǎn)動部件,取壓孔不易被臟污介質(zhì)堵塞,能夠保持取壓的長期穩(wěn)定可靠,故孔板流量計在管道瓦斯抽放現(xiàn)場的適應(yīng)性好。在前期抽放計量儀器少的時候,孔板流量計幾乎占據(jù)了整個應(yīng)用領(lǐng)域,可以說其市場占有率是最大的。
渦街流量計產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,其相對孔板流量計來說具有量程比寬、壓損小等優(yōu)點。在只有孔板流量計的時代,渦街流量計的出現(xiàn)體現(xiàn)了其應(yīng)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(xì)的圓管構(gòu)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(nèi)，皮托管即可測量出管道內(nèi)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(xiàn)場流量比對,在煤礦管道瓦斯流量計量領(lǐng)域的使用普遍。
旋進漩渦流量計是縮小了內(nèi)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(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直管段要求高和下限流速高的問題。
V錐流量計出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代,其在保持孔板流量計測量精度高、穩(wěn)定性高、可測量多相流等優(yōu)點的基礎(chǔ)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(wěn)定性高等孔板流量計所沒有的優(yōu)點。V錐流量計早在石化、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量領(lǐng)域,并迅速表現(xiàn)出其在管道瓦斯流量計量方面的優(yōu)勢:可測量多相流，能夠適應(yīng)管道瓦斯這種高濕、高臟的氣體環(huán)境，現(xiàn)場適應(yīng)性較好;測量量程比寬,測量下限更低，能夠適應(yīng)抽放管道瓦斯氣體流速低的特點;具有自
整流特點，使得現(xiàn)場所需的直管段長度大大縮短，能夠適應(yīng)煤礦現(xiàn)場安裝空間狹窄的實際情況;具有自清潔功能,節(jié)流件不會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量而不影響其抽放效果;穩(wěn)定性高,使得現(xiàn)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(zhì)多、氣液固混合、壓力低、流量變化范圍寬、流速下限低、現(xiàn)場安裝.環(huán)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(zhuǎn)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(dāng)前應(yīng)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(yīng)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(jié)流方式，使管道瓦斯氣體中的液體或固體雜質(zhì)無法順利流過,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)對流場的分布要求較高,直管段要求長，現(xiàn)場安裝局限性大;(4)對管道介質(zhì)造成的永久性壓損大,特別是負(fù)壓端會影響井下抽放壓力,同一條管道上不適宜串聯(lián)使用多臺孔板。
渦街流量計存在的問題:(1)對環(huán)境振動較為敏感,現(xiàn)場長期運行穩(wěn)定性較差;(2)測量下限較高,特別是對于低密度介質(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(jié)果也不相同,無法保證現(xiàn)場與實驗室的測量精度一致;(4)直管段要求長,現(xiàn)場安裝局限性大。
皮托管流量計由于插人桿較細(xì),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(yīng)用于油田井口平臺高中壓油、氣的流量測量;(3)現(xiàn)場適應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)場工況條件來適應(yīng)并滿足流量計的.需要;(4)易受被測介質(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)重時可能封閉葉片面積,需要經(jīng)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(yōu)點,但它整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,運輸、安裝較為不便。
2.2提高管道瓦斯流量計量準(zhǔn)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(tài)水以及固體雜質(zhì),并且瓦斯體積分?jǐn)?shù)會實時變化,這些因素會嚴(yán)重影響氣體的物理性質(zhì),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?jǐn)?shù)進行實時檢測并最終轉(zhuǎn)換為對瓦斯氣體密度的實時修正,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)對氣體密度的影響;(3)注意現(xiàn)場的輸氣管道布置,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)，同時流量計應(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抽采瓦斯系統(tǒng);同時具有煤層瓦斯預(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,瓦斯抽放流量計量將是未來國家相關(guān)部門考核煤礦瓦斯抽放達(dá)標(biāo)的一個重要手段,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),實時監(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;抽采瓦斯計量儀器應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)計量標(biāo)準(zhǔn)要求;計量測點布置應(yīng)當(dāng)滿足瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評價的需要,在泵站、主管、干管、支管及需要單獨評價的區(qū)域分支、鉆場等布置測點幻。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)測點,作為考察抽采達(dá)標(biāo)的一個重要指標(biāo),各階段的瓦斯流量監(jiān)測也將是重點考察對象。
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,且要求測量儀器穩(wěn)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(dāng)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(tài)(紊流狀態(tài))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(fù)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(shè)備,如勻速管流量計。
不同階段的輸氣管可能有不同的現(xiàn)場狀況，如管徑不同、是否經(jīng)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(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,對每個階段管道瓦斯流量測量的準(zhǔn)確度要求也不相同。故煤礦管道瓦斯流量計量應(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場狀況、工況條件及測量需求選擇相應(yīng)的流量計。
4結(jié)語
闡述了煤礦管道瓦斯流量計量發(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,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(yīng)根據(jù)不同的現(xiàn)場狀況.工況條件及測量需求選擇相應(yīng)的流量計。
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