Application of Pitot Tube in Transport Metering of Coalbed Methane Gas Drainage

李　濤1　樊　榮1,2

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司1,重慶　400039；西安科技大學(xué)能源學(xué)院2，陜西 西安　710054)

皮托管在瓦斯抽放煤層氣輸送計量中的應(yīng)用

Application of Pitot Tube in Transport Metering of Coalbed Methane Gas Drainage

李濤1樊榮1,2

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司1,重慶400039；西安科技大學(xué)能源學(xué)院2，陜西 西安710054)

摘要：針對皮托管在煤礦現(xiàn)場人工測量管道瓦斯流量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，采用分類列舉的形式，根據(jù)不同的人為因素，詳細(xì)分析了造成測量誤差的原因。引入了通過使用智能型皮托管測量裝置來解決這些問題的方法。智能型皮托管測量裝置在人工現(xiàn)場測量管道瓦斯流量過程中具有更強(qiáng)的現(xiàn)場適用性和很好的發(fā)展前途。 是現(xiàn)代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準(zhǔn)地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關(guān)鍵詞之前。
修改稿收到日期：2014-02-18。
第一作者李濤(1982-)，男，2004年畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，助理研究員；主要從事礦用瓦斯流量監(jiān)測技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：皮托管U型管瓦斯抽放瓦斯流量流量校驗設(shè)備

Abstract：Against the inaccurate phenomenon in manually measuring the gas flow in pipeline of coalmine field with Pitot tube, by adopting the form of classification enumeration, in accordance with different human factors, the causes of measurement errors are analyzed in detail. The method of using intelligent Pitot tube measuring device is introduced to resolve these problems. In manually measuring field for pipeline gas, this intelligent device possesses stronger on-site applicability and good development prospects.

Keywords：Pitot tubeU-shaped tubeGas drainageGas flowFlow calibration equipment

0引言

皮托管由于結(jié)構(gòu)簡潔、測量準(zhǔn)確性國際公認(rèn)、前期準(zhǔn)備工作簡單(只需要在管道上鉆一個能夠?qū)⑵ね泄懿迦氲男】准纯?，而不需要停氣施工，就可以完成測量準(zhǔn)備工作，對輸氣效果無影響)、攜帶拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)而較早地被應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場，是當(dāng)前人工現(xiàn)場測量與校驗煤礦管道瓦斯流量的主要工具之一[1]。然而，在煤礦現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中，皮托管“測量準(zhǔn)確”的優(yōu)點(diǎn)由于使用過程中各種人為因素或環(huán)境因素而沒有被充分表現(xiàn)出來，造成測量結(jié)果偏差較大的問題。本文詳細(xì)分析了皮托管在煤層氣輸送計量應(yīng)用中存在的各種問題及造成的原因，引入了通過實用智能型皮托管測量裝置來解決這些問題的方法。

1測量方式簡介

皮托管流量計，由于有成熟的技術(shù)規(guī)范和使用經(jīng)驗[2]，常用皮托管測量通風(fēng)管道、工業(yè)管道、爐窯煙道內(nèi)的氣流速度，也被裝設(shè)于飛機(jī)頭部或機(jī)翼前緣，測量相對空氣的飛行速度。用皮托管測速和確定流量，有可靠的理論根據(jù)，使用方便、準(zhǔn)確，是一種經(jīng)典的測量方法，也是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上常用的標(biāo)準(zhǔn)計量器具。

標(biāo)準(zhǔn)型皮托管的構(gòu)造如圖1所示[3]。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)皮托管結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)皮托管現(xiàn)場測量示意圖如圖2所示。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)皮托管現(xiàn)場測量示意圖

傳統(tǒng)皮托管測量方式主要采用標(biāo)準(zhǔn)型皮托管為流量檢測探頭，用U型管壓差計或傾斜壓差計作為測量設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)型皮托管的頭部為半球形，后為一雙層套管。測速時頭部對準(zhǔn)來流，頭部中心處小孔(總壓孔)接收來流總壓，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓差計。頭部后約(3～8D)處的外套管壁上均勻地開有一排孔(靜壓孔),用于接收來流靜壓，經(jīng)外套管也傳至壓差計。

2計算公式與推導(dǎo)

2.1　通用皮托管流量計算公式

皮托管測量流量的過程，實質(zhì)是測量流速的過程。通過測量流過管道的平均流速并結(jié)合管道實際流通面積，最終計算出管道內(nèi)的實時流量。通用皮托管流量計算公式如下：

(1)

Qg=60VgS

(2)

在實際應(yīng)用過程中，流量均需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量，標(biāo)況流量計算如下式所示：

(3)

式中: Vg為管道內(nèi)流體平均流速，m/s；Qg為管道內(nèi)流體工況流量，m3/min；Qb為管道內(nèi)流體標(biāo)況流量，Nm3/min；P為皮托管測量處的管道氣體絕對壓力，kPa；k為皮托管系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)L型皮托管系數(shù)多在1.0左右；ΔP為皮托管兩端的差壓，Pa；t為皮托管測量處的管道氣體溫度，℃；ρ為管道內(nèi)流體實時密度，kg/m3；S為管道內(nèi)截面積，m2。

2.2　皮托管測量瓦斯流量計算公式

眾所周知，煤礦管道氣體主要是瓦斯氣，而瓦斯氣由空氣和甲烷組成，只要確定了甲烷在氣體中的體積濃度XCH4，就可以確定對應(yīng)甲烷組分下的瓦斯氣體的標(biāo)況密度值。故根據(jù)式(1)~式(3)以及瓦斯氣已知的物理量(濃度、標(biāo)況密度等)，就可以推導(dǎo)出皮托管測量管道瓦斯氣標(biāo)況流量QCH4b的計算公式：

式中:QCH4b為管道內(nèi)流體標(biāo)況流量，Nm3/min；P為皮托管測量處的管道氣體絕對壓力，kPa；k為皮托管系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)L型皮托管系數(shù)多在1.0左右；ΔP為皮托管兩端的差壓，Pa；t為皮托管測量處的管道氣體溫度，℃；XCH4為管道內(nèi)皮托管測量點(diǎn)瓦斯氣甲烷體積含量，%；d為管道內(nèi)截面直徑，m。

3常見問題分析

流量計是使用比制造難得多的少數(shù)儀表之一[4]。皮托管也不例外，皮托管特別是標(biāo)準(zhǔn)型皮托管目前在國內(nèi)各煤礦使用較為普遍，但在實際應(yīng)用過程中仍存在很多問題，造成皮托管測量出的結(jié)果誤差較大，沒有達(dá)到預(yù)想的測量目的和意義。造成這種測量現(xiàn)狀的原因主要有如下幾個方面。

(1) 皮托管測流量的幾個關(guān)鍵參數(shù)測量不準(zhǔn)確，特別是差壓測量準(zhǔn)確性較差，造成最終流量測量結(jié)果誤差較大。

從礦用皮托管測量管道流量的計算公式可以看出，要計算出瓦斯管道瓦斯氣體流量,需要先測量出瓦斯氣體在管道中的動壓ΔP、管道氣體溫度t、管道氣體壓力P、瓦斯體積比濃度XCH4以及測量段管道內(nèi)徑d。上述幾個參數(shù)測量的準(zhǔn)確與否將會直接影響測量結(jié)果的精度。

其中最易出問題且?guī)碛绊懽畲蟮漠?dāng)屬動壓ΔP的測量[5]。由于瓦斯管道流速多在20m/s以下，其對應(yīng)的動壓也多為400Pa以下，這屬于微差壓范疇，對于該壓力的測量也屬于微差壓測量領(lǐng)域，在瓦斯抽放計量現(xiàn)場對它的測量存在很多問題和缺陷，進(jìn)而造成該動壓的測量結(jié)果誤差很大，具體如下。

① 人為讀數(shù)誤差造成差壓測量結(jié)果誤差較大。在煤礦實際應(yīng)用過程中多采用以水為測量介質(zhì)的U型管壓差計。裝有水的U型管壓差計液面高度差為1mm時，其代表的壓差為9.8Pa。但由于液體密度及液體張力的作用，液面向下凹，該凹面約有1mm的高度，讀取該液面高度不容易把握。再加上人為讀數(shù)的因素，讀出的液位差往往會相差3～4mm，轉(zhuǎn)換成差壓誤差接近40Pa。為了降低U型管液面讀數(shù)誤差，有些礦井采用了傾斜壓差計。傾斜壓差計的分辨率可以使讀數(shù)誤差降低到原來垂直讀數(shù)誤差的1/10，但仍然有近4Pa的誤差。由于皮托管動壓較小，這個誤差會給流量測量結(jié)果帶來很大的誤差，特別是在測量低流速介質(zhì)的時候。

②U型管使用操作不當(dāng)造成差壓測量誤差較大[6]。造成U型管使用操作不當(dāng)?shù)那樾稳纾涸谑褂脙A斜壓差計時，沒有對壓差計底座進(jìn)行水平調(diào)校；使用簡易U型管壓差計式?jīng)]有便于操作的有效方法保證U型管垂直度。這些情形均會帶來差壓的測量誤差。

③ 管道內(nèi)的工況壓力造成壓差計工作不正常。煤礦現(xiàn)場存在兩種輸氣管道：負(fù)壓抽放管道、正壓輸氣管路；負(fù)壓抽放管道通常壓力范圍為10～60kPa或75～450mmHg(該壓力為相對壓力，即常說的負(fù)壓)，正壓管道通常壓力范圍為5～30kPa或75～225mmHg(該壓力為相對壓力，即常說的正壓)。當(dāng)用U型管測量皮托管差壓時，普遍做法是將連接皮托管和U型管的橡膠軟管用手捏緊，然后將皮托管插入管道內(nèi)，再同時放開被捏緊的橡膠軟管。但是由于現(xiàn)場使用的U型管大多不帶防止U型管內(nèi)液體被吸走或沖走的措施，因此這種做法經(jīng)常會造成因為無法保證兩端的軟管同時導(dǎo)通(即無法同時保證U型管處于相近似的管道壓力環(huán)境下)而使得有U型管的水柱被沖入到橡膠管內(nèi)。此時，人眼不易察覺橡膠管內(nèi)的液注，這會造成很大的差壓測量誤差。

④ 差壓測量工具分辨率及測量穩(wěn)定性無法滿足低流速測量要求。對于皮托管來說,當(dāng)其測量流速不高于1m/s時，其對應(yīng)產(chǎn)生的差壓約為1Pa。當(dāng)流速更低時,則更小。要測量微小流速下的皮托管動壓，差壓計的分辨率至少應(yīng)達(dá)到0.1Pa。這種分辨率要求采用U型管來測量是基本上不現(xiàn)實的，它需要借助高精度的微差壓測量儀來測量。將皮托管兩端的壓差通過兩根軟管連接到微差壓測量儀的輸入口，通過微差壓測量儀來讀取皮托管測量的動壓。

測量精度較高的微差壓測量儀可分辨至0.1Pa，這滿足了皮托管測量低流速動壓的要求。但是這依然存在一個問題，皮托管與微差壓測量儀之間通過軟管連接，軟管的輕微甩動就會影響到甚至淹沒低流速下實際產(chǎn)生的有效動壓值，這依然會造成有效測量差壓誤差較大的結(jié)果。

(2) 某些參數(shù)概念不清楚，造成參與流量計算的參數(shù)使用錯誤，使得流量計算結(jié)果錯誤。

在皮托管測量管道流量的過程中，最易混淆的參數(shù)為管道壓力。在煤礦現(xiàn)場管道壓力分為兩種：管道相對壓力P相對和管道絕對壓力P，管道相對壓力P相對就是煤礦經(jīng)常稱呼的正壓P正或者是負(fù)壓P負(fù):

P相對=P正=P負(fù)

(4)

管道相對壓力P相對與管道絕對壓力P的關(guān)系如下：

P=P相對+P環(huán)境大氣壓

(5)

式中：P環(huán)境大氣壓為管道測點(diǎn)附近的環(huán)境大氣壓。

管道壓力指的是管道內(nèi)測量位置的管道氣體絕對壓力。通過管道絕壓表直接測量出管道的絕對壓力P或者是先通過水銀壓差計測量出管道內(nèi)外的相對壓力P相對，再用氣壓表測量測點(diǎn)附近的環(huán)境大氣壓P環(huán)境大氣壓，然后將二者累加就可以得出管道的絕對壓力P。但是在煤礦測量現(xiàn)場，大多卻直接將測量到的管道相對壓力P相對直接帶入到流量計算公式中去，國內(nèi)大多數(shù)煤礦其環(huán)境大氣壓多在80～116kPa或600～872mmHg，這就相當(dāng)于說代入到公式中的壓力值小于實際值，由此計算出的流量誤差就可想而知了。

(3) 皮托管流量計算公式不統(tǒng)一、不標(biāo)準(zhǔn)或不清楚使用某些公式的條件，進(jìn)而造成計算結(jié)果有效性差。

礦用皮托管測量管道流量的計算公式是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)皮托管公式推導(dǎo)而出的，并且在該公式中考慮了瓦斯?jié)舛茸兓瘞淼臏y量氣體密度變化的影響[7]，可以說是皮托管測量煤礦管道瓦斯氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是在煤礦現(xiàn)場，計算流量的皮托管公式卻存在各種不同的版本，這些公式之所以存在的主要原因是生產(chǎn)皮托管的廠家提供的公式不統(tǒng)一。這也是由于不同的皮托管生產(chǎn)廠家其針對的主體客戶不同造成的，其提供的皮托管公式多是針對主體客戶的使用習(xí)慣而推導(dǎo)出來的，應(yīng)用這些公式要符合其針對性的條件，故有時將這些公式拿來用在煤礦測量管道瓦斯流量上并不合適，其最終造成的就是流量測量結(jié)果誤差較大。

舉例來說，某煤礦使用某廠家的皮托管來測量管道瓦斯氣體流量，該皮托管生產(chǎn)廠家提供的流量計算公式如下：

(6)

Qb=60VbS

(7)

將式(6)與式(1)對比，不難看出，式(6)缺少了氣體工況密度ρ，其原因就是該皮托管生產(chǎn)廠家的主體客戶使用其皮托管測量的介質(zhì)環(huán)境主要處在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即環(huán)境大氣壓為101.325 kPa，溫度為20 ℃，且其測量介質(zhì)的密度為1.0 kg/m3左右。因此，該皮托管生產(chǎn)廠家在其皮托管使用說明書中提供的流量計算公式與式(6)、式(7)相同。但是煤礦管道瓦斯的工況條件與該公式對應(yīng)的工況條件相差甚遠(yuǎn)。

對于氣體，在現(xiàn)場密度變化較大的場合，通常要進(jìn)行在線溫壓補(bǔ)償[8]，故這時就不能夠再用此公式來計算管道瓦斯氣體流量，否則，計算出的流量結(jié)果將離實際流量值相差甚遠(yuǎn)。

4皮托管測流量最新技術(shù)探討

通過上述分析不難看出，出現(xiàn)這些問題的原因主要有兩個方面：一是人為原因，二是采用的測量方式與技術(shù)相對落后造成的。這些問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是完全可以避免的，主要解決辦法就是使用現(xiàn)代化的高科技儀器代替這種落后的測量方式，盡可能減少測量過程中人為干預(yù)因素，這樣就可以保證測量結(jié)果的精確度、可信度，同時也確保了測量的真實意義。

新型的先進(jìn)制造技術(shù)將朝著小型化、集成化、成套化、電子化、數(shù)字化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、計算機(jī)化、綜合自動化、光機(jī)電一體化方向發(fā)展[9]?；谶@一趨勢和現(xiàn)存問題，目前，國內(nèi)外很多廠家或企業(yè)都陸續(xù)開發(fā)了多種便攜式的用于現(xiàn)場人工測量管道流量的智能式設(shè)備，采用的技術(shù)原理主要有：孔板、皮托管、渦街、熱式等。這些設(shè)備均或多或少地解決了一部分問題，為煤礦瓦斯管道在線式流量計的現(xiàn)場校驗提供了手段。但它們也失去了采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管進(jìn)行測量的優(yōu)勢，那就是其前期測量準(zhǔn)備工作比較繁瑣，均無法在已經(jīng)安裝完成的管路上進(jìn)行直接的測量，需要停氣安裝測量配套設(shè)備，甚至有些還需要在管道上串接安裝測量管道。這給后期校驗設(shè)備的維護(hù)和長期使用后的準(zhǔn)確性帶來了新的問題，也限制了儀器的測量使用。

作為一款用于現(xiàn)場校驗、測量的儀器儀表，使用簡單、適用性強(qiáng)、不受前期準(zhǔn)備工作的限制(走到哪里就可以測到哪里)應(yīng)該是其必須具備的特征。

近年來，市場上推出了一類基于這種理念而設(shè)計出來的智能型皮托管流量測量裝置—瓦斯抽放管道參數(shù)測定儀。它可以同時測量、顯示、存儲瓦斯抽放管道的壓力、流量、濃度、溫度等參數(shù)，并且具有連接計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。這類儀器將皮托管與高精度微差壓變送器、管道壓力變送器、溫度變送器等封裝在了一起，大大縮減了人為因素帶來的介質(zhì)壓力、差壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的測量誤差。同時它直接將礦用皮托管計算公式植入了儀器中央處理器中，避免了因計算公式不統(tǒng)一、人為計算錯誤的等因素造成的計算結(jié)果誤差較大的可能，保證了測量結(jié)果的有效性。儀器還具有測量管道瓦斯實時濃度的功能，可以對瓦斯氣體密度進(jìn)行實時的補(bǔ)償，進(jìn)一步提升了測量結(jié)果的真實性。

該智能型皮托管流量測量裝置完全克服了前面所述的皮托管使用過程中存在的諸多問題，并繼續(xù)保持了皮托管的優(yōu)越性(使用簡單、適用性強(qiáng)、可以不停氣完成測量準(zhǔn)備工作，走到哪里就可以立刻通過簡單的準(zhǔn)備工作完成流量的測量)。該儀器迎合了用戶的需求，并針對性地解決了存在的現(xiàn)實問題，市場前景應(yīng)較為廣闊。

5結(jié)束語

皮托管具有使用簡單、適用性強(qiáng)、不受前期準(zhǔn)備工作的限制(走到哪里就可以測到哪里)等特點(diǎn)，是煤礦現(xiàn)場用于人工測量管道瓦斯流量的常用工具。人工使用皮托管測量管道流量存在諸多人為不確定因素，造成測量結(jié)果誤差較大，如果采用當(dāng)前新出現(xiàn)的瓦斯抽放管道參數(shù)測定儀，皮托管仍將是一款較佳的人工測量管道瓦斯流量的工具。

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① 省略“我們”“作者”“筆者”“本文”這樣的主語。

② 簡短精煉，明確具體。簡短，指篇幅短，一般以不超過200字為宜(依摘要類型而定)；精煉，指摘錄出原文的精華，無多余的話；明確具體，指表意明白，不含糊，無空泛、籠統(tǒng)的詞語，應(yīng)有較多而有用的定性和定量的信息。

③ 一般不要交代背景，更不要闡述一般性知識。

④ 格式要規(guī)范，一般不分段，盡可能用規(guī)范術(shù)語，不用非共知共用的符號和術(shù)語。不能簡單地重復(fù)題名中已有的信息，并切忌羅列段落標(biāo)題來代替摘要。除了實在無變通辦法可用以外，一般不出現(xiàn)插圖、表格，以及參考文獻(xiàn)序號，一般不用數(shù)學(xué)公式和化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

中圖分類號：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501026