郭武奎

（甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913）

為提高安全生產(chǎn)水平，國(guó)家先后出臺(tái)多項(xiàng)政策，要求高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井必須建立地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)或井下臨時(shí)瓦斯抽采系統(tǒng)，將瓦斯抽采工程視為生命工程、資源工程，并要求配備瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)[1]。目前，應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采流量監(jiān)測(cè)的傳感器種類較多，其中包括V 錐流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。威力巴流量計(jì)是目前應(yīng)用較多的一種均速管流量計(jì)，通過(guò)測(cè)量一條線上多個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量，其精確度高、穩(wěn)定性好、壓損較小。但在實(shí)際使用過(guò)程中威力巴流量計(jì)因選址、安裝、維護(hù)等原因，容易造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差。

1 威力巴流量計(jì)原理

1.1 威力巴結(jié)構(gòu)

威力巴流量計(jì)的探頭采用子彈頭形狀設(shè)計(jì)，為單桿雙腔結(jié)構(gòu)，多對(duì)取壓孔依據(jù)一定的規(guī)律分布在整個(gè)管道的剖面上[2]。檢測(cè)桿正前方為正壓取壓孔，檢測(cè)桿的兩側(cè)為低壓取壓孔。當(dāng)氣體流經(jīng)檢測(cè)桿時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)，在檢測(cè)桿兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。氣體在檢測(cè)桿后部產(chǎn)生低壓區(qū)但會(huì)出現(xiàn)漩渦，通過(guò)對(duì)高壓區(qū)與低壓區(qū)之間的差壓值進(jìn)行測(cè)量，可以獲得平均速度所產(chǎn)生的平均差壓，如圖1、圖2。

圖1 威力巴結(jié)構(gòu)

圖2 壓力分布

1.2 威力巴結(jié)構(gòu)流量計(jì)算

威力巴流量計(jì)的工作原理是通過(guò)采集平均總壓與平均靜壓之差獲得氣體流速和流量。假設(shè)威力巴檢測(cè)桿迎風(fēng)區(qū)速度為V1（m/s），壓力為P1（Pa），威力巴檢測(cè)桿背部的流速為V2（m/s），背部壓力為P2（Pa），暫不考慮摩擦阻力、流體高度差等因素，根據(jù)伯努利方程計(jì)算：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3。

在實(shí)際環(huán)境中，迎風(fēng)區(qū)速度V1=0 m/s，由公式（1）可知：

因?yàn)棣=P1-P2，由公式（2）可知：

式中：ΔP為靜壓之差，Pa。

在實(shí)際環(huán)境中，由于氣體經(jīng)過(guò)威力巴檢測(cè)桿受截面形狀、尺寸、取壓孔位置等因素影響與理論值存在偏差，需要對(duì)使用系數(shù)K進(jìn)行修正，可知：

式中：V為實(shí)際工況流速，m/s。

管道內(nèi)體積流量計(jì)算，可知：

式中：QV為體積流量，m3/s；A為管道橫截面積，m2。

1.3 取壓孔的分布

目前均速管設(shè)計(jì)取壓孔分布時(shí)常用的方法有：等面積分布法、等流量分布法、高斯近似積分法、切比雪夫近似積分法等[3]，其中切比雪夫近似積分法使用較多。切比雪夫近似積分法的分布位置見(jiàn)表1。

表1 取壓孔位置分布

2 威力巴流量計(jì)應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品應(yīng)用

GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器采用威力巴檢測(cè)桿結(jié)構(gòu)，傳感器外殼采用304 不銹鋼材質(zhì)設(shè)計(jì)，上部?jī)x表可350°旋轉(zhuǎn)；傳感器LED 顯示屏提供豐富的參數(shù)內(nèi)容，方便操作人員查詢；傳感器具備工況、標(biāo)況自動(dòng)換算、累計(jì)量自動(dòng)累計(jì)等功能；具備兩路RS485 通信功能，其中485-1 通信口上傳數(shù)據(jù)至管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，485-2 通信口上傳數(shù)據(jù)給控制器或就地顯示器。

為驗(yàn)證GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器的測(cè)量精度，選擇一臺(tái)DN200 規(guī)格瓦斯抽放多參數(shù)傳感器在臨界流文丘里噴嘴氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)中對(duì)工況流量準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，基于威力巴檢測(cè)桿結(jié)構(gòu)的GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 應(yīng)用過(guò)程常見(jiàn)問(wèn)題

甘肅大水頭煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于威力巴結(jié)構(gòu)的瓦斯抽放多參數(shù)傳感器（流量、溫度、壓力），傳感器具有較寬的量程范圍、可靠的測(cè)量準(zhǔn)確性，能較好地滿足抽采主、支、匯流管瓦斯流量監(jiān)測(cè)需求。但在安裝過(guò)程中需要注意一些安裝細(xì)節(jié)，避免因安裝原因造成測(cè)量偏差。主要注意點(diǎn)如下：

（1）選擇合適地點(diǎn)，確保傳感器安裝點(diǎn)的前直管段大于7D，后直管段大于3D。如傳感器安裝前方存在孔板、閘閥、蝶閥等嚴(yán)重影響氣流穩(wěn)定的設(shè)備時(shí)，前直管道應(yīng)大于20D。

（2）傳感器前方有法蘭接頭時(shí)，法蘭墊片易引起數(shù)據(jù)波動(dòng)，法蘭墊片不能突入管壁內(nèi)。

（3）目前抽采管道材質(zhì)、壁厚等因素造成實(shí)際內(nèi)徑與流量計(jì)廠家出廠參數(shù)存在偏差（廠家出廠默認(rèn)為取整），需要按實(shí)際內(nèi)徑進(jìn)行調(diào)整。

（4）避免安裝在低洼處，此處管道內(nèi)煤泥易淤積造成內(nèi)徑變小、流速偏高、流量測(cè)量出現(xiàn)較大偏差。

（5）正確選擇傳感器管徑，避免出現(xiàn)大尺寸傳感器安裝在小尺寸管道上，避免選用小管徑威力巴結(jié)構(gòu)作為通用型號(hào)使用。

2.3 與傳統(tǒng)流量計(jì)比較

綜合比對(duì)孔板、渦街、V 錐等流量傳感器在瓦斯抽采領(lǐng)域的測(cè)量準(zhǔn)確度、適應(yīng)性，孔板流量傳感器永久性壓損大，量程比小，節(jié)流件邊緣易磨損造成流出系數(shù)變化，維護(hù)保養(yǎng)不易拆裝[4]；渦街流量傳感器屬于點(diǎn)式流速測(cè)量，流量精度不高，對(duì)管道的震動(dòng)十分敏感，不適用于抽采管道流速及流場(chǎng)不穩(wěn)定以及有較多雜質(zhì)的煤層氣計(jì)量環(huán)境[5]；V 錐流量傳感器對(duì)前后直管段要求不高，測(cè)量準(zhǔn)確度高，不堵塞，流量下限低（定制），但永久壓損大，量程比小，管段式結(jié)構(gòu)造成運(yùn)輸、安裝、維護(hù)成本高；采用插入式設(shè)計(jì)的威力巴流量傳感器具有量程比大、幾乎無(wú)壓損、測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的適應(yīng)性。

《山東煤炭科技》雜志2022 年訂閱單

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3 結(jié)語(yǔ)

基于威力巴結(jié)構(gòu)的瓦斯抽采流量傳感器在應(yīng)用過(guò)程中以其測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)得到工程技術(shù)人員的好評(píng)，其插入式的安裝方式減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量和安裝成本，特殊的防堵特性大幅降低了被堵塞的幾率，有較好的推廣應(yīng)用前景。