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 孔板流量计在煤矿瓦斯抽采计量中应用
发布时间:2018-01-29

  瓦斯抽采准确计量是瓦斯抽采达标评价的前提。由于抽采环境极端恶劣,高尘、高湿、高负压,多数瓦斯流量传感器使用中存在种种问题,常常需要进行现场比对,而孔板流量计是最传统的现场比对基准。通过煤矿瓦斯抽采检测计量仪器的技术应用及研究,在流量传感器应用过程中,发现孔板流量计因其结构简单、性能稳定、操作方便,在煤矿瓦斯抽采检测计量领域得以普遍应用,应用其他检测流量的传感器时还常常以孔板测量结果作为基准[1]。在煤矿瓦斯抽采计量领域,煤矿普遍选择标准孔板作为瓦斯抽采流量的计量手段,目前多依靠人工定期观测“U”型差压计的差压水柱高度、用光学瓦检仪检测瓦斯浓度、用“U”型差压计的差压水银柱高度测量负压、用气压表测量当地大气压、通过公式人工计算管道瓦斯标况流量。但多个用户因种种原因,并不能正确使用孔板流量计测量瓦斯流量,致使测量结果误差特别大,无法与其他测量方式对比,根本不能作为检测结果计量瓦斯流量[2-3]。常见问题有孔板选型、孔板制造、孔板安装位置选取和安装不符合要求、孔板计算等4类[4]。
1孔板在选型中的问题
  常见孔板流量计的量程比为1:3~1:4。在此之间的流量值测量准确性相对高。低于测量下限孔板自身误差和人工读取误差加大,高于测量上限,孔板自身误差加大,同时流体流过孔板的永久压力损失随流体的速度平方急剧增大,导致抽采效率降低,能耗加大。人工孔板的理想水柱高差为10~100mm。孔板生产商常常通过调整孔板开孔比控制水柱高差范围[5]。
  用户在选择孔板时,如果不清楚选型原则,将导致要么在孔板的测量下限,要么在孔板测量上限,严重影响计量准确度。
  因此选择孔板需要根据检测的流量大小设计合适的水柱差压范围。煤矿瓦斯抽采水柱差压一般靠人工观测,常以mm为分度值,即肉眼能分辨的刻度线为毫米。由于瓦斯抽采流量是随时波动的,加之玻璃管内水柱液面为凹面,所以水柱高差顶多能估读到小数点后1位。因此5mm以下的水柱高差应避免作为计量依据。
  事实上,多个煤矿用户因选型不当,或实际瓦斯抽采量比预期小得多时,孔板水柱高差在0~1mm,甚至在0.2mm以下,观测工直接把水柱高差计作1mm。导致误差特别大。
  在其他参数相同前提下,0.5mm水柱高被读作1mm水柱高的误差,经计算约大实际值41.4%,即:

2孔板制造误差造成的误差
  标准孔板制造尺寸及公差国家有相应的标准。煤矿一般选择的标准孔板由制造商提供。实际上部分制造商在加工孔板时认为孔板简单,煤矿用户也不具备检验和试验条件,常常尺寸和形位公差控制不严格,也不具备标定条件,尺寸超差严重,进口处倒角误差较大[6],也能通过验收,导致制造造成孔板误差。
3孔板安装位置选择造成的误差
标准孔板安装有一定的要求[7-8]:
1)直管段要求,按计算书计算出安装孔板时要求的前后直管段长度,通常为前20D后10D(D是指孔板的通径)安装节流装置[9-10]。
2)直流件装置在管道中,其前端面必需与管道轴线垂直,允许的最大不垂直度不得超越±1°。
3)节流件装置在管道中后,其开孔必需与管道同心,其允许的最大不同心度ε不得超越:ε≤0.015D(1/β-1)。
4)垫片不能用太厚的材料,最好不超过0.5mm,垫片不能突出管壁内,否则会引起很大的测量误差。
5)调节流量用的阀门,应装在节流件前后最小直管段长度以外。现场孔板常常因位置狭小,造成前后水平直管段长度满足不了前20D后10D的要求,阀门的位置距离孔板也不满足要求。由于井下管道安装条件差,直流件、节流件及垫片使用误差会超过要求。导致孔板测量误差加大。安装方式及要求如图1。
孔板流量计安装示意图
  实际工作中,由于人工孔板监测靠人工每隔一段时间读数1次,把每次计算出的数据作为这个时间段的平均流量,而实际瓦斯抽采过程中抽采参数随时存在波动,1个瞬时流量代表1个波动流量,毕竟存在较大误差;多个煤矿逐步使用在线流量传感器连续监测计量瓦斯抽采参数;考虑到在线流量传感器也也需要周期校准,一般仍保留人工孔板流量计做周期比对用。常见有以下2种安装方式(图2、图3)。
孔板流量计与流量传感器串联布置示意图
孔板流量计与流量传感器并联布置示意图
  比较2种布置方式,可以分析出后者存在一定的问题:
1)2种流量检测方式做对比时必须先做其中1个,后做另外1个,无法做到同步。
2)气流经过的路径不同,沿程和局部阻力损失不一样,造成同样的抽采条件,经过2种流量计的流量大小不同。
3)做孔板计量时,只能关闭在线流量传感器前端的阀门,在线流量传感器监测流量为0,且持续1个孔板对比时间,造成抽采量计量损失。
4)需要开闭至少上下2个阀门,增加了现场人员的工作量。
而前者即串联式布置,不存在上述问题,因此推荐串联布置方式。
4孔板计算
  孔板计算在煤矿瓦斯抽采检测领域一直有多个方法,但基本归结2大类:
1)MT/T642—1996管道瓦斯抽放综合参数测定仪技术条件规定了瓦斯抽采标准状况混合流量计量计算公式为[11]:

  式中:QH为管道混合气体流量,m3/min;Kk为孔板系数,Pa-0.5m3/min;△hk为孔板前后端压差,Pa;δx为瓦斯浓度校正系数;δp为压力校正系数;δT为温度校正系数;x为混合气体中瓦斯浓度,%;pJ为管道内气体绝对压力,Pa;t为气体温度,℃。

  式中:Qc为标况纯流量。
  这是业内通用的计算公式。
2)在很多煤矿用户,常常使用该公式的简易公式计算混合流量,如下:

  采用该公式,如果用于测量常压下通风管路,误差倒不太大。但是用在瓦斯抽采的负压侧,计算出的流量值与实际标况流量值偏差将很大。
5案例
案例:某矿地面泵站使用孔板流量计,孔板水柱差压为225mmH2O(1mmH2O=9.8Pa),管道负压为-28.4kPa,浓度23%,温度18℃;当地大气压为94kPa,管道为DN600,孔板系数为10.6176。试计算标况混合流量和纯流量?
计算过程如下:
1)绝压
pJ=当地大气压-管道负压=94-28.4=65.6kPa
2)压力修正系数。

  以下将压力、浓度及温度在流量计算中不修正引起的流量误差做一汇总(表1)。

  因此,对于瓦斯抽采用人工孔板计量比对,标况流量计算必须考虑压力、浓度、温度的修正系数。
作为在线计量的各种流量传感器,一般要求流量误差不大于±3%F.S.。如不对孔板按照标准公式计算,其偏差将动辄在10%以上,将失去对比意义。
6人工对比常见问题
  煤矿瓦斯抽采计量常常需要对比多种仪器的测量值,以掌握传感器的运行稳定性和准确性。
由于瓦斯抽采工况的波动性,对比工作应遵循同点同时的原则,即应将2种以上传感器安装在相近位置,同时进行取样和对比,才能得到较真实的对比结果。
  由于孔板流量计算涉及到压力和浓度修正,因此应准确测量瓦斯的浓度和压力。
测量瓦斯浓度常见的问题有:
1)管道内浓度低于10%,却选择高浓度光学瓦斯鉴定器测量,造成测量量程误差。
2)高负压状态应用抽气筒多次抽取气样,却用常压下使用的橡胶吸气球取气,造成取样误差。
3)差压较小时,用水银柱而不是用水柱测量差压,造成误差。
4)估计而非测量当地大气压,计算管道气体绝压时形成误差。
7孔板维护中存在的问题
孔板处于完好状态是孔板准确计量的前提。但现场维护经常存在以下几个问题:
1)孔板系数因管理不善被记错误用。
2)由于瓦斯抽采管道尘大、水大,孔板前端常积水、积尘、积存大量杂物,使得孔板系数严重失真。
3)孔板一旦安装,大部分会在井下长期使用。孔板在瓦斯中尘粒及碎煤屑的长期高速冲刷之下,孔板内孔前缘的锐角将会被打磨成圆角,孔板表面的粗糙度将会变大,将会造成孔板系数显著变化。但用户做不到定期在实验室里重新核定孔板系数。常用进厂时孔板厂家提供的原始孔板系数进行计算。
上述情况造成孔板计量流量误差加大。
8结语
  孔板计量瓦斯流量结构简单,成本低,计量稳定;但真正用好,做到长期准确计量,需要严格按照技术规范选型、安装、使用,同时要掌握准确的孔板系数,计算必须进行各种修正。管理上必须进行正常维护,定期清理孔板及管道内的积尘、杂物,对于容易积水的孔板位置,应安装自动放水器。定期进行孔板系数的验证。对于超过一定年限的孔板,应及时报废处理。因此应引起瓦斯抽采检测专业人员的高度重视。

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