旋进漩涡流量计在瓦斯抽采自动计量系统中的应用

顾成常 吕德月 曹海彬

(1．淮南矿业集团潘一东矿，安徽 232001;2．宁波创盛仪表有限公司，浙江 315331)

1 引言

伴随着钻孔和抽采技术的不断进步，对自动计量系统准确性和实用性的要求越来越高。常规的孔板流量计已经不能满足实时性和复杂计算的要求，在抽采管路上安装自动计量装置，利用监控系统实时传输管道瓦斯浓度、压力、温度、流量等数据是较好的选择，能为瓦斯抽采提供数据支持。因此测量的准确性，安装方便性、安全可靠性，对井下环境的适应性是选取计量装置的关键。

2 工作原理及特点

2.1 工作原理

旋进漩涡流量计主要由起旋器、文丘里管、消旋器和检测元件组成。其结构原理如图1所示，外形如图2所示，当流体流进旋进漩涡流量计后，在起旋器的作用下，被强制围绕中心线旋转，产生漩涡流，漩涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流后，使漩涡流加速，当通过扩散段时，漩涡中心沿一锥形旋线进动。此时，由两个压电传感器检测到的进动频率信号经前置电路放大，滤波，整形后转换为两路与流速正比的脉冲信号，经积算仪中处理电路进行相应的比较和判断，并剔除外来干扰信号后，正常的流量信号与温度，压力传感器检测到的信号一起送入智能流量积算仪进行运算处理，并把流体的体积流量和总量直接显示于LCD屏上。

图1 旋进漩涡流量计原理图

2.2 主要特点

旋进漩涡流量计为速度型流量传感器，对环境条件要求少、结构简单、安装方便，出厂前各种参数经严格校正标定，无需用户现场设置，确保其在现场使用中的稳定性，可完全替代孔板流量计。其主要特点如下:

图2 旋进漩涡涡流量计外形图

能自动、准确地检测介质的温度、压力、流量与浓度，并对流量进行自动补偿和压缩因子自动修正，可直接检测气体的标准体积流量，精度可达±1%;采用高性能微处理器，软件功能强大，性能优越;采用微功耗高新技术，凭内、外电源均可工作;无机械可动部件，耐腐蚀性强，可靠性高，稳定性好，维修量少;量程比宽，可达1∶15以上，国外一些产品的量程比可达1∶25;

3 旋进漩涡流量计在瓦斯单孔测量中的应用

3.1 应用实例

煤矿瓦斯抽采时，单个钻孔的流量在0.01～0.5m3/min之间。由于流量小，能直接测量的流量传感器较少。旋进漩涡流量计能实现井下测量，根据《淮南矿业集团瓦斯抽采管理规范》的要求，潘一东矿根据现场实际情况选择适用于低流速、低流量的宁波创盛CX-50型旋进漩涡流量计进行了单孔流量、温度、压力及浓度的在线考查。图3为监控页面显示的旋进漩涡单孔流量计的数值。由图可知，该型号旋进漩涡流量计最低可测量混合流量为0.01m3/min，测量精度高。图4为旋进漩涡型流量计捕捉到的流量变化曲线，实时监测流量变化，由图4可看出选进漩涡流选进量计对流量变化的灵敏度较高。

测量单孔流量过程中，由于CX-50型旋进漩涡型流量计体积小，重量轻，可任意角度安装，给单孔计量带来了很大的方便，并且其考察的单孔流量曲线变化灵敏，为通风地测部门提供了有效的数据支持。

图3 左钻场231#测量数据

3.2 测量准确性及稳定性验证

为验证旋进漩涡流量计测量的准确性和稳定性，将其测得的数据与相同环境下孔板流量计测得的数据进行对比分析，通过计算两种流量计测得数据的平均数和方差来验证其准确性和稳定性。分析安装在同一管路上，相距10m的旋进漩涡流量计和孔板流量计现场检测数据，表1和表2分别为中央变电所回风联巷钻场左抽采管路数据和西一11煤回风下山钻场抽采管道数据，为排除人员的惯性思维安排不同人员采集数据。

图4 流量变化曲线

表1 中央变电所回风联巷钻场左抽采管路数据

表中:K——孔板流量计的系数

△H——压差，mmH2O

P——压力，MPa

T——温度，℃

X1——人工测得的高浓瓦斯浓度

X2——管道高浓瓦斯传感器测得的瓦斯浓度

孔板Q混——利用淮南矿业集团管道混合流量统一公式计算得出的结果

CX旋进Q混——旋进漩涡流量计测得的数据

通过计算上述两种流量计测量数据的平均数和方差，来确定流量计稳定性，方差越小，表明测量稳定性越高。

以第一组数据为例进行计算，应用简易公式计算:

应用淮南矿业集团统一公式进行计算:

CX-200旋进漩涡流量计测得的数据为3.35，可知2.85＜3.35＜3.45。

旋进漩涡流量计所测得的Q混值介于简易公式计算结果和淮南矿业集团统一公式计算的结果之间，数据可靠，具有一定的准确性。

孔板Q混的平均数

X=(2.85+7.49+1.75+6.93+2.02+2.43+2.34+2.93)/8=3.59

CX旋进Q混的平均数

X=(3.35+7.67+1.06+7.44+2.28+2.12+2.37+2.89)/8=3.40

剔除个别样本的随机噪声干扰，旋进漩涡流量计所测得的Q混的平均数与孔板流量计测得数据相近。

孔板Q混的方差

S2=［(X1－X)2+(X2－X)2+(X3－X)2+…+(Xn－X)2］/n=4.51

CX旋进Q混的方差

S2=［(X1－X)2+(X2－X)2+(X3－X)2+…+(Xn－X)2］/n=5.53

在讨论方差的过程中，近似认为二者平均数一致，孔板Q混的方差4.51小于CX旋进Q混的方差5.53，故孔板流量计测量数据的稳定性略优于旋进漩涡流量计。

表2 西一11煤回风下山钻场抽采管道数据

孔板Q混的平均数

X=(16.38+10.83+2.16+3.15+6.71+3.19+7.37+7.82)/8=7.20

CX旋进Q混的平均数

X=(17.57+11.29+3.52+3.05+6.95+3.05+7.53+8.83)/8=7.72

由此可以看出，剔除个别样本的随机噪声干扰，旋进漩涡流量计所测数据的平均值接近孔板流量计所测数据的平均值。

孔板Q混的方差S2=19.50

CX旋进Q混的方差S2=21.61

孔板Q混的方差19.50小于CX旋进Q混的方差21.61。孔板流量计的测量数据的稳定性略优于旋进漩涡流量计。

由于孔板流量计是目前瓦斯抽采系统中应用最广泛的流量计，而旋进漩涡流量计稳定性略逊于孔板流量计，方差结果的差别不大，说明旋进漩涡的数据稳定性良好。孔板流量计对微小的变化不灵敏，而旋进漩涡流量计精确到0.01m3/min，并通过流量数据曲线实时监测流量变化，对流量变化的灵敏度高。

5 结论

瓦斯抽采自动计量系统中，对计量装置适应性，可靠性，测量结果的稳定性和准确性要求非常高，旋进漩涡流量计结构简单，安装方便，适应性强，性能可靠，可移植性强，运行结果及在实际应用中表明，旋进漩涡流量计测量结果准确，可以任意角度安装，解决了因仪器安设不水平带来的数据误差。可以为瓦斯抽采提供准确的数据支持，具有一定的理论价值和推广意义。

［1］林柏泉，张国建.矿井瓦斯抽放理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1996.

［2］孙继平.矿井安全监控系统［J］.煤炭工业出版社，2006，3.

［3］余晓冬.旋进旋涡流量计工作原理及应用［J］.计量技术，2006(03).