皮托管在瓦斯抽放煤层气输送计量中的应用

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

李　涛1　樊　荣1,2

(中煤科工集团重庆研究院有限公司1,重庆　400039；西安科技大学能源学院2，陕西 西安　710054)

皮托管在瓦斯抽放煤层气输送计量中的应用

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

李涛1樊荣1,2

(中煤科工集团重庆研究院有限公司1,重庆400039；西安科技大学能源学院2，陕西 西安710054)

摘要：针对皮托管在煤矿现场人工测量管道瓦斯流量不准确的现象，采用分类列举的形式，根据不同的人为因素，详细分析了造成测量误差的原因。引入了通过使用智能型皮托管测量装置来解决这些问题的方法。智能型皮托管测量装置在人工现场测量管道瓦斯流量过程中具有更强的现场适用性和很好的发展前途。 是现代科技论文的必要附加部分，只有极短的文章才能省略。它是帮助读者从浩瀚的信息海洋中能较快、较准地找到他们所需要的科技信息的一种有效工具。摘要一般置于作者及其工作单位之后、关键词之前。
修改稿收到日期：2014-02-18。
第一作者李涛(1982-)，男，2004年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，获学士学位，助理研究员；主要从事矿用瓦斯流量监测技术的研究。

关键词：皮托管U型管瓦斯抽放瓦斯流量流量校验设备

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

皮托管由于结构简洁、测量准确性国际公认、前期准备工作简单(只需要在管道上钻一个能够将皮托管插入的小孔即可，而不需要停气施工，就可以完成测量准备工作，对输气效果无影响)、携带拆卸方便等优点而较早地被应用于煤矿现场，是当前人工现场测量与校验煤矿管道瓦斯流量的主要工具之一[1]。然而，在煤矿现场实际应用过程中，皮托管“测量准确”的优点由于使用过程中各种人为因素或环境因素而没有被充分表现出来，造成测量结果偏差较大的问题。本文详细分析了皮托管在煤层气输送计量应用中存在的各种问题及造成的原因，引入了通过实用智能型皮托管测量装置来解决这些问题的方法。

1测量方式简介

皮托管流量计，由于有成熟的技术规范和使用经验[2]，常用皮托管测量通风管道、工业管道、炉窑烟道内的气流速度，也被装设于飞机头部或机翼前缘，测量相对空气的飞行速度。用皮托管测速和确定流量，有可靠的理论根据，使用方便、准确，是一种经典的测量方法，也是流量标准装置上常用的标准计量器具。

标准型皮托管的构造如图1所示[3]。

图1　标准皮托管结构示意图

标准皮托管现场测量示意图如图2所示。

图2　标准皮托管现场测量示意图

传统皮托管测量方式主要采用标准型皮托管为流量检测探头，用U型管压差计或倾斜压差计作为测量设备。标准型皮托管的头部为半球形，后为一双层套管。测速时头部对准来流，头部中心处小孔(总压孔)接收来流总压，经内管传送至压差计。头部后约(3～8D)处的外套管壁上均匀地开有一排孔(静压孔),用于接收来流静压，经外套管也传至压差计。

2计算公式与推导

2.1　通用皮托管流量计算公式

皮托管测量流量的过程，实质是测量流速的过程。通过测量流过管道的平均流速并结合管道实际流通面积，最终计算出管道内的实时流量。通用皮托管流量计算公式如下：

(1)

Qg=60VgS

(2)

在实际应用过程中，流量均需要转换为标况流量，标况流量计算如下式所示：

(3)

式中: Vg为管道内流体平均流速，m/s；Qg为管道内流体工况流量，m3/min；Qb为管道内流体标况流量，Nm3/min；P为皮托管测量处的管道气体绝对压力，kPa；k为皮托管系数，标准L型皮托管系数多在1.0左右；ΔP为皮托管两端的差压，Pa；t为皮托管测量处的管道气体温度，℃；ρ为管道内流体实时密度，kg/m3；S为管道内截面积，m2。

2.2　皮托管测量瓦斯流量计算公式

众所周知，煤矿管道气体主要是瓦斯气，而瓦斯气由空气和甲烷组成，只要确定了甲烷在气体中的体积浓度XCH4，就可以确定对应甲烷组分下的瓦斯气体的标况密度值。故根据式(1)~式(3)以及瓦斯气已知的物理量(浓度、标况密度等)，就可以推导出皮托管测量管道瓦斯气标况流量QCH4b的计算公式：

式中:QCH4b为管道内流体标况流量，Nm3/min；P为皮托管测量处的管道气体绝对压力，kPa；k为皮托管系数，标准L型皮托管系数多在1.0左右；ΔP为皮托管两端的差压，Pa；t为皮托管测量处的管道气体温度，℃；XCH4为管道内皮托管测量点瓦斯气甲烷体积含量，%；d为管道内截面直径，m。

3常见问题分析

流量计是使用比制造难得多的少数仪表之一[4]。皮托管也不例外，皮托管特别是标准型皮托管目前在国内各煤矿使用较为普遍，但在实际应用过程中仍存在很多问题，造成皮托管测量出的结果误差较大，没有达到预想的测量目的和意义。造成这种测量现状的原因主要有如下几个方面。

(1) 皮托管测流量的几个关键参数测量不准确，特别是差压测量准确性较差，造成最终流量测量结果误差较大。

从矿用皮托管测量管道流量的计算公式可以看出，要计算出瓦斯管道瓦斯气体流量,需要先测量出瓦斯气体在管道中的动压ΔP、管道气体温度t、管道气体压力P、瓦斯体积比浓度XCH4以及测量段管道内径d。上述几个参数测量的准确与否将会直接影响测量结果的精度。

其中最易出问题且带来影响最大的当属动压ΔP的测量[5]。由于瓦斯管道流速多在20m/s以下，其对应的动压也多为400Pa以下，这属于微差压范畴，对于该压力的测量也属于微差压测量领域，在瓦斯抽放计量现场对它的测量存在很多问题和缺陷，进而造成该动压的测量结果误差很大，具体如下。

① 人为读数误差造成差压测量结果误差较大。在煤矿实际应用过程中多采用以水为测量介质的U型管压差计。装有水的U型管压差计液面高度差为1mm时，其代表的压差为9.8Pa。但由于液体密度及液体张力的作用，液面向下凹，该凹面约有1mm的高度，读取该液面高度不容易把握。再加上人为读数的因素，读出的液位差往往会相差3～4mm，转换成差压误差接近40Pa。为了降低U型管液面读数误差，有些矿井采用了倾斜压差计。倾斜压差计的分辨率可以使读数误差降低到原来垂直读数误差的1/10，但仍然有近4Pa的误差。由于皮托管动压较小，这个误差会给流量测量结果带来很大的误差，特别是在测量低流速介质的时候。

②U型管使用操作不当造成差压测量误差较大[6]。造成U型管使用操作不当的情形如：在使用倾斜压差计时，没有对压差计底座进行水平调校；使用简易U型管压差计式没有便于操作的有效方法保证U型管垂直度。这些情形均会带来差压的测量误差。

③ 管道内的工况压力造成压差计工作不正常。煤矿现场存在两种输气管道：负压抽放管道、正压输气管路；负压抽放管道通常压力范围为10～60kPa或75～450mmHg(该压力为相对压力，即常说的负压)，正压管道通常压力范围为5～30kPa或75～225mmHg(该压力为相对压力，即常说的正压)。当用U型管测量皮托管差压时，普遍做法是将连接皮托管和U型管的橡胶软管用手捏紧，然后将皮托管插入管道内，再同时放开被捏紧的橡胶软管。但是由于现场使用的U型管大多不带防止U型管内液体被吸走或冲走的措施，因此这种做法经常会造成因为无法保证两端的软管同时导通(即无法同时保证U型管处于相近似的管道压力环境下)而使得有U型管的水柱被冲入到橡胶管内。此时，人眼不易察觉橡胶管内的液注，这会造成很大的差压测量误差。

④ 差压测量工具分辨率及测量稳定性无法满足低流速测量要求。对于皮托管来说,当其测量流速不高于1m/s时，其对应产生的差压约为1Pa。当流速更低时,则更小。要测量微小流速下的皮托管动压，差压计的分辨率至少应达到0.1Pa。这种分辨率要求采用U型管来测量是基本上不现实的，它需要借助高精度的微差压测量仪来测量。将皮托管两端的压差通过两根软管连接到微差压测量仪的输入口，通过微差压测量仪来读取皮托管测量的动压。

测量精度较高的微差压测量仪可分辨至0.1Pa，这满足了皮托管测量低流速动压的要求。但是这依然存在一个问题，皮托管与微差压测量仪之间通过软管连接，软管的轻微甩动就会影响到甚至淹没低流速下实际产生的有效动压值，这依然会造成有效测量差压误差较大的结果。

(2) 某些参数概念不清楚，造成参与流量计算的参数使用错误，使得流量计算结果错误。

在皮托管测量管道流量的过程中，最易混淆的参数为管道压力。在煤矿现场管道压力分为两种：管道相对压力P相对和管道绝对压力P，管道相对压力P相对就是煤矿经常称呼的正压P正或者是负压P负:

P相对=P正=P负

(4)

管道相对压力P相对与管道绝对压力P的关系如下：

P=P相对+P环境大气压

(5)

式中：P环境大气压为管道测点附近的环境大气压。

管道压力指的是管道内测量位置的管道气体绝对压力。通过管道绝压表直接测量出管道的绝对压力P或者是先通过水银压差计测量出管道内外的相对压力P相对，再用气压表测量测点附近的环境大气压P环境大气压，然后将二者累加就可以得出管道的绝对压力P。但是在煤矿测量现场，大多却直接将测量到的管道相对压力P相对直接带入到流量计算公式中去，国内大多数煤矿其环境大气压多在80～116kPa或600～872mmHg，这就相当于说代入到公式中的压力值小于实际值，由此计算出的流量误差就可想而知了。

(3) 皮托管流量计算公式不统一、不标准或不清楚使用某些公式的条件，进而造成计算结果有效性差。

矿用皮托管测量管道流量的计算公式是根据标准皮托管公式推导而出的，并且在该公式中考虑了瓦斯浓度变化带来的测量气体密度变化的影响[7]，可以说是皮托管测量煤矿管道瓦斯气体流量的标准公式。但是在煤矿现场，计算流量的皮托管公式却存在各种不同的版本，这些公式之所以存在的主要原因是生产皮托管的厂家提供的公式不统一。这也是由于不同的皮托管生产厂家其针对的主体客户不同造成的，其提供的皮托管公式多是针对主体客户的使用习惯而推导出来的，应用这些公式要符合其针对性的条件，故有时将这些公式拿来用在煤矿测量管道瓦斯流量上并不合适，其最终造成的就是流量测量结果误差较大。

举例来说，某煤矿使用某厂家的皮托管来测量管道瓦斯气体流量，该皮托管生产厂家提供的流量计算公式如下：

(6)

Qb=60VbS

(7)

将式(6)与式(1)对比，不难看出，式(6)缺少了气体工况密度ρ，其原因就是该皮托管生产厂家的主体客户使用其皮托管测量的介质环境主要处在标准状况下，即环境大气压为101.325 kPa，温度为20 ℃，且其测量介质的密度为1.0 kg/m3左右。因此，该皮托管生产厂家在其皮托管使用说明书中提供的流量计算公式与式(6)、式(7)相同。但是煤矿管道瓦斯的工况条件与该公式对应的工况条件相差甚远。

对于气体，在现场密度变化较大的场合，通常要进行在线温压补偿[8]，故这时就不能够再用此公式来计算管道瓦斯气体流量，否则，计算出的流量结果将离实际流量值相差甚远。

4皮托管测流量最新技术探讨

通过上述分析不难看出，出现这些问题的原因主要有两个方面：一是人为原因，二是采用的测量方式与技术相对落后造成的。这些问题随着科学技术的发展是完全可以避免的，主要解决办法就是使用现代化的高科技仪器代替这种落后的测量方式，尽可能减少测量过程中人为干预因素，这样就可以保证测量结果的精确度、可信度，同时也确保了测量的真实意义。

新型的先进制造技术将朝着小型化、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化方向发展[9]。基于这一趋势和现存问题，目前，国内外很多厂家或企业都陆续开发了多种便携式的用于现场人工测量管道流量的智能式设备，采用的技术原理主要有：孔板、皮托管、涡街、热式等。这些设备均或多或少地解决了一部分问题，为煤矿瓦斯管道在线式流量计的现场校验提供了手段。但它们也失去了采用标准皮托管进行测量的优势，那就是其前期测量准备工作比较繁琐，均无法在已经安装完成的管路上进行直接的测量，需要停气安装测量配套设备，甚至有些还需要在管道上串接安装测量管道。这给后期校验设备的维护和长期使用后的准确性带来了新的问题，也限制了仪器的测量使用。

作为一款用于现场校验、测量的仪器仪表，使用简单、适用性强、不受前期准备工作的限制(走到哪里就可以测到哪里)应该是其必须具备的特征。

近年来，市场上推出了一类基于这种理念而设计出来的智能型皮托管流量测量装置—瓦斯抽放管道参数测定仪。它可以同时测量、显示、存储瓦斯抽放管道的压力、流量、浓度、温度等参数，并且具有连接计算机进行数据交互的功能。这类仪器将皮托管与高精度微差压变送器、管道压力变送器、温度变送器等封装在了一起，大大缩减了人为因素带来的介质压力、差压、温度等关键参数的测量误差。同时它直接将矿用皮托管计算公式植入了仪器中央处理器中，避免了因计算公式不统一、人为计算错误的等因素造成的计算结果误差较大的可能，保证了测量结果的有效性。仪器还具有测量管道瓦斯实时浓度的功能，可以对瓦斯气体密度进行实时的补偿，进一步提升了测量结果的真实性。

该智能型皮托管流量测量装置完全克服了前面所述的皮托管使用过程中存在的诸多问题，并继续保持了皮托管的优越性(使用简单、适用性强、可以不停气完成测量准备工作，走到哪里就可以立刻通过简单的准备工作完成流量的测量)。该仪器迎合了用户的需求，并针对性地解决了存在的现实问题，市场前景应较为广阔。

5结束语

皮托管具有使用简单、适用性强、不受前期准备工作的限制(走到哪里就可以测到哪里)等特点，是煤矿现场用于人工测量管道瓦斯流量的常用工具。人工使用皮托管测量管道流量存在诸多人为不确定因素，造成测量结果误差较大，如果采用当前新出现的瓦斯抽放管道参数测定仪，皮托管仍将是一款较佳的人工测量管道瓦斯流量的工具。

参考文献

[1] 李涛.煤矿管道瓦斯流量计量技术研究[J].工况自动化，2012(11)：14-17.

[2] 李涛.风速表发展概述[J].仪表工业,1983(3):7-8.

[3] 孙志强,周孑民,张宏建.皮托管测量影响因素分析Ⅰ[J].传感技术学报,2008(3):690-693.

[4] 刘燕江.自动化仪表的技术特点及维护[J].自动化仪表，2013，34(4):87-90.

[5] 孙志强,周孑民,张宏建.皮托管测量影响因素分析Ⅱ[J].传感技术学报,2009(4):941-944.

[6] 高庆亭.皮托管在气流测量中一些问题的探讨[J].气象水文海洋仪器,2007(3):59-61.

[7] 李杰，张武军，王航.浅谈差压式流量计的流量计算[J].自动化仪表，2013，34(7):89-91.

[8] 李传经，郭爱华.低碳时代的流量测量[J].自动化仪表，2013，34(4):1-6.

[9] 孙柏林.未来智能装备制造业发展趋势述评[J].自动化仪表，2013，34(1):1-5.

科技期刊中文文摘的撰写

根据GB/T 6447-1986《文摘编写规则》关于摘要的定义，摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。按摘要的不同功能来划分，它大致分为报道性摘要、指示性摘要、报道-指示性摘要3种类型。一般的科技论文应尽可能采用报道性摘要。摘要中应写的内容一般包括研究工作的目的、方法、结果和结论，而重点是结果和结论。根据有关规定，撰写摘要应注意以下几点。

① 省略“我们”“作者”“笔者”“本文”这样的主语。

② 简短精炼，明确具体。简短，指篇幅短，一般以不超过200字为宜(依摘要类型而定)；精炼，指摘录出原文的精华，无多余的话；明确具体，指表意明白，不含糊，无空泛、笼统的词语，应有较多而有用的定性和定量的信息。

③ 一般不要交代背景，更不要阐述一般性知识。

④ 格式要规范，一般不分段，尽可能用规范术语，不用非共知共用的符号和术语。不能简单地重复题名中已有的信息，并切忌罗列段落标题来代替摘要。除了实在无变通办法可用以外，一般不出现插图、表格，以及参考文献序号，一般不用数学公式和化学结构式。

中图分类号：TD712

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501026