管道瓦斯流量计量技术在北皂煤矿的应用

李荣夫 刘海霞

（龙口煤电有限公司北皂煤矿，山东 龙口 265700）

北皂煤矿海下采煤填补国内空白，但具体实施过程中，在海域的掘进和回采过程中遇到了瓦斯浓度上升的问题，海域区域也划为了瓦斯异常区，所以需要对工作面的煤层瓦斯进行抽放。在煤层瓦斯抽放进程中，需要对抽放管路中抽出气体累计量、瓦斯量等进行计算，从而对抽放效果进行评估，具体是通过对抽放管道内混合气体的流量、管道内温度、管道内压力、混合气体中的甲烷浓度、一氧化碳浓度等进行连续监测。并且充分利用本矿现有的KJ95N安全监控系统，实现全矿井瓦斯数据的统一采集和分析，因此对管道瓦斯抽放监测技术进行了研究和应用。

1 管道瓦斯计量现状

煤层气管道瓦斯气具有杂质多、粉尘大、湿度大、浓度变化范围大、监测传感器不易维护和调校的特点，而目前在用的安全监控瓦斯、流量等传感器由于结构的不适应，不能直接应用于管道瓦斯抽放监测。必须解决气体采样、去湿、防污的问题，要求具有量程宽、结构无可转动部件、满足多种参数测量、不易堵塞磨损和自清洁的特征。

2 几种可用的管道瓦斯流量计分析对比

当前适用于煤矿管道瓦斯流量监测的几种可用的管道瓦斯流量计有孔板流量计、涡街流量计、皮托管流量计、V锥流量计等。

（1）孔板流量计属于差压式流量计中的一种。是利用流体通过孔板时在孔板前后产生的差压来测量流量的一种方法，主要由孔板、取压装置、信号管路、差压变送器及显示仪表组成。其原理是将一个孔板节流件固定在管道内部，节流件的孔径小，对流过的流体有约束作用，流体的流束截面突然收缩，流速随之加快，由于节流件前后的流速突然变化，使得在节流件前后产生静压力差，流体通过节流件的流量越大，产生的静压力差越大，通过测量节流件前后的差压，进而实现对流量的测量。孔板流量计是较早用于测量气体流量的流量计，它的优点是便于安装、成本低、无可转动部件。孔板流量计的缺点是稳定性差，流动性差，流速范围小，节流件前段容易堆积杂质，测量精度差等。

（2）涡街流量计类似于目前煤矿广泛使用的涡街风速传感器，也是根据卡曼涡街原理，是在一稳定的流体中安放一根非流线型阻流体，流体受阻流体的影响，动能和压能相互转换，外部流体压强大于内部流体，迫使内部流体向相反方向移动，从而在阻流体两侧交替地形成两串规则的旋涡，而产生的旋涡周期频率与管道内的流体流速之间有确定的数值关系，通过超声、热敏、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等其他形式的检测方式测出旋涡的分离频率变化就可以换算出流体的流量。涡街流量计的优点是结构简单，无可转动部件，耐脏污介质能力强，测量量程比宽，永久性压损小。涡街流量计的缺点是在高粘度、低流速流体精度差，不适用于低雷诺数测量，只适用于高流速流体的测量，对测量管道前后的直管段长度要求长，方能保证稳定的测量。

（3）皮托管流量计又名“空速管”，“风速管”，是通过测量管道内某点流体的动压与静压之差来测量流量的，原理是在皮托管头部迎流方向开有一个小孔称为总压孔，在该处形成“驻点”，在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔．各静压孔所测静压在均压室均压后输出，由于流体的总压和静压之差与被测流体的流速有确定的数值关系，因此可以用皮托管测得流体流速从而计算出被测流体的流量。皮托管流量计在飞机上广泛应用，其优点是测量范围宽，使用制造方便，点流速测量准确度高。缺点是低流速性差，受流速分布影响大，容易堵塞。

（4）V锥流量计也是一种差压式流量计，同样是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律，利用节流效应来测量流体流量。它是在管道中心安

装一个锥形体来对流体进行节流，使管道中心的流体绕锥形体流动，并将流体收缩到管壁。与孔板流量计的中心孔节流不同，V锥流量计是管道外围的环状节流。管道内的流体流过V锥体时，被收缩到管壁，使管壁流体的流速加快，在V锥体的前后产生差压，流体的流速与差压的平方有确定的数值关系。并且锥体与管道同轴，锥体前部直接作用于流体中心部分，迫使高速的中心与接近管壁的低速流体均匀化，从而产生正确的压差。V锥流量计具有量程下限低，量程比宽，适用磨损小，流场自动调整，自清扫等特点。

图1 V锥流量计结构图

表1 几种管道流量计参数对比

综上比较，最适合管道瓦斯抽放监测的是V锥流量计。

3 V锥管道流量计在北皂煤矿的应用

3.1 相关技术指标要求

（1）量程比：1：10；

（2）公称直径DN：DN150；

（3）公称压力PN：1MPa；

（4）介质温度：20～25℃；

（5）负压范围：-10～ -40kPa；

（6）流量范围： 6～42m3/min；

（7）测量精度：0.5级；

（8）锥体材质：不锈钢；

（9）管道外壳材质：碳钢或不锈钢；

（10）RS485通信方式：可运行KJ95N以及其他基于RS485接口的通讯协议，波特率1200～115200bps可调；

（11）通信距离：传感器到抽放显示控制装置最大距离不小于2km；

（12）工业以太环网平台：10/100/1000Mbit/s。

3.2 主要设备

主要设备包括V锥管件、GD3多参数传感器、GJG100H红外甲烷传感器、GTH1000一氧化碳传感器、KPPI汽水分离器。

(1)V锥管件。直管段满足前3D后1D(D指管道的直径)，安装前直管段要求不低于0.6m。在V锥测压孔上安装三阀组，通过稳压组件连接到传感器；把汽水分离装置、管道红外瓦斯传感器和管道一氧化碳传感器分别用螺丝紧固于V锥支架上，汽水分离装置导气管低进高出，后连到两个传感器上。在北皂煤矿应用时曾经出现瓦斯和一氧化碳传感器数值显示为零、流量低的问题，原因是导气管将流量、瓦斯和一氧化碳传感器串联，导致气阻过大，将流量与瓦斯、一氧化碳传感器气路分离后正常。

（2）GD3多参数传感器。用于监测管道瓦斯气体，实时显示管道内瓦斯气体多种参数值（差压、绝压、负压、温度、流量、累积流量等值），在此处用于采集管道流量、负压和温度，并由GD3将数据统一传输到监测分站。

（3）GJG100H红外甲烷传感器。用于监测管道甲烷浓度。甲烷检测范围：0～100%；甲烷基本误差：甲烷浓度≤1%：真值±0.07%；甲烷浓度＞1%：±7%（真值）。为避免管道瓦斯气体内的水分对红外甲烷测量造成影响，在进气端安装汽水分离器。监测数据单独传输到监测分站。

（4）GTH1000一氧化碳传感器。对管道内的CO进行测量及显示测量范围：0～1000×10-6CO；监测数据单独传输到监测分站。

（5）与KJ95N系统的联接。瓦斯抽放监测系统所采用的设备均是KJ95N系统的联检设备。在接入方式上有两种模式，一是接入专用监测分站，通过环网进行数据传输；另一种是接入通用监测分站，通过电缆实现数据上传。而无论哪两种方法，由于管道气体监测传感器的测量范围与环境气体监测传感器测量范围大不相同，需要在系统主机上对传感器进行定义后方可正常使用，否则会增大数据传输误差。

4 应用效果

图2 V锥流量计安装示意图

在北皂煤矿海域H2302工作面应用V锥管道瓦斯抽放监测，并将瓦斯抽放监测系统接入到KJ95N安全监控系统中，实现了数据上传和统一监控。自2016年8月至2017年2月，累计抽放瓦斯32.84万m3。

5 结束语

通过管道瓦斯流量计在北皂煤矿的应用，在现场对比了涡街流量计和V锥流量计，V锥流量计的量程下限低，低流速测量性能好，安装简单的特点比较突出，而且利用V锥产生的气压将气样导出抽放管道的方式，大大减少了管道气内的粉尘、水分对瓦斯、一氧化碳传感器敏感元件的影响。为北皂煤矿工作面的瓦斯抽放工作提供了准确的监测数据保障。