浅谈威力巴流量计原理及现场运用

万　勇（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆　400039）



浅谈威力巴流量计原理及现场运用

万勇
（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

摘要：本文针对煤矿管道瓦斯输送计量现状，比较了传统的管道瓦斯流量计量优缺点，重点介绍了一种非常适合测量煤层气管道混合气体流量的新技术——威力巴流量计。通过威力巴流量计的原理、特点，分析并比对得出其更适合于煤矿管道瓦斯计量的理论依据，并通过现场应用案例进一步证实其在管道瓦斯计量领域的优势。

关键词：管道瓦斯流量；孔板；涡街；V锥；威力巴

0. 引言

由于我国煤矿瓦斯灾害非常严重，国有重点煤矿有348处高瓦斯和突出矿井；近几年突出次数300多次/年，随着矿井开采深度的加深和开采强度的加大，矿井瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出的危险性也相应增大。那么对于高瓦斯矿井进行瓦斯抽放、监控、治理就显得尤为重要，煤炭企业必须加强瓦斯治理工作，全面贯彻落实“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理12字方针和“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的十六字体系。

煤矿瓦斯又称煤层气，是赋存在煤层中的烃类气体，和天然气一样，主要成分是甲烷。许多高瓦斯矿井对抽出的瓦斯进行瓦斯发电或者用于民用燃料、化工原料。故提高煤矿瓦斯利用率，扩大促进抽放规模已成为煤矿企业当前瓦斯防治工作重点。那么，对瓦斯抽采利用的监测监控，不但需要了解瓦斯量消耗的规律，更重要的是要掌握管道内流量或瓦斯浓度的实时变化情况，提高安全生产指数。对于管道内混合气体流量大小由我院自主研发的GD3系列威力巴流量计来测量。

1. 威力巴测量的工作原理

GD3系列威力巴流量计是近几年发展起来的以差压式、速率平均式流量技术为原理，由一体化威力巴传感器、差压变送器和流量积算仪等组成的测量系统。当流体流过威力巴传感器时，在探杆的迎流测形成一个高压分布区，其压力略高于管道静压；在探杆的侧后两边、流体与探杆的分离点处形成一个低压分布区，其压力略高于管道静压。传感器设有按契比雪夫分布的3对取压孔，分别引入管道对应点上的压力。迎流面为高压取压孔，读取高压平均值信号P1，后侧壁为低压取压孔，读取高压平均值信号P2。将P1和P2分别引入差压变送器，测得差压△P；基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律（在稳定流场情况下，管道中的流速与差压的平方根成正比），故△P能实时反映管道内部流体流速的变化，由此推算出流体的标况体积流量公式：

式中：K为流量系数；ρ为介质密度；△P为差压。根据威力巴探杆结构原理（如图1所示）可见，威力巴流量计是根据流体力学和空气动力学设计的多组取压孔，使得其在流体剖面十分复杂的情况下也能测得准确流速。威力巴流量探杆弹头状外形及前表面粗糙处理工艺使产生最精确压力分布区和最稳定的压力信号，介质流速最低可测至0.3m/s，最高可测至35m/s，所以适用于正、负压管道的总管、干管、支管及钻场。

GD3系列威力巴流量计主要适用于监测煤矿井下抽采管路及地面煤层气综合利用管道计量，配接的表头上的液晶显示屏可以同时就地显示瞬时标况混合流量、压力、温度和累计流量（如图2所示）。表头可以同时提供RS485总线、200Hz～1000Hz频率和4MA～20MA电流3种通信信号输出，用户根据情况通过键盘进行简单处理后，选择其一适合自身需要的信号进行数据给上位机的远程距离传输。

图1威力巴探杆工作原理示意图

图2　　GD3系列威力巴流量计表头显示界面

2. 与其他传统流量计性能比较

目前，运用于煤矿管道瓦斯计量的仪器设备种类较多；比较广泛的有传统的孔板、涡街、旋进漩涡及V锥流量计等。众所周知的孔板传统技术，因受原理和结构的限制，不但对于前后管道的直管道长度有相当高的要求，且容易受管道内粉尘的影响，使粉尘会慢慢累积在孔板与管道内避连接处产生堵塞现象，永久性压力损失大，节流件边缘易磨损而使精度随使用时间的延长而迅速下降，需要定期维护，且流出系数易变化。涡街及旋进漩涡流量计属于单点式测量，既对安装的直管道要求较长又对管道的震动十分敏感，受自身测量精度影响一般只能测量最低流速不低于5m/s，测量精度还会受到流体中原始漩涡的影响，所以不适用于抽采管道流速及流场不稳定且含有较多杂质的煤层气计量；V锥流量计安装对直管段要求短，测量精度高、不堵塞、维护量小、测量下限可以控制到很低，但是安装管段是法兰式安装，需要停气安装拆卸；在强制校准流量计时需停气拆卸，仍然存在较大压损。

3. 贵州盘江精煤股份煤层气利用开发公司运用实例

本次运用是将威力巴流量计垂直安装在DN500管径的抽放管道上，接上18V本安直流电源后调试完成后投入正式计量。该管道内绝对压力为67kPa，温度在14℃左右，管道标况混合流量在120m3/min～130m3/min，至2015年4月安装运行以来，已经连续稳定运行了7个多月时间，期间没有任何异常状况发生，从流量数据在软件上显示的33天曲线（如图2所示）可以看出，曲线没有较大波动比较平滑，说明威力巴探杆对气体流过时产生的压差反应灵敏，测量的数据准确。

结语

GD3威力巴流量计的测量精高度，达到国家1.5级；多点测量管道内平均流速，测量更准确；不受探杆插入深度影响，测量重复性好；本质防堵特型的设计大大降低了探杆被堵塞的几率，使得现场运行稳定性好、维护量小；测量元件不直接接触被测介质，调校方便；整机结构轻便、采用插入式的安装方式工艺简单易操作、管道内部无压损；表头输出及显示参数内容丰富、直观；采用了自校准技术免日常维护，维护量大大降低；截止目前，GD3系列威力巴流量计在现场运用达2000余套，其中用量较多的比如淮北矿业集团、川煤集团、盘江精煤股份煤层气利用开发公司等，尤其是在山西晋城煤业集团寺河煤矿煤层气利用CDM项目，其计量的准确性和稳定性系统得到联合国CDM项目验收组专家的一致肯定及表扬，并建议相关煤炭企业在瓦斯抽采及利用计量装置选购装备时予以优先考虑并广泛应用于瓦斯抽放计量、井下抽放支管监测、风机在线监测系统及煤层气利用CDM项目，尽早及时投入使用。

图3　　11月5日至12月7日威力巴流量计监测流量曲线

参考文献

［1］王君.通风可靠抽采达标监控有效管理到位把煤矿瓦斯治理攻坚战扎实有效地推向深入——王君在全国煤矿瓦斯治理现场会上的讲话［J］.中国煤层气，2008，5（3）：3-7.

［2］张德江.大力推进煤矿瓦斯抽采利用［J］.求是，2009（24）：3-5.

［3］谭飞.威力巴流量计在煤矿管道瓦斯流量计中的应用［J］.工矿自动化，2013，39（6）：13-16.

［4］陈军.威力巴流量计的使用［J］.甘肃科技，2008，24（11）：67-68.

中图分类号：TP27

文献标识码：A

基金项目：中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯抽放监控系统设备升级改造项目（CQ1611）。