旋進(jìn)漩渦流量計(jì)在瓦斯抽采自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧成常 呂德月 曹海彬

(1．淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東礦，安徽 232001;2．寧波創(chuàng)盛儀表有限公司，浙江 315331)

1 引言

伴隨著鉆孔和抽采技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性和實(shí)用性的要求越來(lái)越高。常規(guī)的孔板流量計(jì)已經(jīng)不能滿足實(shí)時(shí)性和復(fù)雜計(jì)算的要求，在抽采管路上安裝自動(dòng)計(jì)量裝置，利用監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸管道瓦斯?jié)舛?、壓力、溫度、流量等?shù)據(jù)是較好的選擇，能為瓦斯抽采提供數(shù)據(jù)支持。因此測(cè)量的準(zhǔn)確性，安裝方便性、安全可靠性，對(duì)井下環(huán)境的適應(yīng)性是選取計(jì)量裝置的關(guān)鍵。

2 工作原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)主要由起旋器、文丘里管、消旋器和檢測(cè)元件組成。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，外形如圖2所示，當(dāng)流體流進(jìn)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)后，在起旋器的作用下，被強(qiáng)制圍繞中心線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速，當(dāng)通過(guò)擴(kuò)散段時(shí)，漩渦中心沿一錐形旋線進(jìn)動(dòng)。此時(shí)，由兩個(gè)壓電傳感器檢測(cè)到的進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)經(jīng)前置電路放大，濾波，整形后轉(zhuǎn)換為兩路與流速正比的脈沖信號(hào)，經(jīng)積算儀中處理電路進(jìn)行相應(yīng)的比較和判斷，并剔除外來(lái)干擾信號(hào)后，正常的流量信號(hào)與溫度，壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)一起送入智能流量積算儀進(jìn)行運(yùn)算處理，并把流體的體積流量和總量直接顯示于LCD屏上。

圖1 旋進(jìn)漩渦流量計(jì)原理圖

2.2 主要特點(diǎn)

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)為速度型流量傳感器，對(duì)環(huán)境條件要求少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，出廠前各種參數(shù)經(jīng)嚴(yán)格校正標(biāo)定，無(wú)需用戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，確保其在現(xiàn)場(chǎng)使用中的穩(wěn)定性，可完全替代孔板流量計(jì)。其主要特點(diǎn)如下:

圖2 旋進(jìn)漩渦渦流量計(jì)外形圖

能自動(dòng)、準(zhǔn)確地檢測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、流量與濃度，并對(duì)流量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償和壓縮因子自動(dòng)修正，可直接檢測(cè)氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量，精度可達(dá)±1%;采用高性能微處理器，軟件功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越;采用微功耗高新技術(shù)，憑內(nèi)、外電源均可工作;無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，耐腐蝕性強(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好，維修量少;量程比寬，可達(dá)1∶15以上，國(guó)外一些產(chǎn)品的量程比可達(dá)1∶25;

3 旋進(jìn)漩渦流量計(jì)在瓦斯單孔測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例

煤礦瓦斯抽采時(shí)，單個(gè)鉆孔的流量在0.01～0.5m3/min之間。由于流量小，能直接測(cè)量的流量傳感器較少。旋進(jìn)漩渦流量計(jì)能實(shí)現(xiàn)井下測(cè)量，根據(jù)《淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯抽采管理規(guī)范》的要求，潘一東礦根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇適用于低流速、低流量的寧波創(chuàng)盛CX-50型旋進(jìn)漩渦流量計(jì)進(jìn)行了單孔流量、溫度、壓力及濃度的在線考查。圖3為監(jiān)控頁(yè)面顯示的旋進(jìn)漩渦單孔流量計(jì)的數(shù)值。由圖可知，該型號(hào)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)最低可測(cè)量混合流量為0.01m3/min，測(cè)量精度高。圖4為旋進(jìn)漩渦型流量計(jì)捕捉到的流量變化曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量變化，由圖4可看出選進(jìn)漩渦流選進(jìn)量計(jì)對(duì)流量變化的靈敏度較高。

測(cè)量單孔流量過(guò)程中，由于CX-50型旋進(jìn)漩渦型流量計(jì)體積小，重量輕，可任意角度安裝，給單孔計(jì)量帶來(lái)了很大的方便，并且其考察的單孔流量曲線變化靈敏，為通風(fēng)地測(cè)部門提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

圖3 左鉆場(chǎng)231#測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 測(cè)量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，將其測(cè)得的數(shù)據(jù)與相同環(huán)境下孔板流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)計(jì)算兩種流量計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)的平均數(shù)和方差來(lái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。分析安裝在同一管路上，相距10m的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)和孔板流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，表1和表2分別為中央變電所回風(fēng)聯(lián)巷鉆場(chǎng)左抽采管路數(shù)據(jù)和西一11煤回風(fēng)下山鉆場(chǎng)抽采管道數(shù)據(jù)，為排除人員的慣性思維安排不同人員采集數(shù)據(jù)。

圖4 流量變化曲線

表1 中央變電所回風(fēng)聯(lián)巷鉆場(chǎng)左抽采管路數(shù)據(jù)

表中:K——孔板流量計(jì)的系數(shù)

△H——壓差，mmH2O

P——壓力，MPa

T——溫度，℃

X1——人工測(cè)得的高濃瓦斯?jié)舛?/p>

X2——管道高濃瓦斯傳感器測(cè)得的瓦斯?jié)舛?/p>

孔板Q混——利用淮南礦業(yè)集團(tuán)管道混合流量統(tǒng)一公式計(jì)算得出的結(jié)果

CX旋進(jìn)Q混——旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)

通過(guò)計(jì)算上述兩種流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均數(shù)和方差，來(lái)確定流量計(jì)穩(wěn)定性，方差越小，表明測(cè)量穩(wěn)定性越高。

以第一組數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用簡(jiǎn)易公式計(jì)算:

應(yīng)用淮南礦業(yè)集團(tuán)統(tǒng)一公式進(jìn)行計(jì)算:

CX-200旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)為3.35，可知2.85＜3.35＜3.45。

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)所測(cè)得的Q混值介于簡(jiǎn)易公式計(jì)算結(jié)果和淮南礦業(yè)集團(tuán)統(tǒng)一公式計(jì)算的結(jié)果之間，數(shù)據(jù)可靠，具有一定的準(zhǔn)確性。

孔板Q混的平均數(shù)

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

CX旋進(jìn)Q混的平均數(shù)

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

剔除個(gè)別樣本的隨機(jī)噪聲干擾，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)所測(cè)得的Q混的平均數(shù)與孔板流量計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)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旋進(jìn)Q混的方差

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

在討論方差的過(guò)程中，近似認(rèn)為二者平均數(shù)一致，孔板Q混的方差4.51小于CX旋進(jìn)Q混的方差5.53，故孔板流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性略優(yōu)于旋進(jìn)漩渦流量計(jì)。

表2 西一11煤回風(fēng)下山鉆場(chǎng)抽采管道數(shù)據(jù)

孔板Q混的平均數(shù)

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

CX旋進(jìn)Q混的平均數(shù)

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，剔除個(gè)別樣本的隨機(jī)噪聲干擾，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值接近孔板流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

孔板Q混的方差S2=19.50

CX旋進(jìn)Q混的方差S2=21.61

孔板Q混的方差19.50小于CX旋進(jìn)Q混的方差21.61?？装辶髁坑?jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性略優(yōu)于旋進(jìn)漩渦流量計(jì)。

由于孔板流量計(jì)是目前瓦斯抽采系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的流量計(jì)，而旋進(jìn)漩渦流量計(jì)穩(wěn)定性略遜于孔板流量計(jì)，方差結(jié)果的差別不大，說(shuō)明旋進(jìn)漩渦的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好?？装辶髁坑?jì)對(duì)微小的變化不靈敏，而旋進(jìn)漩渦流量計(jì)精確到0.01m3/min，并通過(guò)流量數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量變化，對(duì)流量變化的靈敏度高。

5 結(jié)論

瓦斯抽采自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中，對(duì)計(jì)量裝置適應(yīng)性，可靠性，測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求非常高，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，性能可靠，可移植性強(qiáng)，運(yùn)行結(jié)果及在實(shí)際應(yīng)用中表明，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，可以任意角度安裝，解決了因儀器安設(shè)不水平帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差?？梢詾橥咚钩椴商峁?zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，具有一定的理論價(jià)值和推廣意義。

［1］林柏泉，張國(guó)建.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

［2］孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤炭工業(yè)出版社，2006，3.

［3］余曉冬.旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理及應(yīng)用［J］.計(jì)量技術(shù)，2006(03).