ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀在抽采系統(tǒng)中的應(yīng)用

萬 勇

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀在抽采系統(tǒng)中的應(yīng)用

萬 勇1，2

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

針對(duì)煤礦瓦斯抽采鉆場(chǎng)、支管及單孔內(nèi)氣體流速較小或波動(dòng)較大，常見的計(jì)量設(shè)備不能滿足簡(jiǎn)單快捷測(cè)量其流量、壓力、溫度、瓦斯及一氧化碳濃度的要求，該文介紹了一種以皮托管原理為核心的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀。提出了基于皮托管原理檢測(cè)差壓、壓力及溫度，再利用真空泵抽取被測(cè)管道內(nèi)氣樣循環(huán)至甲烷及一氧化碳元件處檢測(cè)其濃度，最后排放至被測(cè)管道內(nèi)的研究方法，簡(jiǎn)述其工作原理、結(jié)構(gòu)特征等內(nèi)容。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，該測(cè)定儀對(duì)小管徑、低流速計(jì)量操作簡(jiǎn)單、精度高、故障率低，對(duì)減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及在煤炭企業(yè)推廣有重要意義。

ZKC6；流量計(jì)；鉆場(chǎng)；小管徑；低流速

“先抽后采”是我國(guó)煤礦瓦斯治理的治本之策，通過抽采管道排放出煤層氣[1]。煤礦瓦斯抽采管路內(nèi)流量檢測(cè)方法主要有孔板、均速管、V型錐及威力巴流量計(jì)[2-3]等測(cè)定法。其中孔板法是較為公認(rèn)的，但孔板流量計(jì)采用的是通過人為突變管徑形成節(jié)流產(chǎn)生差壓的原理，會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)大幅增加壓損而影響整體抽放效果；皮托管由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、測(cè)量準(zhǔn)確性國(guó)際公認(rèn)、拆卸方便、可靠性高、幾乎無壓損等諸多優(yōu)點(diǎn)被較早地運(yùn)用在煤礦現(xiàn)場(chǎng)并得到廣泛好評(píng)。但是這些流量計(jì)在測(cè)量低流速、低流量的較小管徑及鉆場(chǎng)單孔的場(chǎng)合就顯示出了一些自身的不足，尤其是需要固定安裝在抽放管道上而不能根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量是其較大的弊端。

隨著國(guó)家對(duì)煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)考核要求的不斷提高，煤礦企業(yè)也越來越重視抽采計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并開始建立瓦斯抽采評(píng)價(jià)單元，檢測(cè)管道內(nèi)流量的相關(guān)儀表技術(shù)逐漸向抽采的鉆場(chǎng)及支管源頭延伸，但抽采鉆場(chǎng)和支管源頭普遍管徑小、流量少，有些單孔流速甚至低至0.3 m/s，這些工況條件對(duì)抽采計(jì)量裝置的選擇提出了嚴(yán)格甚至苛刻的要求[4-13]。目前多數(shù)煤炭企業(yè)在抽采計(jì)量設(shè)備選型時(shí)主要是靠查詢資料、聽取廠家宣傳或技術(shù)交流、比較類型產(chǎn)品后選擇購買并運(yùn)用，往往出現(xiàn)因選型不合適導(dǎo)致安裝不便、測(cè)量精度低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得不到保障。本文根據(jù)長(zhǎng)期廣泛調(diào)研煤礦現(xiàn)場(chǎng)鉆場(chǎng)、支管及單孔內(nèi)氣體流量的特點(diǎn)后，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種適用于檢測(cè)低流速低流量管道內(nèi)的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀。

1 結(jié)構(gòu)特征與工作原理

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自主研發(fā)的ZKC6型瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀，是基于皮托管流量計(jì)原理基礎(chǔ)上，將其探頭插入被測(cè)管道中，利用其內(nèi)部差壓傳感器、壓力傳感器及Pt100鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，然后利用測(cè)定儀內(nèi)部的微型調(diào)速真空泵在被測(cè)管道內(nèi)抽取實(shí)時(shí)氣樣，經(jīng)管路系統(tǒng)中的除塵、除濕濾水裝置后再循環(huán)至紅外甲烷及一氧化碳元件安裝處檢測(cè)氣樣中的瓦斯及一氧化碳濃度含量后，最后經(jīng)利用調(diào)速真空泵排放至被測(cè)管道內(nèi)的研究方法。皮托管由于有成熟的技術(shù)規(guī)范和使用經(jīng)驗(yàn)，常被運(yùn)用在通風(fēng)管道、工業(yè)管道以及爐窯煙道內(nèi)測(cè)量氣體流速，用皮托管測(cè)速和確定流量，有可靠的理論依據(jù)，也是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上常用的計(jì)量器具[14]，依據(jù)皮托管原理研發(fā)的ZKC6型多參數(shù)測(cè)定儀，使用方便、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶至需要測(cè)量的地點(diǎn)，且只需要在管道上開一個(gè)DN10的觀測(cè)孔即可測(cè)量，測(cè)量下限可低至0.3 m/s。

1.1 結(jié)構(gòu)特征

測(cè)定儀由主機(jī)和探頭兩部分組成，主機(jī)與探頭的外觀示意分別如圖1和圖2所示。

圖1 ZKC6測(cè)定儀主機(jī)外觀示意Fig.1 Schematic diagram of ZKC6 teste

圖2 測(cè)定儀探頭外觀示意Fig.2 Schematic diagram of probe

1.2 工作原理

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)定儀是由一體化探頭，差壓變送器和流量積算儀等組成的測(cè)量系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量管道內(nèi)工況及標(biāo)況瞬時(shí)流量、溫度、絕對(duì)壓力、差壓和環(huán)境大氣壓等參數(shù)。傳統(tǒng)的皮托管流量計(jì)測(cè)量方式主要采用皮托管為檢測(cè)探頭，配以U型管壓差計(jì)作為測(cè)量設(shè)備，通過U型管內(nèi)壓差值來計(jì)算得出流量；本測(cè)定儀采用將溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器封裝在一起的一體化的智能探頭，經(jīng)信號(hào)處理電路采集3路傳感器信號(hào)后通過RS232接口輸出進(jìn)入測(cè)定儀CPU微處理器，當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到探頭通過RS232傳來的數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過微處理器CPU內(nèi)部程序的系列化處理和計(jì)算，在主機(jī)面板上的液晶屏顯示出具體的測(cè)量參數(shù)數(shù)據(jù)，大幅度縮減了人為因素帶來的介質(zhì)壓力、差壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量誤差，同時(shí)將皮托管計(jì)算公式植入CPU內(nèi)部程序，避免了因公式不統(tǒng)一、人為計(jì)算錯(cuò)誤等因素造成的計(jì)算記過誤差較大的幾率，保證了測(cè)定儀測(cè)量結(jié)果的有效性和可靠性。測(cè)定儀電路原理如圖3所示。

圖3 測(cè)定儀工作原理Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument

當(dāng)主機(jī)開機(jī)進(jìn)入測(cè)量功能后，測(cè)定儀會(huì)自動(dòng)開啟內(nèi)部的調(diào)速真空泵，此時(shí)真空泵會(huì)從被管道中抽取部分樣氣進(jìn)入主機(jī)內(nèi)的紅外甲烷和一氧化碳元件裝置處，此時(shí)2個(gè)元件進(jìn)行混合氣體內(nèi)的甲烷和一氧化碳濃度分析測(cè)量，最終計(jì)算出被測(cè)管道內(nèi)混合氣體中的甲烷及一氧化碳濃度值，再通過人機(jī)界面直觀顯示出來[15-18]。被測(cè)管道內(nèi)的不同環(huán)境下工況數(shù)據(jù)可以保存在主機(jī)內(nèi)，也可以通過藍(lán)牙接口將保存的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)予以存儲(chǔ)、生成報(bào)表并打印。

2 現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性應(yīng)用

2.1 開孔工藝

在被測(cè)量輸氣管道上需要預(yù)先開設(shè)2個(gè)直徑10 mm的螺紋孔，其中一個(gè)孔作為檢測(cè)甲烷和一氧化碳濃度的取氣口用，另一個(gè)孔用于插入一體化皮托管來測(cè)量管道內(nèi)氣體的流速及流量。其開孔位置要求為直管段較長(zhǎng) （至少前7D后5D，D為管道內(nèi)徑）、氣流較穩(wěn)的位置，一體化智能皮托管測(cè)量孔應(yīng)開在上風(fēng)位，甲烷及一氧化碳濃度測(cè)量取氣孔應(yīng)開在下風(fēng)位，并與皮托管取氣孔保持20 cm以上的間隔距離，主要是避免儀器內(nèi)調(diào)速真空泵在進(jìn)行抽氣取樣工作時(shí)擾亂了管道內(nèi)皮托管取氣孔附近的氣流穩(wěn)定性。如果被測(cè)管道內(nèi)存在積水的情況，此時(shí)應(yīng)避免垂直向下開孔方式，而采用切斜于管道30°～40°開孔，以防一體化皮托管插入管道時(shí)進(jìn)入到被測(cè)管內(nèi)積水中導(dǎo)致取壓口進(jìn)水，引起測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者損壞皮托管內(nèi)傳感器。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

打開測(cè)定儀主機(jī)的上箱蓋，通過配套的數(shù)據(jù)線纜連接好測(cè)定儀及一體化皮托管探頭，再將主機(jī)面板上的抽氣嘴和排氣嘴通過DN 8 mm的氣管連接到被測(cè)管道上的預(yù)先開設(shè)的濃度取氣，開機(jī)預(yù)熱后進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)；將探頭上的皮托管垂直于管道并保持與插入管道的角度一致，按動(dòng)測(cè)定儀“清零”鍵，將皮托管差壓清零（由于是微差壓測(cè)量，差壓傳感器比較敏感，探頭放置的角度改變時(shí)差壓的零點(diǎn)也會(huì)改變，所以清零時(shí)應(yīng)保持探頭與插入管道的角度一致，且清零時(shí)需保持皮托管取壓口為無風(fēng)狀態(tài)），再將皮托管緩慢地垂直插入管道中并用密封膠塞保證密封性，此時(shí)才可以開始測(cè)量數(shù)據(jù)。連接示意如圖4所示。

2.3 測(cè)量使用操作

長(zhǎng)按測(cè)定儀主機(jī)上電源鍵，系統(tǒng)開始初始化，初始化完成后自動(dòng)進(jìn)入功能界面，如圖5所示。再按上下左右4個(gè)方向鍵來選擇相應(yīng)的功能進(jìn)入相應(yīng)頁面。

圖4 測(cè)量示意圖Fig.4 Sketch map of measurement

圖5 功能界面顯示Fig.5 Functional interface display

2.4 測(cè)量功能

從功能界面進(jìn)入到參數(shù)測(cè)量預(yù)設(shè)頁面后（如圖6所示），按上下鍵可移動(dòng)光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)落在“開始測(cè)量”按鈕上時(shí)，按“確定”鍵進(jìn)入?yún)?shù)測(cè)量頁面。

圖6 測(cè)量設(shè)置頁面顯示Fig.6 Measurement settings page display

當(dāng)光標(biāo)落在“地址號(hào)”上時(shí)，按數(shù)字鍵輸入測(cè)點(diǎn)地址號(hào)。選好地址號(hào)后下移光標(biāo)，自動(dòng)顯示出對(duì)應(yīng)的地址名稱和管道內(nèi)徑 （可預(yù)先通過PC機(jī)下載）。數(shù)字輸錯(cuò)時(shí)可以按“刪除”鍵后重新輸入，設(shè)置管道壁厚是為了準(zhǔn)確計(jì)算皮托管插入深度。設(shè)置“輸入濃度”是為了在不便進(jìn)行濃度測(cè)量或濃度已知時(shí)進(jìn)行流量密度補(bǔ)償，當(dāng)輸入的濃度值是“0”時(shí)，儀器將會(huì)啟動(dòng)調(diào)速真空泵抽氣正常測(cè)量混合氣內(nèi)的甲烷和一氧化碳濃度；當(dāng)輸入的濃度值非“0”固定值時(shí)，儀器自動(dòng)關(guān)閉調(diào)速真空泵不啟動(dòng)，微處理器CPU內(nèi)程序會(huì)按照輸入的固定濃度值進(jìn)行混合氣體密度補(bǔ)償計(jì)算。

“測(cè)量模式”可以分別為“一點(diǎn)位置”、“四點(diǎn)位置”和“十點(diǎn)位置”測(cè)量方法，選擇測(cè)量點(diǎn)數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度越高，特別是管內(nèi)氣體氣流不均勻時(shí)應(yīng)盡量選擇點(diǎn)數(shù)多的方法以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。進(jìn)入?yún)?shù)測(cè)量頁面1后（如圖7所示），會(huì)顯示當(dāng)前測(cè)量值，圖7中選擇的是“一點(diǎn)位置”測(cè)量法，顯示了1個(gè)點(diǎn)的插入深度，若之前選擇了“十點(diǎn)位置”測(cè)量方法，則頁面下方會(huì)顯示出皮托管應(yīng)該插入的10個(gè)深度。如果在參數(shù)測(cè)量頁面1的界面上，再按動(dòng)鍵盤區(qū)右鍵則可進(jìn)入?yún)?shù)測(cè)量頁面2，如圖8所示。

在參數(shù)測(cè)量頁面1按“清零”鍵將對(duì)差壓測(cè)量值清零，清零前需保持皮托管取壓口處于無風(fēng)環(huán)境中。頁面右上方顯示抽氣泵的工作狀態(tài)和主機(jī)與探頭的通訊狀態(tài)，抽氣泵的工作狀態(tài)具體為“電機(jī)正?！?、“電機(jī)未工作”和“電機(jī)堵轉(zhuǎn)”；主機(jī)與探頭的通信狀態(tài)具體為“通訊正常”和“通訊中斷”，按“返回”鍵返回主頁。

圖7 參數(shù)測(cè)量頁面1顯示Fig.7 Parameter measurement page 1

圖8 參數(shù)測(cè)量頁面2顯示Fig.8 Parameter measurement page 2

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)定儀于2016年7月至8月在山西陽煤集團(tuán)新景礦二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場(chǎng)進(jìn)行分單元抽采監(jiān)測(cè)計(jì)量以及地面瓦斯發(fā)電站利用輸氣管道上的實(shí)際測(cè)量運(yùn)用。井下北九鉆場(chǎng)尺寸為4.8 m×4.6 m×3.6 m（長(zhǎng)×寬×高），鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)置鉆孔62個(gè)。本鉆場(chǎng)具有井下抽采鉆場(chǎng)的所有特點(diǎn)并更具代表性：鉆孔出水量較大、固體雜志較多、管徑?。―N50）、流速低，流量小、瓦斯?jié)舛雀?、變化快且變化幅度大；地面利用管道管徑大（DN900）、流速高、流量大、瓦斯?jié)舛容^低。

測(cè)定儀在該鉆場(chǎng)分單元計(jì)量的多個(gè)單孔實(shí)際測(cè)量期間，新景礦瓦斯抽采科及其通風(fēng)管理科技術(shù)人員通過用第三方檢測(cè)裝置人工實(shí)測(cè)及根據(jù)理論計(jì)算的數(shù)據(jù)反復(fù)對(duì)ZKC6測(cè)定儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)。部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄情況如表1、表2所示。

表1 新景煤礦二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場(chǎng)分單元計(jì)量管道（DN50）流量及濃度比對(duì)數(shù)據(jù)Tab.1 Mining roadway drilling field measurement unit pipe two district nine north Xinjing coal mine gas（DN50）flow rate and concentration ratio data

表2 新景煤礦地面瓦斯發(fā)電站輸氣管（DN900）流量及壓力比對(duì)數(shù)據(jù)Tab.2 Xinjing coal mine ground gas power station（DN900）pipeline flow and pressure data

根據(jù)表1和表2兩者不同管徑、不同流速及流量的比對(duì)數(shù)據(jù)可以看出，ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)定儀能夠較長(zhǎng)時(shí)間在不同工況環(huán)境下保持穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量，既可以測(cè)量小管徑（DN50）內(nèi)0.3 m/s的流速及流量，又能測(cè)量大型管道（DN900）內(nèi)參數(shù)，并能夠保持較高的精度，絕對(duì)誤差和誤差率很小，滿足測(cè)量設(shè)計(jì)及礦方提出的誤差在±1%以內(nèi)的要求，達(dá)到1.0級(jí)精度等級(jí)，能夠很好地適應(yīng)鉆場(chǎng)內(nèi)單孔（小管徑）和地面利用輸氣管道內(nèi)混合氣體的流速及混合流量、甲烷及一氧化碳濃度、壓力及溫度等數(shù)據(jù)的便攜式檢測(cè)。

4 結(jié)語

ZKC6型瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)定儀具有操作簡(jiǎn)單方便、不受前期準(zhǔn)備工作的限制（走到哪里就可以測(cè)到哪里）、故障率低、效率高，對(duì)減少測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度有著重要意義；測(cè)量下限低、精度及準(zhǔn)確性高、完全適用于小管徑、低流速、低流量的抽放管道環(huán)境，完全能夠滿足煤礦鉆場(chǎng)及地面瓦斯利用輸氣管道內(nèi)混合氣體流量、甲烷及一氧化碳濃度檢測(cè)。通過在山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)新景公司二區(qū)北九瓦斯抽采巷鉆場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及試用，各項(xiàng)氣體工況參數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)量與人工實(shí)測(cè)比對(duì)以及長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性、可靠性等情況可以直觀地看出，本多參數(shù)測(cè)定儀能夠滿足國(guó)內(nèi)煤礦鉆場(chǎng)及單孔小管徑、低流速、小流量區(qū)域計(jì)量檢測(cè)的要求，也能達(dá)到煤礦提出的簡(jiǎn)單、快捷檢測(cè)出管道內(nèi)混合氣體參數(shù)的要求，非常值得大力推廣到各煤炭及管道輸氣相關(guān)企業(yè)使用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of ZKC6 Type Gas Drainage Parameter Measuring Instrument in Gas Drainage System

WAN Yong1，2
（1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China）

According to the mining and drilling field，branch pipe and single hole gas flow rate in the small or large fluctuations in gas pumping，common measurement equipment can not meet the simple and fast measuring the flow，pressure，temperature，gas and the concentration of CO，to introduce a pitot tube as the core principle of ZKC6 type gas drainage parameters tester is proposed.The detection principle of pitot tube differential pressure，pressure and temperature on the extraction was measured by the vacuum pump in the pipeline gas is recycled to the methane and CO element to detect the concentration of emissions to be measured.Finally，research methods in the pipeline and the working principle，the structure，content and other characteristics.Through the field application results show that the measuring instrument of small diameter and low velocity measurement has the advantages of simple operation，high accuracy，low failure rate，has great significance to reduce labor intensity and promotion in coal enterprises.

ZKC6；flowmeter；drill field；small diameter；low flow rate

TD712.6

B

1001-9944（2017）08-0025-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.007

2017-03-09；

2017-06-16

“十三五”重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2016ZX05045-006）

萬勇（1980—），男，本科，工程師，主要從事瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)及儀器儀表、自動(dòng)化系統(tǒng)等研發(fā)及技術(shù)推廣工作。