淺談威力巴流量計(jì)的原理及應(yīng)用

郭武奎

（甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913）

為提高安全生產(chǎn)水平，國家先后出臺(tái)多項(xiàng)政策，要求高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井必須建立地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)或井下臨時(shí)瓦斯抽采系統(tǒng)，將瓦斯抽采工程視為生命工程、資源工程，并要求配備瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)[1]。目前，應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采流量監(jiān)測的傳感器種類較多，其中包括V 錐流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。威力巴流量計(jì)是目前應(yīng)用較多的一種均速管流量計(jì)，通過測量一條線上多個(gè)測點(diǎn)的流速實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量，其精確度高、穩(wěn)定性好、壓損較小。但在實(shí)際使用過程中威力巴流量計(jì)因選址、安裝、維護(hù)等原因，容易造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的偏差。

1 威力巴流量計(jì)原理

1.1 威力巴結(jié)構(gòu)

威力巴流量計(jì)的探頭采用子彈頭形狀設(shè)計(jì)，為單桿雙腔結(jié)構(gòu)，多對(duì)取壓孔依據(jù)一定的規(guī)律分布在整個(gè)管道的剖面上[2]。檢測桿正前方為正壓取壓孔，檢測桿的兩側(cè)為低壓取壓孔。當(dāng)氣體流經(jīng)檢測桿時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)，在檢測桿兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。氣體在檢測桿后部產(chǎn)生低壓區(qū)但會(huì)出現(xiàn)漩渦，通過對(duì)高壓區(qū)與低壓區(qū)之間的差壓值進(jìn)行測量，可以獲得平均速度所產(chǎn)生的平均差壓，如圖1、圖2。

圖1 威力巴結(jié)構(gòu)

圖2 壓力分布

1.2 威力巴結(jié)構(gòu)流量計(jì)算

威力巴流量計(jì)的工作原理是通過采集平均總壓與平均靜壓之差獲得氣體流速和流量。假設(shè)威力巴檢測桿迎風(fēng)區(qū)速度為V1（m/s），壓力為P1（Pa），威力巴檢測桿背部的流速為V2（m/s），背部壓力為P2（Pa），暫不考慮摩擦阻力、流體高度差等因素，根據(jù)伯努利方程計(jì)算：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3。

在實(shí)際環(huán)境中，迎風(fēng)區(qū)速度V1=0 m/s，由公式（1）可知：

因?yàn)棣=P1-P2，由公式（2）可知：

式中：ΔP為靜壓之差，Pa。

在實(shí)際環(huán)境中，由于氣體經(jīng)過威力巴檢測桿受截面形狀、尺寸、取壓孔位置等因素影響與理論值存在偏差，需要對(duì)使用系數(shù)K進(jìn)行修正，可知：

式中：V為實(shí)際工況流速，m/s。

管道內(nèi)體積流量計(jì)算，可知：

式中：QV為體積流量，m3/s；A為管道橫截面積，m2。

1.3 取壓孔的分布

目前均速管設(shè)計(jì)取壓孔分布時(shí)常用的方法有：等面積分布法、等流量分布法、高斯近似積分法、切比雪夫近似積分法等[3]，其中切比雪夫近似積分法使用較多。切比雪夫近似積分法的分布位置見表1。

表1 取壓孔位置分布

2 威力巴流量計(jì)應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品應(yīng)用

GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器采用威力巴檢測桿結(jié)構(gòu)，傳感器外殼采用304 不銹鋼材質(zhì)設(shè)計(jì)，上部儀表可350°旋轉(zhuǎn)；傳感器LED 顯示屏提供豐富的參數(shù)內(nèi)容，方便操作人員查詢；傳感器具備工況、標(biāo)況自動(dòng)換算、累計(jì)量自動(dòng)累計(jì)等功能；具備兩路RS485 通信功能，其中485-1 通信口上傳數(shù)據(jù)至管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，485-2 通信口上傳數(shù)據(jù)給控制器或就地顯示器。

為驗(yàn)證GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器的測量精度，選擇一臺(tái)DN200 規(guī)格瓦斯抽放多參數(shù)傳感器在臨界流文丘里噴嘴氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)中對(duì)工況流量準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，基于威力巴檢測桿結(jié)構(gòu)的GD3（B）瓦斯抽放多參數(shù)傳感器準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 應(yīng)用過程常見問題

甘肅大水頭煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用基于威力巴結(jié)構(gòu)的瓦斯抽放多參數(shù)傳感器（流量、溫度、壓力），傳感器具有較寬的量程范圍、可靠的測量準(zhǔn)確性，能較好地滿足抽采主、支、匯流管瓦斯流量監(jiān)測需求。但在安裝過程中需要注意一些安裝細(xì)節(jié)，避免因安裝原因造成測量偏差。主要注意點(diǎn)如下：

（1）選擇合適地點(diǎn)，確保傳感器安裝點(diǎn)的前直管段大于7D，后直管段大于3D。如傳感器安裝前方存在孔板、閘閥、蝶閥等嚴(yán)重影響氣流穩(wěn)定的設(shè)備時(shí)，前直管道應(yīng)大于20D。

（2）傳感器前方有法蘭接頭時(shí)，法蘭墊片易引起數(shù)據(jù)波動(dòng)，法蘭墊片不能突入管壁內(nèi)。

（3）目前抽采管道材質(zhì)、壁厚等因素造成實(shí)際內(nèi)徑與流量計(jì)廠家出廠參數(shù)存在偏差（廠家出廠默認(rèn)為取整），需要按實(shí)際內(nèi)徑進(jìn)行調(diào)整。

（4）避免安裝在低洼處，此處管道內(nèi)煤泥易淤積造成內(nèi)徑變小、流速偏高、流量測量出現(xiàn)較大偏差。

（5）正確選擇傳感器管徑，避免出現(xiàn)大尺寸傳感器安裝在小尺寸管道上，避免選用小管徑威力巴結(jié)構(gòu)作為通用型號(hào)使用。

2.3 與傳統(tǒng)流量計(jì)比較

綜合比對(duì)孔板、渦街、V 錐等流量傳感器在瓦斯抽采領(lǐng)域的測量準(zhǔn)確度、適應(yīng)性，孔板流量傳感器永久性壓損大，量程比小，節(jié)流件邊緣易磨損造成流出系數(shù)變化，維護(hù)保養(yǎng)不易拆裝[4]；渦街流量傳感器屬于點(diǎn)式流速測量，流量精度不高，對(duì)管道的震動(dòng)十分敏感，不適用于抽采管道流速及流場不穩(wěn)定以及有較多雜質(zhì)的煤層氣計(jì)量環(huán)境[5]；V 錐流量傳感器對(duì)前后直管段要求不高，測量準(zhǔn)確度高，不堵塞，流量下限低（定制），但永久壓損大，量程比小，管段式結(jié)構(gòu)造成運(yùn)輸、安裝、維護(hù)成本高；采用插入式設(shè)計(jì)的威力巴流量傳感器具有量程比大、幾乎無壓損、測量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的適應(yīng)性。

《山東煤炭科技》雜志2022 年訂閱單

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3 結(jié)語

基于威力巴結(jié)構(gòu)的瓦斯抽采流量傳感器在應(yīng)用過程中以其測量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)得到工程技術(shù)人員的好評(píng)，其插入式的安裝方式減少了現(xiàn)場安裝工作量和安裝成本，特殊的防堵特性大幅降低了被堵塞的幾率，有較好的推廣應(yīng)用前景。