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當(dāng)前位置:江蘇修明自動(dòng)化儀表有限公司>>技術(shù)文章>>孔板流量計(jì)在煤礦瓦斯抽采計(jì)量中的應(yīng)用
瓦斯抽采準(zhǔn)確計(jì)量是瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)的前提。由于抽采環(huán)境惡劣,高塵、高濕、高負(fù)壓,多數(shù)瓦斯流量傳感器使用中存在種種問題,常常需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì),而孔板流量計(jì)是zui傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)基準(zhǔn)。通過煤礦瓦斯抽采檢測(cè)計(jì)量?jī)x器的技術(shù)應(yīng)用及研究,在流量傳感器應(yīng)用過程中,發(fā)現(xiàn)孔板流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、操作方便,在煤礦瓦斯抽采檢測(cè)計(jì)量領(lǐng)域得以普遍應(yīng)用,應(yīng)用其他檢測(cè)流量的傳感器時(shí)還常常以孔板測(cè)量結(jié)果作為基準(zhǔn)[1]。在煤礦瓦斯抽采計(jì)量領(lǐng)域,煤礦普遍選擇標(biāo)準(zhǔn)孔板作為瓦斯抽采流量的計(jì)量手段,目前多依靠人工定期觀測(cè)“U”型差壓計(jì)的差壓水柱高度、用光學(xué)瓦檢儀檢測(cè)瓦斯?jié)舛?、?ldquo;U”型差壓計(jì)的差壓水銀柱高度測(cè)量負(fù)壓、用氣壓表測(cè)量當(dāng)?shù)卮髿鈮?、通過公式人工計(jì)算管道瓦斯標(biāo)況流量。但多個(gè)用戶因種種原因,并不能正確使用孔板流量計(jì)測(cè)量瓦斯流量,致使測(cè)量結(jié)果誤差特別大,無法與其他測(cè)量方式對(duì)比,根本不能作為檢測(cè)結(jié)果計(jì)量瓦斯流量[2-3]。常見問題有孔板選型、孔板制造、孔板安裝位置選取和安裝不符合要求、孔板計(jì)算等4類[4]。
1孔板在選型中的問題
常見孔板流量計(jì)的量程比為1:3~1:4。在此之間的流量值測(cè)量準(zhǔn)確性相對(duì)高。低于測(cè)量下限孔板自身誤差和人工讀取誤差加大,高于測(cè)量上限,孔板自身誤差加大,同時(shí)流體流過孔板的*壓力損失隨流體的速度平方急劇增大,導(dǎo)致抽采效率降低,能耗加大。人工孔板的理想水柱高差為10~100mm。孔板生產(chǎn)商常常通過調(diào)整孔板開孔比控制水柱高差范圍[5]。
用戶在選擇孔板時(shí),如果不清楚選型原則,將導(dǎo)致要么在孔板的測(cè)量下限,要么在孔板測(cè)量上限,嚴(yán)重影響計(jì)量準(zhǔn)確度。
因此選擇孔板需要根據(jù)檢測(cè)的流量大小設(shè)計(jì)合適的水柱差壓范圍。煤礦瓦斯抽采水柱差壓一般靠人工觀測(cè),常以mm為分度值,即肉眼能分辨的刻度線為毫米。由于瓦斯抽采流量是隨時(shí)波動(dòng)的,加之玻璃管內(nèi)水柱液面為凹面,所以水柱高差頂多能估讀到小數(shù)點(diǎn)后1位。因此5mm以下的水柱高差應(yīng)避免作為計(jì)量依據(jù)。
事實(shí)上,多個(gè)煤礦用戶因選型不當(dāng),或?qū)嶋H瓦斯抽采量比預(yù)期小得多時(shí),孔板水柱高差在0~1mm,甚至在0.2mm以下,觀測(cè)工直接把水柱高差計(jì)作1mm。導(dǎo)致誤差特別大。
在其他參數(shù)相同前提下,0.5mm水柱高被讀作1mm水柱高的誤差,經(jīng)計(jì)算約大實(shí)際值41.4%,即:
2孔板制造誤差造成的誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板制造尺寸及公差國(guó)家有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。煤礦一般選擇的標(biāo)準(zhǔn)孔板由制造商提供。實(shí)際上部分制造商在加工孔板時(shí)認(rèn)為孔板簡(jiǎn)單,煤礦用戶也不具備檢驗(yàn)和試驗(yàn)條件,常常尺寸和形位公差控制不嚴(yán)格,也不具備標(biāo)定條件,尺寸超差嚴(yán)重,進(jìn)口處倒角誤差較大[6],也能通過驗(yàn)收,導(dǎo)致制造造成孔板誤差。
3孔板安裝位置選擇造成的誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板安裝有一定的要求[7-8]:
1)直管段要求,按計(jì)算書計(jì)算出安裝孔板時(shí)要求的前后直管段長(zhǎng)度,通常為前20D后10D(D是指孔板的通徑)安裝節(jié)流裝置[9-10]。
2)直流件裝置在管道中,其前端面必需與管道軸線垂直,允許的zui大不垂直度不得超越±1°。
3)節(jié)流件裝置在管道中后,其開孔必需與管道同心,其允許的zui大不同心度ε不得超越:ε≤0.015D(1/β-1)。
4)墊片不能用太厚的材料,不超過0.5mm,墊片不能突出管壁內(nèi),否則會(huì)引起很大的測(cè)量誤差。
5)調(diào)節(jié)流量用的閥門,應(yīng)裝在節(jié)流件前后zui小直管段長(zhǎng)度以外?,F(xiàn)場(chǎng)孔板常常因位置狹小,造成前后水平直管段長(zhǎng)度滿足不了前20D后10D的要求,閥門的位置距離孔板也不滿足要求。由于井下管道安裝條件差,直流件、節(jié)流件及墊片使用誤差會(huì)超過要求。導(dǎo)致孔板測(cè)量誤差加大。安裝方式及要求如圖1。
實(shí)際工作中,由于人工孔板監(jiān)測(cè)靠人工每隔一段時(shí)間讀數(shù)1次,把每次計(jì)算出的數(shù)據(jù)作為這個(gè)時(shí)間段的平均流量,而實(shí)際瓦斯抽采過程中抽采參數(shù)隨時(shí)存在波動(dòng),1個(gè)瞬時(shí)流量代表1個(gè)波動(dòng)流量,畢竟存在較大誤差;多個(gè)煤礦逐步使用在線流量傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)計(jì)量瓦斯抽采參數(shù);考慮到在線流量傳感器也也需要周期校準(zhǔn),一般仍保留人工孔板流量計(jì)做周期比對(duì)用。常見有以下2種安裝方式(圖2、圖3)。
比較2種布置方式,可以分析出后者存在一定的問題:
1)2種流量檢測(cè)方式做對(duì)比時(shí)必須先做其中1個(gè),后做另外1個(gè),無法做到同步。
2)氣流經(jīng)過的路徑不同,沿程和局部阻力損失不一樣,造成同樣的抽采條件,經(jīng)過2種流量計(jì)的流量大小不同。
3)做孔板計(jì)量時(shí),只能關(guān)閉在線流量傳感器前端的閥門,在線流量傳感器監(jiān)測(cè)流量為0,且持續(xù)1個(gè)孔板對(duì)比時(shí)間,造成抽采量計(jì)量損失。
4)需要開閉至少上下2個(gè)閥門,增加了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量。
而前者即串聯(lián)式布置,不存在上述問題,因此推薦串聯(lián)布置方式。
4孔板計(jì)算
孔板計(jì)算在煤礦瓦斯抽采檢測(cè)領(lǐng)域一直有多個(gè)方法,但基本歸結(jié)2大類:
1)MT/T642—1996管道瓦斯抽放綜合參數(shù)測(cè)定儀技術(shù)條件規(guī)定了瓦斯抽采標(biāo)準(zhǔn)狀況混合流量計(jì)量計(jì)算公式為[11]:
式中:QH為管道混合氣體流量,m3/min;Kk為孔板系數(shù),Pa-0.5m3/min;△hk為孔板前后端壓差,Pa;δx為瓦斯?jié)舛刃U禂?shù);δp為壓力校正系數(shù);δT為溫度校正系數(shù);x為混合氣體中瓦斯?jié)舛?,%;pJ為管道內(nèi)氣體壓力,Pa;t為氣體溫度,℃。
式中:Qc為標(biāo)況純流量。
這是業(yè)內(nèi)通用的計(jì)算公式。
2)在很多煤礦用戶,常常使用該公式的簡(jiǎn)易公式計(jì)算混合流量,如下:
采用該公式,如果用于測(cè)量常壓下通風(fēng)管路,誤差倒不太大。但是用在瓦斯抽采的負(fù)壓側(cè),計(jì)算出的流量值與實(shí)際標(biāo)況流量值偏差將很大。
5案例
案例:某礦地面泵站使用孔板流量計(jì),孔板水柱差壓為225mmH2O(1mmH2O=9.8Pa),管道負(fù)壓為-28.4kPa,濃度23%,溫度18℃;當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?4kPa,管道為DN600,孔板系數(shù)為10.6176。試計(jì)算標(biāo)況混合流量和純流量?
計(jì)算過程如下:
1)絕壓
pJ=當(dāng)?shù)卮髿鈮海艿镭?fù)壓=94-28.4=65.6kPa
2)壓力修正系數(shù)。
以下將壓力、濃度及溫度在流量計(jì)算中不修正引起的流量誤差做一匯總(表1)。
因此,對(duì)于瓦斯抽采用人工孔板計(jì)量比對(duì),標(biāo)況流量計(jì)算必須考慮壓力、濃度、溫度的修正系數(shù)。
作為在線計(jì)量的各種流量傳感器,一般要求流量誤差不大于±3%F.S.。如不對(duì)孔板按照標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算,其偏差將動(dòng)輒在10%以上,將失去對(duì)比意義。
6人工對(duì)比常見問題
煤礦瓦斯抽采計(jì)量常常需要對(duì)比多種儀器的測(cè)量值,以掌握傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
由于瓦斯抽采工況的波動(dòng)性,對(duì)比工作應(yīng)遵循同點(diǎn)同時(shí)的原則,即應(yīng)將2種以上傳感器安裝在相近位置,同時(shí)進(jìn)行取樣和對(duì)比,才能得到較真實(shí)的對(duì)比結(jié)果。
由于孔板流量計(jì)算涉及到壓力和濃度修正,因此應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量瓦斯的濃度和壓力。
測(cè)量瓦斯?jié)舛瘸R姷膯栴}有:
1)管道內(nèi)濃度低于10%,卻選擇高濃度光學(xué)瓦斯鑒定器測(cè)量,造成測(cè)量量程誤差。
2)高負(fù)壓狀態(tài)應(yīng)用抽氣筒多次抽取氣樣,卻用常壓下使用的橡膠吸氣球取氣,造成取樣誤差。
3)差壓較小時(shí),用水銀柱而不是用水柱測(cè)量差壓,造成誤差。
4)估計(jì)而非測(cè)量當(dāng)?shù)卮髿鈮?,?jì)算管道氣體絕壓時(shí)形成誤差。
7孔板維護(hù)中存在的問題
孔板處于完好狀態(tài)是孔板準(zhǔn)確計(jì)量的前提。但現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)經(jīng)常存在以下幾個(gè)問題:
1)孔板系數(shù)因管理不善被記錯(cuò)誤用。
2)由于瓦斯抽采管道塵大、水大,孔板前端常積水、積塵、積存大量雜物,使得孔板系數(shù)嚴(yán)重失真。
3)孔板一旦安裝,大部分會(huì)在井下長(zhǎng)期使用??装逶谕咚怪袎m粒及碎煤屑的長(zhǎng)期高速?zèng)_刷之下,孔板內(nèi)孔前緣的銳角將會(huì)被打磨成圓角,孔板表面的粗糙度將會(huì)變大,將會(huì)造成孔板系數(shù)顯著變化。但用戶做不到定期在實(shí)驗(yàn)室里重新核定孔板系數(shù)。常用進(jìn)廠時(shí)孔板廠家提供的原始孔板系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
上述情況造成孔板計(jì)量流量誤差加大。
8結(jié)語
孔板計(jì)量瓦斯流量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,計(jì)量穩(wěn)定;但真正用好,做到長(zhǎng)期準(zhǔn)確計(jì)量,需要嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范選型、安裝、使用,同時(shí)要掌握準(zhǔn)確的孔板系數(shù),計(jì)算必須進(jìn)行各種修正。管理上必須進(jìn)行正常維護(hù),定期清理孔板及管道內(nèi)的積塵、雜物,對(duì)于容易積水的孔板位置,應(yīng)安裝自動(dòng)放水器。定期進(jìn)行孔板系數(shù)的驗(yàn)證。對(duì)于超過一定年限的孔板,應(yīng)及時(shí)報(bào)廢處理。因此應(yīng)引起瓦斯抽采檢測(cè)專業(yè)人員的高度重視。
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