瓦斯抽放是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，瓦斯抽放監(jiān)控及利用是確保瓦斯抽放安全、提高瓦斯抽放效率和瓦斯利用率的重要途徑和有效手段。瓦斯利用為瓦斯抽放系統(tǒng)帶來(lái)了廣闊的市場(chǎng)，并對(duì)流量的測(cè)量亦有了很高的要求。流量測(cè)量裝置配備在井下移動(dòng)泵、地面抽放泵的正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)，目前主要使用的是孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)這2款測(cè)量裝置本身存在很大不足，孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度差，而且對(duì)泵的抽放效率有很大影響，渦街流量計(jì)本身對(duì)振動(dòng)非常敏感，煤礦的工況條件很大程度上影響了渦街測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)這2種流量計(jì)的安裝需要很長(zhǎng)的直管段，很多時(shí)候工況條件難以滿足。目前，煤礦急需一種測(cè)量精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，安裝維護(hù)方便的測(cè)量設(shè)備。V錐流量計(jì)以其獨(dú)特的性能非常適合于煤礦瓦斯抽放環(huán)境。

 

    1 V錐流量計(jì)在瓦斯管道氣體測(cè)量方面的特點(diǎn)

 

    通過(guò)對(duì)瓦斯管路抽放氣體和瓦斯抽放泵現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的分析，結(jié)合V錐流量傳感器本身的特性分析，V錐流量傳感器是一款非常適合瓦斯管道氣體測(cè)量的流量計(jì)［1－4］，它的以下特點(diǎn)決定了它非常適用于瓦斯管道氣體的測(cè)量。

 

    （1）±0.5%的測(cè)量準(zhǔn)確度（在多數(shù)標(biāo)定的V錐流量計(jì)中流出系數(shù)的不確定度不超過(guò)0.4%）。這樣高的精度是孔板等傳統(tǒng)差壓儀表所不能相比的；量程比10～15∶1。

 

    （2）在使用安裝時(shí)，只需要極短的直管段甚至不需要，前面1（0）～3D，后面0～1D。（在調(diào)節(jié)閥后安裝時(shí)需要3D的直管，D為管路直徑）。      

 

    （3）具有極高的測(cè)量靈敏度（分辨率），負(fù)壓端約25Pa的壓力（水柱高度還不到普通玻璃板的厚度）就可以檢測(cè)到。因而除了測(cè)量大流量外還可測(cè)量極小的流量，如煙道氣等。

 

    （4）V錐體被設(shè)計(jì)成吹掃型結(jié)構(gòu)，因而具有自清潔功能，因此不會(huì)堆積截留流體中挾帶的任何臟污物、凝固體、固體、氣液等。非常適合測(cè)量臟污的流體。

 

    （5）流體流過(guò)具有特殊形狀結(jié)構(gòu)的V錐體時(shí)，會(huì)在其節(jié)流邊緣處形成邊界層效應(yīng)，因此極大地減少了磨損的可能性，因此V錐型流量計(jì)投入使用后，除極特殊條件外，它的節(jié)流邊是不會(huì)被磨損得，也可以說(shuō)是免拆卸標(biāo)定的。

 

    （6）無(wú)可動(dòng)部件，不含任何電器件，是一個(gè)純機(jī)械體，具有不怕震動(dòng)、耐高溫、高壓、防腐等特點(diǎn)。也就是說(shuō)：它既有傳統(tǒng)差壓式儀表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠之特點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)差壓式所不具備的各項(xiàng)優(yōu)越性能。

 

    （7）壓損小，相比于孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)有明顯的節(jié)能效果。

 

    2 V錐流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的誤差計(jì)算

 

    2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差處理方法

 

    對(duì)3臺(tái)V流量傳感器進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定系數(shù)k為8690。表1為實(shí)流標(biāo)定時(shí)所測(cè)得的參數(shù)。

 

表1 標(biāo)定參數(shù)

 

 

 

    結(jié)合以上標(biāo)定數(shù)據(jù)，分析各變量對(duì)流量計(jì)算值的影響，并計(jì)算出各變量對(duì)計(jì)算值影響的大小，從而可以有針對(duì)性的處理生產(chǎn)和測(cè)量過(guò)程中引入的誤差，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。并重點(diǎn)觀察引入甲烷濃度測(cè)量對(duì)真實(shí)值的影響。

 

    首先選取測(cè)試條件，在這里對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀況及其工況簡(jiǎn)單加以說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)狀況通常是指溫度為0℃（273.15K）和壓強(qiáng)為101.325kPa的情況；工況是指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)所處的環(huán)境狀況，需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。為了更貼近實(shí)際使用環(huán)境，選取工況狀況進(jìn)行計(jì)算，在溫度為20℃，大氣壓力為101.325kPa狀況下空氣的密度為1.2041kg/m3，甲烷密度0.6669kg/m3狀況，工況下體積流量Qv的計(jì)算式［5］如下：

 

        （1）

 

    式中  Qv———工況體積流量，m3/h

 

    k———系數(shù)；

 

    △p———差壓值，kPa；

 

    ρ———密度，kg/m3。    

 

    系數(shù)k與節(jié)流件形式（流束收縮系數(shù)）、直徑比、取壓方式、雷諾數(shù)及其管道粗糙度等有關(guān)，計(jì)算公式如下：

 

        （2）    

 

    式中  k———系數(shù)；

 

    C———流出系數(shù)；

 

    ε———壓縮系數(shù)，液體ε=1；

 

    β———直徑比；

 

    D———管道內(nèi)徑，mm；

 

    d———錐體最大處直徑，mm。    

 

    Qv是一個(gè)含有多元變量的計(jì)算公式，其中系數(shù)k、差壓值△p、密度ρ都是其中的變量，而系數(shù)k又受到多種因素的影響，在這里把系數(shù)k當(dāng)做單獨(dú)的變量處理，這樣更有利于誤差分析。因此式（1）是一個(gè)含有3個(gè)自變量的函數(shù)。    

 

    從誤差處理角度進(jìn)行分析，當(dāng)f為多元函數(shù)時(shí)，例如，計(jì)算A=f（x1，…，xn）。如果x1，…，xn的近似值為x1*，…，xn*，則A的近似值為A*=f（x1*，…，xn*），由泰勒展開(kāi)得函數(shù)值的誤差e（A* ）為：

 

        （3）

 

    誤差限 （4）

 

    而A*的相對(duì)誤差限為：

 

        （5）

 

    2.2 系數(shù)k誤差10%且無(wú)密度修正時(shí)的誤差計(jì)算

 

    據(jù)誤差處理公式，可得：f（k，ρ，△p）=Qv=k根據(jù)表1所給出的數(shù)據(jù)，對(duì)誤差值進(jìn)行簡(jiǎn)單的估算，計(jì)算出k、△p和ρ所產(chǎn)生的誤差對(duì)真實(shí)值的影響。

 

    在實(shí)際的生產(chǎn)和測(cè)量過(guò)程中，k、△p和ρ3個(gè)數(shù)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的誤差，由于測(cè)量手段及工具的有限，不可能得到真實(shí)值，因此只能估算出測(cè)量值與真實(shí)值的誤差，在這里將系數(shù)k所產(chǎn)生的誤差估算為10%，△p所產(chǎn)生的誤差估算為5%，密度ρ產(chǎn)生的影響是計(jì)算的重點(diǎn)，瓦斯抽放管路作業(yè)時(shí)，密度本身隨著瓦斯抽放進(jìn)度不斷變化，因此設(shè)置2種情況，一種情況是在測(cè)量過(guò)程中不斷對(duì)甲烷的測(cè)量調(diào)整密度參數(shù)，提高其準(zhǔn)確性，綜合測(cè)量工具等方面的影響，將誤差擴(kuò)大，相對(duì)誤差限為2%；另一種情況是不進(jìn)行密度計(jì)算和修正，這樣產(chǎn)生的誤差相對(duì)較大。

 

    例如：工況下空氣的密度為1.2041kg/m3，甲烷密度0.6669kg/m3，甲烷含量是20%時(shí)，瓦斯氣體密度為1.09666kg/m3；甲烷含量是40%時(shí)，瓦斯氣體密度為0.98922kg/m3；甲烷含量接近于0時(shí)，瓦斯氣體密度為1.2041kg/m3，則：

 

    甲烷含量40%的甲烷密度與甲烷含量20%的甲烷密度所產(chǎn)生的誤差為0.10744；甲烷含量0%的甲烷密度與甲烷含量20%的甲烷密度所產(chǎn)生的誤差為0.10744。

 

    相對(duì)誤差限為：0.10744÷1.09666=9.8%。

 

    利用公式計(jì)算誤差e（A*）為：

 

    

 

    于是絕對(duì)誤差限ε（A*）≈2499.005

 

    k系數(shù)產(chǎn)生的誤差占誤差比為：

 

    1584.812÷2499.005=63.42%

 

    △p產(chǎn)生的誤差占誤差比為：

 

    293.386÷2499.005=11.74%

 

    ρ產(chǎn)生的誤差占誤差比為：

 

    620.807÷2499.005=24.84%

 

    相對(duì)誤差限：

 

    

 

    同理，可以進(jìn)行系數(shù)k、差壓△p、密度ρ誤差均為10%時(shí)的誤差計(jì)算；系數(shù)k誤差10%、密度ρ誤差2%時(shí)的誤差計(jì)算；系數(shù)k誤差5%、密度ρ誤差2%時(shí)的誤差計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

 

表2 誤差計(jì)算表

 

 

 

    2.3 誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

 

    從表2中可以看出。在系數(shù)k、差壓△p、密度ρ本身存在10%誤差的情況下，相對(duì)誤差限達(dá)到了23.90%；而在估算的系數(shù)k誤差10%、差壓△p誤差5%、密度ρ誤差9.8%的誤差情況下，相對(duì)誤差限是21.29%；在提高技術(shù)及其工藝的情況下，系數(shù)k誤差5%、差壓△p誤差2%、密度ρ誤差2%時(shí)，相對(duì)誤差限為8.83%?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

 

    （1）在k、△p、ρ誤差均為10%時(shí)，k系數(shù)產(chǎn)生的誤差對(duì)最終計(jì)算結(jié)果影響最大，其次為密度ρ，差壓△p最小。

 

    （2）利用估算的密度計(jì)算工況流量時(shí)，只考慮甲烷氣體濃度變化20%的情況下，誤差依舊非常大，相對(duì)誤差限可以達(dá)到21.29%。

 

    （3）在k、△p、ρ誤差分別為5%、2%、2%時(shí)，即利用密度的調(diào)整來(lái)進(jìn)一步提高數(shù)值準(zhǔn)確性的情況下，相對(duì)誤差限可以達(dá)到8.83%。

 

    （4）系數(shù)k減小誤差是最為有效的提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方式，通過(guò)系數(shù)k從10%的誤差提高到5%的誤差，可將相對(duì)誤差限從15.58%提高到8.83%。

 

    （5）通過(guò)引入甲烷濃度測(cè)量修正密度數(shù)據(jù)是行之有效的提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方法，甲烷濃度的測(cè)量使得誤差可以從9.8%減小為2%以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差限可以從21.29%提高到15，58%。

 

    （6）從生產(chǎn)和技術(shù)的可操作性方面進(jìn)行對(duì)比，引入甲烷濃度修正密度數(shù)據(jù)是易于實(shí)現(xiàn)且非常有效的提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方式。

 

    3 結(jié)語(yǔ)

 

    針對(duì)V錐流量計(jì)在煤礦管道瓦斯計(jì)量方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了V錐流量計(jì)算公式中系數(shù)k、差壓值△p、密度ρ本身的測(cè)量誤差對(duì)流量計(jì)算結(jié)果的影響，并通過(guò)計(jì)算不同狀況下的系數(shù)k、差壓值△p、密度ρ的誤差大小變化，分析其本身對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，得出k系數(shù)影響最大，引入實(shí)時(shí)密度測(cè)量更容易提高測(cè)量準(zhǔn)確性的結(jié)論。并通過(guò)對(duì)生產(chǎn)加工V錐體的工藝改進(jìn)以及通過(guò)引入瓦斯?jié)舛葴y(cè)量校正密度值，進(jìn)而使得流量測(cè)量的準(zhǔn)確性大大的提高。

 

    V錐流量計(jì)現(xiàn)已在山西、遼寧、黑龍江等地開(kāi)始使用，其測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較之前流量計(jì)有明顯提高，節(jié)能效果顯著。與此同時(shí)，隨著測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步豐富，將進(jìn)一步提高V錐流量計(jì)的性能，使得其測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，推進(jìn)V錐流量計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

 

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