旋進漩渦流量計在瓦斯抽采自動計量系統中的應用

顧成常 呂德月 曹海彬

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

1 引言

伴隨著鉆孔和抽采技術的不斷進步，對自動計量系統準確性和實用性的要求越來越高。常規的孔板流量計已經不能滿足實時性和復雜計算的要求，在抽采管路上安裝自動計量裝置，利用監控系統實時傳輸管道瓦斯濃度、壓力、溫度、流量等數據是較好的選擇，能為瓦斯抽采提供數據支持。因此測量的準確性，安裝方便性、安全可靠性，對井下環境的適應性是選取計量裝置的關鍵。

2 工作原理及特點

2.1 工作原理

旋進漩渦流量計主要由起旋器、文丘里管、消旋器和檢測元件組成。其結構原理如圖1所示，外形如圖2所示，當流體流進旋進漩渦流量計后，在起旋器的作用下，被強制圍繞中心線旋轉，產生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節流后，使漩渦流加速，當通過擴散段時，漩渦中心沿一錐形旋線進動。此時，由兩個壓電傳感器檢測到的進動頻率信號經前置電路放大，濾波，整形后轉換為兩路與流速正比的脈沖信號，經積算儀中處理電路進行相應的比較和判斷，并剔除外來干擾信號后，正常的流量信號與溫度，壓力傳感器檢測到的信號一起送入智能流量積算儀進行運算處理，并把流體的體積流量和總量直接顯示于LCD屏上。

圖1 旋進漩渦流量計原理圖

2.2 主要特點

旋進漩渦流量計為速度型流量傳感器，對環境條件要求少、結構簡單、安裝方便，出廠前各種參數經嚴格校正標定，無需用戶現場設置，確保其在現場使用中的穩定性，可完全替代孔板流量計。其主要特點如下:

圖2 旋進漩渦渦流量計外形圖

能自動、準確地檢測介質的溫度、壓力、流量與濃度，并對流量進行自動補償和壓縮因子自動修正，可直接檢測氣體的標準體積流量，精度可達±1%;采用高性能微處理器，軟件功能強大，性能優越;采用微功耗高新技術，憑內、外電源均可工作;無機械可動部件，耐腐蝕性強，可靠性高，穩定性好，維修量少;量程比寬，可達1∶15以上，國外一些產品的量程比可達1∶25;

3 旋進漩渦流量計在瓦斯單孔測量中的應用

3.1 應用實例

煤礦瓦斯抽采時，單個鉆孔的流量在0.01～0.5m3/min之間。由于流量小，能直接測量的流量傳感器較少。旋進漩渦流量計能實現井下測量，根據《淮南礦業集團瓦斯抽采管理規范》的要求，潘一東礦根據現場實際情況選擇適用于低流速、低流量的寧波創盛CX-50型旋進漩渦流量計進行了單孔流量、溫度、壓力及濃度的在線考查。圖3為監控頁面顯示的旋進漩渦單孔流量計的數值。由圖可知，該型號旋進漩渦流量計最低可測量混合流量為0.01m3/min，測量精度高。圖4為旋進漩渦型流量計捕捉到的流量變化曲線，實時監測流量變化，由圖4可看出選進漩渦流選進量計對流量變化的靈敏度較高。

測量單孔流量過程中，由于CX-50型旋進漩渦型流量計體積小，重量輕，可任意角度安裝，給單孔計量帶來了很大的方便，并且其考察的單孔流量曲線變化靈敏，為通風地測部門提供了有效的數據支持。

圖3 左鉆場231#測量數據

3.2 測量準確性及穩定性驗證

為驗證旋進漩渦流量計測量的準確性和穩定性，將其測得的數據與相同環境下孔板流量計測得的數據進行對比分析，通過計算兩種流量計測得數據的平均數和方差來驗證其準確性和穩定性。分析安裝在同一管路上，相距10m的旋進漩渦流量計和孔板流量計現場檢測數據，表1和表2分別為中央變電所回風聯巷鉆場左抽采管路數據和西一11煤回風下山鉆場抽采管道數據，為排除人員的慣性思維安排不同人員采集數據。

圖4 流量變化曲線

表1 中央變電所回風聯巷鉆場左抽采管路數據

表中:K——孔板流量計的系數

△H——壓差，mmH2O

P——壓力，MPa

T——溫度，℃

X1——人工測得的高濃瓦斯濃度

X2——管道高濃瓦斯傳感器測得的瓦斯濃度

孔板Q混——利用淮南礦業集團管道混合流量統一公式計算得出的結果

CX旋進Q混——旋進漩渦流量計測得的數據

通過計算上述兩種流量計測量數據的平均數和方差，來確定流量計穩定性，方差越小，表明測量穩定性越高。

以第一組數據為例進行計算，應用簡易公式計算:

應用淮南礦業集團統一公式進行計算:

CX-200旋進漩渦流量計測得的數據為3.35，可知2.85＜3.35＜3.45。

旋進漩渦流量計所測得的Q混值介于簡易公式計算結果和淮南礦業集團統一公式計算的結果之間，數據可靠，具有一定的準確性。

孔板Q混的平均數

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

CX旋進Q混的平均數

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

剔除個別樣本的隨機噪聲干擾，旋進漩渦流量計所測得的Q混的平均數與孔板流量計測得數據相近。

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

在討論方差的過程中，近似認為二者平均數一致，孔板Q混的方差4.51小于CX旋進Q混的方差5.53，故孔板流量計測量數據的穩定性略優于旋進漩渦流量計。

表2 西一11煤回風下山鉆場抽采管道數據

孔板Q混的平均數

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

CX旋進Q混的平均數

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，剔除個別樣本的隨機噪聲干擾，旋進漩渦流量計所測數據的平均值接近孔板流量計所測數據的平均值。

孔板Q混的方差S2=19.50

CX旋進Q混的方差S2=21.61

孔板Q混的方差19.50小于CX旋進Q混的方差21.61。孔板流量計的測量數據的穩定性略優于旋進漩渦流量計。

由于孔板流量計是目前瓦斯抽采系統中應用最廣泛的流量計，而旋進漩渦流量計穩定性略遜于孔板流量計，方差結果的差別不大，說明旋進漩渦的數據穩定性良好。孔板流量計對微小的變化不靈敏，而旋進漩渦流量計精確到0.01m3/min，并通過流量數據曲線實時監測流量變化，對流量變化的靈敏度高。

5 結論

瓦斯抽采自動計量系統中，對計量裝置適應性，可靠性，測量結果的穩定性和準確性要求非常高，旋進漩渦流量計結構簡單，安裝方便，適應性強，性能可靠，可移植性強，運行結果及在實際應用中表明，旋進漩渦流量計測量結果準確，可以任意角度安裝，解決了因儀器安設不水平帶來的數據誤差。可以為瓦斯抽采提供準確的數據支持，具有一定的理論價值和推廣意義。

［1］林柏泉，張國建.礦井瓦斯抽放理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1996.

［2］孫繼平.礦井安全監控系統［J］.煤炭工業出版社，2006，3.

［3］余曉冬.旋進旋渦流量計工作原理及應用［J］.計量技術，2006(03).