淺談威力巴流量計的原理及應用

郭武奎

（甘肅靖遠煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913）

為提高安全生產水平，國家先后出臺多項政策，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或井下臨時瓦斯抽采系統，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控系統[1]。目前，應用于煤礦瓦斯抽采流量監測的傳感器種類較多，其中包括V 錐流量計、孔板流量計、渦街流量計、均速管流量計等。威力巴流量計是目前應用較多的一種均速管流量計，通過測量一條線上多個測點的流速實現流量的計量，其精確度高、穩定性好、壓損較小。但在實際使用過程中威力巴流量計因選址、安裝、維護等原因，容易造成監測數據的偏差。

1 威力巴流量計原理

1.1 威力巴結構

威力巴流量計的探頭采用子彈頭形狀設計，為單桿雙腔結構，多對取壓孔依據一定的規律分布在整個管道的剖面上[2]。檢測桿正前方為正壓取壓孔，檢測桿的兩側為低壓取壓孔。當氣體流經檢測桿時，在其前部產生一個高壓區，在檢測桿兩側產生一個低壓區。氣體在檢測桿后部產生低壓區但會出現漩渦，通過對高壓區與低壓區之間的差壓值進行測量，可以獲得平均速度所產生的平均差壓，如圖1、圖2。

圖1 威力巴結構

圖2 壓力分布

1.2 威力巴結構流量計算

威力巴流量計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。假設威力巴檢測桿迎風區速度為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，根據伯努利方程計算：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3。

在實際環境中，迎風區速度V1=0 m/s，由公式（1）可知：

因為ΔP=P1-P2，由公式（2）可知：

式中：ΔP為靜壓之差，Pa。

在實際環境中，由于氣體經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，需要對使用系數K進行修正，可知：

式中：V為實際工況流速，m/s。

管道內體積流量計算，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

目前均速管設計取壓孔分布時常用的方法有：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 威力巴流量計應用

2.1 產品應用

GD3（B）瓦斯抽放多參數傳感器采用威力巴檢測桿結構，傳感器外殼采用304 不銹鋼材質設計，上部儀表可350°旋轉；傳感器LED 顯示屏提供豐富的參數內容，方便操作人員查詢；傳感器具備工況、標況自動換算、累計量自動累計等功能；具備兩路RS485 通信功能，其中485-1 通信口上傳數據至管網監測系統，485-2 通信口上傳數據給控制器或就地顯示器。

為驗證GD3（B）瓦斯抽放多參數傳感器的測量精度，選擇一臺DN200 規格瓦斯抽放多參數傳感器在臨界流文丘里噴嘴氣體流量計檢定系統中對工況流量準確度進行測試。測試結果表明，基于威力巴檢測桿結構的GD3（B）瓦斯抽放多參數傳感器準確度高，性能穩定。試驗數據如表2。

表2 試驗數據

2.2 應用過程常見問題

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

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

（2）傳感器前方有法蘭接頭時，法蘭墊片易引起數據波動，法蘭墊片不能突入管壁內。

（3）目前抽采管道材質、壁厚等因素造成實際內徑與流量計廠家出廠參數存在偏差（廠家出廠默認為取整），需要按實際內徑進行調整。

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

（5）正確選擇傳感器管徑，避免出現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構作為通用型號使用。

2.3 與傳統流量計比較

綜合比對孔板、渦街、V 錐等流量傳感器在瓦斯抽采領域的測量準確度、適應性，孔板流量傳感器永久性壓損大，量程比小，節流件邊緣易磨損造成流出系數變化，維護保養不易拆裝[4]；渦街流量傳感器屬于點式流速測量，流量精度不高，對管道的震動十分敏感，不適用于抽采管道流速及流場不穩定以及有較多雜質的煤層氣計量環境[5]；V 錐流量傳感器對前后直管段要求不高，測量準確度高，不堵塞，流量下限低（定制），但永久壓損大，量程比小，管段式結構造成運輸、安裝、維護成本高；采用插入式設計的威力巴流量傳感器具有量程比大、幾乎無壓損、測量準確、結構簡單、維護方便等優點，具有較高的適應性。

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3 結語

基于威力巴結構的瓦斯抽采流量傳感器在應用過程中以其測量準確、結構簡單、維護方便等優點得到工程技術人員的好評，其插入式的安裝方式減少了現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，有較好的推廣應用前景。