气体腰轮流量计在煤矿瓦斯流量计量中的应用

针对煤矿瓦斯抽采钻场、支管等抽采流量小、波动大、直管段长度受限制的区域，介绍了一种气体腰轮流量计。 文章简述了其工作原理和结构特点，并通过现场试验证明其在煤矿井下钻场和支管等区域计量中的适应性。

0.引言

随着国家对煤矿瓦斯抽采达标考核的要求，煤矿瓦斯抽采计量越来越受到煤矿开采企业的重视，由只考虑抽采总管的粗放型计量，逐渐实行煤矿开采区域计量，并建立瓦斯抽采评价单元，计量仪表逐渐向抽采的源头 —钻场和抽采支管延伸。

但煤矿开采钻场和源头支管内瓦斯流量较小， 低流速低于0．8m ／ s， 流量受抽采系统工作状态影响较大， 波动范围比可达 1：20，

而且直管段长度受限制； 因此，这些工况条件对计量设备的选择具有严格要求。 目前，由于煤炭企业基础研究薄弱，他们在选择流量计量仪表时比较盲目，往往是听从仪表生产厂家的宣传，并将一种流量仪表遍布于井下各个场所。 这样造成了测量精度的降低、安装方面的不便和其它能耗方面的损失。 我们必须根据钻场和支管瓦斯流量的特点，合理的选择流量检测原理和检测仪表。 本文介绍了一种运用容积式测量原理的气体腰轮流量计，它具有始动流量小、 量程比宽、计量精确度不受压力和流量变化的影响， 且流量计前后不需要直管段、 适合安装在环境狭隘场合、工作稳定可靠、 结构简单的特点，通过现场运用了解其性能。

1.工作原理

1 中，气体腰轮流量计由智能流量转换器、 流量传感器、压力感器、温度传感器、气体腰轮流量计（机械）5 个部分组成；

气体腰轮流量计（机械）工作原理如下：装于计量室内的一对共轭转子在流通气体的出入口压差

转子与墙板间保持最佳工作间隙，实现了连续的无接触密封。 转子每转动一周，则输出四倍计量室有效容积的气体，转子的转数通过磁性密封联轴装置及减速机构，传递到智能流量转换器，从而显示输出气体的累计体积量。 其计量过程和工作原理见图2（图 2 中仅表示了 1/4 周期）。

智能流量转换器工作原理如下：智能流量转换器由温度和压力检测模拟通道、流量传感器通道以及微处理器单元组成，并配有外输信号接口，输出各种信号。 智能流量转换器中的微处理器按照气态方程进行温压补偿，并进行压缩因子修正，气态方程如下：

（m3 ／ h）；

Pg： 流量计压力检测点处的表

压（kPa）；

Pa：当地大气压（kPa）；

Tg：介质的绝对温度（273．15＋t）

（K）；

t： 被测介质温度（℃）；

Zn：标准状态下的压缩系数；

Zg：工作状态下的压缩系数；

Tn： 标 准 状 态 下 绝 对 温 度

（273．15＋20）（K）；

Pn： 标 准 大 气 压 （101．325 kPa）；

P：P＝ Pa＋ Pg。

注： 对于天然气 Zn ／ Zg ＝Fz2，Fz称为超压缩因子，本产品按中国石油 天 然 气 总 公 司 的 标 准 SY ／

T6143－1996 中的公式进行计算。

现场应用适应性分析

2．1 流量计适应性分析

煤矿井下钻场为整个抽放系统的源头， 钻场数量众多， 而每个钻场包括的钻孔数量更是庞大，基本都在几百个以上，因此钻孔导流支管数量同样巨大， 而且管径较小，多数为 DN50 或 DN100。 钻场管道布置根据现场条件而变化，并不规则， 受场地空间限制， 直管段距离短，无法得到充分发展的稳定流场；管内流量和流场受其它抽放环节工况条件影响，所以随着抽采进度的发展，钻场支管内流量的工况条件也会实时变化。

以上客观条件是钻场瓦斯流量计量的难题， 解决好上述问题，就是我们选择流量计的关键。

气体腰轮流量计是集流量、温度、 压力检测功能于一体， 并能进行温度、压力自动补偿的新一代流量计，该流量计基于容积式测量原理，用于精确计量流经封闭管道的气体总量。 流量计基型由腰轮流量传感和流量积算仪（二次表）两部分组成。 该流量计采用先进的单片机技术和微功耗高新技术，能对被测介质进行压力机内设置和温度自动跟踪补偿运算，并直接显示标准状态下（P0 ＝101．325kPa，T0 ＝293．15K）的体积总量。 气体腰轮流量计前后不需要直管段、适合安装在环境狭隘的场合， 它具有始动流量小、量程比宽、计量精确度不受压力和流量变化的影响， 工作稳定可靠、结构简单，适合计量流场变动大的气体流量。

2．2 现场运行情况分析

本 文 中 气 体 腰 轮 流 量 计 于2015 年 5 月在煤矿现场底板瓦斯抽采巷钻场进行分单元抽采在线监测计量。 该钻场尺寸为 4．8m × 4．6m×3．5m （长×宽× 高 ）， 钻场内设计布置钻孔 58 个， 钻孔布置密度为 5m×5m， 控制煤层范围为 35m×50m（工作面走向×工作面倾向）。 该钻场钻孔通过胶管将气体集中汇聚到汇气箱里面，汇气箱上部引出一根塑料管道进入抽采支管路，形成整个分单元抽采支管路。 该钻场具有井下抽采钻场的所有特点且尤其突出， 钻孔出水量大、 固体杂质多、管径小、流量小、 浓度高、 变化快且变化幅度大。

流量计运行至今已有一年有余， 整个运行期间设备工作正常，期间进行了多次数据测量对比，对比流量计采用便携式毕托管流量计，部分测量比对结果记录如下：

从测量数据比较可以看出，气体腰轮流量计能够长期进行稳定准确的测量，在小流量测量段能够保持较高的精度，具有较宽的量程范围， 适应现场恶劣的环境， 能够很好的适应钻场瓦斯流量的检测。

3.结论

气体腰轮流量计测量下限低，精度高，适用于恶劣的煤矿井下钻场管道环境中，能够满足煤矿钻场瓦斯流量的准确计量。 通过现场试验、 对比测量数据、观察长期稳定性得知，该流量计能够满足煤矿钻场及小管径小流量区域计量的要求，适合煤矿瓦斯流量计量。