瓦斯抽采工作是一項(xiàng)環(huán)節(jié)精細(xì)、工序復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 在整個(gè)工藝流程中出現(xiàn)任何細(xì)小差錯(cuò), 都將造成前功盡棄, 抽采零效果。抽采流量計(jì)量是瓦斯抽采的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié), 是衡量抽采鉆孔施工、封孔質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。鄭煤集團(tuán)楊河煤業(yè)的瓦斯抽采系統(tǒng)干、支管路均采用孔板流量計(jì)計(jì)量管道氣體流量, 孔板流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、性能穩(wěn)定、使用可靠的特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采計(jì)量工作。

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易計(jì)算, 占天然氣貿(mào)易計(jì)量的50%左右。其原因在于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 操作方便、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定且無(wú)需標(biāo)定。這些優(yōu)點(diǎn)使得標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)在燃?xì)夤艿赖挠?jì)量中被大量使用[1-11]。

從20世紀(jì)30年代開(kāi)始, 美國(guó)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10余年研究, 研究的項(xiàng)目高達(dá)14項(xiàng), 主要針對(duì)氣體流量測(cè)量的孔板流量計(jì)的各種問(wèn)題, 如:制造安裝問(wèn)題和使用問(wèn)題等, 開(kāi)展了試驗(yàn)研究并獲取了大量的數(shù)據(jù)資料。20世紀(jì)80~90年代, 歐美等均對(duì)孔板流量計(jì)展開(kāi)了大規(guī)模試驗(yàn), 對(duì)其進(jìn)行研究。這些試驗(yàn)的目的均為修正孔板流出因素的數(shù)據(jù)庫(kù), 是孔板流出系數(shù)公式的基礎(chǔ)。陳家慶等曾通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)中引入數(shù)值模擬, 將孔板流量計(jì)模擬成三維的空間模型, 通過(guò)流場(chǎng)分析了流量變化對(duì)流出系數(shù)的影響, 然后再將其與經(jīng)驗(yàn)公式得出的流出系數(shù)值相比較得出流量變化對(duì)流量計(jì)量精度的影響程度。他們研究出的CFD數(shù)值模擬提高了孔板流量計(jì)計(jì)量的度。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)的1種, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和它的工作原理, 可以知道流量的大小與流體流經(jīng)孔板前后的壓差有關(guān)。影響瓦斯抽采流量計(jì)量的因素有很多, 孔板自身的因素、流量變化、雷諾數(shù)、安裝位置、觀測(cè)方法等, 這些有系統(tǒng)誤差也有人為誤差, 剖析誤差的來(lái)源, 采取措施減小或消除誤差對(duì)瓦斯抽采流量計(jì)量是十分必要的。

孔板流量計(jì)為差壓式流量計(jì), 該流量計(jì)是以伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程為原理, 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流件時(shí), 在其兩側(cè)產(chǎn)生差壓, 差壓與流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系, 因此通過(guò)測(cè)量差壓的方法, 就可以測(cè)得工況流量[12-21]。孔板流量計(jì)是在流體經(jīng)過(guò)的管道內(nèi)安裝節(jié)流裝置, 即孔板。節(jié)流件造成其前后局部收縮, 流速增加, 在其上、下側(cè)產(chǎn)生了壓力降, 即壓差, 流體流動(dòng)的流量越大, 在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓力差就越大, 通過(guò)節(jié)流件 (孔板) 前后的壓力降計(jì)算流體流量的裝置[3], 其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

孔板前后管件必須平直, 其中孔板前10D, 后5D, 其中D為管道的直徑。管道內(nèi)孔板前后不得有積水, 積渣和雜物等。與孔板連接的管道必須平直, 防止漏氣的橡膠墊不得偏離管道內(nèi)徑, 以防止流體在經(jīng)過(guò)孔板前改變其原來(lái)的層流狀態(tài)?？装宀灰税惭b在傾斜巷道中, 也不可安裝在巷道低洼處或靠近龍門處, 即便該段巷道為平直巷道。在孔板安裝段前宜安裝放水除雜裝置, 以減少或降低水或雜物等對(duì)孔板的影響。

孔板流量計(jì)的選用規(guī)格應(yīng)與可能通過(guò)該孔板處的流量應(yīng)當(dāng)相適應(yīng), 若孔板流量計(jì)選型不當(dāng), 過(guò)大或過(guò)小均可導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失真。孔板系數(shù)選取不當(dāng)也能造成計(jì)量結(jié)果偏差較大。另外, 孔板方向安裝錯(cuò)誤也能夠?qū)е聼o(wú)法計(jì)量。

(1) 孔板處產(chǎn)生積水的原因分析。有煤層內(nèi)含水、煤層內(nèi)縫隙與其他各種水源相連、煤層注水或人工放水不徹底、自動(dòng)放水器失靈等, 抽采管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定積水, 進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試濃度降低。多次試驗(yàn)表明, 當(dāng)孔板與抽采箱、集抽器直接相連時(shí), 水對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響在10%~40%;在主管路、分支管路的孔板中, 水對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響在5%~20%。

(2) 孔板處產(chǎn)生積渣的原因分析。鉆孔施工完成后初期抽采時(shí), 一般由于孔內(nèi)的煤巖粉清除不干凈、正常抽采時(shí)期煤層受外界擾動(dòng)或自身不同程度的埸孔等會(huì)將部分煤巖粉抽入抽采管道內(nèi), 管道內(nèi)的煤巖粉和積水混合在一起在經(jīng)過(guò)孔板時(shí)受阻而逐步沉積在孔板處。孔板處的積水、積渣使孔板的有效截面變小, 從而使流體在經(jīng)過(guò)孔板處之前流速已經(jīng)呈線性增加, 即孔板的有效作用降低壓力差值降低, 即測(cè)量結(jié)果會(huì)比實(shí)際值偏小。

(3) 孔板前后雜物影響原因分析。人員在安裝抽采管道時(shí)常常由于趕工期或粗心大意, 未將管道內(nèi)的雜物, 如煤巖塊等清理干凈, 雜物在負(fù)壓的作用下通過(guò)孔板時(shí)受孔板阻擋而沉積在孔板處, 此時(shí)孔板的同心圓的面積減小, 從而使流經(jīng)孔板的流體流速增大, 壓力差值增大, 導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比實(shí)際結(jié)果偏大。

正常情況下孔板流量計(jì)的旁通閥門處于常開(kāi)狀態(tài), 只有在測(cè)量時(shí)才關(guān)閉。由于閥門本身質(zhì)量問(wèn)題或頻繁開(kāi)關(guān)導(dǎo)致閥門失靈或關(guān)不嚴(yán)。此時(shí)多數(shù)流體經(jīng)過(guò)孔板而一部分流體則經(jīng)過(guò)旁通管控制閥門直接繞過(guò)孔板, 即通過(guò)孔板的有效流體流量減少, 導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小。

連接測(cè)試孔和U型壓差計(jì)玻璃管的橡膠管存在人體察覺(jué)不到的微量漏氣, 究其原因: (1) 橡膠管選材不當(dāng)。常用的孔板測(cè)試孔有外徑為2 mm和外徑為4 mm的2種, U型壓差計(jì)測(cè)試孔外徑為4 mm。配套橡膠管材質(zhì)和彈性不同, 造成橡膠管兩端的連接部位存在人體察覺(jué)不到的輕微漏氣, 造成測(cè)試結(jié)果偏小。 (2) 橡膠管老化, 長(zhǎng)期未更換。橡膠管長(zhǎng)期使用, 受井下環(huán)境 (溫度、濕度等) 影響會(huì)產(chǎn)生龜裂、腐化、硬度增強(qiáng)而彈性下降等現(xiàn)象。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生人體察覺(jué)不到的輕微漏氣, 導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏小。 (3) 測(cè)試孔受損。受井下條件限制、搬運(yùn)孔板時(shí)損壞或維護(hù)不到位等情況, 導(dǎo)致測(cè)試孔脫焊、變形等, 此時(shí)連接橡膠管時(shí)亦產(chǎn)生漏氣, 從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn), 微量漏氣影響測(cè)量結(jié)果比真值偏小5%~10%。

在孔板流量計(jì)使用過(guò)程中要規(guī)范各項(xiàng)操作, 選取與抽采流量相匹配的流量計(jì), 消除孔板選取及安裝影響因素?？装灏惭b后要定期維護(hù)、保養(yǎng), 在抽采系統(tǒng)的合適位置加裝除渣放水器, 定期除渣放水, 安排專業(yè)人員清除孔板前后的積水、積渣, 避免孔板前后的積水、積渣影響流量計(jì)量精度。在旁通管控制閥門使用過(guò)程中要注意閥門的靈活程度及開(kāi)閉情況, 發(fā)現(xiàn)控制閥門閉合不嚴(yán)或存在故障要及時(shí)更換, 另外采用電磁自控閥門也能夠消除此類誤差。操作人員要選取合適的橡膠管, 消除橡膠管與U型壓差計(jì)玻璃管之間的漏氣現(xiàn)象。在操作人員測(cè)試過(guò)程中要觀察橡膠管的使用情況, 若發(fā)現(xiàn)老化、龜裂等現(xiàn)象, 要及時(shí)更換橡膠管。再者, 在流量計(jì)使用過(guò)程中應(yīng)重視操作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)培訓(xùn), 增強(qiáng)測(cè)試人員的觀察分析能力, 對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)特別是與計(jì)量相關(guān)的各種裝置或配件進(jìn)行巡查, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理或更換, 確保在抽采計(jì)量中測(cè)試的結(jié)果真實(shí)可靠。

影響孔板瓦斯流量計(jì)計(jì)量出現(xiàn)誤差的主要原因是由各種情況下產(chǎn)生的漏氣, 孔板選取、安裝、維護(hù)等問(wèn)題和測(cè)試人員的不規(guī)范操作等造成的。在日常的瓦斯抽采計(jì)量工作中應(yīng)當(dāng)選取。