瓦斯抽采工作是一項環(huán)節(jié)精細、工序復雜的系統(tǒng)工程, 在整個工藝流程中出現(xiàn)任何細小差錯, 都將造成前功盡棄, 抽采零效果。抽采流量計量是瓦斯抽采的一個關鍵環(huán)節(jié), 是衡量抽采鉆孔施工、封孔質量的重要標準。鄭煤集團楊河煤業(yè)的瓦斯抽采系統(tǒng)干、支管路均采用孔板流量計計量管道氣體流量, 孔板流量計具有結構簡單、維修方便、性能穩(wěn)定、使用可靠的特點, 被廣泛應用于煤礦瓦斯抽采計量工作。

標準孔板流量計被廣泛應用于天然氣貿易計算, 占天然氣貿易計量的50%左右。其原因在于標準孔板流量計的結構簡單, 操作方便、技術成熟、性能穩(wěn)定且無需標定。這些優(yōu)點使得標準孔板流量計在燃氣管道的計量中被大量使用[1-11]。

從20世紀30年代開始, 美國進行了長達10余年研究, 研究的項目高達14項, 主要針對氣體流量測量的孔板流量計的各種問題, 如:制造安裝問題和使用問題等, 開展了試驗研究并獲取了大量的數(shù)據(jù)資料。20世紀80~90年代, 歐美等均對孔板流量計展開了大規(guī)模試驗, 對其進行研究。這些試驗的目的均為修正孔板流出因素的數(shù)據(jù)庫, 是孔板流出系數(shù)公式的基礎。陳家慶等曾通過在標準孔板流量計中引入數(shù)值模擬, 將孔板流量計模擬成三維的空間模型, 通過流場分析了流量變化對流出系數(shù)的影響, 然后再將其與經驗公式得出的流出系數(shù)值相比較得出流量變化對流量計量精度的影響程度。他們研究出的CFD數(shù)值模擬提高了孔板流量計計量的度。標準孔板流量計屬于差壓式流量計的1種, 根據(jù)現(xiàn)場條件和它的工作原理, 可以知道流量的大小與流體流經孔板前后的壓差有關。影響瓦斯抽采流量計量的因素有很多, 孔板自身的因素、流量變化、雷諾數(shù)、安裝位置、觀測方法等, 這些有系統(tǒng)誤差也有人為誤差, 剖析誤差的來源, 采取措施減小或消除誤差對瓦斯抽采流量計量是十分必要的。

孔板流量計為差壓式流量計, 該流量計是以伯努利方程和流動連續(xù)性方程為原理, 當被測介質流經節(jié)流件時, 在其兩側產生差壓, 差壓與流量有對應關系, 因此通過測量差壓的方法, 就可以測得工況流量[12-21]?？装辶髁坑嬍窃诹黧w經過的管道內安裝節(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、下側產生了壓力降, 即壓差, 流體流動的流量越大, 在節(jié)流件前后產生的壓力差就越大, 通過節(jié)流件 (孔板) 前后的壓力降計算流體流量的裝置[3], 其結構原理如圖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徑, 以防止流體在經過孔板前改變其原來的層流狀態(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孔板的影響。

孔板流量計的選用規(guī)格應與可能通過該孔板處的流量應當相適應, 若孔板流量計選型不當, 過大或過小均可導致測試結果失真。孔板系數(shù)選取不當也能造成計量結果偏差較大。另外, 孔板方向安裝錯誤也能夠導致無法計量。

(1) 孔板處產生積水的原因分析。有煤層內含水、煤層內縫隙與其他各種水源相連、煤層注水或人工放水不徹底、自動放水器失靈等, 抽采管道內會產生一定積水, 進而導致測試濃度降低。多次試驗表明, 當孔板與抽采箱、集抽器直接相連時, 水對測試結果的影響在10%~40%;在主管路、分支管路的孔板中, 水對測試結果的影響在5%~20%。

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

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

正常情況下孔板流量計的旁通閥門處于常開狀態(tài), 只有在測量時才關閉。由于閥門本身質量問題或頻繁開關導致閥門失靈或關不嚴。此時多數(shù)流體經過孔板而一部分流體則經過旁通管控制閥門直接繞過孔板, 即通過孔板的有效流體流量減少, 導致測量結果偏小。

連接測試孔和U型壓差計玻璃管的橡膠管存在人體察覺不到的微量漏氣, 究其原因: (1) 橡膠管選材不當。常用的孔板測試孔有外徑為2 mm和外徑為4 mm的2種, U型壓差計測試孔外徑為4 mm。配套橡膠管材質和彈性不同, 造成橡膠管兩端的連接部位存在人體察覺不到的輕微漏氣, 造成測試結果偏小。 (2) 橡膠管老化, 長期未更換。橡膠管長期使用, 受井下環(huán)境 (溫度、濕度等) 影響會產生龜裂、腐化、硬度增強而彈性下降等現(xiàn)象。此時會產生人體察覺不到的輕微漏氣, 導致測量結果比實際值偏小。 (3) 測試孔受損。受井下條件限制、搬運孔板時損壞或維護不到位等情況, 導致測試孔脫焊、變形等, 此時連接橡膠管時亦產生漏氣, 從而導致測試結果偏小。經現(xiàn)場多次試驗, 微量漏氣影響測量結果比真值偏小5%~10%。

在孔板流量計使用過程中要規(guī)范各項操作, 選取與抽采流量相匹配的流量計, 消除孔板選取及安裝影響因素?？装灏惭b后要定期維護、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、積渣影響流量計量精度。在旁通管控制閥門使用過程中要注意閥門的靈活程度及開閉情況, 發(fā)現(xiàn)控制閥門閉合不嚴或存在故障要及時更換, 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型壓差計玻璃管之間的漏氣現(xiàn)象。在操作人員測試過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, 要及時更換橡膠管。再者, 在流量計使用過程中應重視操作人員的業(yè)務素質培訓, 增強測試人員的觀察分析能力, 對瓦斯抽采系統(tǒng)特別是與計量相關的各種裝置或配件進行巡查, 發(fā)現(xiàn)問題及時處理或更換, 確保在抽采計量中測試的結果真實可靠。

影響孔板瓦斯流量計計量出現(xiàn)誤差的主要原因是由各種情況下產生的漏氣, 孔板選取、安裝、維護等問題和測試人員的不規(guī)范操作等造成的。在日常的瓦斯抽采計量工作中應當選取。