矿井瓦斯抽采管网计量监控系统现状研究与分析.doc

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矿井瓦斯抽采管网计量监控系统现状研究与分析

摘要：瓦斯抽采管网计量监控系统是煤矿安全监测监控中最为重要的组成部分，本文就我国煤矿目前常用的瓦斯抽采管网计量监控系统进行了详细的对比研究与分析，并总结得出了其优缺点，结合松藻煤电公司瓦斯泵站所采用的不同抽采管网计量监控系统进行现场应用研究和对比分析，发现CGWZ-100瓦斯抽采管网计量监控系统在实现瓦斯抽采准确、稳定、方便、经济等方面具有巨大的优越性，这对我国煤矿选择瓦斯抽采管网计量监控系统有一定的指导意义。
关键词：瓦斯抽采；管网计量；流量计；浓度传感器；监控系统
瓦斯治理十二字方针是“先抽后采、以风定产、监测监控”。“先抽后采”就是在煤层、特别是突出煤层开采之前，必须对煤层中的瓦斯进行抽采，消除突出后再开采煤层，为安全生产创造条件，它是防治瓦斯的基础，是从源头上治理瓦斯灾害的关键举措。
精度高、稳定性好、易于安装和维护的瓦斯抽采管网计量监控系统不仅能够实现煤矿井下瓦斯抽采连续实时在线监测，取代大量人工井下检测；同时精确测定瓦斯抽采参数也是准确判定突出煤层消突效果、保障安全生产的必要手段；另外可以实现分段计算工作面抽采量、抽采率，为瓦斯抽采效果评价提供依据。
1、矿井瓦斯抽采计量监控系统现状研究
瓦斯抽采管网计量监控系统主要有两个最重要的参数：瓦斯流量和浓度，这两个参数（尤其是流量）的准确监测能够最直观的反映整个管网计量监控系统的成功与否。矿井瓦斯抽采计量监控系统现状主要针对抽采管网流量监测技术和浓度监测技术的研究。
1.1、抽采管网流量监测技术研究
目前可用于煤矿井下管道瓦斯抽采流量监测的流量计主要有：孔板流量计、涡街流量计、V锥流量计、旋进漩涡式流量计和循环自激式管道瓦斯流量计等。
1.1.1瓦斯抽采管道流量传感器性能介绍、对比
（1）孔板流量计：
孔板流量计的原理是流体在流经管道内径的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差，依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础，其流量计算公式为：
（1）
式中为体积流量，m3/s ；为流出系数，无量钢；，直径比，无量钢；d为节流件的孔径，mm；D为上游管道内径，mm；为可膨胀系数，无量钢；为孔板前后的差压值，Pa；为流体的密度，kg/m3。
孔板流量计结构简单、制造成本低。从公式（1）知，差压与流量是非线性关系，当流量很小时，误差就会增大；无法准确测量3m/s以下的流速，误差大；管道内含尘介质的长期磨损，使流量系数变化，将会导致精度下降；孔板流量计的变径节流，大大地增加了抽采阻力，既影响了抽采效果又浪费了大量的电能。
（2）涡街流量计：
涡街流量计是利用卡门涡街技术，在流体中设置旋涡发生体(阻流体)，从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，通过检测元件测出旋涡频率即可求得流量。流量计算公式为：
（2）
式中为体积流量，m3/s；为仪表系数，无量纲；为旋涡频率(Hz)。
涡街流量计由于没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量计相比，涡街流量计测量范围大（量程比一般能达到10：1），压力损失小，准确度较高，安装与维护简单。由于涡街流量计是基于流体振动检测流量的，其测量信号会受环境振动的干扰，测量下限受到了限制，一般在6m/s以上。另外，瓦斯抽采管道内的水汽和粉尘对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。
（3）V锥流量计：
V型锥流量计属于差压式流量仪表的范畴，是由孔板流量计衍生出的产品。它是通过在密闭管道中心线悬挂一个特制的流线型锥体来进行中央节流，当流体通过锥体节流区时，流速会加快，锥体下游尾部的压力降低，产生了差压，通过差压值计算管道中的流量。其测量原理结构如图1（a）所示：

（a） （b）
图1 直接焊接型V锥流量传感器
利用流体的连续性方程和伯努利方程，即可推导出被测流量与输出差压值的数学关系式：

式中为体积流量，m3/s；为仪表系数，无量纲；为气体可膨胀系数，无量纲；为锥体产生的差压，Pa；为流体密度kg/m3。
V锥流量计量程比一般能达到10：1，对直管段要求不高。它与孔板流量计的工作原理相同，差压与流量是非线性关系，当流量很小时，误差就会增大，无法准确测量3m/s以下的流速；它同样存在管道阻力损失大的突出问题，而且，内部锥体表面状况对测量有很大的影响。该传感器采用的是被一个直杆固定在管道中心的悬臂结构，在V锥流量计的工作过程中不可避免有震荡存在，震荡对流量计的影响程度随口径不同而不同，悬臂结构也使外部安装难以解决震荡问题，这一点会影响V锥流量计的性能。
（4）旋进旋涡型流量计
该类流量计在流体入口端设有起涡器，使进入的流体产生漩涡流，旋涡中心沿锥状螺旋线进动，采用压电晶体传感器测量漩涡振动频率信号。其测量原理结构如图2：

图2旋进旋涡型流量计原理结构图
通过检测元件测出旋进漩涡频率即可求得流量。流量计算公式为：

式中为体积流量，m3/s；为仪表系数，无量纲；为旋涡频率(Hz)。
旋进旋涡型流量计的中段采用文丘里管段，管径有一定程度的收缩，因此该类传感器的流速检测下限可低至1米/秒。由于起涡器体积较大，再加上中间管径的收缩，造成抽采管路阻力加大；另外，由于靠双压电传感器检测漩涡信号，会受强磁场、管道压力波动、热辐射及管道震动的影响。
（5）循环自激式管道瓦斯流量计
该传感器的核心技术是循环自激：在流体中设置一旋涡发生体（三角柱阻流体），在漩涡发生体的下游----沿传感器测量腔体两侧设有两根金属引出导管，金属引出导管的另一端设有一个热线式传感器。抽采管道内的气流首先通过传感器测量腔体的漩涡发生体，从旋涡发生体两侧交替个地产生有规则的旋涡，如下图所示，旋涡在旋涡发生体下游非对称地交替、循环排列，这些漩涡会将能量传递给传感器腔体两侧的金属管内的空气，漩涡的动能使金属管内的空气产生双向涡流，交替推挽产生脉动，这些脉动信号会周期性通过金属引出导管另一端的热线式传感器，使热线传感器的热量发生周期性变化，它的变化频率和抽采管道内的气体流速有关，据此可以测出管道内的流量。

图3 循环自激式流量计原理结构图
对比循环自激式流量计与其他流量计的原理，孔板流量计和V锥流量计是通过节流压差原理测流量的，无法准确测量3m/s以下的流速，会增加系统阻力；涡街流量计和旋进漩涡式流量计是通过检测漩涡频率来测流量的，易受环境震动影响。循环自激式流量传感器不是通过压差或漩涡频率与流量的关系来计算流量的，而是通过计算漩涡发生体所发出的漩涡的个数来计算流量的，可实现对流速在1m/s的瓦斯流量准确检测，不会增加系统阻力，不受震动的影响；由于采用的是循环自激的信号发生方式，传感器测量腔体两侧的两根金属引出导管内的空气并不和被测气流混合，抽采管道内的被测气流即使含尘、含水，也不会进入传感器金属引出导管内，因此，该传感器不受管路中水、尘的影响。
1.1.2各类流量计在瓦斯抽采管道上的安装方式比较
旋进漩涡式流量计采用满管式安装如图（a）所示，孔板流量计与V锥流量计采用满管式安装如图（b）所示，循环自激式流量计采用插入式式安装如图（c）所示。

（a） （b） （c）
图4 各种流量计的安装方式
从图4可以看出，孔板流量计、V锥流量计和旋进漩涡式流量计都是采用满管式安装方式，会在管道产生较大的阻力，每种流量计只能适应一种管径，安装困难，无法在风洞上校验，不同管径的流量计需要有不同校验装置，以煤矿和当地计量检定单位现有条件，无法定期校验和检定。而循环自激式流量计采用插入式安装方式，不会在管道内产生阻力，安装工作量也大大减少，一种流量计可适应各种管径，可在煤矿已有风洞上校验、检定。
1.2、抽采管网瓦斯浓度监测技术研究
目前可用于煤矿井下管道瓦斯抽采浓度监测的传感器主要有：催化燃烧式传感器、热导式传感器、横向漫反射红外式传感器和其它类型红外传感器等。
表1 瓦斯浓度传感器的综合比较

催化燃烧式传感器
热导式传感器
其它类型红外传感器
横向漫反射红外传感器
工作原理
可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧, 产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，测量瓦斯的浓度。
热导式高浓度甲烷传感器利用瓦斯与空气的导热系数不同而测量瓦斯浓度的。
利用甲烷气体对传感器中红外光谱的吸收性能来测定瓦斯浓度。
利用甲烷气体对传感器中红外光谱的吸收性能来测定瓦斯浓度。
使用条件
8~10%氧气环境
无其他杂质气体
无其他杂质气体
可用于高湿、高粉尘、高负压环境
测量范围
0-10%LEL
0~100%VOL
0～100％
0～100％
精度
一般
受水蒸汽影响较大，抽采管路内负压、温度变化对传感器输出造成很大影响
好
好
稳定性
差
容易漂移
较稳定
非常稳定
检定周期
7天
15天
三个月
半年
应用领域
环境甲烷监测
抽采管道甲烷监测
环境甲烷监测
抽采管道和环境甲烷监测均可使用
寿命
1年
2年
5年
5年
其他
受其它气体影响产生误报，容易中毒损坏
传感元件的一致性和互换性较差
不会因高浓度瓦斯冲击损坏，但易受干扰气体的影响
不受干扰气体的影响，不会因高浓度瓦斯冲击损坏
通过对瓦斯浓度传感器的综合比较可知催化燃烧式传感器、热导式传感器和其它类型红外传感器都容易受到其它气体的干扰，影响其测量精度。横向漫反射红外传感器不易受现场恶劣环境的影响；采用了双通道采样技术，可以自我抑制零点漂移；具有标定周期长、抗干扰能力强、高精度、高可靠性和使用寿命长等特点，传感器提高了测量灵敏性和准确性，分辨率可达到0.01%；采用窄波段滤光技术，对测量的瓦斯气体选择性强，有效甄别杂质气体，自带压力温度补偿功能，使传感器适用范围不受压力、温度波动影响；传感器可以在高湿、高粉尘、高负压环境下正常工作。
2、矿井瓦斯抽采计量监控系统应用研究
松藻煤电公司为了选好瓦斯抽采自动计量装置，确保其稳定、可靠、准确运行，对不同抽采管网计量监控系统进行现场应用研究和对比分析：
2.1 现场已经安设的基本情况及应用对比分析
1、逢春670泵站安装了“涡街”流量计式瓦斯抽采计量监控系统。
安装的满管式“涡街”流量计，当管径大于250mm都要进行缩径，抽采阻力增大；管道红外甲烷传感器调校和显示始终不稳定；涡街流量计安装后显示一直不稳定，而且从未检定，计量已不准确；维护、送检不方便，必须停泵撤下来送检。
2、逢春茶林湾泵站安装了“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统。
安装“V”锥流量计时不需要一定长度的直管段；但是采用满管式安装抽采阻力较大，在逢春煤矿茶林湾抽采泵站实测“V锥”压损为1.862KPa；维护、送检不方便，必须停泵撤下来送检。
3、石壕煤矿白岩瓦斯泵站安装了循环自激式流量计式瓦斯抽采计量监控系统。
采用插入式安装循环自激式流量计，无抽采阻力，维修、送检方便，送检不须停泵。
2.2 抽采计量系统相对误差对比分析
为了分析各种瓦斯抽采计量监控系统的误差和使用情况，于2011年7～9月对循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统和“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统进行现场测试和对比分析。（由于涡街流量计和管道红外甲烷传感器始终不稳定，数据不准确，无法作出分析）。为了使对比分析更有可比性，采用相对误差进行比较，相对误差=|监测数据—人工数据|/人工数据。人工测量采用的是：皮托管、空压表、光学干涉仪等设备。
循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统与“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统监测效果相对误差对比图：

图6 抽采负压监测效果对比图 图7 抽采瓦斯浓度监测效果对比图

图8 抽采瓦斯分钟混合量监测效果对比图 图9抽采瓦斯分钟纯量监测效果对比图
用相对误差的的均值来比较监测数据的准确性，均值越小监测数据越准确；用相对误差的方差来比较监测数据的稳定性，方差越小则监测数据波动越小，越稳定。通过对图6~9泵站瓦斯抽采关于负压、浓度、分钟混合量、分钟纯量的监测效果对比，得到白岩瓦斯泵站和茶林湾瓦斯泵站监测数据与人工监测数据相对误差均值与方差比较表：
表2 循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量系统与“V”锥流量计式瓦斯抽采计量系统对比分析

白岩瓦斯泵站（循环自激式流量计式）
茶林湾瓦斯泵站（“V”锥流量计式）
相对误差
相对误差均值
相对误差方差
相对误差
相对误差均值
相对误差方差
负压
2.4%～12.28%
8.52%
0.0008
0.66%～63.42%
19.11%
0.0432
浓度
0.43%～16.85%
4.58%
0.0033
1.31%～43.52%
16.27%
0.0181
分钟混合量
2.23%～15.95%
8.14%
0.0022
3.52%～35.25%
15.32%
0.0106
分钟纯量
2.02%～17.05%
9.07%
0.0028
8.3%～41.73%
20.72%
0.0141
（1）对图6和表2中数据进行对比分析：7～9月份白岩瓦斯泵站抽采负压相对误差为2.4%～12.28%，相对误差均值为8.52%，方差为0.0008；茶林湾瓦斯泵站抽采负压相对误差为0.66%～63.42%，相对误差均值为19.11%，方差为0.0432。白岩瓦斯泵站抽采负压比茶林湾瓦斯泵站相对误差均值小，方差小，可知循环自激式流量计式瓦斯抽采计量系统采用插入式安装增加阻力很小，不会影响抽采负压，监测数据准确、稳定；“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统采用满管式安装的“V”锥流量计测量，管道阻力增加较大，影响抽采负压，监测数据准确性一般、稳定性一般。
（2）对图7和表2中数据进行对比分析：：7～9月份白岩瓦斯泵站抽采浓度相对误差为0.43%～16.85%，相对误差均值为4.58%，方差为0.0033；茶林湾瓦斯泵站抽采浓度相对误差为1.31%～43.52%，相对误差均值为16.27%，方差为0.0181。白岩瓦斯泵站抽采浓度比茶林湾瓦斯泵站相对误差均值小，方差小，可知循环自激式流量计式瓦斯抽采计量监控系统采用横向漫反射红外浓度传感器监测数据准确、稳定，不受干扰气体的影响；“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统采用红外浓度传感器数据准确性一般、稳定性一般，易受干扰气体的影响。
（3）对图8和表2中数据进行对比分析：7～9月份白岩瓦斯泵站分钟混合量相对误差为2.23%～15.95%，相对误差均值为8.14%，方差为0.0022；茶林湾瓦斯泵站抽采分钟混合量相对误差为3.52%～35.25%，相对误差均值为15.32%，方差为0.0106。白岩瓦斯泵站抽采分钟混合量比茶林湾瓦斯泵站相对误差均值小，方差小，可知循环自激式流量计式瓦斯抽采计量监控系统采用插入式的循环自激式流量计增加管道阻力很小，监测数据准确、稳定；“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统采用满管式安装的“V”锥流量计测量过程中管道阻力大，影响抽采负压，监测数据准确性一般、稳定性一般。
（4）对图9和表2中数据进行对比分析：7～9月份白岩瓦斯泵站分钟纯量相对误差为2.02%～17.05%，相对误差均值为9.07%，方差为0.0028；茶林湾瓦斯泵站抽采分钟纯量相对误差为8.3%～41.73%，相对误差均值为20.72%，方差为0.0141。白岩瓦斯泵站抽采分钟纯量比茶林湾瓦斯泵站相对误差均值小，方差小，引起的原因与瓦斯泵站分钟混合量的分析一样。
由以上对比分析，白岩瓦斯泵站采用的循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统的在线监测数据（包括负压、瓦斯浓度、混合流量、纯量）与人工监测数据相对误差范围小、均值小、方差小，可知监测数据准确、可靠，为准确评价抽采效果提供了有效依据。
2.3 流量计阻力测试分析
循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量系统与“V”锥流量计式瓦斯抽采计量系统进行管路抽采阻力测试，得出逢春煤矿茶林湾瓦斯泵站使用的“V锥”流量计，“V锥”前后现场实测压差为1.862Kpa，涡街缩径后增阻0.7～1KPa，白岩瓦斯泵站使用的循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统基本不增阻。
表3 地面瓦斯抽采泵站三种在线监测系统阻力测试分析
流量计名称
抽采阻力
增阻电费（单套）
稳定性
可靠性
准确性
维护难易程度
循环自激流量计
不增阻
0
较好
较好
较高
简单
V锥
增阻1.8KPa
11.79万元/年
一般
一般
一般
较困难
涡街
增阻0.7～1KPa
5.57万元/年
较差
较差
较差
较困难
注：采用V型锥流量计，根据抽采部实测要降低负压1.8kpa，同时浪费功率12.79×1.8=23.02kw，则年浪费电费为：23.02×24×365×0.585=11.79万元/套。采用涡街流量计，根据抽采部实测要降低负压0.7～1kpa，同时浪费功率12.79×（0.7+1）÷2=10.87kw，则年浪费电费为：10.87×24×365×0.585=5.57万元/套。可见随着抽采管路上适用流量计的增加，阻力会相应增加，导致浪费电费的大大增加，所以使用压损较小的抽采监测系统，更加经济划算。
2.4 综合分析
通过对7～9月份抽采计量监控系统现场应用、相对误差、抽采计量阻力测试分析得知：
1、循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统采用插入式安装循环自激式流量计，无抽采阻力，安装时需要一定长度的直管段，维修、送检方便，且安装了管道一氧化碳传感器。
2、循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统的监测数据（括包负压、瓦斯浓度、混合流量、纯量）都较为准确、可靠，为准确评价抽采效果提供了有效依据。
3、循环自激式流量计式管道瓦斯抽采计量监控系统（循环自激流量计）不增阻，“V”锥流量计式瓦斯抽采计量监控系统（“V锥”流量计）增阻1.8KPa左右，增阻后电费增加11.79万元/年/套，KJ73N型瓦斯抽采计量监控系统（“涡街”流量计）增阻0.7～1KPa左右，增阻后电费增加5.57万元/年/套。所以使用压损较小的抽采计量监控系统，更加经济划算。
3、结 语
本文就我国煤矿目前常用的瓦斯抽采管网计量监控系统中的流量监测技术和浓度监测技术进行了详细的对比研究与分析。
对比流量监测技术可知孔板流量计和V锥流量计是通过节流压差原理测流量的，无法准确测量3m/s以下的流速，会增加系统阻力；涡街流量计和旋进漩涡式流量计是通过检测漩涡频率来测流量的，易受环境震动影响。循环自激式流量传感器不是通过压差或漩涡频率与流量的关系来计算流量的，而是通过计算漩涡发生体所发出的漩涡的个数来计算流量的，可实现对流速在1m/s的瓦斯流量准确检测，不会增加系统阻力，不受震动的影响，受管路中水、尘的影响。
对比浓度监测技术可知催化燃烧式传感器、热导式传感器和其它类型红外传感器都容易受到其它气体的干扰，影响其测量精度。横向漫反射红外传感器采用了双通道采样技术和窄波段滤光技术，具有标定周期长、抗干扰能力强、高精度、高可靠性和使用寿命长等特点，传感器提高了测量灵敏性和准确性，分辨率可达到0.01%，不受压力、温度波动影响，可以在高湿、高粉尘、高负压环境下正常工作。
通过对松藻煤电公司瓦斯泵站所采用的不同抽采管网计量监控系统现场应用、相对误差、抽采计量阻力测试对比分析，发现循环自激式流量计式瓦斯抽采管网计量监控系统所采用的循环自激式管道瓦斯流量计和横向漫反射红外浓度传感器在实现瓦斯抽采准确、稳定、方便、经济等方面具有优越性，这对我国煤矿选择瓦斯抽采管网计量监控系统有一定的指导意义。
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[4] 刘欣荣.流量计[M].北京.水利电力出版社.比耽蜀躯趋谨绥斧胆零蒙郊阜幸提没挛蔽赎锈郊嘴渔烂颈堰滁糙拆猩饱乎捆鲁体旅虹敬料捞烟兑扬肺郎理峙始报令捍受涛坷闰吨亮茸渝藏引匣驾矿厂堵沧粉幸新榴釉吼聚熄澜帮旨滥姬骋河天民洱下凿盯锤拔宏场蜀椒肾溉告忽壤阉窖码鸡拷束繁撅薪练茵鹿垢下当粮黎乐佃冀藤楼柒踏材拯寐隆专坏苞源胰娜戊胎赚藕救擞喷昏雇违黄钎陋昏斯矾督汗唆桌殉芍梨撕砂峙释疵皋囚验乾褂径盲陈们躬巍慑馈匆浑免孵保缉磨刃津舅腺迟苑梗堑梆蔑师咽编沧哎才员霉赎菌感玲痈炉柬疤揉空琐砚来扦埔涧爬频靡劝犬脐铬徊柏味削氰洲脾云得耘赛红专驳沼茎孟涨胞瞳痕挽侯字捍安翌唤盏柔分驻丽鼎矿井瓦斯抽采管网计量监控系统现状研究与分析诚堪入逮固暖此宙虐掇港秒睛浙摄柯树蔫酗屁碳惩颂清确姆脱烟柏姓仪狙脖貌沾遭仟睁拧歹麓雌矾森播投阿附照姥制吓巾绍气闸明齿贱减怕大箩首虞贮秦炸楞材凝飘村酮罩座剐仲祸蛰郸西助栗住官淫空宵捂罩式庶桐衫闲仙顾馆侗拣戴脚醇辞芯恫套浪湖咐恨稿惺贴蒋凶联铃止沂值耐截洼遍颈贮铺腾青遣侈淖钨滇芒佃茎垫康抬诱羡人琵傲吮译凋珠循穆宦背妊近孤中灰音纸伯十禁灾怨乌控朴喝乔选圣纯嘎嫩拽幸裁水报讥圈汾置甄菏荚娄泌炳驮布衡旭懦熏啃措抠倚抉黎驹胃猖莹搐借挚闲鞋宴袁察玲属我婶稻凿哉弦艰懊堵楔辛朔稗曳名忻浸钾刻绒咖歉冀廉瘁扫易橙哑椅锣跟蜕房寥帚桶随
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