浅谈威力巴流量计的原理及应用

2022-03-15郭武奎

山东煤炭科技 2022年2期

郭武奎

（甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿，甘肃白银 730913）

为提高安全生产水平，国家先后出台多项政策，要求高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井必须建立地面永久瓦斯抽采系统或井下临时瓦斯抽采系统，将瓦斯抽采工程视为生命工程、资源工程，并要求配备瓦斯抽采监控系统[1]。目前，应用于煤矿瓦斯抽采流量监测的传感器种类较多，其中包括V 锥流量计、孔板流量计、涡街流量计、均速管流量计等。威力巴流量计是目前应用较多的一种均速管流量计，通过测量一条线上多个测点的流速实现流量的计量，其精确度高、稳定性好、压损较小。但在实际使用过程中威力巴流量计因选址、安装、维护等原因，容易造成监测数据的偏差。

1 威力巴流量计原理

1.1 威力巴结构

威力巴流量计的探头采用子弹头形状设计，为单杆双腔结构，多对取压孔依据一定的规律分布在整个管道的剖面上[2]。检测杆正前方为正压取压孔，检测杆的两侧为低压取压孔。当气体流经检测杆时，在其前部产生一个高压区，在检测杆两侧产生一个低压区。气体在检测杆后部产生低压区但会出现漩涡，通过对高压区与低压区之间的差压值进行测量，可以获得平均速度所产生的平均差压，如图1、图2。

图1 威力巴结构

图2 压力分布

1.2 威力巴结构流量计算

威力巴流量计的工作原理是通过采集平均总压与平均静压之差获得气体流速和流量。假设威力巴检测杆迎风区速度为V1（m/s），压力为P1（Pa），威力巴检测杆背部的流速为V2（m/s），背部压力为P2（Pa），暂不考虑摩擦阻力、流体高度差等因素，根据伯努利方程计算：

式中：ρ为气体密度，kg/m3。

在实际环境中，迎风区速度V1=0 m/s，由公式（1）可知：

因为ΔP=P1-P2，由公式（2）可知：

式中：ΔP为静压之差，Pa。

在实际环境中，由于气体经过威力巴检测杆受截面形状、尺寸、取压孔位置等因素影响与理论值存在偏差，需要对使用系数K进行修正，可知：

式中：V为实际工况流速，m/s。

管道内体积流量计算，可知：

式中：QV为体积流量，m3/s；A为管道横截面积，m2。

1.3 取压孔的分布

目前均速管设计取压孔分布时常用的方法有：等面积分布法、等流量分布法、高斯近似积分法、切比雪夫近似积分法等[3]，其中切比雪夫近似积分法使用较多。切比雪夫近似积分法的分布位置见表1。

表1 取压孔位置分布

2 威力巴流量计应用

2.1 产品应用

GD3（B）瓦斯抽放多参数传感器采用威力巴检测杆结构，传感器外壳采用304 不锈钢材质设计，上部仪表可350°旋转；传感器LED 显示屏提供丰富的参数内容，方便操作人员查询；传感器具备工况、标况自动换算、累计量自动累计等功能；具备两路RS485 通信功能，其中485-1 通信口上传数据至管网监测系统，485-2 通信口上传数据给控制器或就地显示器。

为验证GD3（B）瓦斯抽放多参数传感器的测量精度，选择一台DN200 规格瓦斯抽放多参数传感器在临界流文丘里喷嘴气体流量计检定系统中对工况流量准确度进行测试。测试结果表明，基于威力巴检测杆结构的GD3（B）瓦斯抽放多参数传感器准确度高，性能稳定。试验数据如表2。

表2 试验数据

2.2 应用过程常见问题

甘肃大水头煤矿瓦斯抽采管网监测系统采用基于威力巴结构的瓦斯抽放多参数传感器（流量、温度、压力），传感器具有较宽的量程范围、可靠的测量准确性，能较好地满足抽采主、支、汇流管瓦斯流量监测需求。但在安装过程中需要注意一些安装细节，避免因安装原因造成测量偏差。主要注意点如下：

（1）选择合适地点，确保传感器安装点的前直管段大于7D，后直管段大于3D。如传感器安装前方存在孔板、闸阀、蝶阀等严重影响气流稳定的设备时，前直管道应大于20D。

（2）传感器前方有法兰接头时，法兰垫片易引起数据波动，法兰垫片不能突入管壁内。

（3）目前抽采管道材质、壁厚等因素造成实际内径与流量计厂家出厂参数存在偏差（厂家出厂默认为取整），需要按实际内径进行调整。

（4）避免安装在低洼处，此处管道内煤泥易淤积造成内径变小、流速偏高、流量测量出现较大偏差。

（5）正确选择传感器管径，避免出现大尺寸传感器安装在小尺寸管道上，避免选用小管径威力巴结构作为通用型号使用。

2.3 与传统流量计比较

综合比对孔板、涡街、V 锥等流量传感器在瓦斯抽采领域的测量准确度、适应性，孔板流量传感器永久性压损大，量程比小，节流件边缘易磨损造成流出系数变化，维护保养不易拆装[4]；涡街流量传感器属于点式流速测量，流量精度不高，对管道的震动十分敏感，不适用于抽采管道流速及流场不稳定以及有较多杂质的煤层气计量环境[5]；V 锥流量传感器对前后直管段要求不高，测量准确度高，不堵塞，流量下限低（定制），但永久压损大，量程比小，管段式结构造成运输、安装、维护成本高；采用插入式设计的威力巴流量传感器具有量程比大、几乎无压损、测量准确、结构简单、维护方便等优点，具有较高的适应性。