管道流量和瓦斯浓度的检测技术的说明

管道内瓦斯流量测量

1、流量传感器技术选型

对瓦斯抽放管道内流量的准确测量，是煤矿瓦斯抽放系统做到计量准确、运行正常的重要条件之一。目前，国内有的瓦斯抽放管道流量计采用的是涡街流量传感器，涡街流量传感器的优点是输出为脉冲频率信号、压损较小、无转动部件、结构简单。但涡街流量传感器受其检测原理的影响，也存在明显的不足，特别是在大管径（大于Φ250mm）、低流速(5m/s)的情况下，满管式涡街流量传感器产生的漩涡信号非常微弱，检测元件根本无法检测正确的信号，导致涡街流量传感器在此种情况下测量误差非常大，有的涡街流量传感器生产商针对这个缺点，提出了"等流变径"的现场解决方法，通过缩小管径将流速提高到满管式涡街流量传感器能够正确测量的范围（5 m/s～35 m/s），这种方法虽然能解决流量的测量问题，但是又引出另一个问题--压损大，对压损要求非常严格的瓦斯抽放系统来说，"等流变径"这种方法不应是优选的。如果用插入式涡街传感器来解决大管径、低流速的测量问题，又存在测量精度无法达到此次松藻煤电有限公司CDM项目的技术要求。众所周知，与满管式涡街流量传感器相比较，插入式涡街传感器本来就存在测量精度差的缺点，再说插入式涡街传感器本来检测的就是管道内的"点流速"，通常插入式涡街传感器的传感头安放在管道的中央，检测到的是管道中最高流速，以检测到最高流速作为管道的平均流速，测量误差大是不言而喻的。对于此次计量精度要求高的CDM项目，此种流量检测方法也不应是优选的。鉴于涡街流量传感器在瓦斯管道流量测量中存在的这些问题，在此设计方案中，我们选择V锥流量传感器来检测瓦斯管道中的流量。

2、V锥流量传感器的测量原理

V锥流量传感器是近年发展起来的一种差压式流量传感器，目前正在其它工业领域如：石化、热能、供水等广泛地应用。与其他差压流量传感器一样，都是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律，即在稳定流场情况下，管道中的流速与差压的平方根成正比。测量出差压即可计算出流体的流速。它是在管道中心安装一个锥形体来阻挡流体，使管道中心的流体绕锥形体流动，所以当流体流过锥形流量传感器时，锥体直接和流体高速中心部分相互作用，迫使高速的中心与接近管壁的低速流体均匀化，从而产生正确的压差，这在低流速测量时尤其适用。图1、2分别是V锥流量传感器的平面与立体结构示意图。

图1 图2

3、V锥流量传感器的技术特点

a、自整流、自清洁、前后直管段要求较短，一般上游只需0至3D，下游只需0至1D。

b、精度高，差压输出值可实现±0.1% 的重复性。

c、压损小，适合低静压、低流速的测量。

d、长期使用稳定可靠。

4、V锥流量传感器与涡街传感器的比较

（1）、计量精度与重复性比较

涡街流量计由于测量原理的限制，仪表系数（脉冲数/升）相对较小，分辩率低，且口径越大仪表系数越低。测量气体时Φ100mm涡街流量计的仪表系数在

1.05左右。Φ200mm涡街流量计的仪表系数在0.1左右。由于分辩率太低，一般生产涡街流量计的管径≤250mm。气体测量精度能达±1%（流速5-35m/s，流量1:7范围内）。V锥流量传感器在流速2-36m/s，流量1:18范围内测量精度很容易达到±1%

涡街流量计管径250mm以上时一般都选用插入式（插入头一般为

Φ40mm，）。气体测量精度一般为±5%左右。主要是以下两点严重影响计量精度：a）插入式涡街流量计属于点流速测量，测量头只能检测到管道的中心流速，远不能代表管道断面的平均流速。

b)由于受涡街检测原理的局限，大于250mm以上的"满管式"涡街流量计仪表系数太小（一般在0.07-0.01），分辩率低，测量流量时，测量值波动大。

V锥流量传感器具有较高的精度，这是由于产生差压信号的锥形体位于管道的中心，流体与其分离产生的漩涡对差压信号影响很小，因此其初始元件能达到读数±0.5%的高精度，V锥流量传感器与涡街流量计不同，无论管径大小，每台都是"满管式"，带有计量管段进行出厂标定，精度也不受仪表系数分辩率的限制，保证了实验室标定结果与现场使用结果的一致，从根本上保证了现场使用精度。（2）、适应使用现场工况条件能力的比较

涡街流量计有多种检测方式，现在生产使用的多为应力式。即用压电元件来检测旋涡产生的应力来记录下旋涡的个数，从而以旋涡的数量计算出流速及流量。从涡街流量计的测量原理可以看出以下几点现场工况会严重影响涡街流量计的正常工作。

a)涡街流量计的工作原理决定了它对流速要求较高，低流速下（气体5m/s）旋涡生成非常困难，即使有微弱旋涡生成，产生的应力也不足以压过工频噪声，引起涡街流量计低于下限后乱计量的结果

b)涡街流量计属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计。旋涡的形成受流速分布畸变及旋转流的影响，故上游侧应配置足够长的直管段，具体长度参照标准孔扳的直管段长度要求安装（一般不少于前20D后5D）。

c）应力式涡街流量计对现场管道机械振动非常敏感，不适于有振动的场所。

V锥流量传感器的V型锥体具有独特的"自整流、自清洁"功能。流体在节流元件的作用下，流场将经过"非稳定流→稳定流→恒（常）流"的变化过程，在节流元件的上游部分达到差压式流量计测量原理所需要的理想前提条件，前后直管段要求较短，一般上游只需0至3D，下游只需0至1D。从本质上保证了能广泛适用各种复杂现场。

由于涡街流量计的工作原理决定了每一种管径的表的特征尺寸都是一样的，即每一台同口径的涡街流量计要求的上下限流速范围是一样的。用户选用表时，只能靠改造现场使用条件（缩径、增加直管段）去满足涡街流量计的要求，而决非象V 锥流量传感器是以用户的现场使用条件（多大的管径、流量范围）来设计生产该仪表。得出的结果就是：选用涡街流量计，必须是使用现场去适应流量计。选用V锥流量传感器，是流量计去适应使用现场。

（3）、永久压损比较

涡街流量计和V锥流量传感器之间永久压损的比较，目前国内还没有权威数据统计。有据可查的数据是：北京化工大学的流量专家、教授孙延祚发表在2006年《工业计量》杂志增1期上的文章"从节能降耗要求再论推广锥型流量计的必要性"中有国外实流实验的测试结果。测试过程是在相同管径（80mm）的管道中，让相同的流体（水）流过，在相同的流量（流速等于3.765m/s）下测量出每一种流量计的永久压损。其数据如下：

流量计类型

永久压损值（kPa）

V锥流量传感器

≤4.98

文丘利管

≤4.98

文丘利喷嘴

≤4.98

喷嘴

9.961

涡街流量计

13.41

涡轮流量计

14.94

涡街流量计（Foxboro）

18.5

孔扳流量计

19.992

科氏力（Miero-Motion）

29.882

科氏力（Foxboro）

34.864

从以上数据中可以看出Foxboro 公司和Miero-Motion公司的科氏力质量流量计的永久压损最大，V锥流量传感器、文丘利管和文丘利喷嘴三种流量计的永久压损最小，而涡街流量计的永久压损比喷嘴流量计还大。这组实流实验的实测数据也从另一个方面印证了选用涡街流量计，是用户现场去适应流量计；选用V锥流量传感器，是流量计去适应用户现场这一恰当的比喻。

（4）、安装使用及校验方便性比较

在安装使用方便性方面，由于涡街流量计和V锥流量传感器同属法兰连接式，安装过程基本相同。在对在用的流量传感器校验时，V锥流量传感器只需将差压元件取下校验即可，非常方便；而"满管式"涡街流量传感器，则需要将整体取下，才能完成校验工作，工作量大很多。

（5）、长期使用稳定性、可靠性比较