ZKC6型瓦斯抽放参数测定仪在抽采系统中的应用

万 勇

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

ZKC6型瓦斯抽放参数测定仪在抽采系统中的应用

万 勇1，2

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

针对煤矿瓦斯抽采钻场、支管及单孔内气体流速较小或波动较大，常见的计量设备不能满足简单快捷测量其流量、压力、温度、瓦斯及一氧化碳浓度的要求，该文介绍了一种以皮托管原理为核心的ZKC6型瓦斯抽放参数测定仪。提出了基于皮托管原理检测差压、压力及温度，再利用真空泵抽取被测管道内气样循环至甲烷及一氧化碳元件处检测其浓度，最后排放至被测管道内的研究方法，简述其工作原理、结构特征等内容。通过现场应用结果证明，该测定仪对小管径、低流速计量操作简单、精度高、故障率低，对减少人员劳动强度及在煤炭企业推广有重要意义。

ZKC6；流量计；钻场；小管径；低流速

“先抽后采”是我国煤矿瓦斯治理的治本之策，通过抽采管道排放出煤层气[1]。煤矿瓦斯抽采管路内流量检测方法主要有孔板、均速管、V型锥及威力巴流量计[2-3]等测定法。其中孔板法是较为公认的，但孔板流量计采用的是通过人为突变管径形成节流产生差压的原理，会导致管内大幅增加压损而影响整体抽放效果；皮托管由于结构简洁、测量准确性国际公认、拆卸方便、可靠性高、几乎无压损等诸多优点被较早地运用在煤矿现场并得到广泛好评。但是这些流量计在测量低流速、低流量的较小管径及钻场单孔的场合就显示出了一些自身的不足，尤其是需要固定安装在抽放管道上而不能根据实际需要进行移动测量是其较大的弊端。

随着国家对煤矿瓦斯抽采达标考核要求的不断提高，煤矿企业也越来越重视抽采计量数据的准确性，并开始建立瓦斯抽采评价单元，检测管道内流量的相关仪表技术逐渐向抽采的钻场及支管源头延伸，但抽采钻场和支管源头普遍管径小、流量少，有些单孔流速甚至低至0.3 m/s，这些工况条件对抽采计量装置的选择提出了严格甚至苛刻的要求[4-13]。目前多数煤炭企业在抽采计量设备选型时主要是靠查询资料、听取厂家宣传或技术交流、比较类型产品后选择购买并运用，往往出现因选型不合适导致安装不便、测量精度低、数据准确性得不到保障。本文根据长期广泛调研煤矿现场钻场、支管及单孔内气体流量的特点后，研发设计了一种适用于检测低流速低流量管道内的ZKC6型瓦斯抽放参数测定仪。

1 结构特征与工作原理

中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的ZKC6型瓦斯抽放参数测定仪，是基于皮托管流量计原理基础上，将其探头插入被测管道中，利用其内部差压传感器、压力传感器及Pt100铂电阻温度传感器检测计算出相关参数，然后利用测定仪内部的微型调速真空泵在被测管道内抽取实时气样，经管路系统中的除尘、除湿滤水装置后再循环至红外甲烷及一氧化碳元件安装处检测气样中的瓦斯及一氧化碳浓度含量后，最后经利用调速真空泵排放至被测管道内的研究方法。皮托管由于有成熟的技术规范和使用经验，常被运用在通风管道、工业管道以及炉窑烟道内测量气体流速，用皮托管测速和确定流量，有可靠的理论依据，也是流量标准装置上常用的计量器具[14]，依据皮托管原理研发的ZKC6型多参数测定仪，使用方便、测量数据准确、工作性能稳定、结构简单、便于携带至需要测量的地点，且只需要在管道上开一个DN10的观测孔即可测量，测量下限可低至0.3 m/s。

1.1 结构特征

测定仪由主机和探头两部分组成，主机与探头的外观示意分别如图1和图2所示。

图1 ZKC6测定仪主机外观示意Fig.1 Schematic diagram of ZKC6 teste

图2 测定仪探头外观示意Fig.2 Schematic diagram of probe

1.2 工作原理

ZKC6型瓦斯抽放多参数测定仪是由一体化探头，差压变送器和流量积算仪等组成的测量系统，可以同时测量管道内工况及标况瞬时流量、温度、绝对压力、差压和环境大气压等参数。传统的皮托管流量计测量方式主要采用皮托管为检测探头，配以U型管压差计作为测量设备，通过U型管内压差值来计算得出流量；本测定仪采用将温度传感器、压力传感器、差压传感器封装在一起的一体化的智能探头，经信号处理电路采集3路传感器信号后通过RS232接口输出进入测定仪CPU微处理器，当主机检测到探头通过RS232传来的数字信号后，经过微处理器CPU内部程序的系列化处理和计算，在主机面板上的液晶屏显示出具体的测量参数数据，大幅度缩减了人为因素带来的介质压力、差压、温度等关键参数的测量误差，同时将皮托管计算公式植入CPU内部程序，避免了因公式不统一、人为计算错误等因素造成的计算记过误差较大的几率，保证了测定仪测量结果的有效性和可靠性。测定仪电路原理如图3所示。

图3 测定仪工作原理Fig.3 Schematic diagram of measuring instrument

当主机开机进入测量功能后，测定仪会自动开启内部的调速真空泵，此时真空泵会从被管道中抽取部分样气进入主机内的红外甲烷和一氧化碳元件装置处，此时2个元件进行混合气体内的甲烷和一氧化碳浓度分析测量，最终计算出被测管道内混合气体中的甲烷及一氧化碳浓度值，再通过人机界面直观显示出来[15-18]。被测管道内的不同环境下工况数据可以保存在主机内，也可以通过蓝牙接口将保存的数据无线传输到上位PC机予以存储、生成报表并打印。

2 现场适应性应用

2.1 开孔工艺

在被测量输气管道上需要预先开设2个直径10 mm的螺纹孔，其中一个孔作为检测甲烷和一氧化碳浓度的取气口用，另一个孔用于插入一体化皮托管来测量管道内气体的流速及流量。其开孔位置要求为直管段较长 （至少前7D后5D，D为管道内径）、气流较稳的位置，一体化智能皮托管测量孔应开在上风位，甲烷及一氧化碳浓度测量取气孔应开在下风位，并与皮托管取气孔保持20 cm以上的间隔距离，主要是避免仪器内调速真空泵在进行抽气取样工作时扰乱了管道内皮托管取气孔附近的气流稳定性。如果被测管道内存在积水的情况，此时应避免垂直向下开孔方式，而采用切斜于管道30°～40°开孔，以防一体化皮托管插入管道时进入到被测管内积水中导致取压口进水，引起测量数据不准确或者损坏皮托管内传感器。

2.2 现场测量

打开测定仪主机的上箱盖，通过配套的数据线缆连接好测定仪及一体化皮托管探头，再将主机面板上的抽气嘴和排气嘴通过DN 8 mm的气管连接到被测管道上的预先开设的浓度取气，开机预热后进入测量状态；将探头上的皮托管垂直于管道并保持与插入管道的角度一致，按动测定仪“清零”键，将皮托管差压清零（由于是微差压测量，差压传感器比较敏感，探头放置的角度改变时差压的零点也会改变，所以清零时应保持探头与插入管道的角度一致，且清零时需保持皮托管取压口为无风状态），再将皮托管缓慢地垂直插入管道中并用密封胶塞保证密封性，此时才可以开始测量数据。连接示意如图4所示。

2.3 测量使用操作

长按测定仪主机上电源键，系统开始初始化，初始化完成后自动进入功能界面，如图5所示。再按上下左右4个方向键来选择相应的功能进入相应页面。

图4 测量示意图Fig.4 Sketch map of measurement

图5 功能界面显示Fig.5 Functional interface display

2.4 测量功能

从功能界面进入到参数测量预设页面后（如图6所示），按上下键可移动光标，当光标落在“开始测量”按钮上时，按“确定”键进入参数测量页面。

图6 测量设置页面显示Fig.6 Measurement settings page display

当光标落在“地址号”上时，按数字键输入测点地址号。选好地址号后下移光标，自动显示出对应的地址名称和管道内径 （可预先通过PC机下载）。数字输错时可以按“删除”键后重新输入，设置管道壁厚是为了准确计算皮托管插入深度。设置“输入浓度”是为了在不便进行浓度测量或浓度已知时进行流量密度补偿，当输入的浓度值是“0”时，仪器将会启动调速真空泵抽气正常测量混合气内的甲烷和一氧化碳浓度；当输入的浓度值非“0”固定值时，仪器自动关闭调速真空泵不启动，微处理器CPU内程序会按照输入的固定浓度值进行混合气体密度补偿计算。

“测量模式”可以分别为“一点位置”、“四点位置”和“十点位置”测量方法，选择测量点数越多，其对应的测量精度越高，特别是管内气体气流不均匀时应尽量选择点数多的方法以保证测量数据的可靠性。进入参数测量页面1后（如图7所示），会显示当前测量值，图7中选择的是“一点位置”测量法，显示了1个点的插入深度，若之前选择了“十点位置”测量方法，则页面下方会显示出皮托管应该插入的10个深度。如果在参数测量页面1的界面上，再按动键盘区右键则可进入参数测量页面2，如图8所示。

在参数测量页面1按“清零”键将对差压测量值清零，清零前需保持皮托管取压口处于无风环境中。页面右上方显示抽气泵的工作状态和主机与探头的通讯状态，抽气泵的工作状态具体为“电机正常”、“电机未工作”和“电机堵转”；主机与探头的通信状态具体为“通讯正常”和“通讯中断”，按“返回”键返回主页。

图7 参数测量页面1显示Fig.7 Parameter measurement page 1

图8 参数测量页面2显示Fig.8 Parameter measurement page 2

3 现场运行情况分析

ZKC6型瓦斯抽放多参数测定仪于2016年7月至8月在山西阳煤集团新景矿二区北九瓦斯抽采巷钻场进行分单元抽采监测计量以及地面瓦斯发电站利用输气管道上的实际测量运用。井下北九钻场尺寸为4.8 m×4.6 m×3.6 m（长×宽×高），钻场内设置钻孔62个。本钻场具有井下抽采钻场的所有特点并更具代表性：钻孔出水量较大、固体杂志较多、管径小（DN50）、流速低，流量小、瓦斯浓度高、变化快且变化幅度大；地面利用管道管径大（DN900）、流速高、流量大、瓦斯浓度较低。

测定仪在该钻场分单元计量的多个单孔实际测量期间，新景矿瓦斯抽采科及其通风管理科技术人员通过用第三方检测装置人工实测及根据理论计算的数据反复对ZKC6测定仪检测数据的真实性及准确性进行了现场比对。部分数据记录情况如表1、表2所示。

表1 新景煤矿二区北九瓦斯抽采巷钻场分单元计量管道（DN50）流量及浓度比对数据Tab.1 Mining roadway drilling field measurement unit pipe two district nine north Xinjing coal mine gas（DN50）flow rate and concentration ratio data

表2 新景煤矿地面瓦斯发电站输气管（DN900）流量及压力比对数据Tab.2 Xinjing coal mine ground gas power station（DN900）pipeline flow and pressure data

根据表1和表2两者不同管径、不同流速及流量的比对数据可以看出，ZKC6型瓦斯抽放多参数测定仪能够较长时间在不同工况环境下保持稳定、准确的测量，既可以测量小管径（DN50）内0.3 m/s的流速及流量，又能测量大型管道（DN900）内参数，并能够保持较高的精度，绝对误差和误差率很小，满足测量设计及矿方提出的误差在±1%以内的要求，达到1.0级精度等级，能够很好地适应钻场内单孔（小管径）和地面利用输气管道内混合气体的流速及混合流量、甲烷及一氧化碳浓度、压力及温度等数据的便携式检测。

4 结语

ZKC6型瓦斯抽放多参数测定仪具有操作简单方便、不受前期准备工作的限制（走到哪里就可以测到哪里）、故障率低、效率高，对减少测量人员劳动强度有着重要意义；测量下限低、精度及准确性高、完全适用于小管径、低流速、低流量的抽放管道环境，完全能够满足煤矿钻场及地面瓦斯利用输气管道内混合气体流量、甲烷及一氧化碳浓度检测。通过在山西阳泉煤业集团新景公司二区北九瓦斯抽采巷钻场的现场实践及试用，各项气体工况参数数据测量与人工实测比对以及长期使用的稳定性、可靠性等情况可以直观地看出，本多参数测定仪能够满足国内煤矿钻场及单孔小管径、低流速、小流量区域计量检测的要求，也能达到煤矿提出的简单、快捷检测出管道内混合气体参数的要求，非常值得大力推广到各煤炭及管道输气相关企业使用，有着广泛的应用前景。

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Application of ZKC6 Type Gas Drainage Parameter Measuring Instrument in Gas Drainage System

WAN Yong1，2
（1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China）

According to the mining and drilling field，branch pipe and single hole gas flow rate in the small or large fluctuations in gas pumping，common measurement equipment can not meet the simple and fast measuring the flow，pressure，temperature，gas and the concentration of CO，to introduce a pitot tube as the core principle of ZKC6 type gas drainage parameters tester is proposed.The detection principle of pitot tube differential pressure，pressure and temperature on the extraction was measured by the vacuum pump in the pipeline gas is recycled to the methane and CO element to detect the concentration of emissions to be measured.Finally，research methods in the pipeline and the working principle，the structure，content and other characteristics.Through the field application results show that the measuring instrument of small diameter and low velocity measurement has the advantages of simple operation，high accuracy，low failure rate，has great significance to reduce labor intensity and promotion in coal enterprises.

ZKC6；flowmeter；drill field；small diameter；low flow rate

TD712.6

B

1001-9944（2017）08-0025-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.007

2017-03-09；

2017-06-16

“十三五”重大专项项目（2016ZX05045-006）

万勇（1980—），男，本科，工程师，主要从事瓦斯抽放监控技术及仪器仪表、自动化系统等研发及技术推广工作。