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蒸汽流量计在瓦斯气体抽放管路流量测定中的应用情况
发布日期:2017-9-28 21:15:22
  目前煤矿测定瓦斯抽放流量的常用仪器是孔板流量计,由于孔板流量计是基于节流原理,用U型压差计测定孔板两端的压差,根据相关公式计算瓦斯流量,因此该方法存在其固有的缺陷,即:①局部减小了抽放管道的过流断面面积,增加了系统阻力, 影响抽放效率;②测定误差较大,由于煤矿现场条件所限,以及抽放系统的波动,使其精确测出压差较为困难;③不能直接读数。        
   流量是一个动态量,处于运动状态的液体内部不仅存在着粘性摩擦作用,还会产生不稳定的旋涡和二次流等复杂流动现象。测量仪表本身受到众多因素的影响,如:管道、口径大小、形状(圆形、矩形)、边界条件、流体的流动状态(紊流状态、流速分布等)以及安装条件与水平等。目前用于煤矿测定瓦斯抽放管道流量的仪器有孔板流量计、文丘里管流量计、皮托管、风速表、热球式风速计等,其中只有孔板流量计应用最为广泛,其他方法因测量误差比较大,实际使用的比较少。孔板流量计虽然测量精度高、但由于其采用的原理是节流原理,人为减小了抽放管道的直径,从而大大地增加阻力而影响抽放效果。
    涡街气体流量仪是根据卡门涡街原理直接测量气体流量,它采用便携式结构,可直接显示测定结果,可进行多点测量,无阻力损失,使用方便,体积小、重量轻:传感器采用插入结构可防止生锈及意外损坏,有利于保护仪器安全,仪器测量精度高。如何根据流量、流态、安装要求与环境条件、经济性等因素合理选型,是应用好仪表的前提和基础。除了仪表自身质量要得到保证,工艺数据的提供和仪表的安装、使用、维护是否合理也相当重要。 
    1 蒸汽流量计的测量原理
    蒸汽流量计作为一种新型流量计,20世纪80年代中期以来发展较快,它在流量测量方面有着诸多的优点和长处,在现代流量测量中应用越来越广泛。在国内使用蒸汽流量计进行流量测量也愈来愈得到重视,目前我国已有性能优良并有自主知识产权的产品系列。 
    蒸汽流量计的原理是在流量计管道中,设置一滞流件,当流体流经滞流件时,由于滞流件表面的滞流作用等原因,在其下游会产生两列不对称的旋涡,这些旋涡在滞流件的侧后方分开,形成所谓的卡门(Karman)旋涡列,两列旋涡的旋转方向是相反的, 卡门从理论上证明了当h/L=0.281(h为两旋涡列之间的宽度,L为两个相临旋涡间的距离)时,旋涡列是稳定的,在此情况下,产生旋涡的频率f与流量计管道中流体流速υ的关系为: 
式中 d———圆柱形滞流件的直径; 
     υ———流体的流速,m/s; 
     s———无量纲常数,称为Stroual数,与流体流动状态的雷诺数Re有关。 
    流量计圆截面管道的雷诺数Re为: 
式中 ρ———流体的密度,kg/m3; 
     μ———流体的动力粘度,(kg/m)/s; 
    其他符号意义同上。而流体的流量为: 
式中 Q———管道流体的流量,m3/s; 
     A———管道断面积,m2。 
    从上式可见,蒸汽流量计选型设计完毕,流量Q不仅与f有关,而且与雷诺数Re也有关。雷诺数Re是表征粘性流体流动特性的一个无量纲数,其物理意义是流体流动的惯性力与粘滞力的比值。旋涡发生所产生的旋涡频率需由感测器来测定,感测器获得的信号经放大、滤波整形等处理后得到代表涡街频率的脉冲信号,供单片机进行处理和显示。感测器分流体振荡感测和压力变化感测两大类。流体振荡感测属于接触式,控测元件易受流体污染,但抗干扰能力强;压力变化感测属于非接触式,探测元件不易受流体污染,但易受振动等因素的干扰。流体的流动状态对蒸汽流量计的使用也有一定的影响。如果环境参数对流体流动状态有影响也会影响到蒸汽流量计的使用性能。 
    2 蒸汽流量计的结构 
    旋涡发生体形状有圆柱、三角往、T型柱、四角柱等,以下主要介绍圆柱与三角柱这两种型式。 
    (1)圆柱型旋涡发生体。前面关于旋涡理论部分的内容就是以圆柱为例进行讨论的。虽然这种型式使用较早,但严格地说,在高流速下它的斯特罗哈数St并不稳定。因此,人们就将其改进成开狭缝或导压孔形式。 
    开导压孔的圆柱旋涡发生器如图1所示。由于有导压孔存在,当旋涡发出的同时产生的交替升力使流体通过导压孔流动,产生一边吸入,一边吹出的效果。当流体附面层在圆柱表面开始分离时,在吸入一侧,分离被抑制;在吹出一侧,分离则被促进发生。这样就可使流体分离点的位置固定下来,也就可以使斯特罗哈数St相对稳定。 
图1 圆柱旋涡发生器 
    (2)三角柱型旋涡发生体。目前采用较多的旋涡发生体是三角柱形的,其形状一般由实验确定。它不仅可以得到比圆柱更强烈的旋涡,而且它的边界层分离点是固定的,即其斯特罗哈数St相对恒定,大约为St=0.16.这样,涡频与流速的关系为f=0.16v/d,其中d为三角柱的底边宽度。形状可见图2所示。 
图2 电容式三角柱旋涡发生体
    3 蒸汽流量计的安装应用
    蒸汽流量计是基于流体振动发展起来的,根据涡街结构材料的不同,检测方式从热丝式、热敏式逐渐发展了应力式、磁敏式及差动开关电容式、超声波式等。蒸汽流量计几乎可用于一切可形成涡街列的场合。与孔板式流量计相比,蒸汽流量计测量范围大,压力损失小,准确度高,安装与维护简单。在安装蒸汽流量计过程中,可分为卡装式、插入式卡装式变径和插入式变径等几种,这取决于管径的具体情况而定,如图3所示。安装位置如图4所示。 
    目前,国内大多数的蒸汽流量计作为一种新型的传感器在煤矿中使用,它的输出信号大多为频率型,范围为200~1000Hz,可以直接接入瓦斯监控系统,与其联网,用特定的软件显示出瞬时的流量值,同时也可以累计计算出当日或当月的混合气体流量以及纯瓦斯气体的抽放量。但蒸汽流量计的环境相关参数较多,比如说现场的泵房里由于机器运转而造成的轻微震动可能会影响仪器的准确性等,容易在使用现场被忽略而影响这个流量计性能的正确发挥。 
    4 蒸汽流量计的影响因素 
    经过实践,如下几个方面对蒸汽流量计的使用都有影响,应对这些问题进行分析。 
    (1)蒸汽流量计的测量范围较大,一般10∶1,但测量下限受许多因素限制:Re>10000是蒸汽流量计工作的最基本条件,除此之外,它还受旋涡产生响应信号,旋涡频率f也小,还会使信号处理发生困难。测量上限则传感器的频率响应和电路的频率限制,因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算,根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂,选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外,还要考虑电磁干扰。
图3 蒸汽流量计卡装式安装图 
图4 抽放泵附近流量计安装位置示意图 
    (2)振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时应注意避免机械振动,尤其是管道的横向振动(垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动),这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感,故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时,是不宜选用的。即使是抗振性较强的电容式、超声波式,保证流体为充分发展的单向流,也是不可忽略的。 
    (3)介质温度对蒸汽流量计的使用性能也有很大的影响。如压力应力式蒸汽流量计不能长期使用在300°C状态,因其绝缘阻抗会由常温下的10-100MΩ急降至1-101Ω,输出信号也变小,导致测量特性恶化。在测量系统中,传感器与转换器宜采用分离安装方式,以免长期高温影响仪表可靠性和使用寿命。蒸汽流量计是一种比较新型的流量计,处于发展阶段,还不很成熟,如果选择不当,性能也不能很好发挥。只有经过合理选型、正确安装后,还需要在使用过程中认真定期维护,不断积累经验,提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力,从而达到令人满意的效果。
      涡街气体流量计各项技术指标先进,经实验使用证明该仪器性能稳定,测定数据准确可靠,无阻力损失,是目前国内瓦斯抽放流量测量理想仪器。
    (1)该流量计安装简单,使用方便。
    (2)仪器阻力损失小,几乎为0,对抽放泵的抽放能力没有任何影响,这一点比孔板流量计有着很大的优越性。
    (3)仪器测定准确、数据可靠,重复性误差<±1.0%,达到计量标准。
    (4)仪器智能化程度高,采用单片机控制,直接显示,并具有数据断电保护功能供用户使用。
    (5)由于蒸汽流量计采用了计算机测试计算,因此减少了复杂的手工计算,提高了工作效率,实现了对内的气体流量及瓦斯浓度的连续监测。