浅析煤矿瓦斯抽采系统监测与计量

【摘 要】文章介绍了煤矿瓦斯抽采监测技术和常用的流量计的优缺点，并对中国的瓦斯抽采技术的发展趋势做出了展望。

【关键词】煤矿；瓦斯抽采；监测与计量

1 瓦斯抽采监测技术

1.1 管道瓦斯流量监测技术

管道瓦斯流量是抽采监测中的关键技术参数之一，也是监测参数中监测难度最大的参数之一。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和V锥流量传感器。

V锥流量传感器相比涡街流量传感器具有精度高、寿命长、直管段要求低、量程比宽、信号稳定、压损小等优点，涡街流量传感器存在下限流速高（测量气体时下下限流速为5m/s）、直管段要求高、易受电磁干扰、易受管道振动影响等缺点。V锥流量传感相特别适合于以下场所：脏污介质、直管段不足的场所、对精度要求高的场所。当然，作为差压流量传感器的一种，由于成本关系不能完全取代孔板、文丘里的位置，但对于瓦斯抽放等计量精度要求较高的应用场所，采用V锥流量传感是一个较理想的选择。

1.2 管道瓦斯浓度监测技术

管道瓦斯流量是抽采监测中的另一关键技术参数，也是监测中最易出问题的关键部位之一。对瓦斯抽放管道内瓦斯浓度准确的测量，是煤矿瓦斯抽放系统做到计量准确、运行正常的另一个重要条件。目前，国内外用于煤矿井下瓦斯气体检测有载体催化、热导、光干涉、红外等几种原理。能用于高浓度瓦斯检测的只有热导和红外两种原理。

当前，我国煤矿瓦斯抽放监测系统中用于瓦斯浓度检测的高浓度甲烷传感器几乎都是采用热导原理。用热导原理检测瓦斯，只是在（8～40）CH4%时测量误差较小，使用中受环境温度影响大，不易补偿；特别是在检测管道瓦斯时，当瓦斯流速较高时（大于25m/s），会影响热导敏感元件的温度场，对利用热导率差异检测瓦斯浓度的热导敏感元件，这种影响将是灾难性的，导致传感器的测量误差非常大。

近年来，在“非色散红外检测”（ NDIR ）技术发明后，国外红外气体检测技术在工业安全领域得到了飞速的应用和发展。“非色散红外检测”（ NDIR ）技术是目前一种比较先进的气体分析技术，具有快速、准确、稳定性好的特点。基于此技术的甲烷检测传感器具有检测精度高、响应时间快、检测范围广、性能稳定、不受检测环境中其它气体的干扰、无有害气体中毒现象、寿命长等特点，越来越受到煤矿及其它工业安全领域的青睐，并有取代载体催化、热导等瓦斯检测原理的趋势，成为煤矿瓦斯检测技术的主流。

2 常用流量计

2.1 孔板流量计

原理：标准孔板是一块具有圆形开孔的金属薄板，圆孔壁与孔板前端面成直角，安装时孔板轴心和管道轴线同心。充满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下两侧产生静压力差。在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压和流量之间的关系而求得流量。

优点：

（1）国际通用、应用历史长、经验数据丰富；

（2）结构简单、成本低、安装方便；

（3）无可转动部件，适合脏污介质测量；

（4）国家统一标准，不需要实流标定，降低了产品成本。 缺点：

（1）直管段要求长；

（2）易磨损，校准周期短；

（3）易堵塞，需定期清理。

2.2 涡街流量计

原理：在流体中安放一个非流线型旋涡发生体，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离频率与流量成正比的流量计。

优点： （1）结构简单牢固、无可转动部件； （2）安装方便； （3）测量量程比宽； （4）插入式涡街流量计永久性压损小。 缺点： （1）直管段要求长； （2）对震动敏感； （3）测量精度低、维护量大。

2.3 旋进漩涡流量计

原理：流体通过由螺旋形叶片组成的旋涡发生器后，被迫绕着发生体轴剧烈旋转，形成旋涡。当流体进入扩散段时，旋涡流受到回流的作用，开始作二次旋进动频率与流量大小成正比转，形成陀螺式的涡流进动现象。

优点： （1）结构牢固、无可转动部件； （2）测量量程比宽； （3）直管段要求短。 缺点： （1）压损巨大； （2）对震动敏感； （3）不能够用于测量含固体杂质和长纤维的介质。 2.4 V锥型流量计

原理：在同一密闭管道内，当压力降低时，速度会增加，当介质接近锥体时，其压力为p+，在介质通过锥体的节流区时，速度会增加，压力会降低为p-，p+和p-都通过V型锥形流量计的取压口引到差压变送器上，流速发生变化时，差压值会随之增大或减小。也就是说对于稳定流体，流量的大小与差压平方根成正比。当流速相同时，锥体节流面积越大，则产生的差压值也越大。

优点：

（1）直管段要求短；

（2）耐高温、高压、耐腐蚀、不怕震动；

（3）自保护功能，节流件关键部位不磨损，能保持长期稳定地工作；

缺点：

（1）如果介质有颗粒杂质，易堵塞；

（2）压损大；

（3）结构复杂，不易维护；

（4）量程比过小。

2.5 热式质量流量计

原理：采用感热式测量，通过分体分子带走的分子质量多少从而来测量流量，因为是用感热式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果。

优点：

（1）可测量低流速（气体0.02-2m/s）微小流量；

（2）更适合于大管径；

（3）无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；

（4）使用性能相对可靠。与推导式质量流量仪表相比，不需温度传感器，压力传感器和计算单元等，出现故障概率小。

缺点：

（1）热式质量流量计响应慢；

（2）必须定期清洗；

（3）对于粘性液体在使用上受到限制。

3 技术发展趋势和瓦斯抽放监控系统的特点

3.1 发展趋势：

（1）单一装备向系统集成化发展。

（2）软硬件结合更加紧密，系统功能更加丰富，技术更先进。（3）从单纯的参数监测向监测监控系统方向发展。

3.2 瓦斯抽采监测监控系统的特点

（1）根据瓦斯抽放系统运行状态，对其实施全自动控制，当监控系统接收到启动、停止、送气或停止送气等信号时，按照工艺流程自动执行相应的控制；

（2）根据管道参数，可以计算出管道标况混合流量及其累计量、管道标况纯流量及其累计量。

（3）抽放系统运行出现异常时，可以根据异常状况的不同，对系统发出不同的控制动作和声光报警信号；

（4）抽放监控采用PLC主控，逻辑控制功能强大；

（5）系统控制方式灵活，支持自动、手动和检修三种工作模式；在控制柜显示屏或上位机上可以查询到详细故障报警原因；

（6）系统具有停电保持功能，备用电源可工作两小时以上；

（7）抽放监控柜操作方便，显示直观；

（8）上位计算机可与综合监控系统联网，使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息，查询各类数据报表；

（9）瓦斯抽放监控柜形式多样，可以根据用户需求，设计为立式柜或者操作控制台，采用分体组合式，组网灵活，便于运输。

4 结束语

瓦斯抽采是治理瓦斯的治本措施，我国煤矿瓦斯抽采经历了“局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行”4个阶段。瓦斯抽采作为解决煤矿瓦斯问题的有效途径，在理论和技术方面都取得了重大进展。但还有很多问题没有解决，我们仍需继续进行理论研究和科技攻关，使我国的瓦斯抽采技术得到进一步的发展，为我国煤炭行业安全高效生产保驾护航。

参考文献：

[1]袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[R].2010.

[2]杜海涛，李长青，许合利，张建彬.红外遥控在瓦斯传感器中的应用[ J].焦作工学院学报（自然科学版），2004（2）.