[導讀] 針對煤礦管道瓦斯計量現狀，通過對V錐流量計的特點分析并結合管道瓦斯自身特點，得出V錐流量計更適合于管道瓦斯計量。重點介紹了V錐流量計算公式中的系數k、差壓值△p、密度ρ本身的測量誤差對流量計算結果的影響，并通過計算不同狀況下的系數k、差壓值△p、密度ρ的誤差大小變化，分析其本身對測量結果的影響，得出系數k影響最大，引入實時密度測量更容易提高測量準確性的結論。
瓦斯抽放是防治煤礦瓦斯災害事故的根本措施，瓦斯抽放監控及利用是確保瓦斯抽放安全、提高瓦斯抽放效率和瓦斯利用率的重要途徑和有效手段。瓦斯利用為瓦斯抽放系統帶來了廣闊的市場，并對流量的測量亦有了很高的要求。流量測量裝置配備在井下移動泵、地面抽放泵的正壓側和負壓側，目前主要使用的是孔板流量計和渦街流量計，調查發現這2款測量裝置本身存在很大不足，孔板流量計測量準確度差，而且對泵的抽放效率有很大影響，渦街流量計本身對振動非常敏感，煤礦的工況條件很大程度上影響了渦街測量的準確性，同時這2種流量計的安裝需要很長的直管段，很多時候工況條件難以滿足。目前，煤礦急需一種測量精度高，長期穩定性好，安裝維護方便的測量設備。V錐流量計以其獨特的性能非常適合于煤礦瓦斯抽放環境。
通過對瓦斯管路抽放氣體和瓦斯抽放泵現場作業環境的分析，結合V錐流量傳感器本身的特性分析，V錐流量傳感器是一款非常適合瓦斯管道氣體測量的流量計［1－4］，它的以下特點決定了它非常適用于瓦斯管道氣體的測量。
（1）±0.5%的測量準確度（在多數標定的V錐流量計中流出系數的不確定度不超過0.4%）。這樣高的精度是孔板等傳統差壓儀表所不能相比的；量程比10～15∶1。
（2）在使用安裝時，只需要極短的直管段甚至不需要，前面1（0）～3D，后面0～1D。（在調節閥后安裝時需要3D的直管，D為管路直徑）。
（3）具有極高的測量靈敏度（分辨率），負壓端約25Pa的壓力（水柱高度還不到普通玻璃板的厚度）就可以檢測到。因而除了測量大流量外還可測量極小的流量，如煙道氣等。
（4）V錐體被設計成吹掃型結構，因而具有自清潔功能，因此不會堆積截留流體中挾帶的任何臟污物、凝固體、固體、氣液等。非常適合測量臟污的流體。
（5）流體流過具有特殊形狀結構的V錐體時，會在其節流邊緣處形成邊界層效應，因此極大地減少了磨損的可能性，因此V錐型流量計投入使用后，除極特殊條件外，它的節流邊是不會被磨損得，也可以說是免拆卸標定的。
（6）無可動部件，不含任何電器件，是一個純機械體，具有不怕震動、耐高溫、高壓、防腐等特點。也就是說：它既有傳統差壓式儀表的結構簡單、牢固可靠之特點，又具有傳統差壓式所不具備的各項優越性能。
（7）壓損小，相比于孔板流量計和渦街流量計有明顯的節能效果。
2 V錐流量計測量結果的誤差計算
2.1 測試數據及誤差處理方法
對3臺V流量傳感器進行了測試，經過實流標定系數k為8690。表1為實流標定時所測得的參數。
表1 標定參數
結合以上標定數據，分析各變量對流量計算值的影響，并計算出各變量對計算值影響的大小，從而可以有針對性的處理生產和測量過程中引入的誤差，提高數據的準確性。并重點觀察引入甲烷濃度測量對真實值的影響。
首先選取測試條件，在這里對標準狀況及其工況簡單加以說明，標準狀況通常是指溫度為0℃（273.15K）和壓強為101.325kPa的情況；工況是指工業現場設備在現場工作時所處的環境狀況，需現場測量。為了更貼近實際使用環境，選取工況狀況進行計算，在溫度為20℃，大氣壓力為101.325kPa狀況下空氣的密度為1.2041kg/m3，甲烷密度0.6669kg/m3狀況，工況下體積流量Qv的計算式［5］如下：
（1）
式中 Qv———工況體積流量，m3/h
k———系數；
△p———差壓值，kPa；
ρ———密度，kg/m3。
系數k與節流件形式（流束收縮系數）、直徑比、取壓方式、雷諾數及其管道粗糙度等有關，計算公式如下：
（2）
式中 k———系數；
C———流出系數；
ε———壓縮系數，液體ε=1；
β———直徑比；
D———管道內徑，mm；
d———錐體最大處直徑，mm。
Qv是一個含有多元變量的計算公式，其中系數k、差壓值△p、密度ρ都是其中的變量，而系數k又受到多種因素的影響，在這里把系數k當做單獨的變量處理，這樣更有利于誤差分析。因此式（1）是一個含有3個自變量的函數。
從誤差處理角度進行分析，當f為多元函數時，例如，計算A=f（x1，…，xn）。如果x1，…，xn的近似值為x1*，…，xn*，則A的近似值為A*=f（x1*，…，xn*），由泰勒展開得函數值的誤差e（A* ）為：
（3）
誤差限 （4）
而A*的相對誤差限為：
（5）
2.2 系數k誤差10%且無密度修正時的誤差計算
據誤差處理公式，可得：f（k，ρ，△p）=Qv=k根據表1所給出的數據，對誤差值進行簡單的估算，計算出k、△p和ρ所產生的誤差對真實值的影響。
在實際的生產和測量過程中，k、△p和ρ3個數都會產生不同程度的誤差，由于測量手段及工具的有限，不可能得到真實值，因此只能估算出測量值與真實值的誤差，在這里將系數k所產生的誤差估算為10%，△p所產生的誤差估算為5%，密度ρ產生的影響是計算的重點，瓦斯抽放管路作業時，密度本身隨著瓦斯抽放進度不斷變化，因此設置2種情況，一種情況是在測量過程中不斷對甲烷的測量調整密度參數，提高其準確性，綜合測量工具等方面的影響，將誤差擴大，相對誤差限為2%；另一種情況是不進行密度計算和修正，這樣產生的誤差相對較大。
例如：工況下空氣的密度為1.2041kg/m3，甲烷密度0.6669kg/m3，甲烷含量是20%時，瓦斯氣體密度為1.09666kg/m3；甲烷含量是40%時，瓦斯氣體密度為0.98922kg/m3；甲烷含量接近于0時，瓦斯氣體密度為1.2041kg/m3，則：
甲烷含量40%的甲烷密度與甲烷含量20%的甲烷密度所產生的誤差為0.10744；甲烷含量0%的甲烷密度與甲烷含量20%的甲烷密度所產生的誤差為0.10744。
相對誤差限為：0.10744÷1.09666=9.8%。
利用公式計算誤差e（A*）為：
于是絕對誤差限ε（A*）≈2499.005
k系數產生的誤差占誤差比為：
1584.812÷2499.005=63.42%
△p產生的誤差占誤差比為：
293.386÷2499.005=11.74%
ρ產生的誤差占誤差比為：
620.807÷2499.005=24.84%
相對誤差限：
同理，可以進行系數k、差壓△p、密度ρ誤差均為10%時的誤差計算；系數k誤差10%、密度ρ誤差2%時的誤差計算；系數k誤差5%、密度ρ誤差2%時的誤差計算，結果見表2。
表2 誤差計算表
2.3 誤差結果統計分析
從表2中可以看出。在系數k、差壓△p、密度ρ本身存在10%誤差的情況下，相對誤差限達到了23.90%；而在估算的系數k誤差10%、差壓△p誤差5%、密度ρ誤差9.8%的誤差情況下，相對誤差限是21.29%；在提高技術及其工藝的情況下，系數k誤差5%、差壓△p誤差2%、密度ρ誤差2%時，相對誤差限為8.83%。可以得出如下結論：
（1）在k、△p、ρ誤差均為10%時，k系數產生的誤差對最終計算結果影響最大，其次為密度ρ，差壓△p最小。
（2）利用估算的密度計算工況流量時，只考慮甲烷氣體濃度變化20%的情況下，誤差依舊非常大，相對誤差限可以達到21.29%。
（3）在k、△p、ρ誤差分別為5%、2%、2%時，即利用密度的調整來進一步提高數值準確性的情況下，相對誤差限可以達到8.83%。
（4）系數k減小誤差是最為有效的提高數據準確性的方式，通過系數k從10%的誤差提高到5%的誤差，可將相對誤差限從15.58%提高到8.83%。
（5）通過引入甲烷濃度測量修正密度數據是行之有效的提高數據準確性的方法，甲烷濃度的測量使得誤差可以從9.8%減小為2%以內，測量結果的相對誤差限可以從21.29%提高到15，58%。
（6）從生產和技術的可操作性方面進行對比，引入甲烷濃度修正密度數據是易于實現且非常有效的提高數據準確性的方式。
3 結語
針對V錐流量計在煤礦管道瓦斯計量方面的應用現狀，重點介紹了V錐流量計算公式中系數k、差壓值△p、密度ρ本身的測量誤差對流量計算結果的影響，并通過計算不同狀況下的系數k、差壓值△p、密度ρ的誤差大小變化，分析其本身對測量結果的影響，得出k系數影響最大，引入實時密度測量更容易提高測量準確性的結論。并通過對生產加工V錐體的工藝改進以及通過引入瓦斯濃度測量校正密度值，進而使得流量測量的準確性大大的提高。
V錐流量計現已在山西、遼寧、黑龍江等地開始使用，其測量的準確性和穩定性較之前流量計有明顯提高，節能效果顯著。與此同時，隨著測量數據的進一步豐富，將進一步提高V錐流量計的性能，使得其測量準確性進一步提高，推進V錐流量計的國家標準化進程。
參考文獻：
〔1〕孫延祚.“V”型內錐式流量計〔J〕.天然氣工業，2004，24（3）：105－110.
〔2〕鐘偉，明曉.紡錘體流量計的流場數值模擬〔J〕.計量學報，2007，28（3）：262－265.
〔3〕梁國偉蔡武昌.流量測量技術及儀表〔M〕.北京：機械工業出版社，2002：158－160.
〔4〕劉欣榮.流量計〔M〕.北京：水利電力出版社，1990：35－37.
〔5〕王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用〔M〕.北京：清華大學出版社，2004：48－49.