用标准孔板流量计测定抽放瓦斯流量的计算方法探讨

1 孔板流量计的适用条件与参数测定

余吾煤业公司是一座高瓦斯矿井，瓦斯是制约矿井安全生产的主要因素，瓦斯抽放是解决生产过程中矿井瓦斯涌出量大的zui有效的方 法。准确测量矿井及井下各地点瓦斯抽放量对矿井组织生产有重要意义。在煤矿瓦斯抽放流量测量中使用zui广泛的流量计是径距取压的标准孔板，其适用条件如表1 所示。

表1 径距取压的标准孔板流量计适用条件

应用孔板流量计来测定并计算管道内的瓦斯流量时，必须同时测量以下参数：孔板前后的压差值、测量地点的大气压力值、管道内的气体压力值（正压或负压）、管道内的气体温度、管道内气体的瓦斯浓度。

2 流量计算方法

2.1 用“流量系数法”计算混合气体流量

对于D和D/2的取压孔板，采用下列公式计算：

（1）

式中：Q为用标准孔板测定的混合瓦斯流量，m³/min；K₁为孔板流量计实际流量特性系数（孔板系数），K₁=0.0002085αβ²εD²；α为流量系数，流量系数α与孔板直径比及雷诺数ReD（与D有关的雷诺数）有关，可查表求得；β为孔板直径比，β=d/D；D为管道内径，mm；h₂₀为20℃时的压差，×9.8Pa；ρ₁为工作状态下孔板上游取压孔处的混合气体密度，工作状态下，瓦斯密度可按下式计算：ρ0为标准状态下瓦斯的密度，kg/m³；ρ₁为工作状态下瓦斯的密度，kg/m³；p1为工作状态下瓦斯的压力，Pa；T₁为工作状态下瓦斯的温度，℃；T₀为标准状态下的温度（T₀=273.15K）；Z为瓦斯压缩系数（在标准状态下，对于空气，Z=1，对于CH₄，Z=0.998）；ε为流束膨胀系数，对于D和D/2取压的标准孔板的膨胀系数ε，当时，流束膨胀系数按以下经验公式计算：p1为孔板上游取压孔的瓦斯静压力，Pa；k为等熵指数，对于空气，k=1.4，对于CH₄，k=1.32。

2.2 伴有温度压力校正的流量校正系数法

使用“伴有温度压力校正的流量校正系数法“计算标准孔板瓦斯混合流量的一般公式为：

（2）

式中：Δh为在孔板前后端所测之压差，Pa；δP为压力校正系数，；δT为温度校正系数b为瓦斯浓度校正系数，K=189.76·a_o·m·D²；a_o为标准孔板流量系数；m为截面比；D为管道直径，m；T为同点的温度；293为标准温度，℃；pT为孔板上风端测得的压力，KPa；X为混合气体中的瓦斯浓度，%。

2.3 按节流型流量计的流量计算

2.3.1 计算公式

节流式流量计的流量计算公式的普遍形式：

（3）

式中：K₃为一常数项，由公式中各量的计算确定K₃值的大小，在单位制中，K3=π/4=1.11072，若按工程上的习惯，孔径D的单位用毫米，流量Q的单位用m³/min，则K₃=π/4×60×10^-6=0.00006664；C为流出系数，标准孔板的流出系数C由Stolz方程确定：C=0.5959+0.0312β^2.1－0.1840β⁸+0.0029β^2.50.75+0.0900L₁β⁴（1－β⁴）^-1－0.0337L₂β³，当L₁≥0.0390/0.0900（=0.4333）时，β⁴（1－β⁴）^-1的系数用0.0390；L₁为孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道直径得出的商，L₁=l₁/D；L₂为孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道直径得出的商，L₂=l₁/D。

对于D和D/2的取压孔板，由于L₁总大于0.4333，因此，β⁴（1-β⁴）^-1的系数为0.0390，L2=0.47，所以β³的系数为-0.01584。故：C=0.5959+0.0312β^2.1-0.1840β⁸+0.0029β^2.5+0.0390β⁴（1-β⁴）^-1-0.01584β³。

2.3.2 适用范围

对于D-D/2取压的标准孔板：孔径d≥12.5mm；管径50mm≤D≤1000mm；直径比0.2≤β≤0.75；雷诺数R_eD≥1260β²D。

3 各流量计算方法的对比

在实际矿井瓦斯抽放系统中，对流量影响zui大的参数为孔板流量计压差，根据屯留煤矿井下瓦斯抽放主干管道上孔板流量计的直径比β = 0.5、管道内径D=800mm，给出管道内混合气体温度为17 ℃、孔板流量计上游取压孔静压p₁=75kPa，管道中甲烷浓度为19%时，不同压差下三种方法计算出的体积流量（标准状态下），如表2所示。

表2 管道中甲烷浓度为19%时不同压差下

三种方法计算出的体积流量及偏差