水柱差从 100 涨到 225,气量涨多少
新来的技术员蹲在孔板旁边,看着 U 型水柱计的液面从 100 毫米水柱升到 225,回头问:这是不是气量翻了一倍多。带他的老师傅没直接答,让他先把上个月的台账翻出来,看看那一次的浓度、负压和温度各是多少。
差压涨了,气量确实涨,但不是按比例涨。孔板这种东西,流量跟差压的平方根成正比,差压翻一倍,流量只涨 41%。再加上浓度、压力、温度三个修正,实际倍数跟”看着差不多”能差出一大截。
差压和流量之间隔着平方根
平方根是孔板的几何决定的
孔板就是一中间开孔的圆板,气从孔里挤过去,流速变快,静压下降,孔板前后就出现压差。压差的大小跟流速的平方挂钩,这是流体力学里的基本关系:动压等于二分之一密度乘流速平方。反过来说,流速跟压差的平方根成正比,流量也跟着走平方根。
拿数说话。差压 100 毫米水柱时流量记作 1,差压 225 时,225 除以 100 得 2.25,开方得 1.5。气量涨五成,不是一倍多。
这个关系在现场有个直接用法:同一块孔板,两次读数之间的气量倍数,等于两次差压比值的平方根。不用查系数、不用带计算器,手机上开个方就够了。这也是比对法计量能站住脚的原因。
换孔板就要重标
平方根关系只在同一块孔板、同一个安装位置上成立。孔板一换,孔径变了,同样的差压下流量完全不同。孔径大一倍,流通面积大四倍,同样气量下差压只剩四分之一,读数看着小,气量其实一样。
现场最容易出的事是换孔板没改台账。上一块是 50 的孔,这一块换成 70 的,台账上的系数还是老数,报上去的气量能差一倍。孔板上都打着编号,验收和检修的时候对一遍编号,比什么都省事。
三个修正系数,各管一段
浓度系数:甲烷比空气轻
孔板公式里的浓度修正系数是这样一个式子:一除以根号下,一减去 0.00446 乘浓度百分数。浓度为零时系数等于 1,浓度越高系数越大。
30% 的浓度代进去,一减 0.1338 得 0.8662,开方 0.9307,取倒数得 1.0745。20% 的浓度代进去是 1.0478。两个数差 2.5%,不算大,但浓度从 30 掉到 20 的时候,测出来的差压本来就会变,两件事叠在一起就容易算错方向。
这个系数的来历是混合气密度。甲烷密度大约是空气的 0.55,浓度越高混合气越轻,同样的压差对应的流速越大。系数就是拿这个密度差补回来的。
压力系数:管内是负压,绝压才管用
压力修正系数是根号下管道内绝对压力除以 760,压力单位用毫米汞柱。760 毫米汞柱就是一个标准大气压。
这里必须用绝压。抽采管路在负压侧运行,管内绝压比大气压低一大截。绝压 84 千帕时,换算成毫米汞柱是 630,除以 760 得 0.829,开方得 0.9105。绝压 65.6 千帕时是 492 毫米汞柱,开方得 0.8046。两个系数差 12%。
有人图省事直接拿负压表读数,也就是把 −28.4 当成 28.4 代进去,算出来的系数是根号下 28.4 除以 760,得 0.193。这个数完全是另一个世界的东西,用它算出来的气量只剩真实的四分之一。
温度系数:冬天和夏天不一样
温度修正系数是根号下 293 除以 273 加摄氏温度。293 就是 20 摄氏度对应的绝对温度,也就是煤矿口径的标准温度。
15 摄氏度时是根号下 293 除以 288,得 1.0086;25 摄氏度时是根号下 293 除以 298,得 0.9916。差 1.7%。单看不大,但井下气温年变化能到十几度,加上管路经过采空区、机电硐室这些地方,测点温度跟地面差得更多。
温度这一项在冬天要留个心眼。管子冻堵、水汽凝结的时候,孔板前后的气流状态跟常温完全不同,读数已经不能代表正常工况,这时候先处理冻堵,别急着算。
把 1.5 倍走成 1.271 倍
把上面的东西串成一个完整例子。同一块孔板、同一个测点,两次记录:
| 项目 | 第一次 | 第二次 | 比值 |
|---|---|---|---|
| 孔板差压 | 100 mmH₂O | 225 mmH₂O | — |
| 管内负压 | −10.0 kPa | −28.4 kPa | — |
| 当地大气压 | 94.0 kPa | 94.0 kPa | — |
| 管内绝压 | 84.0 kPa(630 mmHg) | 65.6 kPa(492 mmHg) | — |
| 瓦斯浓度 | 30% | 20% | — |
| 管内温度 | 15 ℃ | 25 ℃ | — |
| 平方根项 √Δh | 10.00 | 15.00 | 1.500 |
| 压力系数 δp | 0.9105 | 0.8046 | 0.884 |
| 浓度系数 b | 1.0745 | 1.0478 | 0.975 |
| 温度系数 δT | 1.0086 | 0.9916 | 0.983 |
| 合计倍数 | — | — | 1.271 |
只按差压看,气量应该涨五成。把压力系数乘进去,涨 32.6%。再把浓度乘进去,涨 29.3%。最后带上温度,涨 27.1%。
一路乘下来,跟最初那个”一倍多”的直觉差了将近两成。反过来看,如果报表上只按差压的平方根算,第二次的气量会被写高 18%,一个月下来虚增的量能在达标考核上惹出麻烦。
计算顺序不影响结果,乘法的顺序随便调。现场做的时候习惯按”先平方根、再压力、再浓度、温度”走,因为压力系数变化最大,先把它挑出来,能一眼看出这次读数是不是因为负压掉了才显得气量小。
孔板装得不正,系数白算
前后要留直管段
孔板靠的是稳定的流场。孔板前后紧挨着弯头、阀门、变径,气流带着旋涡冲过来,差压读数就飘。规范给的要求是钻场内孔板前后各留 1 米直管段,巷道末端安装时前后各留 5 米,这段直管里不许有阀门,也不许有变径。
现场空间紧,5 米常常凑不出来。凑不出来就得认,把孔板往远离弯头的一侧挪,宁可后面短也不要前面短。孔板前面那段流场不整,读数偏低,而且低得没有规律,校准都校不回来。
同心度和方向
孔板装偏了,孔的中心跟管子轴线错开,气流不对称,差压偏小。装反了,锐边朝向下游,流量系数直接变,偏差能到百分之十几。孔板上一般有一圈箭头或者一个”入口”标记,安装的时候对着气流方向,别凭手感。
取压孔堵了最像”气量掉了”
抽采气里有水汽、有粉尘,取压孔堵是常事。堵了一半,差压读数偏低,看着像气量掉了,实际管子里的气一点没少。处置办法简单:定期拆下来吹一吹,压风管对着取压孔反吹几下,水汽和粉尘就出来了。
判断是不是取压孔堵,看两个迹象。一是差压慢慢往小走,没有对应的工况变化;二是把孔板前后的阀门关一下再开,读数能弹回去一点,那基本就是堵了。
台账上留哪六个数
孔板计量翻车,多半不是算错,是记漏。一份能复算的孔板台账,六个字段缺一不可:
一是时间,精确到班。二是孔板编号,换过板子要能看出来。三是差压,写清水柱还是帕。四是同一测点的绝压,别只记负压。五是浓度。六是温度。
六个数齐了,任何时候都能复算回去,也才能跟上一次的读数比对。少一项,这张记录就只能当参考,不能进正式报表。差压和绝压的关系,跟单位换算那篇里的口径一致;如果读数本身就不对劲,先按负压表排查的顺序从孔口往泵站走一遍,再回来怀疑孔板。
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