為了全面掌握與管理井下瓦斯抽采情況，需要在總管、支管和各個(gè)鉆場(chǎng)安設(shè)流量計(jì)。目前井下一般采用孔板流量計(jì)。孔板流量計(jì)由孔板、取壓嘴和鋼管組成，如圖6 -78所示。孔板是一塊具有圓形開孔并相對(duì)于開孔軸線對(duì)稱的圓形薄板。不同管道內(nèi)徑的孔板，其結(jié)構(gòu)形式是幾何相似的。孔板流量計(jì)的工作原理如圖6 -79所示。

    孔板流量計(jì)的工作原理是：中央開有銳角圓孔的一薄片插入水平直管中，當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的流體通過孔口時(shí)，因流通截面突然減小，流速驟增，隨著流體動(dòng)能的增加，勢(shì)必造成靜壓能的下降，由于靜壓能下降的程度隨流量的大小而變化，所以測(cè)定壓力差即可以知道流量。因流體慣性的作用，流通截面面積最小處是在比孔板稍微偏下的下游位置，該處的截面面積比圓孔的截面面積更小，這個(gè)最小的流通截面面積稱為縮脈。縮脈的位置隨Re而變化。如果不考慮通過孔板的阻力損失，在水平管截面1-1和截面2-2之間列出伯努利方程，則

 

整理得

 
 

  1-孔板；2-測(cè)量管；3-鋼管

圖6 78  孔板流量計(jì)及孔板結(jié)構(gòu)

    在孔板流量計(jì)上安裝U形管液柱壓差計(jì)，是為了求得式(6-53)中的壓差P1 -P2。但測(cè)壓口并不是開在1-1和2-2截面處，而一般都在緊靠孔口的前后，所以實(shí)際測(cè)得的壓差并非P1 -P2，以孔口前后的壓差代替式中的P1 -P2,時(shí)，式(6-53)必須校正。設(shè)U形管液柱壓差計(jì)的讀數(shù)為h，指示液的密度為ρ指，管中流體的密度為ρ，則孔口前后的壓差為h (ρ指 -ρ)g。同時(shí)，由于縮脈處的截面面積A2難以知道，而小孔的截面面積Ao是可以計(jì)算的，所以可用小孔處的流速u0來(lái)代替u2。此外，液體經(jīng)過孔板時(shí)還產(chǎn)生一定的能量損失。綜合考慮上述3個(gè)方面的影響，引入校正系數(shù)C，將u0實(shí)測(cè)壓差代入得

 

根據(jù)連續(xù)性方程式

 

代人上式，整理得

 

并令

 

 

圖6 -79孔板流量計(jì)工作原理

C0稱為孔流系數(shù)，則得

 

    管路中的流量qv為

 

    由于所測(cè)h值與實(shí)際值有偏差，流體通過孔板時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失，流體的重度、黏度與孔板截面面積對(duì)流速分布均有影響，故上述方程式還無(wú)法直接應(yīng)用，需要實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定和修正。孔流系數(shù)C0的數(shù)值一般由實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。當(dāng)Re超過某個(gè)限定值之后，C0亦趨于定值。流量計(jì)所測(cè)定的流量范圍一般應(yīng)取在C0為定值的區(qū)域，其值為0.6~0.7。標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)定的瓦斯混合流量的一般公式為

 

式中  Q-用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)定的混合瓦斯流量，m3／min；

    △h-在孔板前后端所測(cè)之壓差，Pa;

    k-孔板流量特性系數(shù)，可以根據(jù)孔的面積與管路斷面積之比（截面比）m及

    管路直徑D從表6-36中查取；

    b-瓦斯?jié)舛刃Ｕ禂?shù)；

    x-管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋?；

    δp-壓力校正數(shù)；

    pT-孔板上風(fēng)端測(cè)得的絕對(duì)壓力，kPa；

    δT-溫度校正系數(shù)；

    t-管內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度，℃；

    m-截面比；

    D-管道直徑，m；

    計(jì)算管內(nèi)純瓦斯流量的公式為

    Q純=QX

    孔板流量計(jì)因構(gòu)造簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，被廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是流體經(jīng)過孔口時(shí)的能量損失較大，大部分的壓降無(wú)法恢復(fù)而失掉。

    對(duì)于D和D/2的取壓孔板，采用下式計(jì)算混合瓦斯量：

 

表6 36孔板流量特性系數(shù)

 

    k=0. 01251αβ2εD2    (6- 61)

    β= d/D

式中  k-孔板流量計(jì)實(shí)際流量特性系數(shù)；

    Qc-工作狀態(tài)下混合瓦斯的體積流量，m3／h；

    α-流量系數(shù)，與孔板直徑比和雷諾數(shù)有關(guān)，見表6-37;

    β-孔板直徑比；

    ε-流束膨脹系數(shù)；

    D-管道內(nèi)徑，mm；

    h20 -20℃時(shí)的壓差，9.8 Pa；

    ρ-工作狀態(tài)下孔板上游取壓孔處的瓦斯密度，kg/m3。

表6-37 D和D/2取壓孔板的流量系數(shù)

 

表6-37（續(xù)）

 

    雷諾數(shù)按下式計(jì)算：

 

式中M——工作狀態(tài)下的質(zhì)量流量，kg/h；

    ζ——工作狀態(tài)下的瓦斯動(dòng)力黏度，Pa·s，見表6-38。

表6-38在0℃和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)瓦斯與空氣的混合氣體動(dòng)力黏度表  Pa·s

 

表6 38（續(xù)）    Pa·s

 

    D和D/2取壓孔板適用的最小雷諾數(shù)Re Dmin，見表6-39。

表6-39 D和D/2取壓孔板的最小雷諾數(shù)

 

 

式中△p——壓差，Pa；

    p1——孔板上游側(cè)取壓孔的瓦斯絕對(duì)靜壓力，Pa;

    k——等熵指數(shù)，對(duì)于空氣k=1.4，對(duì)于瓦斯，k=1.32。

    工作狀態(tài)下，千瓦斯的密度可按下式計(jì)算：

 

式中ρ0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯密度，kg/m3；

    ρ——工作狀態(tài)下的瓦斯密度，kg/m3；

    P1-工作狀態(tài)下的瓦斯壓力，Pa；

    T1——工作狀態(tài)下的瓦斯溫度，℃；

    To——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，To=273. 15  K;

    z-瓦斯壓縮系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，對(duì)于空氣，z=1，對(duì)于瓦斯，z=0.998。

    干瓦斯在20℃和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325 Pa)狀態(tài)下的密度見表6-40。

表6 -40甲烷與空氣混合氣體在20℃和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度值