空气压缩机筒状进气管的进气流量测量方法与流程

本发明涉及气体流量测量技术领域，具体涉及一种空气压缩机筒状进气管的进气流量简易测量方法。

背景技术：

测量流量的传统方法通常需要借助于节流元件，通过差压或体积等方式，得出管道中流体的流量参数。但在排气压力较低的空气压缩机上，如果在排气管道上加装节流元件，所带来的压损使本来就不高的排气压力更低，压缩机效率降低。

为了解决这些问题，特别是在空气压缩机运行工况远离喘振线时，申请人设计了一种简单的方法来测量压缩机中的进气流量，在DCS(分布式控制系统)中可以通过一系列换算后得到需要的排气质量流量或体积流量。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术存在的不足，提供一种空气压缩机筒状进气管的进气流量测量方法，该测量方法应具有测量方式简单、结果精确、成本较低的特点。

本发明提出以下技术方案：

空气压缩机筒状进气管的进气流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.取两个测量点A和B，其中测量点A位于空气压缩机的进气管中，测量点B位于空气压缩机进气口处；

b.测量获得测量点A处的截面积S1、流体流速V_S1、气压P1，以及测量点B处的气压P2；

c.将上述截面积S1，流体流速V_S1、气压P1以及气压P2代入以下体积流量计算公式，得到空气压缩机进气口的体积流量；

$q_V=S1\sqrt{V_{S1}^2+\frac{2(P1-P2)}{\mathrm{\ρ}}};$

其中，q_V是空气压缩机进气口的体积流量，ρ是流体密度；

d.将上述截面积S1，流体流速V_S1、气压P1以及气压P2代入以下质量流量计算公式，得到空气压缩机进气口的质量流量；

$q_m=S1\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2{V}_{S1}^2+2\mathrm{\ρ}(P1-P2)};$

其中，q_m是空气压缩机进气口的质量流量，ρ是流体密度。

所述测量点A和B的截面积之比S1：S2＝1:1～1:0.2。

本发明的有益效果是：

与传统流量测量技术相比，本发明提供的测量方法有下列几项优势：

1、无需节流元件，节约工程成本，无压损，维护简便；

2、测量方式简单，普通压力变送器可以实现，简化后的系统可与系统进气压力变送器合用一个仪表；

3、相同的进气管道大批生产时可以实际标定后实现精确流量测量；对于机组参数相同，进气管道相同，并大批量生产的压缩机来说，可以按本方法，精确标定后使用简化系统模型实现精度较高的流量测量。

附图说明

图1是本发明的测量模型示意图。

图2是本发明简化后的测量模型示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明所述的空气压缩机筒状进气管的进气流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.取两个测量点A和B，其中测量点A位于空气压缩机的进气管1中，测量点B位于空气压缩机进气口2处；

b.测量获得测量点A处的截面积S1、流体流速V_S1、气压P1，以及测量点B处的气压P2；测量点A和B的气压分别通过压力变送器测量，流体流速通过流速变送器测量，截面积可以测量截面半径后计算获得，均为常规测量仪器以及测量方式；

c.将上述截面积S1，流体流速V_S1、气压P1以及气压P2代入以下体积流量计算公式，得到空气压缩机进气口的体积流量；

$q_V=S1\sqrt{V_{S1}^2+\frac{2(P1-P2)}{\mathrm{\ρ}}};$

其中，q_V是空气压缩机进气口的体积流量，ρ是流体密度；

d.将上述截面积S1，流体流速V_S1、气压P1以及气压P2代入以下质量流量计算公式，得到空气压缩机进气口的质量流量；

$q_m=S1\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2{V}_{S1}^2+2\mathrm{\ρ}(P1-P2)};$

其中，q_m是空气压缩机进气口的质量流量，ρ是流体密度。

所述测量点A和B的截面积之比S1：S2＝1:1～1:0.2。

本发明所述的进气流量测量方法需要满足以下几个条件：

1)空气压缩机进气管为长直管段，且进气管各处截面积相同；

2)压缩机吸入的气体为空气或者为匀质气体，各处密度相同；

3)压差较小，与流体压力相比可以突略不计。

公式的推算过程如下：

差压测量点A、B中间任意一个截面s作为取样截面，截面s厚度无限薄，因此可以认为在截面s内部各处的压力相同，截面s两侧的两个测量点的差压计为Δp。当气体进入截面s时速度计为v₁，离开截面s时速度计为v₂，气体因为在压差的作用下，进行了加速运动，可以有以下等式：

v₂＝v₁+aΔt (等式1)；

a为气体加速度，Δt为气体流经截面s所用的时间；

另计截面s的厚度为Δl，Δl无穷小，可以有以下等式：

换算等式2，可以得到如下的解：

$\mathrm{\Δ}t=-\frac{v_1}{a}\±\sqrt{\frac{v_1^2+2a\mathrm{\Δ}l}{a^2}};$

舍充负根后，可得：

再将等式3代入等式1中，可得：

另有其中F为截面s受力，m为截面内流体质量，ρ为流体密度，代入等式4，可得：

$v_2^2-v_1^2=\frac{2\mathrm{\Δ}p}{\mathrm{\ρ}};$

以上为截面s的一个分析，那么，在两个差压测量点A、B，可以有如下结论：

其中，V_S2为测量点B(即截面S2处)的流速，V_S1为测量点A(即截面S1处)的流速；

换算后有

考虑到流体在进入测量点B时截面积有变化，可以对等式作一个修正；

为A点和B点两个截面的面积之比；

转换成对应的体积流量和质量流量分别为：

体积流量，质量流量，

特别是当测量点A位于进气管吸气口，或者流速为零的位置，压力为大气压时，系统可以简化为如下计算公式；

S2处的流速为P2为表压(PT表示压力变送器)；

对应的体积流量和质量流量分别为：

体积流量，质量流量，

误差分析：本发明测量气体流量的过程中，难以避免存在一定的误差，这些误差除所引用参数本身的测量误参外(例如压力变送器本身测量精度，管道截面积测量上的误差)，还存在一定的系统性误差。具体涉及到下面几点：

1、被测气体密度存在变化；

气体作为一种可以压缩的流体，其密度会随着流体内压力和温度的变化而产生相应的变化。当差压测量的两个测点之间存在压力差时，气体的密度必然会有所变化。根据理想气体状态方程：

pV＝nRT；

式中p为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，T为气体的热力学温度。

转换后可得

另气体的密度可以表示为：

其中M为气体的摩尔质量。将等式5代入后可得到气体的密度为：

根据等式6可知，对于给定的理想气体，其密度只与气体的压强和温度有关，且密度与压强成正比，与温度成反比。考虑到在两个差压测点之间没有外来的升压或升温装置，我们可以认为在测量范围内气体的压力和温度是连续变化的。由此，可对上文中提及的加速度进行修正：若温度也有变化，则可以进一步得到：Δt此所指代温度差值。

再将加速度代入等式4，可得：

以上为截面s的一个分析，那么，在两个差压测量点A、B，可以有如下结论：

由于温度变化非常小，基本不会引起误差，应此将温度部分删去。可得：

换算后有

考虑到流体在进入测量点B时截面积有变化，可以对等式作一个修正：

为A点和B点两个截面的面积之比；

相应的体积流量和质量流量的计算方法与上文相同，就不再一一列出。

2、截面积内流速不均；

本设计基于流体在截面积内流速相同的理想状态进行计算。但实际情况是被测量流体并非理想气体，存在一定的流体粘度，因此一般情况下被测流体在管道截面中心部位的流速往往会略高于接近管壁处的流速。流速的不均最终将导致流量的计算存在误差。具体来说，这个误差与管道雷诺数成负相关。

对于圆形截面的管道来说，其管道雷诺数可以表示为：

$R_{eD}=\frac{v_{S1}D}{v}=\frac{{\mathrm{\ρv}}_{S1}D}{\mathrm{\μ}}=\frac{{\mathrm{pMv}}_{S1}D}{\mathrm{\μ}RT};$

式中D为管道内径，ν为流体的运动粘度，μ为流体的动力粘度。

由此可见，在圆形管道中，对于给定的流体在固定工况下，其测量的误差大小只与管道内径有关。更粗的管道其测量误差越小。

对于另一种常见的方形管道来说，其管道雷诺数可以表示为：

$R_e=\frac{4v_{S1}R}{v}=\frac{4{\mathrm{\ρv}}_{S1}R}{\mathrm{\μ}}=\frac{4{\mathrm{pMv}}_{S1}R}{\mathrm{\μ}RT}$

式中R为管道的水利半径。对于方形管道来说有其中W和L分别指代方形截面的宽和长。

对于其他非圆形截面的管道来说，计算其管道雷诺数比较复杂，可以根据其截面外形，流体性质等进行测量，这里就不一一计算了。但总体来说更粗的管道测量误差越小同样适用。

误差修正：对于上述误差分析中所产生的测量误差，可以参考以下几个方法来进行修正：

1、增加测温点；

可以在差压测量的高压端处增加一个温度测点。将所测得的温度值加入到流量计算中去。

但增加温度探头同样存在一定的影响。首先，本设计所采用的测量装置与其他压差法测流量最大的不同之处是不会因为测量的一次元件而引起压损，而增加温度探头后势必带来一定的压损；其次，增加温度探头后，管道中必然会产生一些紊流，这将使管道内流体的流速不均匀，从而使误差分析中第二点所提及的误差增加。

因此，在测量误差许可的情况下，无需加入温度测点进行补偿，或采用激光测温等其他非接触式方法进行温度测量。

2、增加整流元件；

在测量装置前安装整流元件，使其后进入测量装置时流速更均匀。但同样存在引压额外压损的情况。

因此，在测量误差许可的情况下，一样不建议加入整流元件。

3、增加管道的雷诺数；

由误差分析可知，误差与管道雷诺数成负相关，因此在条件许可的情况下，增加管雷诺数是减少测量误差的一个可行方法。

对于圆形管道来说，可以通过增加管道内径来实现，而对于方形管道来说有如下分析：

管截面积S1＝WL，转换后有代入管道雷诺数公式后得：

$R_e=\frac{4v_{S1}R}{v}=\frac{2v_{S1}S1}{v(S1+L^2)};$

然后对其求导可得：

$R_e^{\′}\left(L\right)=\frac{2V_{S1}S1}{v}\·\frac{S1-L^2}{(S1+L^2)};$

设R'_e(L)＝0，则有显然L不可能为负，故有如下结论：

当时，有R'_e(L)＞0；

当时，有R'_e(L)＝0；

当时，有R'_e(L)＜0。

由上述结论可知，当时管道雷诺数R_e有极大值。

所以在管道截面为正方形时管道雷诺数最优，推而广之，所有多边形管道在截面为正多边形时管道雷诺数最优。

本发明适用于由差压测量装置、长筒状存在明显截面积变化的管道所组成的流量测量装置，在简化后的系统中，差压测量装置可以替换为单一的压力测量装置。长筒状管道的截面可以是圆形、方形或其他规则图形。被测流体限定为在整个测量段内保持亚音速流动，且可被认为是单相的气体。本发明可应用于管道截面积的变化之比高于1:0.5，且管道雷诺数高于10000的场合。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。