本发明涉及气体流量计量及压力能回收利用领域，具体涉及一种基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置及方法。
背景技术：
随着天然气在城乡生活及各种工业领域中应用的进一步普及，我国天然气的消费量明显呈现出逐年升高的趋势，2016年我国的天然气消耗总量已突破2000亿m3。高压管网的天然气在进入用户终端(居民用户或工业用户)之前，需要首先从经长输管线将输送到城镇管网(低压管网)。在将天然气由高压管网输送至用户终端期间，天然气生产厂与长输管线之间、长输管线与长输管线之间、长输管线与城镇管网之间、城镇管网与城镇管网之间以及城镇管网与用户终端之间都需要准确的燃气输送量计量。如果用于燃气输送量计量的气体流量计量装置的计量误差大，则会给燃气销售商或用户造成经济损失。
目前的气体流量计量装置按照其工作原理划分，主要包括超声型、涡轮型、压差型、科里奥利型、容积型以及涡街型等，针对气体流量需要高度精确控制或计量的领域(如商业气体(如燃气)的销售)，由于传统的流量计量装置普遍存在测量准确性的影响因素较多、测量误差较大的缺陷，具体而言，如超声型流量计测量时，传感器与管壁接触是否良好、流速过高/过低、被测流体的均匀性等因素都会对测量精度产生较大影响，涡轮型流量计受流体粘度等因素的影响较大，压差型流量计受介质的(密度、粘度)、直管段的(长度、温度、安装位置)等因素的影响较大，科里奥利型流量计主要适用的测量对象为低密度介质(如低压气体)，其在测量过程中受外界振动的干扰影响较大，现有的容积式流量计受温度、粘度的影响较大，其普遍体积大较为笨重；涡街型流量计受介质的粘度、流速、颗粒物、温度波动等影响较大。而较大的误差即不精确的容积(流量)计量不仅会降低产品的质量，而且会给销售商或者用户造成经济损失。此外，传统的流量计量装置还存在结构复杂的缺陷。
技术实现要素：
技术问题
有鉴于此，本发明提供一种基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置及方法，旨在对天然气的压力能进行回收的同时，实现对天然气流量的高精度计量。
技术方案
为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，该装置包括：
气体处理系统，其用于对上游的高压管网中的来流燃气进行降压并回收压力能之后通往下游的低压管网；
流量转换通讯系统，其用于在气体处理系统对来流燃气进行降压并回收压力能的过程中，基于所述气体处理系统的运行参数获取燃气流量参数和工作状态参数；以及
监控端，其用于接收所述流量转换通讯系统传输的数据，以及用于向所述流量转换通讯系统发送读取数据的请求。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，所述流量转换通讯系统包括流量转换单元、通讯单元、传感器组以及阀门组，
其中，所述传感器组用于采集所述气体处理系统的运行参数；
其中，所述流量转换单元用于：
根据所述传感器组采集的运行参数得出所述工作状态参数，并根据所述状态工作参数控制所述阀门组的开/闭状态；以及
根据所述传感器组采集的运行参数得出所述燃气流量参数，并将所述运行参数、所述燃气流量参数和所述工作状态参数中的全部或者一部分通过所述通讯单元传输至监控端。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，所述气体处理系统包括螺杆式膨胀机、发电机、整流器和蓄电池，
其中，所述螺杆式膨胀机的进气口和出气口分别与高压管网和低压管网相连接，所述螺杆式膨胀机还通过联轴器与发电机连接，所述发电机通过所述整流器与蓄电池连接。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，所述蓄电池通过电力电缆与流量转换单元与通讯单元分别相连。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，所述传感器组包括压力传感器、温度传感器和转速传感器，
其中，所述压力传感器和所述温度传感器均设置在所述螺杆式膨胀机的进气口的上游，所述转速传感器设置在能够检测所述螺杆式膨胀机的转速的位置。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，所述转速传感器设置于能够获取到所述膨胀机或者所述发电机的转速的位置。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置，在一种可能的实施方式中，阀门组包括第一阀门和第二阀门，第一阀门设置在所述螺杆式膨胀机的进气口的上游，所述第二阀门设置在所述螺杆式膨胀机的出气口的下游。
为了解决上述技术问题，本发明另一方面还提供了一种基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量方法，该方法包括如下步骤：
s100、流量转换单元基于流量计量装置的运行参数得出工作状态参数，根据所述工作状态参数进一步判断流量计量装置是否存在故障，并且
在流量计量装置存在故障的情形下，使阀门组关闭，以及将流量计量装置存在故障的信息传输至监控端；
s200、流量转换单元基于流量计量装置的运行参数得出燃气流量参数，并将所述运行参数和所述燃气流量参数中的全部或者一部分传输至监控端；
其中，所述流量计量装置的运行参数包括螺杆式膨胀机进气口上游的温度、螺杆式膨胀机进气口上游的压力以及螺杆式膨胀机的转速。
对于上述基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量方法，在一种可能的实施方式中，所述燃气流量参数为气体累计流量，所述气体累计流量的计算方法包括如下步骤：
s21、来流燃气在当前压力下的气体体积流量vp由以下的公式(1)计算得出：
vp＝msvsn(1)
公式(1)中，ms为螺杆式膨胀机的螺槽数，vs为单个螺槽的容积，n为螺杆式膨胀机的转速；
s22、基于计算出的vp，求得来流燃气在标况下的气体瞬时流量vst；以及
s23、基于计算出的vst，时间段δt内的累积气体流量vδt由以下的公式(2)计算得出：
公式(2)中，δt＝t2-t1，t1为起始时间，t2为终止时间，f为泄漏百分数。
有益效果
本发明的基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置及方法利用螺杆式膨胀机(以下简称膨胀机)的螺槽能够定容积输送气体和气体在膨胀机内部膨胀带动螺杆旋转的原理实现了对燃气流量的高精度计量。具体而言，由于膨胀机的转速/转数可以计量得非常准确，加之膨胀机在进出口压力一定的情形下其泄漏百分数又是固定的，所以装置的流量转换单元能够非常准确地计量出来流燃气的流量，从而提高了计量精度和产品质量，降低了商业气体买卖双方的经济损失。
此外，本发明的流量计量装置还具有结构简单紧凑、使用方便以及制造成本低的优点，可用于大、中、小型气体计量场所，尤其适用于中小型高精度流量计量的场所。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1示出本发明一种实施例的基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置的结构示意图。
附图标记列表：
10、膨胀机；11、发电机；12、整流器；13、蓄电池；20、通讯单元；21、流量转换单元；22、压力传感器；23、温度传感器；24、转速传感器；25、第一阀门；26、第二阀门。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如图1示出本发明一种实施例的基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置的结构示意图。如图1所示，该装置主要包括气体处理系统和流量转换通讯系统，气体处理系统主要用于将高压管网中的天然气(来流燃气)降压并回收压力能之后达到能够通往低压管网进而通往用户终端(燃气用户)的需求水平，而流量转换通讯系统则主要用于在前述的“降压并回收压力能”的过程中，采集相关的运行参数、基于获取运行参数计算出流量相关的参数(燃气流量参数)以及表征工作状态的参数(工作状态参数)以及将参数中的全部或者一部分传送至监控端。
继续参照图1，气体处理系统主要包括膨胀机10、发电机11、整流器12和蓄电池13。其中：
膨胀机10通过联轴器与发电机11连接，主要用于压力能的回收。具体而言，来流燃气通入膨胀机10后使膨胀机10转动，将压力能转换为机械能；膨胀机10带动发电机11转动发电产生电能(交流电)，进而将机械能转换为电能。优选地，膨胀机为具有体积小、结构紧凑，力学平衡性好等优点的单螺杆膨胀机。
发电机通过电力电缆与整流器12连接，整流器12通过电力电缆与蓄电池13连接。发电机11将压力能回收后产生的交流电经整流器12整流成电压稳定的直流电(如12v)并将其储存至蓄电池13。优选地，蓄电池13采用锂电池。
在一种可能的实施方式中，蓄电池13还通过电力电缆与流量转换单元21与通讯单元20分别相连，即为流量转换单元21与通讯单元20分别提供电能，从而实现了自发电优先自使用的目的。此外还可以使发电机11就近提供相关的照明、加热、空调等用电，之后才将多余的电能输送到电网中。这样的配电方案省略了装置以及装置所处的应用场景的配电设施，降低了电能输送产生的能耗，在优化电能回收的基础上提高了电能的利用率。流量转换单元21以进一步为与之相连的第一阀门25、第二阀门26、压力传感器22、温度传感器23以及转速传感器24等提供电能。
上述的气体处理系统对来流燃气的处理方式具体为：来流燃气依次经过第一阀门25、压力传感器22、温度传感器23进入膨胀机10，燃气在膨胀机10内膨胀推动膨胀机10内的螺杆旋转，膨胀机10旋转带动发电机11转动发电，发电机11将产生的电能经整流器12整流后储存于蓄电器13，可以根据需要为流量处理单元21、通讯单元22以及相关的负载提供电能。
仍然参照图1，流量转换通讯系统主要包括通讯单元20、流量转换单元21、传感器组以及阀门组。其中：
传感器组包括压力传感器22、温度传感器23和转速传感器24，压力传感器22和温度传感器23均设置在膨胀机10进气口前的管道上，分别用于检测该处燃气的压力和温度，且二者的安装的上下游位置可以互换；转速传感器24主要用于检测膨胀机10的转速(或者发电机的转速，二者为刚性连接，因此转速相等)，可以在膨胀机10或者发电机11的壳体上设置有用于安装转速传感器24的支架，并且在组装好的状态下，转速传感器24以非接触(如垂直对准)的方式设置于能够获得膨胀机10和/或发电机11转速的位置，如对准连接膨胀机10和发电机11的联轴器上。
优选地，温度传感器23为热电偶或者热敏电阻，热敏电阻的热敏元件优选为铂电阻，转速传感器24具有转速计量、转数记录及转数累计的功能。所述流量转换单元具有读取、存储、处理和传输(温度、压力、转速)数据的功能，通讯单元具有接收数据、传输数据及与远程收发器通讯的功能。
阀门组包括第一阀门25和第二阀门26，第一阀门25设置在膨胀机10的上游管道，通过调整第一阀门25的开度可以确定来流燃气是否进入膨胀机以及调整进入膨胀机的燃气流量。如第一阀门25可以设置于压力传感器22和温度传感器23的上游，根据实际情况，第一阀门25、压力传感器22以及温度传感器23的上下游位置关系可以调整。第二阀门26设置在膨胀机10的下游管道，通过调整第二阀门26的开度可以确定来流燃气是否进入作为用户终端的燃气用户以及调整进入燃气用户的燃气流量。优选地，第一阀门25和第二阀门26均选用电磁阀。
流量转换单元21通过信号电缆与上述的压力传感器22、温度传感器23、转速传感器24、第一阀门25以及第二阀门26分别相连。流量转换单元21还通过通讯单元20和监控端通讯，监控端通过对前述的相关数据进行集中地接收、显示、处理和发送，一方面可以实现对燃气流量计量装置的实时监测，如在装置正常运行的状态下实时获取和/或显示准确的流量计量信息，另一方面在装置发生故障的情形下能够及时获知并采取相应的排障策略。在故障消除之后，监控端向流量转换单元21发送相应的反馈信息。基于该反馈信息，流量转换单元21使(第一、第二)阀门打开，气体处理系统即可恢复正常的工作状态，即：来流燃气经膨胀机降压以及发电机回收压力能之后，通入燃气用户。阀门打开的具体开度由来流燃气以及燃气用户的(温度、压力)等因素来确定，如装置配设有用于调整参数的控制器，控制器调整参数的工作原理为：控制器使发电机的转速改变→膨胀机的转速改变→通入膨胀机的燃气流量改变→膨胀机输出的燃气压力改变。不过“如何通过控制器参数调整来优化气体处理水平”并不属于本发明的保护范畴，在此不再作进一步的详细介绍。
如监控端可以是物理服务器或者云端服务器，物理服务器可以是就近的或者远程的监控中心，通讯单元20在能够保证监控端与流量转换单元21实现通讯的前提下，可以采用有线或者无线通讯的方式。通过监控端的灵活设置以及监控端对装置运行状态及其运行参数的及时获知，以及结合前述的蓄电池13可以对流量转换单元21、通讯单元等部件提供电力的设置，提高了装置对应用场景的适用性。如可用于大、中、小型的气体计量场所，尤其适用于中小型具有高精度要求的气体计量场所。
上述的流量转换通讯系统获取气体计量的过程具体为：
1)流量转换单元基于接收到的膨胀机的转速信号以及来流燃气(膨胀机进气口的上游)的(压力、温度)信号，首先将膨胀机的转速转换为气体瞬时流量，然后将气体瞬时流量对时间进行积分，进一步得到一段时间内通过膨胀机的气体累计流量。具体的计算过程如下：
11)来流燃气在压力pp(当前压力)下的气体体积流量vp由以下的公式(1)计算得出：
vp＝msvsn(1)
公式(1)中，ms为膨胀机的螺槽数，vs为单个螺槽的容积，n为膨胀机的转速；
12)基于计算出的vp，通过范德华方程或维里方程求得来流燃气在标况(标况温度tst、标况压力pst)下的气体瞬时流量vst(体积流量)；
公式(2)为范德华方程，该公式(2)中，a、b均为与气体相关的系数，具体地，
13)基于计算出的vst，时间段δt内的累积气体流量vδt由以下的公式(3)计算得出：
公式(3)中，δt＝t2-t1，t1为起始时间，t2为终止时间，f为泄漏百分数，泄露百分数主要与膨胀机的加工精度有关，如在产品出厂之前可以通过试验标定等方法确定。具体而言，泄露百分数随着加工精度的提高而降低，对于同一膨胀机而言，在其进出口压力一定的情形下，泄漏百分数基本保持不变。如在本实施方式中，高压管网和通往燃气用户的低压管网的燃气的压力基本保持一定，因此可以认为泄漏百分数f基本为定值。如在一种具体的实施方式中，泄漏百分数f取0.5％。
2)流量转换单元基于接收到的膨胀机的转速信号以及来流燃气的(压力、温度)信号判断装置的工作状态。具体而言，判断装置是否存在故障，并在装置存在故障的情形下进一步确定故障类型，在故障类型确定后生成与故障类型相对应的工作状态信号；并且，在流量转换单元21判断出装置存在故障的情形下，流量转换单元21向第一阀门25和第二阀门26分别发送使阀门关闭的信号，直至装置恢复正常状态后，重新开启第一阀门25和第二阀门26。
3)流量转换单元将膨胀机的转速、来流燃气的(压力、温度)、气体瞬时流量、气体累计流量以及工作状态等信号中的一种或者几种通过通讯单元传输到监控端。监控端在故障解除之后，通过所述通讯单元向流量转换单元发送相应的反馈，如流量转换单元21基于该反馈使(第一、第二)阀门打开。
需要说明的是，通讯单元20与监控端之间为双向通讯。具体而言，一方面，流量转换单元21将上述(温度、压力、转速、工作状态、气体瞬时流量和气体累计流量)等信号实时或者每隔一段时间定时地通过通讯单元20传送给监控端；另一方面，流量转换单元21能够根据监控端发送的请求命令有选择性地读取流量转换单元21中的习惯数据的，以及通过通讯单元20向监控端发送相应的反馈。
本发明的基于螺杆式膨胀机的燃气流量计量装置及方法利用作为容积式计量装置的螺杆机构(螺杆式膨胀机)的螺槽定容积地输送来流燃气，来流燃气在膨胀机内部膨胀带动螺杆旋转进而带动发电机旋转发电，由于膨胀机的转速/转数可以计量得非常准确，加之螺杆机构在进出口压力一定的情形下的泄漏百分数又是固定的，因此通过本发明的装置能够通过流量转换单元非常准确地计量出燃气的流量，从而提高了计量精度。并且，通过监控端与流量转换单元的双向通讯，提高了装置的运行可靠性。
显然，为了保证计量装置的正常运行，来流燃气的压力应当大不于膨胀机10的最大许用压力，计量装置配置的膨胀机10的最高转速应当大不于膨胀机10的最高允许转速。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案。但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。