CN106643919A - 一种气体流量测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体流量测量方法和测量装置，该方法为：预存引风机输出功率与气体流量之间的关系Pe＝PQ_v/1000于控制单元；获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数，并根据上述获取的工作参数计算引风机输出功率Pe；然后根据预存的Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v，并以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态；本中所提供的气体流量测量装置完全无需考虑在烟气管道预留足够长的直管段，即本文中气体流量测量装置不受烟气管道直管段尺寸的影响，并且该测量气体流量的方法不受环境噪音干扰，测量值稳定可靠、精度高。并且取消现有技术中皮托管、取样头等部件可以降低系统的使用成本及提高装配效率。

Description

一种气体流量测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及气体流量测量技术领域，特别涉及一种气体流量测量方法及测量装置。

背景技术

目前，脱硫烟气流量的测量通常采用皮托管流量计或者超声波流量计。

请参考图1，图1为现有技术皮托管流量计的结构示意图。

皮托管流量计主要由皮托管检测探头1﹑取压管2﹑压力变送器4、吹扫箱3等部件构成，测量时将皮托管流量计探头插入管路中，并使全压和背压探头中心轴线处于过流断面中心且与流线方向一致，全压探头测孔正面应对来流，检测流体总压，并将其传递给压力变送器4；同时背压探头测孔拾取节流静压也将其传递给压力变送器4，由于流体的全压和静压之差与被测流体的流速有确定的数值关系，因此可以用皮托管测得流体流速从而计算出被测烟气流量的大小，即流速 其中，C为皮托管仪表系数，ΔP为压差，单位为Pa，ρ0为标准状态(20℃，760mmHg)下的空气密度，单位为kg/Nm3；ρ0＝1.205kg/Nm³。

皮托管流量计使用条件比较苛刻:测量断面离来流方向的弯头、变径异形管等局部构件要大于4倍管道直径的直管段,离下游方向的局部弯头、变径结构应大于2倍管道直径的直管段；皮托管检测头的全压和背压探头中心轴线处于过流断面中心且与流线方向一致，全压口正面应对来流。所测流速为管道断面上某一点。

请参考图2，图2为现有技术超声波流量计的结构示意图。

超声波流量计包括发射/接收装置(如图2中发射和接收装置A 1’和发射和接收装置A 2’；两者用于发射和接收超声波脉冲)﹑带有管子的法兰5’(用来在烟道上安装发射/接收装置)﹑控制单元3’(用于信号处理、系统的功能控制、信号的输出/输入)、连接电缆4’(用于在发射/接收装置和控制单元之间进行模拟或数字信号通讯)组成，通过测量超声波脉冲的滞后时间(声波顺着气体流动方向的传播时间和声波逆着气体流动方向的传播时间)来进行气体流速的测量从而计算出被测烟气流量的大小。发射/接收装置安装在烟道的两侧，并与气体流动的方向成一定的角度，声波脉冲与气体流动的方向成夹角α；超声波与气体流动方向逆流与顺流的传送时间由夹角α和气体的流速v决定，已知测量路径L、声音速度、声波方向与气流方向的角度α、则声波顺着气体流动方向的传播时间为：tv＝L/(C+v·cosα)，声波逆着气体流动方向的传播时间为：tr＝L/(C－v·cosα)，

气体流速v＝(L/2·cosα)·〔(1/tv)－(1/tr)〕

超声波流量计使用条件更加苛刻，其要求测量点位置必须距离进口在烟道内部直径的20倍以上的直管段，距离出口在烟道内部直径的10倍以上的直管段：周围环境噪音低；发射/接收装置的法兰必须在一轴线上。

从以上描述可以看出，皮托管流量计和超声波流量计对其测量的烟道均具有比较苛刻的要求，当烟道参数达不到其应用要求时，皮托管流量计和超声波流量计的测量精度将大大降低。

另外超声波流量计容易受周围环境噪音干扰，如果周围环境噪音较大，其测量误差较大。。

故，如何提供一种气体流量测量装置，其对应用环境要求比较低，应用范围比较广，并且测量稳定可靠精度高，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种气体流量测量方法，具体方法为：

预存引风机输出功率与气体流量之间的关系Pe＝PQ_v/1000于控制单元；

获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数，并根据上述获取的工作参数计算引风机输出功率Pe；

然后根据预存的Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v，并以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态；

其中，Pe为引风机输出功率；P为引风机压头；Q_v为气体流量。

可选的，还进一步预存引风机输出功率计算公式 于控制单元；

上述引风机输出功率Pe计算步骤中，获取的所述工作参数具体为所述引风机的电压V、电流I、出口静压P2和入口静压P1；根据上述工作参数和计算引风机输出功率Pe；

进而获取气体流量

其中，P＝P2-P1；K为常数，K＝η_gη_dCOSψ，cosψ为电机功率因素，η_g为电机效率，η_d为传动效率；η为引风机效率。

可选的，还进一步预存理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ于控制单元内部；

在引风机输出功率Pe计算步骤中，获取的所述工作参数进一步包括当前状态引风机的导叶角度、引风机入口气体温度T1；并根据上述工作参数及P1ρ₃(T3+273)＝P3ρ₁(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ计算风机比压能Y，然后再根据计算所得的风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)获得引风机效率η；然后根据 计算引风机输出功率Pe；

其中，P3、T3、ρ₃为标准状态或者通过实验预先获取的某一状态下的气体压强、温度、气体密度；P1、T1、ρ1为当前引风机入口气体压强、温度、气体密度。

可选的，在该方法开始前，根据引风机特性曲线图预先拟合至少一导叶角度下，风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)，并将该函数关系式η_n＝fn(Y,Gn)存于控制单元；其中，n＝1,2,3，……；G_n为导叶角度；

在η计算步骤中，首先根据当前状态导叶角度选择拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)，然后再根据获取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,G_n)计算η；

进而获取气体流量

可选的，η计算具体为：

预先判断获取的导叶角度是否为预先拟合的各导叶角度Gn其中之一，如果否，则通过公式η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)和η_n＝fn(Y,G_n)计算η,,其中当前的Y用于计算η_n和η_n+1；如果是，则根据当前状态导叶角度选择拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)，然后再根据获取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,G_n)计算η。

此外，本发明还提供了一种气体流量测量装置，包括：

引风机，设置于气体管道上；

获取部件，用于当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数；

控制单元，包括存储模块、计算模块和控制模块；

所述存储模块，用于存储Pe＝PQ_v/1000；

所述计算模块，用于根据上述获取的工作参数及Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v；

所述控制模块，以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态。

可选的，所述获取部件包括以下部件：

电压检测部件，用于检测引风机的电压V；

电流检测部件，用于检测引风机的电流I；

压力检测部件，用于检测引风机的出口静压P2和入口静压P1；

所述存储模块，还进一步存储有公式和

所述计算模块，根据检测到的V、I、P1、P2、及Pe＝PQ_v/1000、和获得气体流量Q_v。

可选的，所述存储模块还进一步存储有预存理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ；

所述获取部件还同时获取当前状态引风机的导叶角度、风机入口温度T1；所述计算模块根据上述工作参数及P1ρ₃(T3+273)＝P3ρ₁(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ计算风机比压能Y，然后再根据计算所得的风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)获得引风机效率η；然后根据计算引风机输出功率Pe。

可选的，所述存储模块还进一步存储有根据引风机特性曲线图拟合不同导叶角度下η与Y的函数关系：η＝fn(Y,G_n)；

所述计算模块，还预先判断获取的导叶角度是否为预先拟合的各导叶角度Gn其中之一，如果否，则通过公式η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)和η_n＝fn(Y,G_n)计算η进而获取气体流量

本文中气体流量测量装置中的各部件可以借助气体系统中原安装的零部件，即在不增加系统中零部件的基础上，仅通过增加控制单元中的控制模块即可实现气体流量Q_v的获取，可以完全取代现有技术中通过皮托管、取样头等部件对烟气流量进行测量，本中所提供的气体流量测量装置完全无需考虑在烟气管道预留足够长的直管段，即本文中气体流量测量装置不受烟气管道直管段尺寸的影响，并且该测量气体流量的方法不受环境噪音干扰，测量值稳定可靠精度高。并且取消现有技术中皮托管、取样头等部件可以降低系统的使用成本及提高装配效率。

附图说明

图1为现有技术皮托管流量计的结构示意图；

图2为现有技术超声波流量计的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中气体流量测量装置的结构示意图；

图4为引风机特性曲线图；

图5为本发明一种实施例中气体流量测量方法的流程图；

图6为本发明一种实施例中气流流量测量装置的结构框图。

其中，图1和图2中部件名称与附图标记之间一一对应关系如下所示：

检测探头1、取压管2、吹扫箱3、压力变送器4；

发射和接收装置A 1’、发射和接收装置A 2’、控制单元3’、连接电缆4’、法兰5’；

其中，图3中部件名称与附图标记之间一一对应关系如下所示：

温度检测部件11、电流检测部件12、风机执行机构13、入口压力检测部件14、出口压力检测部件15、导叶16、引风机的入口17、引风机的出口18、叶轮19、电机20、气体流动管路30。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图3和图6，图3为本发明一种实施例中气体流量测量装置的结构示意图；图6为本发明一种实施例中气流流量测量装置的结构框图。

本发明提供了一种气体流量测量装置，该装置包括引风机，获取部件和控制单元。引风机安装于气体流动管路30上，主要作用为提供气体流动动力，使气体以一定的流速向前流动。具体地，引风机包括导叶16和叶轮19等部件，引风机的动力可以由电机20等动力部件提供，电机20驱动引风机转动从而实现管路内部气体流动。引风机的导叶角度可调，导叶角度范围：-75°--+30°，相应对应0％--100％开度。

获取部件主要用于获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数，工作参数可以包括引风机的电压V、电流I、出口静压P2和入口静压P1，相应地，电压V可以通过电压检测部件获取，电压检测部件可以将引风机的电压V传递至控制单元。同理，引风机的电流I可以通过电流检测部件12进行获取，电流检测部件将电流I信号传递至控制单元。出口静压P2和入口静压P1均可以通过压力检测部件进行测量，压力检测部件将相应压力传递至控制单元，导叶开度检测部件将开度传递至控制单元。如图3所示，引风机的出口18和引风机的入口17分别伸至出口压力检测部件15和入口压力检测部件14，两者分别用于检测出口静压P2和入口静压P1。

控制单元根据上述获取的工作参数计算引风机输出功率Pe，进而再根据预存的公式Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v。

以气体是烟气为例，管道中的烟气是需要控制在预定流量范围内的，控制单元通过上述方式获取烟气流量Q_v，并以烟气流量Q_v为控制参数调整气流系统中各部件的工作状态，例如可以根据烟气流量Q_v控制再循环烟道上设置的流量阀的开度。利用烟气流量Q_v为控制参数对气流系统的调整可以参考现有技术，在此不做详细介绍。

请参考图5，图5为本发明一种实施例中气体流量测量方法的流程图。

在上述气体流量测量系统的基础上，本发明还提供了一中气体流量测量方法，具体方法为：

S1、预存引风机输出功率与气体流量之间的关系Pe＝PQ_v/1000于控制单元；

S2、获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数，根据上述获取的工作参数计算引风机输出功率Pe，

S3、根据预存的Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v，并以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态。

本文中气体流量测量装置中的各部件可以借助气体系统中原安装的零部件，即在不增加系统中零部件的基础上，仅通过增加控制单元中的控制模块即可实现气体流量Q_v的获取，可以完全取代现有技术中通过皮托管、取样头等部件对烟气流量进行测量，本中所提供的气体流量测量装置完全无需考虑在烟气管道预留足够长的直管段，即本文中气体流量测量装置不受烟气管道直管段尺寸的影响，并且该测量气体流量的方法不受环境噪音干扰，测量稳定可靠精度高。并且取消现有技术中皮托管、取样头等部件可以降低系统的使用成本及提高装配效率。

具体地，控制单元的存储模块还进一步存储有公式和计算模块根据检测到的V、I、P1、P2、及Pe＝PQ_v/1000、和获得气体流量Q_v。

其中，P＝P2-P1；K为常数，K＝η_gη_dCOSψ，cosψ为电机功率因素，η_g为电机效率，η_d为传动效率；η为引风机的效率。

在电机以及传动机构一定的情况下，cosψ为电机功率因素、η_g为电机效率和η_d为传动效率均为已知量。

上述各实施例中气体流量测量装置的存储模块中还可以进一步预存理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式比压能与风机压头关系式Y＝HФ/ρ。

并且，在引风机输出功率Pe计算步骤中，获取部件还同时获取当前状态引风机的导叶角度、引风机入口气体温度T1，相应地，导叶角度可以通过风机执行机构13测量导叶角度，引风机入口气体温度T1可以通过温度传感器11测量。

控制单元根据上述工作参数、ρ₃(T3+273)＝P3ρ₁(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ计算风机比压能Y。具体地，由理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)可知，ρ1＝P1ρ3(T3+273)/(P3(T1+273))，然后再将ρ1代入Y＝HФ/ρ得出Y＝(P2-P1)P3(T1+273/(P1ρ3(T3+273))。

其中，P3、T3、ρ₃为标准状态或者通过实验预先获取的某一状态下的气体压强、温度、气体密度；P1、T1、ρ₁为当前状态下气体压强、温度、气体密度。

标准状态是指标准压强p下该物质的状态，通常标准压强为100kPa，一般标准压强下气体的压强、温度、密度均是可知的。

然后，再根据计算所得的风机比压能Y和引风机效率η的函数关系式η_n＝f_n(Y,G_n)获得引风机效率η。具体地，根据风机比压能Y自引风机效率η的函数关系式η_n＝f_n(Y,G_n)获得引风机效率η。当然，还可以通过其他方式计算η。

上述实施方式中，在方法开始前，也就是说在步骤S1之前，根据引风机特性曲线图预先拟合至少一导叶角度下，风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)，并将该函数关系式η_n＝fn(Y,Gn)存于控制单元；其中，n＝1,2,3，……；G_n为导叶角度。例如，Gn分别对应入口导叶角度为30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°；其中，n分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11。请参考图4，图4中曲线1、曲线2、……、曲线11的导叶角度分别为30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°，曲线n与环形曲线的交点，可获得在该导叶角度下比压能Y与风机效率η的关系数据。

另外，图4中的环形曲线为等效率曲线，即不同工况下效率相同点组成的曲线，每条环形曲线标注有风机效率值。图4横坐标为流量，纵坐标为比压能Y。

也就是说，先从引风机特性曲线上查找导叶角度为30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°时，各自分别获得至少10组以上的风机效率与比压能的离散关系数据，，即每个角度获得多组离散的(η，Y)，然后将每个角度对应的多组离散的(η，Y)拟合成一条曲线，即函数关系式ηn＝fn(Y,Gn)。

η计算具体为：

预先判断获取的导叶角度是否为预先拟合的各导叶角度Gn其中之一，如果否，则通过公式η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)和η_n＝fn(Y,G_n)计算η,其中当前的Y用于计算η_n和η_n+1；如果是，则根据当前状态导叶角度选择拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)，然后再根据获取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、选取的η＝fn(Y,G_n)计算η。

也就是说，当入口导叶角度在任意角度(不包括上述11个开度，G_n+1<G<Gn)时,引风机效率为：η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)。

其中，η_n+1和η_n可以通过已经拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)获得，其中当前的Y用于计算η_n和η_n+1,进而计算出引风机的当前效率η。

以上对本发明所提供的一种气体流量测量方法及测量装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种气体流量测量方法，其特征在于，具体方法为：

预存引风机输出功率与气体流量之间的关系Pe＝PQ_v/1000于控制单元；

获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数，并根据上述获取的工作参数计算引风机输出功率Pe；

然后根据预存的Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v，并以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态；

其中，Pe为引风机输出功率；P为引风机压头；Q_v为气体流量。

2.如权利要求1所述的气体流量测量方法，其特征在于，还进一步预存引风机输出功率计算公式于控制单元；

上述引风机输出功率Pe计算步骤中，获取的所述工作参数具体为所述引风机的电压V、电流I、出口静压P2和入口静压P1；根据上述工作参数和计算引风机输出功率Pe；

进而获取气体流量

其中，P＝P2-P1；K为常数，K＝η_gη_dCOSψ，cosψ为电机功率因素，η_g为电机效率，η_d为传动效率；η为引风机的效率。

3.如权利要求2所述的气体流量测量方法，其特征在于，还进一步预存理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ于控制单元内部；

在引风机输出功率Pe计算步骤中，获取的所述工作参数进一步包括当前状态引风机的导叶开度、引风机入口气体温度T1；并根据上述工作参数及P1ρ₃(T3+273)＝P3ρ₁(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ计算风机比压能Y，然后再根据计算所得的风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)获得引风机效率η；然后根据 计算引风机输出功率Pe；

其中，P3、T3、ρ₃为标准状态或者通过实验预先获取的某一状态下的气体压强、温度、气体密度；P1、T1、ρ1为当前引风机入口气体压强、温度、气体密度。

4.如权利要求3所述的气体流量测量方法，其特征在于，在该方法开始前，根据引风机特性曲线图预先拟合至少一导叶角度下，风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)，并将该函数关系式η_n＝fn(Y,Gn)存于控制单元；其中，n＝1,2,3，……；G_n为导叶角度；

在η计算步骤中，首先根据当前状态导叶角度选择拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)，然后再根据获取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,G_n)计算η；

进而获取气体流量

5.如权利要求4所述的气体流量测量方法，其特征在于，η计算具体为：

预先判断获取的导叶开度是否为预先拟合的各导叶角度Gn其中之一，如果否，则通过公式η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)和η_n＝fn(Y,G_n)计算η,其中当前的Y用于计算η_n和η_n+1；如果是，则根据当前状态导叶角度选择拟合曲线η_n＝fn(Y,G_n)，然后再根据获取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,G_n)计算η。

6.一种气体流量测量装置，其特征在于，包括：

引风机，设置于气体管道上；

获取部件，用于获取当前状态气体管路上引风机或驱动引风机转动的动力部件的工作参数；

控制单元，包括存储模块、计算模块和控制模块；

所述存储模块，用于存储Pe＝PQ_v/1000；

所述计算模块，用于根据上述获取的工作参数及Pe＝PQ_v/1000获得气体流量Q_v；

所述控制模块，以气体流量Q_v为控制参数调节气流系统工作状态。

7.如权利要求6所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述获取部件包括以下部件：

电压检测部件，用于检测引风机的电压V；

电流检测部件，用于检测引风机的电流I；

压力检测部件，用于检测引风机的出口静压P2和入口静压P1；

所述存储模块，还进一步存储有公式和

所述计算模块，根据检测到的V、I、P1、P2、及Pe＝PQ_v/1000、和获得气体流量Q_v。

8.如权利要求7所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述存储模块还进一步存储有预存理想气体状态方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ；

所述获取部件还同时获取当前状态引风机的导叶角度、风机入口温度T1；所述计算模块根据上述工作参数及P1ρ₃(T3+273)＝P3ρ₁(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ计算风机比压能Y，然后再根据计算所得的风机比压能Y与引风机效率η的函数关系式η_n＝fn(Y,G_n)获得引风机效率η；然后根据计算引风机输入功率Pe，。

9.如权利要求8所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述存储模块还进一步存储有根据引风机特性曲线图拟合不同导叶角度下η与Y的函数关系：η＝fn(Y,G_n)；

所述计算模块，还预先判断获取的导叶角度是否为预先拟合的各导叶角度Gn其中之一，如果否，则通过公式η＝η_n+1(G_n-G)/(G_n-G_n+1)+η_n(G-G_n+1)/(G_n-G_n+1)和η_n＝fn(Y,G_n)计算η进而获取气体流量