CN116892985A - 一种基于调压器流量特性的流量计量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调压器流量特性的流量计量方法及系统，方法包括以下步骤：在调压器管道内安装校验机构，校验机构包括气缸和活塞，活塞滑动设置于气缸中；测得气缸的压差P_d，得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h；将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q。系统包括调压器、校验机构、第一变送器、第二变送器和第三变送器。本发明建立了全新的物理变量计算体系和全新的流量计算的算法，无需使用流量计，减少企业成本。

Description

一种基于调压器流量特性的流量计量方法及系统

技术领域

本发明涉及调压器流量计量的技术领域，具体而言，涉及一种基于调压器流量特性的流量计量方法及系统。

背景技术

天然气调压系统中，因供需双方存在结算使用量的需求，故系统中需要对供气量进行准确的计量，现有技术通常采用在调压设备前或后安装流量计的方式实现计量。流量计对气体供气量的计量，是基于对某一个物理变量的实时测量，再通过算法来完成标准流量的计算和修正。例如：

1、涡轮流量计：气流吹动涡轮旋转，通过涡轮单位时间的转速来计算流量；

2、腰轮流量计：气体推动腰轮旋转，通过腰轮单位时间推走的气体体积来计算流量；

3、超声波流量计：通过发射超声波脉冲测量顺流和逆流的行程时间差来计算流量。

现有技术至少具有以下缺点：

1、核心技术和知识产权由计量仪表企业所掌握，调压行业企业使用成本极高；

2、在调压系统中，必须购买上述流量计产品，设备成本高；

3、现有技术流量计均受调压器后流态变化而对计量效果产生影响，例如调压后的流速变化会对涡轮计量产生明显影响；调压后噪音的增加会对超声波计量产生影响；气体杂质会对腰轮和涡轮寿命产生影响等；

4、现有技术的计量原理均未与调压器的供气特性有所关联，在使用中存在调压器流量特性的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于调压器流量特性的流量计量方法，建立了全新的物理变量计算体系和全新的流量计算的算法，无需使用流量计，减少企业成本。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一方面，本发明公开了一种基于调压器流量特性的流量计量方法，包括以下步骤：

在调压器管道内安装校验机构，所述校验机构包括气缸和活塞，所述活塞滑动设置于所述气缸中；

测得所述气缸的压差P_d，得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h；

将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q。

在本发明的一实施例中，还包括第一变送器，所述第一变送器通过引压管与所述气缸连接，用于测得所述气缸的压差P_d。

在本发明的一实施例中，得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h的测量公式为：

式中，D为调压器管道的直径，ρ为流体的密度，μ为摩擦系数

在本发明的一实施例中，将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q的转化公式为：

式中，P₀为标准大气压，P₁为工况气压，T₀为标准温度，T₁为工况温度。

在本发明的一实施例中，将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q的转化公式为：

式中，P为调压器管道内的相对压力，t₁为调压器管道的摄氏温度。

在本发明的一实施例中，还包括第二变送器和第三变送器；

所述第二变送器用于测量工况气压P₁，所述第三变送器用于测量工况温度T₁；

或者，所述第二变送器用于测量相对气压P，所述第三变送器用于测量摄氏温度t₁。

在本发明的一实施例中，还包括推导步骤：通过测得所述活塞阻力面积内的风压数值W_p得到管道流速v_t，进而得到气体体积总量V_h。

在本发明的一实施例中，所述活塞阻力面积内的风压数值W_p的测量公式为：

管道流速v_t与风压W_P的计算公式为：

气体体积总量V_h与管道流速v_t的关系式为：

式中，μ为摩擦系数，D为调压器管道的直径，ρ为流体的密度。

在本发明的一实施例中，获取风压数值W_p的测量公式的方法如下：

测得所述活塞的正压力F₀，；

测得所述活塞滑动时的摩擦力F₁，；

测得所述活塞的反作用力F₂，；

其中，F₀=F₁+F₂；

式中，d₂为所述活塞阻力面的直径。

另一方面，本发明还公开了一种调压器系统，包括：

调压器，所述调压器具有管道；

校验机构，所述校验机构包括气缸和活塞；所述气缸设置在所述管道内，所述活塞滑动设置在所述气缸内；

第一变送器，所述第一变送器通过引压管与所述气缸连接，用于测得气缸的压差；

第二变送器，所述第二变送器与所述管道连接，用于测得工况气压或相对气压；

第三变送器，所述第三变送器与所述管道连接，用于测得工况温度或摄氏温度。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1．通过分析调压器流量特性进行等效的流量计算，充分贴合了调压器的供气特性，可有效消除调压器工作状态对计量的影响；

2．建立了全新的物理变量计算体系，和全新的流量计算的算法；

3．可与调压器有效结合，不再需要单独的流量计设备，大幅降低了调压系统计量的成本。

附图说明

图1为常见调压系统的调压器原理图；

图2为图1中虚线部分放大图；

图3为校验机构的原理图；

图4初始状态下校验机构的状态示意图；

图5为受风压后校验机构的状态示意图；

图6为校验机构的受力分析图；

图7为校验机构在受风压后各位置的气压和流速状态的原理图；

图8为本发明的流程图。

图标：1-活塞，2-气缸，3-引压管，4-第一变送器，5-第二变送器，6-第三变送器，7-阀体，8-执行器，9-指挥器，10-阀芯，11-阀口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参照图8，一种基于调压器流量特性的流量计量方法，包括以下步骤：

100、在调压器管道内安装校验机构，校验机构包括气缸和活塞，活塞滑动设置于气缸中；

200、测得活塞挤压气缸时，气缸内的压差P_d,得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h；

300、将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q。

步骤100中，在调压器管道内水平安装有气缸2，活塞1滑动设置在气缸2内，气流通过调压器管道时，垂直作用在活塞1的表面上，推动活塞1向气缸2的内侧移动。

步骤200中，还设置有第一变送器4，第一变送器4通过引压管3与气缸2连接，从而可以实时测量气缸2的压差P_d。

需要说明的是，如图4所示，活塞1在气缸2的最左侧，且气缸2中气压为1个大气压，即第一变送器4的表压为0；如图5所示，当气体通过调压器后，在校验机构所在的管道内均速流动，到达活塞1左端面位置时，部分气流作用在活塞1左端面产生风压W_p，活塞1在风压W_p作用下于气缸2内部向右产生一定位移，挤占了气缸2部分容积，造成气缸2内气压升高。因初始状态时气缸2中气压为1个大气压，即第一变送器4的表压为0，故在活塞1挤压容积后第一变送器4所测量的气压值即为气缸2中产生的差压P_d。

此时，如图6所示，活塞1受到风压W_p的正压力、活塞1在气缸2内滑动时的摩擦力F₁和气缸2的差压P_d对活塞1的反作用力F₂；当气缸2的差压P_d值一定时，活塞1受力平衡，其中有关系式：

-公式一

-公式二

-公式三

F₀=F₁+F₂-公式四

通过公式一、公式二、公式三和公式四可得：

-公式五

上述关系式中：

d₂-活塞1阻力面的直径；

μ-摩擦系数；

9.8-公斤力与牛顿力的换算系数。

需要说明的是，风压W_p是气体流动作用于阻力面上的压强，即在同一个截面中任何位置可产生的风压相同，故活塞1阻力面所测量出的风压W_p即代表了整个气流当时状态下的风压W_p。

如图7所示，气流未受活塞1阻挡时，其气压为P₁，流速v₁即为管道流速v_t；气流受活塞1阻挡的面上，气压为P₂，流速为v₂，h为气流中心距离地面的高度，v_t和v₂相等。但由于气流受阻后流速v₂为0，再根据伯努利方程，因此，得到测量公式：

-公式六

再将公式五代入公式六得到：

-公式七

因此，根据公式五、公式六和公式七的验算可得，只需要通过第一变送器4测得气缸2的压差P_d即可实时获取调压器管道内的流速v_t。

步骤200中，得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h的具体方法如下：

气体经过阀口11流向下游后，进入调压器的管道中，根据管道截面积、流速可得单位时间内（每小时）气体体积总量V_h为：

即-公式八

上述公式中：

D-调压器管道的直径；

v_t-气体流速。

将公式七代入公式八中可得：

-公式九

由于调压器管道的直径D可根据测量得到，因此，由公式九可得，计算V_h的公式中，只有气缸2中所产生的压差P_d为变量，且该变量可由第一变送器4实时测量，故公式九具有可计算性。

此时，计算所得的V_h为工况压力和温度下的体积，还需要根据理想气体状态方程转换为标准状态下（温度为15℃，绝对压力为101.325KPa时的气体状态）的标况流量，即标准流量Q。

具体的，步骤300中得到标准流量Q的具体方法如下：

根据理想气体状态方程式可推导出工况体积与标准体积的关系方程式为：

-公式十

上述关系式中：

P₀-标准大气压（绝对压力）；

P₁-工况压力（绝对压力）；

T₀-标准温度（开氏温度）；

T₁-工况温度（开氏温度）。

根据公式十可得，在气体体积总量V_h已知的情况下，只需要测得工况压力P₁和工况温度T₁的数值，即可得到标准流量Q。

因此，在调压器管道上设置第二变送器5和第三变送器6，第二变送器5为压力变送器，用于测量工况压力P₁，第三变送器6为温度变送器，用于测量工况温度T₁。

其中，标准大气压P₀绝对压力为101.325KPa，即1.01325bar；标准温度T_O为15℃+273℃；工况温度T1为t₁+273℃；将上述数值代入公式十中得到：

-公式十一

再将公式九代入公式十一，得到：

即

需要说明的是，P为调压器管道内的相对压力，即第二变送器5可以直接测得调压器管道内的工况压力P₁（绝对压力），也可以测得调压器管道内的相对压力；t₁为调压器管道内的实时温度，即第三变送器6可以直接测得调压器管道内的工况温度T₁（开氏温度），也可以测得调压器管道内的摄氏度t₁。

上述关系式中，调压器管道直径D、摄氏度t₁、相对压力P、气缸2的压差P_d和摩擦系数μ均可测得，因此，针对不同的气体介质时，只需代入相应的气体密度即可。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行替换，请参照图1-图2，本实施例通过测量每小时通过调压器阀口11位置的体积，计算气体体积总量V_h。

调压器在工作状态正常供气时，其内部力平衡体系会驱动阀芯10与阀口11之间形成开度H，阀口11直径为d；假设气体经过阀口11后气流并不向四周发散仍按直线流动，按单孔喷射状态进行分析，则从气体经过阀口11开始，到气流被阀芯10阻挡位置为止为调压器在此开度下单次喷射的气体区间，见图2左图中的阴影部分，将该阴影区域单独摘出则如图2右图所示为一个圆柱体，且该圆柱体的底圆直径为阀口11直径d，开度H为圆柱体的高。

根据上述分析可知，调压器在开度H时，单次可喷射的气体体积即为图2所示的圆柱体的体积。

根据圆柱体的体积，可得阀口11单次向下游喷射的气体体积V₀为：

-公式十二

因此只需要确认在单位时间内阀口11喷射了多少个圆柱体，则可计算出气体总体积。

气流流动时存在流速v₀物理量，单位为m/s，即气体每秒流动的距离，此距离中包含了多少个H即为包含了多少个圆柱体，由此可知：

每秒阀口11喷射的圆柱体数量=

则1小时内，阀口11喷射的气体体积总量为：

代入公式十二，可得：

即

因此，只需测量出阀口11流速v₀，即可计算出每小时的气体体积。

需要说明的是，本实施例只是提供了另一种获取气体体积总量V_h的方法，且本实施例不要求保护如何测得出阀口11流速v₀，因此，本实施例对如何获取阀口11流速v₀的方法不作详述。

本实施例的其它部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

一种调压器系统，请参照图3，包括调压器、校验机构、第一变送器4、第二变送器5和第三变送器6。

本实施例中，如图3-图5所示，PT01为第一变送器4，PT02第三变送器6，均用于监测压力数值，TT01为第二变送器5，用于监测温度数值。

调压器具有管道，校验机构包括活塞1和气缸2，气缸2水平设置在管道中，活塞1滑动设置在气缸2内，当气流在管道内流动时，气流垂直于活塞1，以便于数据的测量。

第一变送器4通过引压管3与气缸2连接，用于测得气缸2的压差，第二变送器5与管道连接，用于测得工况气压或相对气压，第三变送器6与管道连接，用于测得工况温度或摄氏温度。

作为本实施例优选的，活塞1滑动采用聚四氟乙烯机械润滑，摩擦系数μ为0.05，以减小活塞1的摩擦系数。理所应当的是，本实施例也可以采用其它润滑方式。

本实施例中，如图1所示，调压器包括阀体7、执行器8、指挥器9、阀芯10和阀门等结构，由于调压器为现有技术，本实施例对其各个部件之间的连接关系不作赘述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在调压器管道内安装校验机构，所述校验机构包括气缸和活塞，所述活塞滑动设置于所述气缸中；

测得所述活塞挤压所述气缸时，所述气缸内的压差P_d，得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h；

将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q。

2.根据权利要求1所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，还包括第一变送器，所述第一变送器通过引压管与所述气缸连接，用于测得所述气缸的压差P_d。

3.根据权利要求1所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，所述得到单位时间内通过调压器管道的气体体积总量V_h的测量公式为：

式中，D为调压器管道的直径，ρ为流体的密度，μ为摩擦系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，所述将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q的转化公式为：

式中，P₀为标准大气压，P₁为工况气压，T₀为标准温度，T₁为工况温度。

5.根据权利要求4所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，所述将气体体积总量V_h转化成标准状态下的标况流量，得到标准流量Q的转化公式为：

式中，P为调压器管道内的相对压力，t₁为调压器管道的摄氏温度。

6.根据权利要求5所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，还包括第二变送器和第三变送器；

所述第二变送器用于测量工况气压P₁，所述第三变送器用于测量工况温度T₁；

或者，所述第二变送器用于测量相对气压P，所述第三变送器用于测量摄氏温度t₁。

7.根据权利要求1所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，还包括推导步骤：通过测得所述活塞阻力面积内的风压数值W_p得到管道流速v_t，进而得到气体体积总量V_h。

8.根据权利要求7所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，所述活塞阻力面积内的风压数值W_p的测量公式为：

管道流速v_t与风压W_P的计算公式为：

气体体积总量V_h与管道流速v_t的关系式为：

式中，μ为摩擦系数，D为调压器管道的直径，ρ为流体的密度。

9.根据权利要求8所述的一种基于调压器流量特性的流量计量方法，其特征在于，获取风压数值W_p的测量公式的方法如下：

测得所述活塞的正压力F₀，；

测得所述活塞滑动时的摩擦力F₁，；

测得所述活塞的反作用力F₂，；

其中，F₀=F₁+F₂；

式中，d₂为所述活塞阻力面的直径。

10.一种使用权利要求1-9任一项所述方法的调压器系统，其特征在于，包括：

调压器，所述调压器具有管道；

校验机构，所述校验机构包括气缸和活塞；所述气缸设置在所述管道内，所述活塞滑动设置在所述气缸内；

第一变送器，所述第一变送器通过引压管与所述气缸连接，用于测得气缸的压差；

第二变送器，所述第二变送器与所述管道连接，用于测得工况气压或相对气压；

第三变送器，所述第三变送器与所述管道连接，用于测得工况温度或摄氏温度。