一種氣體流量測量方法及測量裝置與流程
2023-06-16 16:03:11
本發明涉及氣體流量測量技術領域，特別涉及一種氣體流量測量方法及測量裝置。
背景技術：
目前，脫硫煙氣流量的測量通常採用皮托管流量計或者超聲波流量計。
請參考圖1，圖1為現有技術皮托管流量計的結構示意圖。
皮托管流量計主要由皮托管檢測探頭1﹑取壓管2﹑壓力變送器4、吹掃箱3等部件構成，測量時將皮托管流量計探頭插入管路中，並使全壓和背壓探頭中心軸線處於過流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測孔正面應對來流，檢測流體總壓，並將其傳遞給壓力變送器4；同時背壓探頭測孔拾取節流靜壓也將其傳遞給壓力變送器4，由於流體的全壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數值關係，因此可以用皮托管測得流體流速從而計算出被測煙氣流量的大小，即流速其中，C為皮托管儀表係數，ΔP為壓差，單位為Pa，ρ0為標準狀態(20℃，760mmHg)下的空氣密度，單位為kg/Nm3；ρ0＝1.205kg/Nm3。
皮托管流量計使用條件比較苛刻:測量斷面離來流方向的彎頭、變徑異形管等局部構件要大於4倍管道直徑的直管段,離下遊方向的局部彎頭、變徑結構應大於2倍管道直徑的直管段；皮托管檢測頭的全壓和背壓探頭中心軸線處於過流斷面中心且與流線方向一致，全壓口正面應對來流。所測流速為管道斷面上某一點。
請參考圖2，圖2為現有技術超聲波流量計的結構示意圖。
超聲波流量計包括發射/接收裝置(如圖2中發射和接收裝置A 1』和發射和接收裝置A 2』；兩者用於發射和接收超聲波脈衝)﹑帶有管子的法蘭5』(用來在煙道上安裝發射/接收裝置)﹑控制單元3』(用於信號處理、系統的功能控制、信號的輸出/輸入)、連接電纜4』(用於在發射/接收裝置和控制單元之間進行模擬或數位訊號通訊)組成，通過測量超聲波脈衝的滯後時間(聲波順著氣體流動方向的傳播時間和聲波逆著氣體流動方向的傳播時間)來進行氣體流速的測量從而計算出被測煙氣流量的大小。發射/接收裝置安裝在煙道的兩側，並與氣體流動的方向成一定的角度，聲波脈衝與氣體流動的方向成夾角α；超聲波與氣體流動方向逆流與順流的傳送時間由夾角α和氣體的流速v決定，已知測量路徑L、聲音速度、聲波方向與氣流方向的角度α、則聲波順著氣體流動方向的傳播時間為：tv＝L/(C+v·cosα)，聲波逆著氣體流動方向的傳播時間為：tr＝L/(C－v·cosα)，
氣體流速v＝(L/2·cosα)·〔(1/tv)－(1/tr)〕
超聲波流量計使用條件更加苛刻，其要求測量點位置必須距離進口在煙道內部直徑的20倍以上的直管段，距離出口在煙道內部直徑的10倍以上的直管段：周圍環境噪音低；發射/接收裝置的法蘭必須在一軸線上。
從以上描述可以看出，皮托管流量計和超聲波流量計對其測量的煙道均具有比較苛刻的要求，當煙道參數達不到其應用要求時，皮托管流量計和超聲波流量計的測量精度將大大降低。
另外超聲波流量計容易受周圍環境噪音幹擾，如果周圍環境噪音較大，其測量誤差較大。。
故，如何提供一種氣體流量測量裝置，其對應用環境要求比較低，應用範圍比較廣，並且測量穩定可靠精度高，是本領域內技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供一種氣體流量測量方法，具體方法為：
預存引風機輸出功率與氣體流量之間的關係Pe＝PQv/1000於控制單元；
獲取當前狀態氣體管路上引風機或驅動引風機轉動的動力部件的工作參數，並根據上述獲取的工作參數計算引風機輸出功率Pe；
然後根據預存的Pe＝PQv/1000獲得氣體流量Qv，並以氣體流量Qv為控制參數調節氣流系統工作狀態；
其中，Pe為引風機輸出功率；P為引風機壓頭；Qv為氣體流量。
可選的，還進一步預存引風機輸出功率計算公式於控制單元；
上述引風機輸出功率Pe計算步驟中，獲取的所述工作參數具體為所述引風機的電壓V、電流I、出口靜壓P2和入口靜壓P1；根據上述工作參數和計算引風機輸出功率Pe；
進而獲取氣體流量
其中，P＝P2-P1；K為常數，K＝ηgηdCOSψ，cosψ為電機功率因素，ηg為電機效率，ηd為傳動效率；η為引風機效率。
可選的，還進一步預存理想氣體狀態方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ於控制單元內部；
在引風機輸出功率Pe計算步驟中，獲取的所述工作參數進一步包括當前狀態引風機的導葉角度、引風機入口氣體溫度T1；並根據上述工作參數及P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ計算風機比壓能Y，然後再根據計算所得的風機比壓能Y與引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)獲得引風機效率η；然後根據計算引風機輸出功率Pe；
其中，P3、T3、ρ3為標準狀態或者通過實驗預先獲取的某一狀態下的氣體壓強、溫度、氣體密度；P1、T1、ρ1為當前引風機入口氣體壓強、溫度、氣體密度。
可選的，在該方法開始前，根據引風機特性曲線圖預先擬合至少一導葉角度下，風機比壓能Y與引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)，並將該函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)存於控制單元；其中，n＝1,2,3，……；Gn為導葉角度；
在η計算步驟中，首先根據當前狀態導葉角度選擇擬合曲線ηn＝fn(Y,Gn)，然後再根據獲取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,Gn)計算η；
進而獲取氣體流量
可選的，η計算具體為：
預先判斷獲取的導葉角度是否為預先擬合的各導葉角度Gn其中之一，如果否，則通過公式η＝ηn+1(Gn-G)/(Gn-Gn+1)+ηn(G-Gn+1)/(Gn-Gn+1)和ηn＝fn(Y,Gn)計算η,,其中當前的Y用於計算ηn和ηn+1；如果是，則根據當前狀態導葉角度選擇擬合曲線ηn＝fn(Y,Gn)，然後再根據獲取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、η＝fn(Y,Gn)計算η。
此外，本發明還提供了一種氣體流量測量裝置，包括：
引風機，設置於氣體管道上；
獲取部件，用於當前狀態氣體管路上引風機或驅動引風機轉動的動力部件的工作參數；
控制單元，包括存儲模塊、計算模塊和控制模塊；
所述存儲模塊，用於存儲Pe＝PQv/1000；
所述計算模塊，用於根據上述獲取的工作參數及Pe＝PQv/1000獲得氣體流量Qv；
所述控制模塊，以氣體流量Qv為控制參數調節氣流系統工作狀態。
可選的，所述獲取部件包括以下部件：
電壓檢測部件，用於檢測引風機的電壓V；
電流檢測部件，用於檢測引風機的電流I；
壓力檢測部件，用於檢測引風機的出口靜壓P2和入口靜壓P1；
所述存儲模塊，還進一步存儲有公式和
所述計算模塊，根據檢測到的V、I、P1、P2、及Pe＝PQv/1000、和獲得氣體流量Qv。
可選的，所述存儲模塊還進一步存儲有預存理想氣體狀態方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ；
所述獲取部件還同時獲取當前狀態引風機的導葉角度、風機入口溫度T1；所述計算模塊根據上述工作參數及P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)、公式Y＝HФ/ρ計算風機比壓能Y，然後再根據計算所得的風機比壓能Y與引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)獲得引風機效率η；然後根據計算引風機輸出功率Pe。
可選的，所述存儲模塊還進一步存儲有根據引風機特性曲線圖擬合不同導葉角度下η與Y的函數關係：η＝fn(Y,Gn)；
所述計算模塊，還預先判斷獲取的導葉角度是否為預先擬合的各導葉角度Gn其中之一，如果否，則通過公式η＝ηn+1(Gn-G)/(Gn-Gn+1)+ηn(G-Gn+1)/(Gn-Gn+1)和ηn＝fn(Y,Gn)計算η進而獲取氣體流量
本文中氣體流量測量裝置中的各部件可以藉助氣體系統中原安裝的零部件，即在不增加系統中零部件的基礎上，僅通過增加控制單元中的控制模塊即可實現氣體流量Qv的獲取，可以完全取代現有技術中通過皮托管、取樣頭等部件對煙氣流量進行測量，本中所提供的氣體流量測量裝置完全無需考慮在煙氣管道預留足夠長的直管段，即本文中氣體流量測量裝置不受煙氣管道直管段尺寸的影響，並且該測量氣體流量的方法不受環境噪音幹擾，測量值穩定可靠精度高。並且取消現有技術中皮托管、取樣頭等部件可以降低系統的使用成本及提高裝配效率。
附圖說明
圖1為現有技術皮托管流量計的結構示意圖；
圖2為現有技術超聲波流量計的結構示意圖；
圖3為本發明一種實施例中氣體流量測量裝置的結構示意圖；
圖4為引風機特性曲線圖；
圖5為本發明一種實施例中氣體流量測量方法的流程圖；
圖6為本發明一種實施例中氣流流量測量裝置的結構框圖。
其中，圖1和圖2中部件名稱與附圖標記之間一一對應關係如下所示：
檢測探頭1、取壓管2、吹掃箱3、壓力變送器4；
發射和接收裝置A 1』、發射和接收裝置A 2』、控制單元3』、連接電纜4』、法蘭5』；
其中，圖3中部件名稱與附圖標記之間一一對應關係如下所示：
溫度檢測部件11、電流檢測部件12、風機執行機構13、入口壓力檢測部件14、出口壓力檢測部件15、導葉16、引風機的入口17、引風機的出口18、葉輪19、電機20、氣體流動管路30。
具體實施方式
為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
請參考圖3和圖6，圖3為本發明一種實施例中氣體流量測量裝置的結構示意圖；圖6為本發明一種實施例中氣流流量測量裝置的結構框圖。
本發明提供了一種氣體流量測量裝置，該裝置包括引風機，獲取部件和控制單元。引風機安裝於氣體流動管路30上，主要作用為提供氣體流動動力，使氣體以一定的流速向前流動。具體地，引風機包括導葉16和葉輪19等部件，引風機的動力可以由電機20等動力部件提供，電機20驅動引風機轉動從而實現管路內部氣體流動。引風機的導葉角度可調，導葉角度範圍：-75°--+30°，相應對應0％--100％開度。
獲取部件主要用於獲取當前狀態氣體管路上引風機或驅動引風機轉動的動力部件的工作參數，工作參數可以包括引風機的電壓V、電流I、出口靜壓P2和入口靜壓P1，相應地，電壓V可以通過電壓檢測部件獲取，電壓檢測部件可以將引風機的電壓V傳遞至控制單元。同理，引風機的電流I可以通過電流檢測部件12進行獲取，電流檢測部件將電流I信號傳遞至控制單元。出口靜壓P2和入口靜壓P1均可以通過壓力檢測部件進行測量，壓力檢測部件將相應壓力傳遞至控制單元，導葉開度檢測部件將開度傳遞至控制單元。如圖3所示，引風機的出口18和引風機的入口17分別伸至出口壓力檢測部件15和入口壓力檢測部件14，兩者分別用於檢測出口靜壓P2和入口靜壓P1。
控制單元根據上述獲取的工作參數計算引風機輸出功率Pe，進而再根據預存的公式Pe＝PQv/1000獲得氣體流量Qv。
以氣體是煙氣為例，管道中的煙氣是需要控制在預定流量範圍內的，控制單元通過上述方式獲取煙氣流量Qv，並以煙氣流量Qv為控制參數調整氣流系統中各部件的工作狀態，例如可以根據煙氣流量Qv控制再循環煙道上設置的流量閥的開度。利用煙氣流量Qv為控制參數對氣流系統的調整可以參考現有技術，在此不做詳細介紹。
請參考圖5，圖5為本發明一種實施例中氣體流量測量方法的流程圖。
在上述氣體流量測量系統的基礎上，本發明還提供了一中氣體流量測量方法，具體方法為：
S1、預存引風機輸出功率與氣體流量之間的關係Pe＝PQv/1000於控制單元；
S2、獲取當前狀態氣體管路上引風機或驅動引風機轉動的動力部件的工作參數，根據上述獲取的工作參數計算引風機輸出功率Pe，
S3、根據預存的Pe＝PQv/1000獲得氣體流量Qv，並以氣體流量Qv為控制參數調節氣流系統工作狀態。
本文中氣體流量測量裝置中的各部件可以藉助氣體系統中原安裝的零部件，即在不增加系統中零部件的基礎上，僅通過增加控制單元中的控制模塊即可實現氣體流量Qv的獲取，可以完全取代現有技術中通過皮托管、取樣頭等部件對煙氣流量進行測量，本中所提供的氣體流量測量裝置完全無需考慮在煙氣管道預留足夠長的直管段，即本文中氣體流量測量裝置不受煙氣管道直管段尺寸的影響，並且該測量氣體流量的方法不受環境噪音幹擾，測量穩定可靠精度高。並且取消現有技術中皮托管、取樣頭等部件可以降低系統的使用成本及提高裝配效率。
具體地，控制單元的存儲模塊還進一步存儲有公式和計算模塊根據檢測到的V、I、P1、P2、及Pe＝PQv/1000、和獲得氣體流量Qv。
其中，P＝P2-P1；K為常數，K＝ηgηdCOSψ，cosψ為電機功率因素，ηg為電機效率，ηd為傳動效率；η為引風機的效率。
在電機以及傳動機構一定的情況下，cosψ為電機功率因素、ηg為電機效率和ηd為傳動效率均為已知量。
上述各實施例中氣體流量測量裝置的存儲模塊中還可以進一步預存理想氣體狀態方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式比壓能與風機壓頭關係式Y＝HФ/ρ。
並且，在引風機輸出功率Pe計算步驟中，獲取部件還同時獲取當前狀態引風機的導葉角度、引風機入口氣體溫度T1，相應地，導葉角度可以通過風機執行機構13測量導葉角度，引風機入口氣體溫度T1可以通過溫度傳感器11測量。
控制單元根據上述工作參數、ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ計算風機比壓能Y。具體地，由理想氣體狀態方程P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)可知，ρ1＝P1ρ3(T3+273)/(P3(T1+273))，然後再將ρ1代入Y＝HФ/ρ得出Y＝(P2-P1)P3(T1+273/(P1ρ3(T3+273))。
其中，P3、T3、ρ3為標準狀態或者通過實驗預先獲取的某一狀態下的氣體壓強、溫度、氣體密度；P1、T1、ρ1為當前狀態下氣體壓強、溫度、氣體密度。
標準狀態是指標準壓強p下該物質的狀態，通常標準壓強為100kPa，一般標準壓強下氣體的壓強、溫度、密度均是可知的。
然後，再根據計算所得的風機比壓能Y和引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)獲得引風機效率η。具體地，根據風機比壓能Y自引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)獲得引風機效率η。當然，還可以通過其他方式計算η。
上述實施方式中，在方法開始前，也就是說在步驟S1之前，根據引風機特性曲線圖預先擬合至少一導葉角度下，風機比壓能Y與引風機效率η的函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)，並將該函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)存於控制單元；其中，n＝1,2,3，……；Gn為導葉角度。例如，Gn分別對應入口導葉角度為30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°；其中，n分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11。請參考圖4，圖4中曲線1、曲線2、……、曲線11的導葉角度分別為30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°，曲線n與環形曲線的交點，可獲得在該導葉角度下比壓能Y與風機效率η的關係數據。
另外，圖4中的環形曲線為等效率曲線，即不同工況下效率相同點組成的曲線，每條環形曲線標註有風機效率值。圖4橫坐標為流量，縱坐標為比壓能Y。
也就是說，先從引風機特性曲線上查找導葉角度為30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-55°、-60°、-65°、-70°、-75°時，各自分別獲得至少10組以上的風機效率與比壓能的離散關係數據，，即每個角度獲得多組離散的(η，Y)，然後將每個角度對應的多組離散的(η，Y)擬合成一條曲線，即函數關係式ηn＝fn(Y,Gn)。
η計算具體為：
預先判斷獲取的導葉角度是否為預先擬合的各導葉角度Gn其中之一，如果否，則通過公式η＝ηn+1(Gn-G)/(Gn-Gn+1)+ηn(G-Gn+1)/(Gn-Gn+1)和ηn＝fn(Y,Gn)計算η,其中當前的Y用於計算ηn和ηn+1；如果是，則根據當前狀態導葉角度選擇擬合曲線ηn＝fn(Y,Gn)，然後再根據獲取的P1、P2、T1、公式P1ρ3(T3+273)＝P3ρ1(T1+273)和公式Y＝HФ/ρ、選取的η＝fn(Y,Gn)計算η。
也就是說，當入口導葉角度在任意角度(不包括上述11個開度，Gn+1<G<Gn)時,引風機效率為：η＝ηn+1(Gn-G)/(Gn-Gn+1)+ηn(G-Gn+1)/(Gn-Gn+1)。
其中，ηn+1和ηn可以通過已經擬合曲線ηn＝fn(Y,Gn)獲得，其中當前的Y用於計算ηn和ηn+1,進而計算出引風機的當前效率η。
以上對本發明所提供的一種氣體流量測量方法及測量裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。