壓縮機(jī)流量測量方法探討

楊弋，喻志強(qiáng)，紀(jì)蓉

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

壓縮機(jī)流量測量方法探討

楊弋，喻志強(qiáng)，紀(jì)蓉

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

介紹了目前國內(nèi)外常用的容積壓縮機(jī)流量的測量方法并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種ASME噴嘴測試方法流量范圍外的測試新方法，結(jié)果證明該方法很好地解決了ASME噴嘴流量超量程問題。

壓縮機(jī)；流量測量方法；超量程

1 引言

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源，同時(shí)也是具有多種用途的工藝氣源，其應(yīng)用范圍遍及化工、石油、電力、冶金、機(jī)械、紡織、輕工、電子、汽車制造、食品、醫(yī)藥、生化、國防、科研等行業(yè)和部門。壓縮機(jī)作為壓縮氣體的機(jī)械設(shè)備，容積流量是壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)之一，其不僅決定壓縮機(jī)的合格與否，也決定了壓縮機(jī)的能源比耗及能效等級(jí)[1-2]。

2 常用的壓縮機(jī)流量測量方法

2.1 ISA1932噴嘴

這種噴嘴加整流器的測量裝置由一個(gè)噴嘴和一個(gè)整流器及若干圓的同徑直管段組成。通過緩器和引管消除測量時(shí)的壓力波動(dòng)，其測量精度較高、壓損較少、壽命較長，測量后的氣體可以繼續(xù)利用，節(jié)約資源。

2.2 ASME噴嘴

該噴嘴因結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，在中國壓縮機(jī)行業(yè)應(yīng)用的最為廣泛，是美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)推薦使用的節(jié)流原件[3]。該噴嘴后的壓縮空氣直接放空排向大氣，既不節(jié)能也不利于貴重氣體及易燃易爆氣體的測量。但由于噴嘴下游壓力為大氣壓力，工況調(diào)節(jié)較容易，易于穩(wěn)定，具備精度高、重復(fù)性高、流出系數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.3 文丘里噴嘴

文丘里噴嘴是由一個(gè)帶圓形斷面的錐形鉆口，一個(gè)圓柱形喉管和一個(gè)錐形出口構(gòu)成，測量裝置由噴嘴和整流器以及若干直管段組成，用于測量臨界流狀態(tài)下空壓機(jī)流量。噴嘴上下游的壓力比需使得氣流在噴嘴喉部達(dá)到音速，永久壓力損失小，可用于大流量氣體的測量，在很寬的流量范圍內(nèi)，它具有更高的精確度，但由于測量后氣體同樣排向大氣，同樣不節(jié)能，被測氣體種類也受到限制，此外測量裝置體積大、較笨重、安裝麻煩、價(jià)格高。

2.4 流量計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)通過測量壓差來衡量流體流量的大小。用流量計(jì)直接測量壓縮機(jī)的容積流量，測量結(jié)果可直接顯示，較直觀。壓縮機(jī)出口設(shè)置一只緩沖罐用于濾除脈動(dòng)，而將流量計(jì)安裝在緩沖罐后面，以消除和減弱流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)流量計(jì)示值的影響。

渦街流量計(jì)依據(jù)流體振動(dòng)頻率與流速有對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理工作對(duì)氣體流量測量。因?yàn)槠鋲簱p小、量程廣、價(jià)格低、示值直觀清晰、能夠?qū)α黧w壓力和溫度參數(shù)自動(dòng)修正等多種優(yōu)點(diǎn)，所以得到的應(yīng)用越來越廣泛[4]。

2.5 其它方法

在特定的現(xiàn)場環(huán)境下，如節(jié)流裝置和流量計(jì)沒有標(biāo)定或測量貴重、有毒氣體，可選擇采用充罐法、稱瓶法、氣柜法等測量。這些方法對(duì)溫度、壓力、時(shí)間參數(shù)比較敏感，故測量誤差比節(jié)流裝置的測量方式大。

上述方法中2.1～2.3屬于節(jié)流法[5-6]，通過在流體管道中安置節(jié)流原件（如孔板、噴嘴），根據(jù)能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性定律，流體經(jīng)過管道內(nèi)的節(jié)流裝置，流束將在節(jié)流元件處形成局部收縮，從而使流速增加，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力降，即壓差。流量與壓差成正比，介質(zhì)流動(dòng)的流量越大，產(chǎn)生的壓差就越大。采用節(jié)流元件法對(duì)容積流量的測量精度相對(duì)高，但其主要缺點(diǎn)是：

（1）節(jié)流元件因加工工藝限制，導(dǎo)致流量的量程范圍受限；

（2）節(jié)流元件幾何尺寸復(fù)雜、檢驗(yàn)難度大，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)需要人工計(jì)算，對(duì)人員要求素質(zhì)高，測量結(jié)果不直觀[7]。

表1 ASME噴嘴流量測量范圍

3 一種新型測量法

3.1 并聯(lián)測量法介紹

在中國空壓機(jī)行業(yè)廠中，ASME噴嘴節(jié)流法應(yīng)用最為廣泛。噴嘴的加工工藝限制了噴嘴尺寸，從而限制了流量范圍，其可測得的流量范圍如表1。

由表1可以看出，ASME噴嘴測量的空氣流量范圍最小0.028 m3/min，最大127.723 m3/min。本文在基于該種方法的基礎(chǔ)上，提出一種超量程范圍壓縮機(jī)流量測試的新方法。

當(dāng)壓縮機(jī)的容積流量低于0.028 m3/min時(shí)，節(jié)流裝置選取3.18 mm的噴嘴，若直接測量必然造成測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。若在接入節(jié)流裝置前的管道上開設(shè)一個(gè)旁通閥，選擇一個(gè)流量在3.18 mm噴嘴范圍之內(nèi)的空壓機(jī)，與目標(biāo)空壓機(jī)并聯(lián)，共同接入節(jié)流裝置，此時(shí)測得的容積流量為2臺(tái)空壓機(jī)之和C，再關(guān)掉目標(biāo)空壓機(jī)，測出并聯(lián)的空壓機(jī)容積流量B，那么所要求的空壓機(jī)流量A=C-B。

同理，當(dāng)壓縮機(jī)的容積流量超出127.723 m3/min時(shí)，我們可以采用將2個(gè)節(jié)流裝置并聯(lián)，在壓縮機(jī)排氣口旁通閥上另外接入一個(gè)節(jié)流裝置，通過分別計(jì)算2個(gè)節(jié)流裝置測得的流量A和B。疊加值C= A+B，即為目標(biāo)流量值。

ASME噴嘴測量的空氣流量的精度較高，該方法很好地解決了超量程范圍的空壓機(jī)流量的測試，以此類推。

3.2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

某公司一臺(tái)銘牌型號(hào)為ZWB-0.020/7，公稱容積流量0.020 m3/min的直聯(lián)便攜式往復(fù)活塞空壓機(jī)，在國家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心采用ASME噴嘴節(jié)流的方法對(duì)其經(jīng)行排氣量檢測。噴嘴采用3.18 mm，并采用一臺(tái)已測容積流量為0.030 m3/min的直聯(lián)便攜空壓機(jī)與其并聯(lián)。測試結(jié)果與渦街流量計(jì)的示值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2。

表2 測量數(shù)值結(jié)果（單位：m3/min）

由此，通過簡單的并聯(lián)法，目標(biāo)壓縮機(jī)的容積流量可以測出，其數(shù)值與高精度的渦街流量計(jì)所測結(jié)果相差無幾，該方法合理利用了現(xiàn)有的ASME噴嘴節(jié)流裝置，保證了流量測量的精確度。

4 結(jié)語

并聯(lián)測量法的提出，為企業(yè)空壓機(jī)流量的測量提供了一種新的思路。當(dāng)企業(yè)評(píng)定的節(jié)流裝置和標(biāo)定的噴嘴數(shù)量有限時(shí)，可采用一臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)的并聯(lián)，或節(jié)流裝置的并聯(lián)。這樣極大的降低了企業(yè)成本，特別是對(duì)運(yùn)用ASME噴嘴測量流量超量程的空壓機(jī)，提供了新方法。

測試技術(shù)的發(fā)展日新月異，壓縮機(jī)流量的測量方法推陳出新[8]。在滿足精度、可靠性、可重復(fù)性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用不同的測量手段、數(shù)據(jù)的記錄方式和分析方法，能夠啟發(fā)技術(shù)人員對(duì)壓縮機(jī)能效等方面建立新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂[9-10]。

[1]Guilherme Marcelo Zanghelini.Waste Management Life Cycle Assessment：The Case of a Reciprocating Air Compressor in Brazil[J].Journal of Cleaner Production，2014（70）.

[2]Li Hua，Qi Xindan.Design of Compressor Displacement Testing System for Air-conditioner of Air-conditioned Passenger Train[J].IEEE Computer Society，2009（47）.

[3]ASME PTC9，Performance Test Code-Displacement Compressors，Vacuum Pumos and Blowers[S].

[4]江文斌，秦會(huì)斌，邵李煥，鄭梁.基于經(jīng)典譜估計(jì)改進(jìn)方法的渦街流量計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，（1）.

[5]GB/T15487，容積式壓縮機(jī)流量測試方法[S].

[6]GB/T 3853，一般用容積式空氣壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].

[7]溫彩霞.空壓機(jī)排氣量測量結(jié)果的不確定度分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2012，（3）.

[8]趙海，升裴云.超寬量程氣體流量測量方案的討論[J].工業(yè)計(jì)量，2009，（5）.

[9]鄭家強(qiáng)，李應(yīng)，盧應(yīng)發(fā).空氣壓縮機(jī)能效評(píng)價(jià)方法[J].流體機(jī)械，2001，（10）.

[10]金海軍，王群金，等.基于虛擬儀器的壓縮機(jī)性能測試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2011，（9）.

Study on Compressor Flow Measurement Methods

YANG Yi,YU Zhi-qiang,JI Rong
（Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China）

The current flow measurement methods for displacement compressor in domestic and foreign countries have been described in this paper,and their advantages and disadvantages are analyzed.A new method for testing the flow which is beyond the scope of ASME nozzle is proposed.The results show that it would be a good solution to the over-range of ASME nozzle.

compressor;flow measurement method;over-range

TH45

B

1006-2971（2015）03-0026-03

楊弋（1988-），女，安徽銅陵人，碩士，助理工程師，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)材料加工專業(yè)，現(xiàn)在合肥通用機(jī)械研究院國家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心從事空氣壓縮機(jī)的研究與測試工作。E-mail：408602777@qq.com

2015-01-28