流量计量基础加气

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1、湖北省计量院 桑晓鸣,流量计量基础知识,一、流量的定义,根据JJF1004-2004流量计量名词术语及定义中对流量的定义，流体流过一定截面积的量称为流量。（有单相流，多相流，管道流和自然流） 流量也是瞬时流量和累计流量的统称。 瞬时流量一般用q表示；（体积流量单位有：L/h,m/h，L/s,m/s,等） 累积流量一般用Q表示；（质量流量单位有：kg/s,t/s,kg/h,t/h等）,在运用中，一般流量的定义是指：单位时间内通过有效截面积的流体的体积或质量。 （1）,或,V体积，m3; 流速，m/s; t时间，h; S截面积，m2; m质量，kg; 密度，kg/m3；,二、流量常用的参数,流量计

2、量中常用的流体物性参数主要有： 流体的密度、流体的粘度、热膨胀率、压缩系数、雷诺数,1、流体的密度 （2）,式中： 流体密度，kg/m3； m 流体的质量，kg； V 流体的体积，m3,流体的密度：是单位体积内的流体质量。,1） 液体的密度,压力不变时，液体密度计算式为： （3）,式中： 温度t时液体的密度，kg/m3； 20时液体的密度，kg/m3； 液体的体积膨胀系数，1/； t 液体的温度，。,温度不变时，液体密度计算式为： （4）,式中： 压力P1时液体的密度，kg/m3； 压力P0时液体的密度，kg/m3； 液体的体积压缩系数1/MPa； P0 、 P1液体的压力，MPa。,通常压力

3、的变化对液体密度的影响很小，在5MPa以下可以忽略不计,但是对于碳氢化合物，即使在较低压力下，亦应进行压力修正。,计算1：汽油93号密度： = 725.0 kg/m3 ； =12*10-4/ 修正到t=30时的密度： =725.0（1-12*10-4（30-20） =716.3 kg/m3 计算2：压缩天然气在大气压下的密度：0=0.75 kg/m3 在9.0MPa（9.0+0.1=9.1MPa绝压）时的压缩因子为0.85 =0.75*（1-0.85（1-9.1）=5.91 kg/m3,2） 气体的密度,工作状态下干气体的密度计算式为：（此公式的前两个参数是可以变化的，如流量Q和Qn） （5）

4、,式中：工作状态下干气体的密度，kg/m3； n标准状态下（293.15k，101.325kPa）干气体的密度， kg/m3； p工作状态下气体的绝对压力，kPa； pn标准状态下绝对压力，kPa； T工作状态下气体的绝对温度，K； Tn标准状态下绝对温度，293.15K； Zn标准状态下气体的压缩系数； Z工作状态下气体的压缩系数。,2、流体的粘度,定义：流体在运动时，其内部相邻流层间要产生抵抗相对滑动（抵抗变形）的内摩擦力的性质称为流体的粘性。 流体本身阻滞其质点相对滑动的性质称为流体的粘性。流体粘性的大小用粘度来度量。同一流体的粘度随流体的温度和压力而变化。 通常温度上升，液体的粘度下降

5、，而气体粘度上升。液体粘度只在很高压力下才需进行压力修正，而气体的粘度与压力、温度的关系十分密切。 表征流体粘度常用有如下二种：动力粘度和运动粘度。,1）动力粘度及其表示方法 粘度： （6） 的物理意义：流程间发生相对滑动所产生的内摩擦力与单位流层距离上的流层间速度梯度的比值。,式中： 流体的动力粘度， Pa s （帕 秒） 单位面积上的内摩擦力，Pa u 流体流动速度，m/s; h 流体流层间距离，m；,2)运动粘度：,运动粘度是从动力粘度推导出来的表征粘度的另一参数，其关系式为：,运动粘度，单位：m2 / s,密度，单位：kg / m3,式中：,流体的动力粘度， Pa s （帕 秒),热膨

6、胀率是指流体温度变化1时其体积的相对变化率，即： 式中： 流体的热膨胀率，1/； V 流体原有体积，m3； V 流体因温度变化膨胀的体积，m3； T 流体温度变化值，。 上式可变化为： V-V0=V0(t-t0) 再变化为：V=V0(1+(t-t0)）,3、热膨胀率,4、压缩系数,压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时，其体积的变化率，即： 式中：Z流体的压缩系数，1/Pa； V压力为p时的流体体积m3； V压力增加p时流体体积的变化量，m3。,5、雷诺数Red,雷诺数Red是表示惯性力与黏性力之比的无量纲参数：,式中,流速，m/s;,特征尺寸，对管道常取直径d作为特征尺寸，m;,运动黏度

7、，m2/s;,1）紊流(Red2320) 紊流是时间和空间上不规则（随机）的速度波动叠加在平 均流速上的 流动，也称湍流。（气体流量计计量中大多属于此） 2）层流(Red2320) 层流是流体的质点作分层运动，在流层之间不发生混杂的流动。 紊流主要是惯性力起主要作用，层流主要是黏性力起作用。,三、流量计量基础,（）连续性方程 （）伯努利方程,3.1 连续性方程,欧拉于1753年提出：把流体看成是由无限多流体质点所组成的无间隙的连续介质，这就称作流体的连续性。,连续性的气体在封闭管道中作定常流流动时，流过截面积1和截面积2的质量流量相等（质量守恒定律），即,qm气体质量流量； 气体密度； 气体平

8、均流速； A有效截面面积；,伯努利方程表示能量的平衡关系：,实际气体的伯努利方程：,压力水头（压头）；,速度水头（速度头）；,位置水头（位头）；,损失水头。,3.2 伯努利方程,在理想不可压缩流体的恒定流动中，位于同一条流线上任意两个流体质点的单位总机械能相等。总机械能包括了：位置势能、压强势能、动能，三种形式的能量可以各有消涨，相互转换，但总量不会增减。,伯努利方程是能量守恒原理在流体力学中的具体体现，故被称之为能量方程。,伯努利方程的物理意义：,伯努利方程的推导：,以左图所示的封闭管道中流体作为研究对象。管道左、右端截面面积分别为S1 、 S2 ，经过一段很短时间dt后，这段流体的左端S1

9、由a1移到b1，右端S2由a2移到b2，两端移动的距离分别为 和 。,左端流入的体积和流体质量：,右端流入的体积和流体质量：,因为理想流体是不可压缩的 ，所以：,左端的力对流体做的功为：,右端的力对流体做的负功(因为右边对这段流体的作用力向左，而这段流体的位移向右)，所做的功为：,两侧外力对研究流体所做的功为：,我们研究的是理想流体的定常流动，流体的密度和各点的流速v没有改变，所以研究对象(a1到a2之间的流体)的动能和重力势能的总和都没有改变。这样，根据能量守恒定律，机械能的改变就等于流出的那部分流体的机械能减去流入的那部分流体的机械能。（理想流体没有粘滞性，不考虑摩擦力的做功。）,即可得到

10、：,整理后，即：,再化简，即有：,压力能、动能、压力能统称为机械能，所以次方程可以说是机械能守恒的一种表示式，它是能量方程中的一种。,压力能,动能,位能,a1和a2是在流体中任取的，所以上式可表述为：,实际气体的伯努利方程,整个管道的能量损失,沿程能量损失简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的损失。,局部能量损失，简称局部损失，是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失。是主要由流体微团的碰撞、流体中的涡流等造成的损失。,加气机的加气介质,目前国内加气机有两种型式，一种是石油液化气加气机，一种是车用压缩天然气加气机两种各有优缺点： 以下是压缩天然气的技术指标

11、：,加气机的加气介质,以下是石油液化气的技术指标：,加气机的加气介质,液化石油气是技术上很成熟的产品，最辉煌的时候基本垄断了民用燃气市场。它的成分以丙烷、丁烷为主，再加上丙烯、丁烯，所以也有资料讲以C3、C4为主。碳多了，热值高一点。但它的成分很混杂，还有少量的C5、C6及其他不易挥发的化合物。等易挥发的成分基本烧完了，高分子的成分才开始挥发，由于它不是灶具重点的技术领域，所以会出现空气预混不足、从而燃烧不完全、严重熏锅的现象。液化石油气及其燃气用具的标准气压是2800Pa。天然气（natural gas）又称油田气、石油气、石油伴生气。开采石油时，只有气体称为天然气；石油和石油气，这个石油气

12、称为油田气或称石油伴生气。天然气的化学组成及其理化特性因地而异，主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。无硫化氢时为无色无臭易燃易爆气体，密度多在0.60.8g/cm3，比空气轻。通常将含甲烷高于90%的称为干气，含甲烷低于90%的称为湿气。 液态的约是580kg/m3，气态的约为：2.35kg/m3至2.5kg/m3,加气机的加气介质,天然气的主要成分是甲烷，一个碳原子，热值相对要低很多，但其优点是成分单一，所以燃烧性很好。管道供气时的压力为2000Pa。天然气的液化条件很高，使用又要恢复的气态，所以液化天然气主要用在几种特定的环境，一是长途的车辆运输，二是

13、城市交通汽车的燃料，因为减压条件的复杂性，所以液化天然气不宜作为家庭生活燃气。 常温、常压下甲烷的密度为0.7174kg/m3，相对密度为0.5548。 天然气的密度一般为0.75 kg/m30.8kg/m3，相对密度一般为0.580.62,车用压缩天然气,1、车用压缩天然气技术要求 为了满足汽车发动机的需要和安全生产的要求，车用压缩天然气必须达到以下技术要求： (1)低热值等于或大于334MJNm3； (2)H2S含量小于或等于10mgNm3； (3)含尘量小于或等于5mgNm3； (4)CO2含量小于或等于3； (5)脱水后气体在常压下露点温度低于或等于54。 2、压缩天然气加气站工艺流程

14、 低压原料气进入CNG加气站后，经调压计量、脱硫、脱水、加压、储存、充装等环节，最后输出高压压力大于(20MPa)车用压缩天然气。 21原料天然气 城市输配管网供气的CNG加气站、其低压原料气压力等于或大于03MPa、与压缩机要求的进气压力相 匹配。川西地区有丰富的天然气资源，供应CNG加气 站的原料天然气有两种：一种来自川渝供气环网(北环输气干线与南环输气干线)，有一定量的硫化氢含量； 另一种为西油局系统供气，其天燃气组份中无硫化氢。 22进气调压计量系统 低压原料天然气进入CNG加气站后，首先进入调 比计量系统、这个系统包括过滤、分离、调压、计量、 缓冲等装置。若原料气组份中含有超标硫化氢

15、成份时， 应设置脱硫装置、进行脱硫处理。,车用压缩天然气,23深度脱水 原料天然气进入脱水装置的吸附塔、塔内的4A型 分子筛能有效吸附天然气中的水份，使天然气中的水 含量达到车用压缩天然气水含量的要求。深度脱水装 置及其设置有两种： (1)低压脱水装置，设置在压缩机前，原料天然气 经调压计量系统后，即进入深度脱水装置，经过脱除 水份的天然气进入压缩机，对压缩机亦有一定的保 护作用； (2)高压脱水装置，设置在压缩机后，原料天然气 经调压计量系统后即进入压缩机，压缩后的天然气压 力升高至25MPa，然后进入深度脱水装置脱除水份。,车用压缩天然气,24压缩机装置 低压天然气经压缩机加压后，天然气压力升高到 25MPa。我省使用比较普遍的压缩机是：V1553 250一III、L一253250、L一73250等三种 型号。目前、四川省建设的CNG加气站生产规模多为 10000Nmd和15000Nmd，一般配备3台压缩机， 通常有3种组合方式：3台V型压缩机、3台L型压缩 机、或1台L型压缩机与2台V型压缩机组合。 备注： L一2532