一种超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法 |
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| 申请号 | CN202111571433.9 | 申请日 | 2021-12-21 | 公开(公告)号 | CN114233671B | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国科学院工程热物理研究所; 衡水中科衡发动力装备有限公司; | 发明人 | 朱玉铭; 梁世强; 郭永献; 郭朝红; 李志刚; 龚新宇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种超临界二 氧 化 碳 离心式 压缩机 性能测试方法，包括以下步骤：综合利用压缩机进口 密度 ‑压 力 测量数据以及压缩机出口集成式总温、总压测量数据，实现超临界二氧化碳离心式压缩机性能的精确测量。本发明解决超临界二氧化碳离心式压缩机进口状态测量 精度 差问题；也解决了超临界二氧化碳离心式压缩机出口测量堵塞的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：综合利用压缩机进口密度‑压力测量数据以及压缩机出口集成式总温、总压测量数据，实现超临界二氧化碳离心式压缩机性能的精确测量； |
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| 说明书全文 | 一种超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法技术领域背景技术[0002] 超临界二氧化碳布雷顿循环发电，以其广泛的应用场景，较高的循环效率，成为了能源 动力领域的研究热点，而超临界二氧化碳压缩机作为该循环的核心部件，因其进口状态参量 的敏感性，难以进行准确的测量，进而导致压缩机总体性能的测量问题。 [0004] 用于超临界二氧化碳布雷顿循环的离心式压缩机突出特点是进口工作在临界点附近，而 临界点附近的物性对进口参数，尤其是温度参数变化非常敏感，这对于实验中进口参数控制 以及实验后数据处理提出了很大挑战。以典型的超临界二氧化碳离心式压缩机设计进口状态 308K，8MPa为例，进口密度间接测量结果对于A级温度传感器测量误差的敏感性分析，如 表1所示，在308K，8MPa进口状态下，即使采用A级精度的温度传感器进行测量，也会产生超过4.5％的测量误差。 [0005] 表1 A级温度传感器测量误差导致的进口状态参量变化 [0006] [0007] 压力变送器的测量精度远高于温度传感器，响应时间短，甚至可以进行100kHz以上的 高频测量，而温度传感器则难以实现。根据热力学状态方程，已知两个状态参数便可也确定 单一工质状态，传统测量基本都采用温度和压力测量对，并且对于物性变化对温度不敏感的 工质具有较高的测量精度，如图1所示。但对于近临界态的超临界二氧化碳工质，这种对于 温度变化及其敏感，且温度传感器的测量精度与相应时间均不及压力传感器时。温度状态参量的测量显然成了近临界态的超临界二氧化碳工质测量的短板，仍然采用温度和压力测量对 确定工质的状态可能不太适宜。 [0008] 此外，计算压缩机整体性能亦需要测量出口状态参数，压缩机出口工质密度大，体积流 量小，管道直径小，而高压传感器体积较大，容易造成流动堵塞，需要采用更加集约化的测 量方式。 发明内容[0009] 本发明提出了一种超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法，主要用于解决超临界二 氧化碳离心式压缩机近临界进口状态的高精度测量问题。 [0010] 具体的技术方案为： [0011] 一种超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法，包括以下步骤：综合利用压缩机进口 密度‑压力测量数据以及压缩机出口集成式总温、总压测量数据，实现超临界二氧化碳离心式 压缩机性能的精确测量。 [0012] 具体步骤包括： [0013] S1、在压缩机进口上游，依次布置压力传感器和质量流量计，测量压缩机进口总压P01和进口密度ρ01，传感器之间留有间隔； [0014] S2、测试过程中记录压缩机进口总压和密度； [0015] S3、利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口总温，实现对压缩机进口温度的间接 测量； [0016] S4、利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口焓值及熵值，实现对压缩机进口主要 物性的间接测量。 [0017] S5、在压缩机出口下游，布置总压总温测量模块，利用双测量通道测量压缩机出口总压 和出口总温； [0018] S6、实验过程中记录压缩机出口总压和总温； [0019] S7、利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机出口焓值； [0020] S8、压缩机总压比及等熵效率是表征压缩机总体性能的指标，采用数据，其总压比及等 熵效率计算。 [0021] 或者，在S1步骤中，在压缩机进口也加装总压总温测量模块，以替换原有压力传感器。 [0023] 壳体相邻的侧壁上分别开设有总温传感器安装槽，用于安装插入式的铠装热电阻或热电 偶，设置双测量通道，进行总温测量； [0024] 总温传感器安装槽相对的侧壁上分别开设总压传感器引压管，用于接入压力变送器，设 置双测量通道，进行总压测量； [0025] 位置相对的总温传感器安装槽、总压传感器引压管通过总温传感器泄漏孔连通，并且总 温传感器泄漏孔与总压管连通。总温传感器泄漏孔的作用是防止在总温测量处形成死区，提 高总温传感器的热响应特性。 [0027] 图1为传统温度‑压力测量方法 [0028] 图2为本发明的密度‑压力测量方法示意； [0029] 图3a为本发明的总压总温测量模块剖面结构示意图； [0030] 图3b为本发明的总压总温测量模块立体结构示意图； [0031] 图4为本发明的超临界二氧化碳离心式压缩机性能测试方法简图； [0032] 图5为本发明的离心式压缩机性能测试方法拓展。 具体实施方式[0033] 结合实施例说明本发明的具体技术方案。 [0034] 压缩机进口测量，对于近临界态的超临界二氧化碳工质的物性测量，采用压力和3 密度测 量对确定工质状态的测量方法。质量流量计密度测量的一般精度为±1kg/m，对于 3 超临界二氧 化碳离心式压缩机进口密度一般在400～600kg/m，密度测量的相对不确定度约为±0.2％，与 温度传感器不确定度处于一个范围，但对于近临界态的超临界二氧化碳，可以利用其密度对 温度变化的敏感性以及压力测量的高精度，间接实现对温度参数的高精度测量，如图2所示。 [0035] 主要测量步骤： [0036] 在压缩机进口上游3倍管径以上处，依次布置压力传感器和质量流量计，分别测量压缩 机进口总压P和进口密度ρ，传感器之间间隔2倍管径以上； [0037] 实验过程中记录压缩机进口总压P和密度ρ； [0038] 利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口总温T(P,ρ)，实现对压缩机进口温度的间 接测量； [0039] 利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口焓值h(P,ρ)及熵值s(P,ρ)，实现对压缩机进 口主要物性的间接测量。 [0040] 压缩机出口测量，压缩机出口工质密度大，体积流量小，管道直径小，高压条件下温度 传感器尺寸过大，容易对测量截面造成堵塞，引起气流加速减压，温度下降，致使所测温度 并非超临界CO2主流温度；为了提高总参数的测量准确度，同时为了减小多路高压总压管对 流场的堵塞及扰动造成的测量不精确，采用总压总温测量模块，主要用于超临界二氧化碳压 缩机出口状态测量，进一步提高压缩机性能测试精度。 [0041] 综合利用压缩机进口密度‑压力测量法以及压缩机出口集成式总温、总压测量模块，能够 最终实现超临界二氧化碳离心式压缩机性能的精确测量，如图4所示。 [0042] 压缩机整体性能主要测量步骤： [0043] S1、在压缩机进口上游3倍管径以上处，依次布置压力传感器和质量流量计，测量压缩 机进口总压P01和进口密度ρ01，传感器之间间隔2倍管径以上； [0044] S2、实验过程中记录压缩机进口总压P01和密度ρ01； [0045] S3、利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口总温T(P,ρ)，实现对压缩机进口温度 的间接测量； [0046] S4、利用二氧化碳气体状态方程，计算压缩机进口焓值h01(P01,ρ01)及熵值s01(P01,ρ01)， 实现对压缩机进口主要物性的间接测量。 [0047] S5、在压缩机出口下游3倍管径以上处，布置总压总温测量模块，利用双测量通道测量 压缩机出口总压P02‑1、P02‑2和出口总温T02‑1、T02‑2 [0048] S6、实验过程中记录压缩机出口总压P02‑1、P02‑2和总温T02‑1、T02‑2； [0049] S 7 、利 用 二 氧 化 碳 气 体 状 态 方 程 ，计 算 压 缩 机 出 口 焓 值以 及等熵出口焓值 [0050] S8、压缩机总压比及等熵效率是表征压缩机总体性能的指标，采用测量数据，其总压比 及等熵效率计算公式如下： [0051] [0052] [0053] 图4所示技术方案不仅适用于超临界二氧化碳工质离心式压缩机的性能测试，亦适用于 其他超临界工质离心式压缩机的性能测试。 [0054] 图4所示的测量方案仅使用于超临界状态条件下的测量，而有些离心式压缩机既可能工 作于超临界状态也可能工作于跨临界状态，而质量流量计在测量跨临界状态时可能出现失效， 为了提高该技术方案测量工质状态的拓展性，可以进一步在压缩机进口加装总压总温测量模块，以替换原有压力传感器P01，如图5所示： [0055] 对于超临界二氧化碳进口状态测量，其性能计算公式如下： [0056] [0057] [0058] 对于其他进口状态： [0059] [0060] [0061] 如图3a和图3b所示，总压总温测量模块，包括有四个侧壁的壳体5，壳体5中心设有 通孔，通孔处的轴心线处设有总压管1，将被测流体滞止，从而实现总参数测量； [0062] 壳体5相邻的侧壁上分别开设有总温传感器安装槽2，用于安装插入式的铠装热电阻或 热电偶，设置双测量通道，进行总温测量； [0063] 总温传感器安装槽2相对的侧壁上分别开设总压传感器引压管4，用于接入压力变送器， 设置双测量通道，进行总压测量； [0064] 位置相对的总温传感器安装槽2、总压传感器引压管4通过总温传感器泄漏孔3连通， 并且总温传感器泄漏孔3与总压管1连通。 [0065] 以典型进口状态308K，8MPa为例，针对给定密度测量不确定度上下限，将密度与压力 参数代入NIST对温度参数进行反推，其结果如表2所示，实现了±0.008K的不确定度，换算 量程为0～50℃的温度传感器，其相对不确定度为±0.016％FS，远远超过现有温度传感器的测 量精度。 [0066] 表2压力密度法间接计算温度误差(引入密度测量误差) [0067] [0068] 表3压力密度法间接计算温度误差(引入密度及压力测量误差) [0069] [0070] 实际测量中仍需考虑压力传感器的测量不确定度，引入0.075％FS的压力传感器不确定 度后，其结果如表3所示仍然能实现温度±0.045K的不确定度，换算量程为0～50℃的温度传 感器，其相对不确定度为±0.09％FS，仍然高于现有温度传感器的测量精度。此外，质量流量 计测量密度的响应时间短，约为1s，相对于进口温度精度的提高，采用压力和密度测量替代 压力温度测量，对于非稳态工况的准确测量提升更为明显。 |
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