变化量的分析论文

变化量的分析论文（共7篇）

变化量的分析论文 篇1

摘要：目的:分析特定miRNA在人肾细胞生长分化过程中的变化, 以及miRNA在肾细胞癌发病进展中的作用。方法:建立人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1与人胚肾细胞细胞系HEK293总RNA库, 通过小分子RNA深度测序技术, 确定人肾细胞生长、分化过程中miRNA的表达谱, 并分析特定miRNA在人肾细胞生长分化过程中的变化。结果:miR-16、21、29a/b、27a、374a等miRNA在肾癌细胞分化过程中表达量下调超过两倍, 而miR-368则有显著上调。在人胚肾细胞对数生长期, miR-142、16、32、20a、19a、196b等显著上调;而在接触抑制生长期, miR-19b与miR-92a显著上调, 而miR-142与miR-196b则显著下调。结论:miR-16在人肾细胞的生长分化过程中起了相反的作用, miR-196b则对于维持人肾细胞的正常生长具有重要影响。本研究为明确miRNA对于人肾细胞以及肾细胞癌的生长、发育和抑制机制奠定了基础。

关键词：Micro-RNA,人肾细胞癌,深度测序技术

Micro-RNA (mi RNA) 是一类由22~23个核苷酸组成的短分子RNA, 能在转录和翻译后水平调节各类基因。mi RNA广泛作用于细胞生长、发育、代谢、凋亡等多种生物反应进程, 其表达量的改变与多种疾病直接相关[1,2], 是近十年来生命科学领域的研究重点和热点之一。利用新的生物学技术与计算机技术探索和发现新的mi RNA、研究mi RNA表达谱、确定mi RNA作用靶标以及研究体内mi RNA表达等, 是目前mi RNA研究的重点, 旨在揭示mi RNA在生命进程与疾病中起到的重要作用。

肾细胞癌 (renal cell carcinoma, RCC) , 起源于肾脏的肾小管或集合管的上皮细胞, 具有不同的病理类型, 其发病原因还不十分明确[3]。miRNA在肾的正常发育、肾细胞癌病变过程中的作用还没有明确的报道, 需要深入研究。笔者利用小分子RNA深度测序技术[4], 在培养的人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1与人胚肾细胞细胞系HEK293中建立了相应的miRNA表达谱, 分析与人胚肾细胞正常生长于癌细胞分化过程中特定miRNA的表达差异, 为揭示miRNA在相应过程中的作用机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1与人胚肾细胞细胞系HEK293购自中科院上海细胞所。

1.1.2 RNA提取试剂Trizol购自Invitrogen公司, DMEM培养基购自GIBCO公司, 其他相关生物材料与试剂由国内生物公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 细胞的培养

常规条件培养HRC-DH1与人胚肾细胞细胞系HEK293, 37℃, 5%CO2, DMEM培养基培养。

1.2.2 RNA的提取

提取细胞总RNA前, 弃培养基上清, 加入PBS洗两次, 弃去PBS后, 加入Trizol, 刮下细胞, 按说明书步骤提取细胞总RNA, 整个RNA提取过程, 在低温或者冰上进行, 以减少RNA降解。

1.2.3 小分子RNA的深度测序

提取实验组细胞总RNA跑胶回收30 bp以下小分子RNA, 在5’和3’分别加上一对Solexa Adaptor, 这些小分子RNA再用Adaptor引物经17个循环的扩增, 回收90 bp (小分子RNA+Adaptor) 左右片段, 送武汉华大基因生物公司测序。

2 结果

2.1 人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1分化不同阶段miRNA表达量变化

人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1分化的不同阶段, 多数miRNA表达量 (拷贝数) 相对恒定, 这些表达量恒定的miRNA具有维持正常细胞功能的作用。而miR-16, 21, 29a/b, 27a, 424/322簇, 99b, 374a等miRNA在HRC-DH1细胞分化过程中, 表达量下降, 降幅超过2倍, miR-368则有两倍以上的表达量增加 (表1) 。这种表达量变化, 与分化时间, 即分化程度相关 (图1) 。

2.2 人胚肾细胞细胞系HEK293不同生长状态miRNA表达量变化

培养人胚肾细胞细胞系HEK293细胞, 分别收获正常生长状态、指数生长期和接触抑制期的细胞, 提取总RNA进行小分子RNA深度测序。结果显示, 不同生长状态下, 特有miRNA表达量有显著变化, 见表2。在对数生长期状态下, miR-142、16、32、92a、424/322簇、20a、19a、10a等miRNA有两倍以上表达量上升, 提示这些miRNA在细胞快速生长过程中起到重要作用。相对于对数生长状态, 接触抑制生长状态下的HEK293细胞其miR-142、32、19a、196b和10a等miRNA表达量有一定程度减少, 其中miR-142下降幅度超过2倍, 见图2。

3 讨论

目前发现的人类miRNA已超过1000种, 越来越多的miRNA的确切功能正逐渐被确定。如miR-133a参与肌细胞发育, 内皮细胞, 血管构造, 功能及血管再生等。miRNA同样也参与了复杂的疾病调控, 如miR-378, miR-296等调控肿瘤血管生成。心室肥厚、心律紊乱、心力衰竭等心脏疾病中也存在miRNA的调控作用[5], 但是miRNA在肾的正常发育、肾细胞癌病变过程中的作用还没有明确的报道。本研究发现, 特定mi RNA在肾细胞不同生长状态, 或不同分化状态下表达量呈现一定规律。如上所述mi R-16、21、29a/b、27a、424/322簇、99b、274a等miRNA在HRC-DH1细胞分化过程中, 表达量下降, 降幅超过2倍, 而miR-368则有两倍以上的表达量增加。但其中miR-21、29b、27a、29a、374a在HEK293细胞生长状态下则检测到的拷贝数很低, 亦无明显表达量的改变, 因此推测这类miRNA可能为与肾癌细胞的分化相关, 与人胚肾细胞生长关系不紧密。相反, miR-142、19b、32、92a、20a、19a、196b与10a等miRNA则在人胚肾细胞生长过程中起到一定作用, 而在肾癌细胞分化过程中作用不明显。

值得注意的是, miR-16在两组实验里都有显著表达量的改变。miR-16在肾癌细胞分化过程中表达量显著下降, 但在人胚肾细胞HEK293生长过程中则表达量大幅上调, 显示miR-16在肾细胞生长周期中起到了关键的作用。

临床上肾细胞癌对化疗和放疗均不敏感, 现有治疗手段有限, 早发现对于治疗及预后有重要意义。本研究通过检测miRNA在人胚肾细胞和人肾细胞癌细胞系中的表达谱变化, 明确有意义的特定miRNA的序列, 既有助于肾细胞癌早期检测, 也为深入研究肾细胞癌的发生机制奠定一定基础。

深度测序技术是最新测序技术之一, 能提供文库中分子序列及拷贝数等详细信息。小分子RNA深度测序技术有其精确的测序和拷贝读数的优势, 不仅能精确定量已知miRNA的拷贝数, 而且能发现新的小分子RNA和新的miRNA;而以往的miRNA的微阵列芯片 (miRNA microarray) 则只能提供已知miRNA的相对表达量, 不仅存在假阳性现象, 且不能发现新的miRNA。因此, 小分子RNA测序能弥补miRNA microarray的相应不足, 逐渐成为主要的miRNA研究工具之一。本研究以人肾细胞癌分化细胞系HRC-DH1与人胚肾细胞细胞系HEK293为研究对象, 精确地提供了肾细胞在分化与生长过程中特定miRNA表达变化信息, 可以为相关研究提供直接的数据支持。

除了在结果中所示的miR-21等miRNA可能参与肾癌细胞分化过程, miR-142可能参与人胚肾细胞生长过程外, 笔者特别留意到miR-16在肾细胞不同生长分化状态表达量呈现规律性变化。miR-16是人类细胞中非常重要的一种miRNA, 发现较早, 在不同生理病理条件下在不同细胞状态中表现出不同的功能, 如在乳腺癌中, miR-16能下调抑癌基因表达, 有助于乳腺癌的发生[6];miR-16亦可加强人类骨髓间质干细胞的分化[7]。本研究数据显示, miR-16可能在肾细胞癌分化过程和胚肾细胞生长过程中起到了关键作用, 其调控机制需进一步研究。

参考文献

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[3]Maher E R.Genomics and epigenomics of renal cell carcinoma[J].Semin Cancer Biol, 2012, 52 (10) :1.

[4]Li Y, Zhang Z, Liu F, et al.Performance comparison and evaluation of software tools for microRNA deep-sequencing data analysis[J].Nucleic Acids Res, 2012, 40 (10) :4298-4305.

[5]Rottiers V, Nr A M.MicroRNAs in metabolism and metabolic disorders[J].Nat Rev Mol Cell Biol, 2012, 13 (4) :239-250.

[6]Rivas M A, Venturutti L, Huang Y W, et al.Down regulation of the tumor-suppressor miR-16via progestin-mediated oncogenic signaling contributes to breast cancer development[J].Breast Cancer Res, 2012, 14 (3) :77.

[7]Liu J L, Jiang L, Lin Q X, et al.MicroRNA16enhances differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells in a cardiac niche toward myogenic phenotypes in vitro[J].Life Sci, 2012, 90 (25-26) :1020-1026.

变化量的分析论文 篇2

关于丝素蛋白基因的表达,在上世纪80年代虽有相关的研究报道[7,8,9,10,11],但没有对家蚕发育各个龄期的表达情况进行详细检测,而且受当时实验方法的限制,无法检测到表达量较低的基因。另外,关于丝胶蛋白基因的表达虽然做了一系列相关定量分析[14],但是检测时期只是局限在熟蚕之前,关于熟蚕之后基因的表达情况目前还不清楚。

有鉴于此,本试验采用半定量RT-PCR技术,选取了Fib-H、Fib-L、Ser-2长片段、Ser-2短片段和Ser-3等5个丝蛋白基因,系统测定了从4龄起蚕至熟蚕4 d后的预蛹共11个时间点的相对表达活性,以进一步明确丝蛋白基因的表达规律,并为深入揭示丝蛋白基因的表达调控机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料蚕

家蚕品种为ZHG×春54,由本实验室繁育。4-5龄幼虫在25 ℃、RH 80%～85%、自然光照条件下桑叶饲养。

1.2 试剂与仪器

cDNA 第1链合成试剂盒 ( Fermantas,USA)、RNA simple total RNA Kit试剂盒购自天根生化科技有限公司;Taq DNA 聚合酶、DNTP 等购于北京全式金生物技术有限公司;DNA Marker购于大连宝生物公司( TaKaRa, Japan);DU2730核酸/蛋白质分析仪(Beckman Coulter,USA);2720型PCR仪(美国ABI公司);Tanon-2500型凝胶成像系统(天能科技上海有限公司)。

1.3 总RNA提取

1.3.1 取样

取家蚕4龄起蚕、4龄48 h、4龄96 h、4龄眠后24 h等4个时间点的完整丝腺,每8头蚕作为一个样品,于研钵中加液氮充分研磨,加裂解液于-80℃保存。于5龄起蚕、5龄48 h、5龄96 h、5龄144 h、5龄熟蚕、5龄上蔟后2 d、5龄上蔟后4 d等7个时间点,每头蚕分别取其中一条丝腺的中部丝腺前区(用于丝胶基因检测)或后部丝腺(用于丝素基因检测),每8头家蚕作为一个样,加液氮研磨,加裂解液于-80℃保存。

1.3.2 总RNA的提取

参照总RNA simple total RNA Kit试剂盒说明书方法提取总RNA。RNA提取完成之后,用核酸/蛋白质分析仪检测核酸质量和浓度,电泳检测RNA的完整性。RNA检测合格之后,将RNA定量。

1.4 第一链cDNA的合成

按照cDNA合成试剂盒的步骤合成单链cDNA。

1.5 引物设计

PCR引物采用Primer5设计,5个丝蛋白基因及内参基因Actin3的特异引物序列如表1。引物合成委托上海生工生物工程技术服务有限公司完成,所有引物的退火温度均为61℃。

1.6 半定量RT-PCR检测

使用表1中的5个丝蛋白基因的特异引物,以家蚕Actin3为内参基因,通过半定量RT-PCR检测目的基因的mRNA 转录水平[15]。

PCR反应体系:总体积为25μL,其中17.25 μL灭菌双蒸水、2.5μL 10×Buffer(100 mmol/L Tris·HCl、PH 8.0,500 mol/LKCl)、2μL 2.5 mmol/L dNTP、各1μL 10μmol/L上下游引物、0.5U TaqDNA Polymerase、1μL cDNA模板。PCR反应条件:94℃预变性3 min,94℃30 s,61℃40 s,72℃1 min为1个循环,其中Fib-H、Fib-L的循环数为21,Ser-3和Actin3的循环数分别为28和31,Ser-2短片段和Ser-2长片段的循环数分别为32和33,然后72℃延伸10 min。

PCR产物在TAE电泳缓冲液中,以1.2%琼脂糖凝胶电泳0.5 h,经EB(溴化乙锭)染色后在凝胶自动成像系统Tanon-2500下观察拍照。基因相对表达水平以其PCR产物电泳条带和Actin3 PCR产物电泳条带的积分光密度(integrated optical density,IOD)比值表示。所有试验均重复3次。

2 结果分析

2.1 Fib-H基因表达量随发育时期的变化

由图1可见,Fib-H基因总体上4龄期表达活性低于5龄期,而且眠期也有表达,但5龄起蚕时表达量很低,从5龄起蚕到熟蚕,表达量逐渐上升,到熟蚕期表达量达到最大值,之后开始逐渐下降直至丝腺解体。

图1横坐标及照片上方数字说明:“1”-4龄起蚕,“2”-4龄48h,“3”-4龄96h,“4”-4龄眠24h,“5”-5龄起蚕,“6”-5龄48h,“7”-5龄96h,“8”-5龄144h,“9”-5龄熟蚕,“10”-熟蚕2d,“11”-熟蚕4d。图2-4同。

2.2 Fib-L基因表达量随发育时期的变化

Fib-L基因在不同发育时期相对表达量如图2所示。4龄期表达量较低,从4龄起蚕到5龄熟蚕,总体上呈逐渐上升的趋势,熟蚕后表达量迅速降低。与Fib-H基因不同的是,Fib-L基因在5龄起蚕没有显著下降阶段。

2.3 Ser-2基因表达量随发育时期的变化

由图3可见,Ser-2短转录本在4龄起蚕到熟蚕4 d都能检测到该基因的表达,其中4龄期在48 h时表达量最高,眠中期该基因虽能检测到,但表达量明显下降;5龄起蚕到5龄144 h表达量一直处于较高状态,从熟蚕开始表达量突然下降,之后一直处于较低状态。

Ser-2长转录本的表达与Ser-2短基因的表达模式相似,但在4龄起蚕和眠期表达量很低。另外,与Ser-2短片段不同的是该基因在5龄96 h表达量达到最高峰,之后逐渐下降,熟蚕后表达量很低。

比较两个转录本表达量可见,Ser-2短片段的相对表达量明显高于Ser-2长片段的表达量。

2.4 Ser-3基因表达量随发育时期的变化

结果如图4所示,Ser-3基因在4龄期表达量较低,从眠后24 h开始基因的表达量逐渐呈现上升趋势,到熟蚕后2 d表达量达到最高,熟蚕4d表达量迅速下降。

3 讨论

早期的研究表明,丝素蛋白基因在食桑期表达,在眠期表达受到抑制[7]。但本试验发现,Fib-H基因和Fib-L基因从4龄起蚕到熟蚕4d均能检测到不同程度的表达,即使是4龄眠期也有明显表达,尤其是Fib-L基因,这与孙霞等报道一致[16]。但总体来看,4龄期的表达量明显低于5龄期,其中5龄后期表达量最高,熟蚕以后表达量下降,与丝素蛋白合成与分泌的变化规律一致。

一般认为,丝胶蛋白在5龄前中期合成旺盛,丝素蛋白在5龄后期合成旺盛。但从本试验结果来看,丝胶基因Ser-2与Ser-3的表达规律并不相同。与丝素基因的表达相比,Ser-2基因在4龄期的表达量相对较高,眠期表达量明显下降,在5龄前中期表达量较高,Ser-2短片段和长片段分别从5龄96 h和144 h之后表达量开始降低,到熟蚕期基本达到最低,与丝胶蛋白合成的规律基本相符。另外还发现,Ser-2短转录本在整个发育时期的表达都要高于Ser-2长转录本的表达,这与Kludkiewicz等[17]报道的试验结果不符,可能与采用的研究方法不同有关。

变化量的分析论文 篇3

关键词：应用气象学,潜在蒸散量,Penman-Monteith方法,气候特征

据估计,在21世纪,全球水循环响应气候变暖的变化将是不均匀的。尽管有可能出现区域异常情况,但潮湿和干旱地区之间、雨季与旱季之间的降水对比度会更强烈。流域内气候的变化,将引起蒸发、下渗、土壤含水量、地表产汇流、地下径流等一系列水文过程的变化,从而导致水资源在时间和空间的重新分配以及引起水资源量的改变,如上世纪90 年代,黄河中上游、淮河上游、汉江流域、四川盆地等地区平均年降水量减少5%~10%,加剧了水资源的供需矛盾,导致旱涝灾害频发,进而影响水资源管理及社会经济发展[1,2]。可见,区域气候变化影响着水循环的各个方面,温度、降水作为区域气候变化的主要影响因子,其变化不仅影响径流的时空变化,而且对蒸散发有着重要影响。潜在蒸散发过程作为水分循环和能量平衡的重要组成部分,其目前被广泛应用于气候干湿状况分析、水资源管理、农业作物需水和生产管理及生态环境治理等研究中[3,4,5,6]。因此,分析温度、降水及潜在蒸散量的趋势变化特征有助于深入理解气候变化对潜在蒸散量的影响,对未来水资源的规划与管理、提高水资源在农业生产中的利用效率、缓解旱涝灾害现状等都具有重要意义。

近年来,国内外学者在气候变化对潜在蒸散的影响等方面做了大量研究。如Roderick等[7]利用北半球蒸发皿观测的蒸发量数据研究得出过去几十年的蒸发量存在普遍减小的规律;王国庆等[8]对黄河中游6个站点的气象资料分析研究,发现近几十年来,黄河流域气温与蒸发能力呈正相关关系,且气温升高1 ℃,流域蒸发能力约增加5%~7%;李鹏飞等[9]通过对中国干旱半干旱地区日气象数据分析,得出干旱半干旱区50年来东西部降水量及潜在蒸散量存在显著差异。总结研究发现,对南方中亚热带红壤坡耕地典型小流域在不同时间尺度上气候变化的趋势和周期分析及其对潜在蒸散的影响的研究相对较少,尤其是近年来对鹰潭生态红壤区潜在蒸散的研究相对不足。由于研究区夏秋季节高温、少雨、强蒸发,作物在生长旺季极易缺水,发生干旱,农作物的生长会受到严重抑制。因此,研究该小流域气温、降水的变化规律及潜在蒸散量在其影响下的变化特征相当必要,这将为研究植物生长期水分动态变化、小流域的综合治理、合理有效的调控水资源、防旱抗旱、提高当地农业生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区孙家小流域是典型的红壤生态研究区,位于江西省鹰潭市余江县刘家站垦殖农场三分场(116°55′E,28°15′N),面积46hm2,海拔41~55m,坡度6°~10°,为一完整的小流域,主要土地利用方式有花生地、农林复合地、林地、水田等。该小流域气候特征属中亚热带温暖湿润季风气候,雨量充沛、光照充足、四季分明。但降雨量年际变化大,年内分配不均匀,且多集中在4-6月份的雨季前期,约占全年降水的50%,不过由于径流量大(径流系数接近50%),降雨的利用效率并不高;夏秋季节高温少雨,7-9月降水不足全年的20%,蒸发量却接近全年的50%,常造成伏秋季节性干旱[10,11]。

1.2 数据来源

研究采用的数据来源于余江县气象站1953-2013年逐日实测气象数据,包括日降水量,日平均气温,日平均风速、日照时数、相对湿度等资料,对部分缺测的日降水量数据采用趋势预测法进行插补订正,保证数据的精度和质量。采用世界气象组织推荐的1971-2000 年30 年的平均值作为多年平均值。在分析流域气温、降水变化特征时,根据多年平均值得出年平均气温、年降水的距平序列。研究月份划分上,4-6月为雨季前期,降水充沛,7-9月为雨季后期即伏秋季节性干旱期,高温少雨,蒸发量大。此外,对潜在蒸散量的验证数据来源于研究区大型蒸发皿所测得的蒸发量数据。

1.3 数据处理方法

为研究气候变化的趋势及其对小流域潜在蒸散的影响,本文拟对主要气候因子(平均气温、降水)及潜在蒸散量进行年、季特征分析,主要通过线性拟合、小波分析、突变检验及相关性分析等方式来研究气候变化的总趋势及其对雨季前后期流域内潜在蒸散的影响。

1.3.1 Mann?Kendall非参数检验法

Mann-Kendall非参数检验法是由国际气象组织推荐且广泛用于环境时间序列的趋势分析方法,适合于水文气象等非正态分布序列趋势分析[12]。采用MK检验法可以对小流域气温、降水和潜在蒸散量进行时间序列的趋势分析及突变点检测,进而对其在时间序列上的突变进行分析,预测气候变化的趋势。

对于给定的置信水平α(一般取α=0.05,Uα/2= ±1.96):①若|UFk|>|Uα/2|,则表明时间序列存在显著的趋势变化,当UFk>0时有明显上升趋势,当UFk<0时有明显下降趋势;②若|UFk|≤|Uα/2|,则表明时间序列无明显变化趋势。

对于统计量UFk,UBk(时间序列逆序,重复UFk过程可得),若UFk或UBk值大于0则表明时间序列呈上升趋势,小于0则呈下降趋势;当统计曲线超过临界线时,表明上升或下降趋势明显;如果统计曲线在临界线之间出现交点,则交点对应时刻就是突变开始时刻。

1.3.2 FAO Penman?Monteith方法

Penman-Monteith(P-M)模型是联合国粮农组织(FAO)确定的计算参考作物蒸散量的一种方法。该模型考虑了植被生理特征,以能量平衡和水气扩散理论为基础,是经试验证明的所得结果与实测值最为接近的蒸散模型,可以用于不同环境与气候背景下估算潜在蒸散量,在国内外得到广泛应用[13,14]。

FAO Penman-Monteith修正公式为:

从能量平衡和动力学两方面可将其分解为辐射项(ETrad)和空气动力学项(ETaero),即:

式中:PE为潜在蒸散量,mm/d;ETrad为辐射项,mm/d;ETaero为空气动力学项,mm/d;Rn为地表净辐射,MJ/(m·d);G为土壤热通量,MJ/(m2·d);Tmean为日平均气温,℃;u2为2m高处风速,m/s;es为饱和水汽压,kPa;ea为实际水汽压,kPa;Δ 为饱和水汽压- 温度曲线斜率,kPa/℃;γ 为干湿表常数,kPa/℃。

其中,土壤热通量G是个很小的量,对于1~10d的时间尺度,参考草地的土壤热容量相当小,可以忽略不计,即G≈0;对于月时间尺度,假设在适当的土壤深度、土壤热容量为常数2.1 MJ/(m3·℃)时,可由公式G=0.14(Tmonth,i-Tmonth,i-1)估算,Tmonth,i,Tmonth,i-1分别为第i和i -1 个月的平均气温,℃[15,16]。

2 结果与分析

2.1 平均气温的年际变化趋势分析

1953-2013年小流域平均气温距平如图1(a)所示,从图中可以看出,小流域平均气温变化趋势呈现明显的年际和年代际变化特征,20世纪80年代中期之前,平均气温距平大多为负值,说明1953-1985年期间,平均气温偏低;1985年之后,平均气温距平基本为正值,且多集中于2000年以后,其中2007年比多年平均值高出将近1.38 ℃,说明1985-2013年期间,平均气温偏高,尤其是2000年以后更为明显。

小流域多年平均气温为18.35 ℃,标准差为0.51 ℃,变差系数为0.03。图1(b)为近60a平均气温的5年滑动平均及线性拟合,5年滑动平均曲线可以减弱异常年份气温或观测误差给多年平均气温变化趋势带来的负面影响[17],从滑动平均曲线可以看出,平均气温在60年代初期有一个高值,随后便平滑上升,直到2007年左右又出现一个高值,可见,平滑后曲线更能反映序列的变化趋势;从线性拟合的趋势线可以看出,小流域近60a平均气温呈上升趋势,平均每年气温升高约0.02℃,倾向率为0.018 ℃/a;对平均气温序列进行M-K检验,Z值为4.87,大于1.96,通过信度为0.05的显著性检验,说明平均气温年际上升趋势显著。

通过上述分析发现,研究区气温年际变化趋势与杜安等[18]对余江县1961-2010 平均气温变化的研究相一致,即1961-2010年余江县年平均气温先降后升,60年代前中期气温相对偏高,之后逐渐下降,转入相对冷期,80年代中期后气温开始回升,尤其是90年代中期到2000年以后,回暖十分明显,增温达0.40 ℃。

2.2 降水量变化的趋势及周期分析

小流域多年平均降水量为1 892.40mm,标准差为415.20mm,变差系数为0.22,说明多年平均降水量变化差异明显。表1为1953-2013小流域降水量年代平均值、标准差、距平的变化情况,由表1可知,1953-1959年,70年代,90年代及2010-2013年平均降水量的变差系数在0.20及以上,相对较大,说明在此期间降水量的年际变化较大,不利于水资源的利用和管理;从降水量的年代距平及距平百分比也可以看出,60年代,70年代,80年代及2000-2009年,平均降水量为负距平,说明期间降水偏少,而1953-1959年,90年代以及2010-2013年平均降水量距平均为正值,说明在此期间降水偏多,尤其是2010-2013年,平均降水量距平百分比达到17.71%。

1953-2013年降水量变化呈现下降、上升交叉出现的趋势,波动性较大;线性拟合的结果显示,近60a的降水量呈微弱增加趋势,降水倾向率为3.325mm/a,差异较为明显;对降水序列进行M-K检验,结果显示,Z=0.79,小于1.96,未通过显著性检验,说明降水量年际变化趋势不显著。

采用Morlet小波分析法对流域内年降水量进行周期性检验。图2(a)为降水量的Morlet小波变换等值线图,表示近60a小流域年降水量在不同时间尺度上的周期变化及其在时间域上的分布。从图中可以看出,年降水量变化过程中存在着18~32a、6~14a、2~6a时间尺度上的周期变化规律,在18~32a尺度上,降水出现了多-少交替的准3次振荡,特别是60年代中期和2005年前后较为显著,即降水量明显偏少;在7~13a尺度上,出现了9次振荡,且基本贯穿整个研究阶段,而1988年之前表现得比较稳定;在2~6a尺度上,也存在相应的周期振荡,但表现的不是很明显。图2(b)为年降水量的小波方差图,能反映时间序列的波动随尺度的分布情况,图2 中存在4个较为明显的峰值,依次对应着29a、22a、11a、4a的时间尺度,其中,最大峰值对应着29a时间尺度,说明29a左右周期振荡最强,为小流域年降水量变化的第一主周期,22a、11a、4a时间尺度,分别为降水量变化的第二、三、四主周期,这些主周期的波动控制着年降水量在整个时间域内的变化特征。根据小波方差检验结果绘制出年降水量变化的主周期小波系数图,即可知,在不同时间尺度上,年降水量的变化周期及振荡次数,进一步分析降水量的周期变化[19,20]。

2.3 平均气温、降水量变化的突变分析

利用M-K检验法对小流域1953-2013年的平均气温、降水进行突变分析(图3)。从图3(a)中可以看出,UF统计曲线大部分位于零界线以上,说明在研究时段内气温总体呈上升趋势,但1953-1958年、1975-1987年UF统计值小于0,表明在此期间平均气温有所下降,UF线与UB线在1994年相交,说明平均气温在1994年发生突变,1997年以后,UF统计曲线超出0.05显著性水平线,平均气温升高趋势十分显著。从图3(b)降水量M-K统计曲线图中可以看出,UF统计曲线在1993年之前基本位于零界线以下,说明1993 年之前,除1954年前后及1976 年前后,降水量呈下降趋势,1993 年之后,UF统计值大于0,降水量呈上升趋势,但由于UF曲线基本未超出0.05显著水平线,所以降水量变化趋势并不显著,此外,由UF曲线和UB曲线的交点位置,可判断降水量在1988、2003 及2010年发生突变。

综合上述分析可知,1953-2013年小流域平均气温和降水都呈上升趋势,其中年平均气温上升趋势显著,而降水变化则不显著;降水的小波分析结果显示,流域近60a年来的降水量存在29、22、11、4a的主周期变化;年平均气温1994年发生突变,1997年以后增温显著,降水量在1988、2003、2010年发生突变,但总的增加趋势并不显著。平均气温和降水作为影响气候变化的两个最主要的因子都在1990年左右发生突变,且平均气温在90年代中期以后显著上升,这与郭华等[21]对鄱阳湖气候变化的研究结果相似,20世纪90年代鄱阳湖流域气候发生转折性变化,气温和降水均在1990年发生突变,继而呈现显著上升趋势。针对气温的显著上升,降水的周期性变化以及气温和降水的突变情况,有必要对小流域1990-2013年潜在蒸散的变化特征及气候影响因子进行分析。

2.4 潜在蒸散的变化特征分析

2.4.1 潜在蒸散量年际变化趋势

根据Penman-Monteith(P-M)模型计算得出小流域潜在蒸散及其辐射项和动力项年际变化趋势图(图4),从图4中可以看出1990-2013年潜在蒸散量PE均在900mm以上,呈微弱上升趋势,潜在蒸散倾向率为1.954mm/a,即平均每年PE增加量为1.95mm。M-K检验结果显示,Z=1.27,未通过信度为0.05的显著性检验,说明潜在蒸散的年际变化趋势不明显;潜在蒸散量的分量辐射项均在700 mm以上,倾向率为0.681mm/a,呈上升趋势,Z值为1.31,通过的显著性检验;分量空气动力学项较小,在200mm左右,倾向率为1.276mm/a,上升趋势变化不显著。由此说明,潜在蒸散量及其构成项均呈上升趋势,但变化比较缓和,其中辐射项占潜在蒸散总量的80%左右,远大于空气动力学项,对潜在蒸散量的变化有很大影响。

2.4.2 潜在蒸散量多年月平均变化趋势

潜在蒸散作为多个气候因子的综合反映,具有明显的年内分配特征,通过分析小流域1990-2013年月平均蒸散量变化(图5),发现小流域多年月平均潜在蒸散量约32~160mm,其变化呈单峰型,1-7 月逐渐增加,于7 月达到最大值158.82mm后逐月减少,这与小流域气温变化特征相一致。潜在蒸散的辐射项也具有相似的变化特征,最大蒸散量达到128.43mm,而其空气动力学项的变化则极其平缓,最大值仅30.39mm。可见,辐射项是潜在蒸散量的重要组成部分,这与年际变化趋势所得结论一致。

从潜在蒸散量的月变化来看,小流域雨季4-9月潜在蒸散量占全年蒸散量比重较大(约70%),由于小流域降水多集中在4-6月,7月中下旬高温少雨,且蒸发量大,因而小流域7-9月极易发生季节性干旱,对正值生长旺季的作物来说影响很大,为减小季节性干旱的危害,适时灌溉,保证农作物的正常生长,需进一步分析4-9月雨季潜在蒸散量及其构成项的变化特征。

2.4.3 雨季潜在蒸散量及其辐射项和空气动力学项变化特征

从雨季潜在蒸散量变化特征(表2)中可以看出,小流域多年雨季前期(4-6月)平均蒸散量为309.42mm,约占年潜在蒸散量的30%,多年雨季后期(7-9月)平均值为408.17mm,约占年潜在蒸散量的40%,所占比重很大,辐射项和空气动力学项与潜在蒸散量PE变化特征相似,均是雨季后期蒸散量大于雨季前期蒸散量,可见7-9月高温少雨的天气加剧了潜在蒸散的进行;潜在蒸散量PE和辐射项的变异系数都较小,说明其变化不大,而空气动力学项的变异系数相对较大,说明空气动力学项的变化比辐射项的变化波动大,潜在蒸散量的波动变化间于二者之间;从雨季前后期的变化趋势来看,除雨季前期潜在蒸散量的辐射项有下降趋势外,其余均有上升趋势,其中,潜在蒸散量在雨季后期上升最快,以0.990mm/a的速度在上升,且通过90%显著性检验,说明雨季潜在蒸散量总体呈上升趋势,变化比较缓和,雨季后期变化大于前期变化,但其空气动力学项变化却很小,且雨季前期上升速度略快于雨季后期。

注:▲表示通过90%显著性检验。

利用M-K方法,对1990-2013年小流域雨季潜在蒸散进行突变分析(图6),图6(a)显示,UF曲线在1992-2001年间位于零界线以下,说明雨季前期潜在蒸散量在此期间有减少趋势,而2001 年以后开始出现增加的趋势,并于1991 年、1999年、2011年左右发生突变,其中1999年开始的突变使雨季前期的潜在蒸散量由相对偏少期跃变到一个相对偏多期;图6(b)显示,雨季后期潜在蒸散量自1992年开始到2010年,一直处于一个相对偏少期,2010 年以后UF统计值大于0,潜在蒸散量逐年开始有增加的趋势,2012年UF曲线UB曲线相交,可以确定雨季后期潜在蒸散量在2012 年发生突变。分析结果显示,雨季前期潜在蒸散量的趋势在21世纪初从相对偏少的趋势转变为相对偏多趋势,比较两者发现,1992年之前,趋势相同,都属于相对偏多期,且2011年左右都发生了突变,但由于UF曲线基本未超出0.05显著水平线,所以潜在蒸散量的雨季变化趋势并不显著。

2.5 潜在蒸散量与蒸发皿蒸发量变化趋势比较

小流域多年平均蒸发皿实际蒸发量约981.48mm,变差系数0.08,而多年平均潜在蒸散量约1 021.01 mm,变差系数0.04,可见实际蒸发量总体上小于利用P-M公式计算的潜在蒸散量且实测值的年际波动更大,估算值相对于平均值更稳定。比较图7(a)中小流域1990-2013年潜在蒸散量距平和大型蒸发皿实际蒸发量距平变化,可以发现除个别年份外,潜在蒸散量和实际蒸发量距平年际变化趋势基本一致,其中,1996-2005年距平变化趋势最为相似,且潜在蒸散量均高于蒸发皿蒸发量,明显差异出现在1991、1995、2007年,1993年之前蒸发量大于潜在蒸散量。图7中实测蒸发量与潜在蒸散量变化趋势虽然比较一致,但后者的年际变化明显比较缓和,且实测值与估算值在距平变化量值上也存在一定的差异,这主要是因为实测蒸发量受环境因素影响较大,因而其波动变化也较大。从图7(b)两者的线性拟合效果可以看出,模型估算出的潜在蒸散量和蒸发皿实测蒸发量之间存在一定的线性关系,其确定系数为0.24。

由此可见,经P-M模型模拟的潜在蒸散量与蒸发皿实际蒸发量两者之间虽存在差异,但模拟结果仍比较可信,可以用来对小流域蒸散量变化状况进行分析和预测。

2.6 气候因子对潜在蒸散量的影响

潜在蒸散量及其辐射项和空气动力学项与各气候因子进行回归分析后的结果如表3所示,R2值分别为0.924,0.839,0.982,模型效果较好,潜在蒸散量与平均气温、平均风速、相对湿度的回归系数通过99%显著性检验,与日照时数的回归系数通过90%显著性检验,辐射项与平均气温、日照时数的回归系数通过99%显著性检验,与平均风速的回归系数通过95% 显著性检验,空气动力学项与平均气温、平均风速、相对湿度的回归系数通过99% 显著性检验,与日照时数的回归系数通过95%显著性检验,说明平均气温、平均风速、相对湿度对潜在蒸散量的影响很大,日照时数次之,降水最小;平均气温、日照时数对辐射项的影响很大,平均风速次之;平均气温、平均风速、相对湿度对空气动力学项的影响很大,日照时数次之,降水对三者影响均很小。

偏相关性结果显示,潜在蒸散量与平均气温、降水、日照时数、平均风速、相对湿度的相关系数分别为0.820,-0.368,0.408,0.769,-0.673,辐射项与各因子的相关系数分别为0.734,-0.326,0.613,-0.534,0.370,空气动力学项与各因子的相关系数分别为0.778,-0.243,-0.447,0.985,-0.948。可见,气候因子对潜在蒸散的影响力的大小依次为平均气温、平均风速、相对湿度、日照时数、降水;对辐射项影响力大小依次为平均气温、日照时数、平均风速、相对湿度、降水;对空气动力学项影响力大小依次为平均风速、相对湿度、平均气温、日照时数、降水。近年来,在平均气温逐年上升(0.017 6℃/a),相对湿度逐年下降的趋势下,潜在蒸散也随之出现增加的趋势[22,23,24]。

注:**表示通过99%显著性检验,*表示通过95%显著性检验,▲表示通过90%显著性检验。

3 结论与讨论

(1)1953-2013年影响小流域气候变化的两个主要气候因子平均气温和降水变化都呈上升趋势,其中平均气温上升趋势显著;降水的小波分析结果显示,小流域近60a年来的降水量存在周期性变化特征,在18~32a尺度上,降水出现了多-少交替的准3次振荡,特别是60年代中期和2005年前后降水量明显偏少,其变化主要存在29、22、11、4a控制着年降水量在整个时间域内的变化特征的4 个主周期变化;M-K突变检验发现,年平均气温在1994年发生突变,1997年以后增温明显,降水量在1988、2003、2010年发生突变,但总的增加趋势并不显著。综上可见,近年来,尤其是90年代中期以后,气候波动变化较大。

(2)1990-2013年潜在蒸散量均在900mm以上,呈微弱上升趋势,且年内分配不均,1-7月逐渐增加,7月达到最大,而后逐月减少,小流域雨季前期(4-6 月)及雨季后期(7-9月)的潜在蒸散量约占全年的蒸散量的70%左右,且旱季蒸散量大于雨季蒸散量,若潜在蒸散量长时期大于降水量,将造成小流域伏秋季节性干旱,严重影响作物的生长;M-K突变检验分析说明,雨季前期潜在蒸散量于2001年以后开始出现增加趋势,1991、1999、2011年左右发生突变,雨季后期潜在蒸散量在1992-2010年期间,处于相对偏少期,2010年以后开始进入偏多期,2012年发生突变。

(3)小流域潜在蒸散量受气候因子影响,其对潜在蒸散量影响力大小依次为平均气温、平均风速、相对湿度、日照时数、降水,其中平均气温是显著影响潜在蒸散、辐射项与空气动力项的共同因子,刘园等认为,对潜在蒸散辐射项影响最大的是日照时数,其次是风速、温度,而本研究所得结果表明对其影响最大的仍是平均温度,其次是日照时数、平均风速、相对湿度;曾丽红等[25]也认为,气温变化是影响潜在蒸散量的主要因素。可见,不同地区不同环境下气候因子对潜在蒸散量的影响有所不同。近年来,在平均气温逐年上升,相对湿度逐年下降的趋势下,潜在蒸散也随之增加,但趋势上不是很明显。

变化量的分析论文 篇4

关键词：变压器,匝间短路,电流比变化量,差动保护

0 引言

变压器保护一直是电力系统继电保护中的重点, 关系到整个系统的安全稳定。据统计资料显示[1], 变压器匝间短路占电力系统中大型变压器故障的50%~60%。匝间短路时的一个典型特点是:短路电流可达额定电流的数十倍, 但三相线电流并未显著增大[2]。由于外部短路电流等因数的影响, 变压器三相不平衡电流较大, 一般情况下, 变压器差动保护的整定值都设定较高, 不能灵敏反映匝间故障[3], 这个矛盾一直是匝间短路保护的一个难题。

为此, 一些学者进行了大量研究[4,5,6], 文献[7]中利用霍尔元件反应漏磁场变化, 判定是否发生匝间短路, 但该元件安装工艺复杂, 实用较难。文献[8]基于功率损耗突变, 通过实时计算有功损耗和无功损耗的比值进行匝间短路判定。由于功率损耗与电压有关, 该方法可能存在较大误差。文献[9]利用短路阻抗的变化监测绕组状态从而识别变压器绕组故障。但匝间短路引起的阻抗变化可能不大, 该方法的灵敏性受到限制。

本文提出基于电流比变化量的匝间短路保护方法, 在变压器带负载运行后, 利用绕组电流[10], 以变压器两侧绕组电流比值的变化量是否超过整定值作为保护判据保护算法简单, 能够灵敏监测变压器匝间故障。

1 保护原理

传统纵差保护中, 流入差动继电器的不平衡电流与多种因数相关[11], 主要受变压器外部故障短路电流的影响, 短路电流越大, 不平衡电流越大。且变压器某一相出现匝间短路时, 故障反应灵敏度受躲外部不平衡电流门槛值的影响。

如图1所示, 变压器内部磁通包括主磁通和漏磁通。前者通过铁心, 与原边和副边绕组相交链, 后者仅与一个绕组交链, 主要通过空气或油而闭合[12]。

图中, Φ为主磁通;Φ1σ、Φ2σ分别为原、副边侧绕组的漏磁通;e1、e2及e1σ、e2σ分别是相应的主磁通和漏磁通的感生电动势;i1、i2分别为原、副边侧绕组入端电流;im为产生主磁通的激磁电流;N1、N2为原、副边侧额定匝数。

在变压器正常运行或外部故障时, 漏磁通远远小于主磁通, 可忽略[13]。由原、副边绕组的主磁通磁动势平衡和电磁感应关系知, 某一时刻通过原、副边绕组的电流关系为

忽略励磁电流, 则可等效为式 (2) 。

式中, Tn为变压器原边侧与副边侧的匝数比。上式表明, 变压器电磁感应原理确定了变压器两侧电流的比值对应于两侧绕组匝数的比值。当变压器内部绕组结构无变化时, 任意时刻变压器两侧电流的比值不变。当变压器内部匝间短路后, 等效于变压器绕组的匝数改变, 反映在变压器两侧电流的比值将会改变。因此可通过监视和判断变压器两侧电流的比值的变化来识别变压器内部是否出现了匝间短路。

值得注意的是, 当变压器空载运行时, 空载侧绕组电流为0, 基于电流比变化提出的保护原理显然不能适用, 保护应闭锁。当变压器出现外部单相接地、内部绕组相间短路等故障时, 由于三相变压器中任意一相绕组的感应电势包含了其他相的磁通, 各相电流将可能不对称, 电流比可能会出现较大的变化。此时, 也应闭锁此保护。好在匝间短路是一种较轻微的故障, 能容许较长时间的存在。因此可以等到正常带负载或外部故障消失后再进一步判断匝间短路是否存在。这样不仅可以保证匝间短路保护的灵敏性, 还能保证其选择性。

2 保护判据

令任意t时刻的原、副边侧绕组采集到的互感器的电流值, 分别为I'1 (t) 、I'2 (t) , 当I'1 (t) 、I'2 (t) 均不为0时, 电流比测量值n (t) 为

任意时刻的电流比变化量Δnqr (t) 为

式中, Δt为采集电流比数据的时间间隔, 按躲过匝间故障暂态过程考虑, 取3~5个周波。

为躲过变压器内部其他故障以及变压器外部故障对匝间短路保护的影响, 采用启动判别加延时验证的方法。即:

1) 电流比匝间短路保护启动条件为

2) 保护动作条件为

匝间保护动作。式中, |Δnq (t) |为保护启动测量值;ty为启动后的保护延时;Tset为启动后保护延时校验时间, 取值按系统故障到故障消除的时间, 一般可取5~10 s;Δnr (t) 为启动后延时求取的电流比变化量;Δnset为电流变化量动作整定值。

其中:n (t) 为启动后延时到达后的电流比;nbf为系统记录的启动前的电流比。

保护的启动整定值计算方法为

其中:Krel为可靠系数, 可取1.2~1.3;Δn为电流比变化量的最大误差, 主要与互感器变比误差相关, 该误差主要由计算变比与实际变比不一致引起的, 由式 (3) 可知, 某时刻变比测量值为

式中, nT1、nT 2分别是变压器原、副边侧互感器变比;I1 (t) 、I2 (t) 分别是某一时刻变压器原、副边侧绕组一次电流值。

则电流比变化量误差Δn为

以精度为0.5的互感器为例, 电流比变化量最大误差为

对于有载调压变压器, 当变压器调节抽头时, 三相电流比同时上升或降低, 且变化量相同;而匝间不可能同时三相短路, 因此可根据这一特点来区分分接头调整与匝间短路。为了防止保护误动作, 当电流比变化量超过整定值时, 需要先判断是否为变压器抽头调节。

当变压器i相成立时, 令逻辑变量Li=1 (i=a, b, c) 。变压器抽头调节时, 三相电流比同时变化, 且变化量相同, 因此La Lb Lc=1, 为变压器抽头调节;当

则为匝间短路。利用该附加保护判据判定变压器是否为抽头调节, 满足时闭锁匝间保护;若不是, 则开放匝间保护。其保护流程图如图2。

3 试验验证及分析

为验证本文方法, 制作了一台实验变压器。进行匝间短路试验, 分析本文保护动作情况。实验接线如上图3所示, 实验中各设备的基本参数如下。

三相调压器输出:0~400 V;互感器变比:10/1A, 准确级为10P20;变压器:S11—10 (k W) /0.4—0.4 (k V) 、UK=20%、空载损耗P0=34 W, 原、副边侧绕组均为200匝。本文分别在1%、5%、6%、8.5%、9.5%总匝数匝间短路的情况下进行试验。调节变压器线电压为100 V左右, 三相电阻器各相电阻值为10Ω左右作为负载。

以A相为故障相进行匝间短路实验。结果如下列表1和表2。

由表1和表2可知, 无论匝间短路出现在那一侧, 故障相A相测量值变化明显, 且随着短路匝数的增加而增大;非故障相B、C两相变化不大, 几乎为0, 据此, 不仅可容易发现匝间故障, 还可以区分出故障相。

4 结论

变化量的分析论文 篇5

(1) 根据垂直排列杆塔的A、B、C三相间的水平间距与第一、二两基水平排列杆塔的A、B、C三相的水平间距作几何图形 (如:图1) 。

假定双回杆塔为1#, 第一基导线水平排列的单回杆塔为2#, 第二基导线水平排列的单回杆塔为3#。

(2) 从1#杆塔的A到3#杆塔横担做垂线, 交3#杆塔横担于D点, 即AD⊥A"C"交2#杆塔横担于D`点。连接1#杆塔的A与3#杆塔的A", 交2#杆塔横担于Z点。

(3) 从上述图形上看, 可以得出:

令α∠=A'A"A α2=∠A'AA"

(注:α2为近似值, 因为BB′远远大于A′Z, 所以按此式计算已能满足工程的要求。) α2的精确值按下式得出:

(4) 假定导线的应力为σ, 截面为S, 则1#~2#档对A′点的角度力为:

2#~3#档对A′点的角度力为:

A′点的角度力为:

(5) A′点的悬垂绝缘子串偏移角为:

式中:T为角度合力 (kg) ;Gj为瓷瓶串重量 (kg) ;g1为导线自重比载 (N/m·mm2) ;S为导线截面 (mm2) ;lch为导线在2#杆塔上的垂直档距 (m) ;g1*s*lch为2#杆塔可承担的导线重量 (kg) 。

(6) 设悬垂绝缘子串的长度为a, 则无风时的悬垂绝缘子串偏移值为:

(7) 有风情况还要考虑风压的影响, 此时悬垂绝缘子串的风偏角为:

(8) 则有风时的偏移值为:

从上述式 (8) 可以看出:由于角度合力T的影响, 2#杆塔A相悬垂绝缘子串的风偏角比导线排列方式不变时大, 所以在校验2#杆塔的间隙圆时一定要计及角度合力T的影响, 计算导线排列方式改变后直线杆塔悬垂绝缘子串的偏移的意义也就在于此。

参考文献

[1]丁玉华.高压电力架空线路设计、施工、验收与运行检测实物全书[M].广西:广西文化音像出版社, 2004:539～541.

[2]DL/T5092-1999, 110kV-500kV架空送电线路设计技术规程[S].北京:中国电力出版社, 1999.

变化量的分析论文 篇6

关键词：氢氧化钙,基准水泥,粉煤灰,碳化性能

在水泥浆体中氢氧化钙以六方板状晶体析出, 它对强度的贡献相对较弱, 但可使水泥浆体的p H值升到12以上, 能保护钢筋不生锈, 提高抗碳化性能。氢氧化钙还能激发活性混合材料的水化, 使水泥硬化浆体强度进一步提高、耐久性得到改善。

氢氧化钙含量提高, 仅对护筋和提高抗碳化性能有好处, 为了使强度提高和耐久性改善, 宜掺加活性混合材料等来消耗部分氢氧化钙。但对于在空气中使用的有护筋要求的混凝土, 其氢氧化钙含量不能大幅度地降低, 不然将丧失护筋能力[1,2,3,4,5,6]。

确定水泥硬化浆体中氢氧化钙晶体含量的方法主要有热失重法[7,8] (TG, Thermo gravimetery) 和X射线衍射定量分析法[7] (QXDA, Quantitative X-ray diffraction analysis) 。在水泥硬化浆体中不存在非晶态的氢氧化钙已成为定论, 但在低水灰比下可能有微晶态的氢氧化钙存在, 通常情况下氢氧化钙为较大的、不够完美的晶体, 因此有固定的热分解温度和X射线衍射峰。在热失重法中, 以在425~550℃的热失重来计算确定氢氧化钙含量, 但在此温度区间有多种物质 (水化硅酸钙、单硫型水化硫铝酸钙、钙矾石和粉煤灰等) 会产生热失重, 因此会造成较大的误差[7]。对于X射线衍射定量分析法, 首先可以定性地确定氢氧化钙晶体是否存在, 其次利用其单个和多个衍射峰的积分强度来确定其含量。

本文主要试验研究粉煤灰与养护条件等对胶凝材料硬化浆体中氢氧化钙含量以及抗碳化性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

基准水泥PIC, 即Ⅰ型硅酸盐水泥, 中国建筑材料研究总院提供;粉煤灰FA, Ⅱ级, 来源宁波镇海热电厂。基准水泥和粉煤灰的化学成分见表1。

%

1.2 试验方法

采用水泥净浆搅拌设备, 首先称量所需原材料, 将搅拌锅等润湿;将水泥和粉煤灰先在容器中充分干混均匀, 再按常规水泥净浆搅拌程序制备试验用胶凝材料浆体;停止搅拌, 再适当地人工拌合, 即可成型试件。试模尺寸25 mm×25 mm×280mm和40 mm×40 mm×160 mm。成型24 h后拆模, 然后放入水中养护, 温度 (20±2) ℃。

测试氢氧化钙含量的胶凝材料浆体按3种养护条件进行养护:①20℃水中养护60 d;②20℃水中养护60 d+90℃水中养护72 h;③20℃水中养护60 d+200℃蒸压养护8 h。

碳化试验用胶凝材料浆体的养护条件为:20℃水中养护28 d+20℃干养护32 d;20℃水中养护7 d+20℃干养护53 d。

胶凝材料浆体中氢氧化钙含量的测试 (QXDA) :根据在混合物中各个晶相的X射线衍射的强度随着该相在混合物中含量的增加而提高, 可通过直接对比法和内标法, 对混合物晶相组成进行 (半) 定量分析。本研究中, 水泥和粉煤灰胶凝材料浆体中主要晶相为氢氧化钙, 将按一定要求养护的试样粉磨, 进行X射线衍射分析, 测试氢氧化钙的 (001) 和 (102) 晶面衍射峰的积分强度 (峰面积) , 以不掺粉煤灰的胶凝材料浆体试样为基准, 确定氢氧化钙的相对含量。

胶凝材料浆体的碳化试验:将按一定要求养护的试样在60℃烘箱中烘48 h, 再用加热的石蜡多次密封试件的四周及底部, 仅1个端面不封蜡, 然后按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行混凝土 (快速) 碳化试验。快速碳化 (CO2浓度为20%) 时间为28 d。经实验室快速碳化 (CO2浓度为20%) 28 d, 相当于 (CO2浓度为0.03%, 相当于1980年的大气) 自然碳化50年。在快速碳化28 d后, 碳化年限要求达到50年和100年的混凝土实测碳化深度分别要求小于25 mm和小于18 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 养护条件①下氢氧化钙含量随粉煤灰掺量的变化规律

(见图1和表2)

注:①假设20℃水中养护60 d, Ⅰ型硅酸盐水泥的硬化浆体中含有20.0%的氢氧化钙, 下同。

由图1和表2可知, 在20℃水中养护到60 d的条件下, 采用100%基准水泥的PIC试样水化正常, 水化产物主要为氢氧化钙 (衍射峰位置:18.1°、34.0°、47.0°) ;PF20、PF40、PF50和PF60试样水化正常, 水化产物主要为氢氧化钙, 但其衍射峰的积分强度分别约为PIC试样的79%、52%、10%和8%, 由于粉煤灰的掺入, 均可见石英和莫来石的峰;PF70和PF80试样水化正常, 水化产物中已没有氢氧化钙, 即氢氧化钙已与粉煤灰中的活性二氧化硅反应了, 由于粉煤灰的掺入, 均可见石英和莫来石的峰。

2.2 养护条件②下氢氧化钙含量随粉煤灰掺量的变化规律

(见图2和表3)

由图2和表3可见, 在20℃水中养护60 d+90℃水养72h的条件下, 采用100%基准水泥的试样PIC水化正常, 晶体水化产物主要为氢氧化钙;PF20、PF40、PF50和PF60试样水化正常, 水化产物主要为氢氧化钙, 但其衍射峰的积分强度半宽高分别约为PIC试样的76%、39%、12%和8%, 由于粉煤灰的掺入, 均可见石英和莫来石的峰;PF70和PF80试样水化正常, 水化产物中已没有氢氧化钙, 即氢氧化钙已与粉煤灰中的活性二氧化硅反应了, 由于粉煤灰的掺入, 均可见石英和莫来石的峰。

2.3养护条件③下氢氧化钙含量随粉煤灰掺量的变化规律

(见图3和表4)

由图3和表4可见, 在20℃水中养护60 d再进行200℃蒸压养护8 h的条件下, 采用100%基准水泥的试样PIC水化正常, 晶体水化产物主要为氢氧化钙, 还有未水化的水泥熟料存在;PF20试样水化正常, 晶体水化产物主要为氢氧化钙, 但其衍射峰的积分强度约为试样PIC的15%, 即氢氧化钙量明显下降, 大部分已与粉煤灰中的活性二氧化硅反应了;PF40、PF50、PF60、PF70和PF80试样水化正常, 水化产物中已没有氢氧化钙, 即氢氧化钙已与粉煤灰中的活性二氧化硅反应了, 由于粉煤灰的掺入, 均可见石英和莫来石的峰。

2.4 在基准水泥+粉煤灰+水系统中氢氧化钙相存在的可能性

基准水泥+粉煤灰+水系统在完全水化的条件下, Si O2、Al2O3、Fe2O3和SO3形成水化产物的Ca O总需要量与随粉煤灰掺量的变化, 胶材中Ca O含量之间的关系见表5。

由表5可知, 如果Ca O总需要量小于系统提供的Ca O量, 则系统有氢氧化钙晶体存在;如果Ca O总需要量大于系统提供的Ca O量, 则系统无氢氧化钙晶体存在。但在水化过程中, 由于反应没有进行到底或没有达到相平衡, 系统中或多或少会有氢氧化钙晶体存在。

对于在基准水泥+水系统中的水泥硬化浆体 (PIC试样) , 假设水化产物为水化硅酸钙 (摩尔比Ca O∶Si O2=1.5∶1.0) 以及水化铝酸钙、水化铁酸钙和钙矾石等 (摩尔比Ca O∶Al2O3=3∶1, Ca O∶Fe2O3=3∶1, Ca O∶SO3=1∶1) 。经过计算得到在完全水化条件下, Si O2、Al2O3、Fe2O3和SO3形成水化产物的Ca O需要量为45.87%, 小于实际水泥中含有的61.43%。故基准水泥在完全水化的条件下, 在胶材硬化浆体中有氢氧化钙晶体存在, 推算得到约为20.55%。

对于在基准水泥+粉煤灰+水系统中的胶材硬化浆体 (即PF20、PF40、PF50、PF60、PF70和PF80试样) , 假设水化产物为水化硅酸钙 (摩尔比Ca O∶Si O2=1∶1) 以及水化铝酸钙、水化铁酸钙和钙矾石等 (摩尔比Ca O∶Al2O3=3∶1, Ca O∶Fe2O3=3∶1, Ca O∶SO3=1∶1) 。对于PF20试样, 经过计算得到在完全水化的条件下Ca O总需要量为49.54%, 小于实际胶材中含有的50.36%, 两者之差为0.82%, 换算成氢氧化钙为1.08%。即在系统中胶凝材料完全水化的条件下, 剩余氢氧化钙已很少。对于PF40、PF50、PF60、PF70和PF80试样, 胶材中Ca O含量逐渐降低, 而形成水化产物的Ca O总需要量逐渐提高, 两者之差为负值, 而且绝对值逐渐提高, 即在系统中胶凝材料完全水化的条件下, 已经无氢氧化钙可生成了。这一结论已在2.3中得到证实。

2.5 胶凝材料硬化浆体的抗碳化性能随粉煤灰掺量的变化规律

(见表6)

由表6可知, 20℃水中养护28 d+20℃干养护32 d条件下, PIC、PF20、PF40、PF50、PF60、PF70和PF80试样的实验室快速碳化28 d的碳化深度分别为2.0、3.5、6.5、13.5、32.5、46和≥80 mm, 呈现随粉煤灰掺量增加而显著增大的趋势。其中试样PIC、PF20、PF40和PF50的碳化深度小于25 mm, 能达到自然碳化 (CO2浓度0.03%) 年限50年以上。

20℃水中养护7 d+20℃干养护53 d条件下, PIC、PF20、PF40、PF50、PF60、PF70和PF80试样的实验室快速碳化28 d的碳化深度分别为6、8、19、36、≥80、≥80和≥80 mm, 也呈现随粉煤灰掺量增加而显著增大的趋势。其中试样PIC、PF20和PF40的碳化深度小于25 mm, 能达到自然碳化 (CO2浓度0.03%) 年限50年以上。

3 结论

(1) 基准水泥+粉煤灰+水系统中, 粉煤灰掺量分别为0、20%、40%、50%、60%、70%和80%时, 在20℃水中养护60 d条件下, 硬化浆体中氢氧化钙含量分别为20.0%、15.8%、10.4%、2.0%、1.6%、0和0;在20℃水中养护60 d+200℃蒸压养护8 h条件下, 硬化浆体中的氢氧化钙含量分别为20%、3.0%、0、0、0、0和0;完全水化的条件下, 经计算, 硬化浆体中的氢氧化钙含量分别为20.55%、1.08%、0、0、0、0和0。

(2) 水胶比为0.30时, 20℃水中养护7 d+20℃干养护53d条件下, 粉煤灰掺量分别为0、20%、40%、50%、60%、70%和80%的试件, 实验室快速碳化28 d的碳化深度分别为6、8、19、36、≥80、≥80和≥80 mm, 其中粉煤灰掺量不大于40%的试样碳化深度小于25 mm, 能达到自然碳化 (CO2浓度0.03%) 年限50年以上。

总之, 在使用Ⅰ型硅酸盐水泥的基础上, 随着粉煤灰掺量的提高, 硬化胶凝材料浆体中的氢氧化钙含量明显降低, 同时抗碳化性能也明显降低。在20℃水中养护7 d+20℃干养护53 d条件下, 在保证具有50年抗碳化能力的条件下, 粉煤灰掺量不应超过40%。

参考文献

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变化量的分析论文 篇7

1 顺序输送混油产生的机理

1) 输送次序。输送次序不同, 混油长度也不同;油品交替时, 粘度小的油品顶替粘度大的油品所得的混油长度大于次序相T反时的混油长度;V

2) 初始混油量。在顺序输送管道中用乙油替换甲油时, 应先打开乙油储罐阀门, 后关闭甲油储罐的阀门, 在这一短暂时间内T会有甲、乙两种油同时进入管道, 形成初始混油;V

3) 沿途温度变化;

4) 在输油管道中通过翻越点时, 液流不仅可以自流到终点, 而且还有剩余能量, 则在高峰以后的管段内将发生不h满流, 在顺A序输送的管道中会增大混油量;

5) 管道横截面上流速分布不均, 使后行油品呈楔形进入前行油品中;

6) 管内流体沿管道径向、轴向的紊流扩散作用。管内紊流的h速度分布较层流均匀, 造成混油的主要原因是紊流扩B散作用。试验表明, 随着雷诺数的增加, 相对混油量 (混油量与管道总容积之比) 开始快速下降, 当雷诺数大于某一数值时, 相对混油量随雷诺数变化很小。对于某一特定的管道 (管径d、长度L B为定值) , 雷诺数对于混油长度C的影响可分为某一雷诺数以下RR曲ee线较Re陡c的陡斜区和两个不同区域在雷诺数大于该值时曲线较平的RRee平坦R区e c, 这两个区域的分界雷诺数与管径有关:

随着管径增大, 分界雷诺数增大, 当d=100mm时, Rec=22000;当d=400mm时, Rec=72000。显然, 为了减少混油量, 顺序输送管道应在平坦区运行。对于一定的管道和确定的几种油品 (粘度范围一定) , 控制流态主要是通过控制流速来实现的, 而对于新管道的设计, 正确选定管径是非常重要的。

2 混油界面的跟踪

原油从起输站起输后在管道中运行的距离, 即混油界面与起输站的累积流量∑Q有下式关系:

式中L—混油界面, km;

∑Q—累积流量, m3;

φ—管道直径, mm;

d—管道壁厚, mm。

若此时起输站的瞬时流量为Q, 则混油界面到达终点站所需的时间T为:

式中T—混油界面到达终点站所需的时间, h;

V—起输站到终点站的管道容积, m3。

利用上述二式即可对混油界面实施跟踪和预报到达终点的时间, 结合具体数据, 利用计算机编程计算, 其中起输站的累积流量∑Q和起输站的瞬时流量Q可以从SCADA数据表读入, 也可以从各站汇报参数手工录入, 确保在线和离线状态下都能可靠地使用。

基于混油密度的混油浓度检测跟踪原理:设A、B分别是管道顺序输送中的前行、后行油品, ρA、ρB、ρh分别表示A油、B油和混油的密度, φA、φB分别表示混油中A油、B油的体积百分浓度, 则有:

经变换可得:

由此可见, 在已知A油、B油密度的情况下, 只要测得混油的密度, 便可以根据上式得到混油中A油、B油的浓度, 从而可以实现界面到达预测及跟踪。

3 鲁宁顺序输送管道混油量的计算

目前, 顺序输送混油量计算公式主要采用Austin—Palfrey公式。雷诺数是影响混油量的主要因素, 它对混油长度的影响大致有两个不同的区域:

其中:

上式中混油计算粘度由下式给出:

式中Re—混油段雷诺数;

Rec—临界雷诺数数

C—混油段长度, m;

L—管道长度, 即混油界面通过长度, m;

d—管道内直径, mm;

e—自然对数的底, e=2.7182;

Q—油品在管线中的体积流量, m3/s;

v—混油段计算粘度, m2/s;

v1—前行油品在输送温度下的运动粘度, m2/s;

v2—后行油品在输送温度下的运动粘度, m2/s。

通过计算, 可得出鲁宁输油管道顺序输送的临界雷诺数为Rec=10.054×104。当Re>10.054×104时, 混油长度随雷诺数Re的降低, 缓慢增长;时, 混油长度随雷诺数的降低急剧增加。因此, 为减少混油量, 鲁宁线管道应在大于临界雷诺数 (Rec=10.054×104) 的工况下运行。此时, 混油段长度约为654.55m, 管线输油量约1.3056×104t/d左右。

4 结论与措施

1) 顺序输送时鲁宁线应尽量维持满负荷运行;

2) 在正常输油生产允许的情况下, 首末站应安排专门的油罐用于储存纯进口原油;

3) 采用全线密闭输送工艺, 避免中间输油站缓冲罐内混合原油的混入;

4) 原油输送管道中当两种油品交替时, 尽可能避免中途停输。停输时间、线路地形等因素对它也有一定影响;

5) 在进行混油头切割时, 要做到准确、快速。

摘要：针对鲁宁输油管道顺序输送的实际情况, 本文从输送时间和混油密度两方面, 介绍了顺序输送过程中检测混油界面的几种方法。详细叙述了顺序输送中计算混油量的常用方法。最后给出了混油量的计算公式, 并对鲁宁输油管线顺序输送过程中的混油长度进行计算。

关键词：顺序输送,混油量,分析,计算

参考文献

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