联合配气（共7篇）
联合配气 篇1
东方-乐东气田联合生产给下游不同用户供气, 各气田采出的天然气通过海管将天然气输送至陆地终端, 进行脱碳及其它处理, 下游各用户对天然气用量和组分需求不一, 部分下游用户距离陆地终端仅一墙之隔。上下游供求组分有差别, 所有管线没有调峰能力, 如何实现气田单井配产最优化、终端联合供气最优化、上下游生产稳定化?应用东方-乐东气田联网配产和联合配气程序, 仅通过油嘴刻度调整即可快速达到需求。
1 东方-乐东气田生产、供气情况及问题提出
东方1-1气田2 0 0 3年投产, 共4个生产平台、3 2口气井, 单井产能2 0~300×104m3/d, 气田天然气非烃含量高, 非烃组分主要为CO2和N2, 各气井纯烃 (摩尔百分) 含量在23%~83%之间, CO2含量在0.3%~73%之间, N2含量在4%~35%之间, 各气井天然气组分相对稳定, 高碳井产能充足, 正常生产时日产天然气800×104m3/d, 外输天然气纯烃含量约56%, CO2含量约28%, 通过22〞105km海底管线将天然气输送至东方终端, 给下游化学公司二部、建滔甲醇和管输公司三大用户供气。
乐东气田包括2个气田——乐东22-1气田和乐东15-1气田, 分别于2009年、2010年投产, 共21口气井, 其中乐东22-1气田13口气井, 单井天然气CO2含量0~52%不等, 天然气产量400×104m3/d, 乐东15-1气田8口气井, 单井天然气CO2含量10~99%不等, 天然气产量200×104m3/d。随着气田的开采, 两个气田均有部分气井天然气组分逐渐出现CO2含量上升、含烃量下降的变化。乐东15-1气田天然气通过12〞20.4km海底管线在乐东22-1气田汇合, 再由24〞104km海底管线和24〞69km陆管输送至东方终端。乐东气田投产后, 新增用户大甲醇, 和东方气田联合给下游各用户供气。
东方终端同时分别接收来自东方1-1气田和乐东22-1/15-1气田的天然气, 来自东方1-1气田天然气经过脱除部分CO2处理后, 供给三路用户——化肥二部、甲醇厂及外输到洋浦电厂以及海口市 (管输) 。来自乐东气田天然气经过处理供下游三大用户——大甲醇装置、外输洋浦 (管输) 和化肥一部。五个用户对供气量和供气组分均有不同的要求, 东方1-1气田天然气组分含烃量低于下游用户需求, 需要脱除部分CO2, 提高含烃量, 乐东气田天然气组分含烃量高于下游用户需求, 需要勾兑部分CO2。两个气田产量大, 无法在东方终端实现简单混合。上游气田生产的天然气需要经过脱碳、混配等工艺处理才能供下游使用。
(1) 三个气田、6个平台、53口气井产能、组分各异, 如何通过科学、合理的单井配产得到所需的天然气产量和混合气组分?
(2) 东方-乐东气田联合给下游5个用户供气, 乐东气田混合天然气纯烃含量高于化工用户的合同指标, 低于管输用户的合同指标, 而东方气田混合天然气纯烃含量低于化工和管输用户合同指标, 都无法直接供给下游用户, 终端需要在多个流程节点 (8个) 进行天然气复杂混配。在满足脱碳系统等处理能力条件下, 如何实现乐东、东方部分天然气最优化的交错配气, 并实现供气量最大化?
(3) 下游化工用户的需求 (化肥和甲醇) 占总供气量70%, 对供气组分稳定性有严格要求, 下游管输用户 (电厂、浆纸、民生等) 用气量变化频繁。如何同时满足5个用户对供气量和供气组分含量的不同需求?
2 联网配产和联合配气方案
2.1 联网配产
气田单井配产是在各气井井口稳定点产量测试的基础上, 根据管流计算程序, 计算气井流出动态和井底流压, 再将井底流压代入单井初始稳定点产能方程, 推导出单井动态产能方程, 计算气井流入动态, 根据气井流入、流出动态, 绘制流入、流出动态曲线, 确定不同生产条件下气井的合理配产量。
东方-乐东气田单井配产在合理配产量基础上, 同时考虑各井天然气组分、气田平衡开采、整体外输能力, 在现场实际操作上, 根据建立的各气井油嘴开度和产量之间的二项式关系曲线, 建立油嘴开度和天然气产量之间的一一对应关系, 绝大多数单井油嘴和产量的关系曲线相关性较好。
同时也可以利用建立的二项式关系曲线, 结合在相同油嘴下的产量测试结果, 来判断油嘴是否有堵塞和冲蚀。
通过单井的油嘴控制, 就可以预知单井天然气产量, 结合测试的各气井天然气组分, 通过加权平均, 即可得到全气田混合天然气产量和组分。将配产模式嵌入到生产日报, 就可以实现3个气田、6个平台、53口气井联网配产, 在满足平台生产能力、海管输送能力前提条件下, 在气源上通过油嘴对每口气井精确调配, 做到了气井优化配产。
2.2 联合配气
东方上岸气经过处理, 一部分和处理后的乐东上岸气直接混合供大甲醇 (因乐东气组分好于大甲醇需求, 需混配一部分高碳气) , 一部分和部分乐东气混合, 待供甲醇厂和化学公司二部, 剩余部分进脱烃单元, 和乐东剩余气进脱碳系统进行脱碳, 脱碳后的天然气一部分直接供给管输公司和化肥一部, 剩余部分混配进甲醇厂和化学公司二部。
问题:
(1) 在东方终端一共有8个混配点, 怎么混配操作才能最简化?
(2) 五个用户, 怎么精确快速调配满足合同量和合同供气指标 (组分) ?
联合配气方案是基于天然气处理流程系统内流量守衡、组分守衡基本原理, 通过单目标多约束优化、迭代计算, 实现终端配气流程8个混配节点数据最优化。约束条件有:
(1) 供气量最大化;
(2) 五个用户供气质量最优化;
(3) 大甲醇东方、乐东最佳配比气量;
(4) 乐东流程配入东方流程/东方流程配入乐东流程最佳量;
(5) 东方/乐东混配后直接供给化工用户最佳气量;
(6) 东方/乐东混配后给化工用户最佳脱碳配气量;
(7) 东方/乐东流程进脱碳系统气量;
(8) 进管输脱碳气量;
(9) 总脱碳量小于装置最大处理量。
东方气田生产的天然气, 扣除自用量和放空气, 进东方终端东方捕集器的量和组分为Q-d、CHn-d, 给大甲醇配东方气流量Q-d1=Q-m2* (CHn-l-CHn-m2) / (CHn-lCHn-d) , 东方流程剩余气流量及组分Q-dQ-d1, CHn-d。乐东两个气田外输气量扣除气田自用量和放空量, 进东方终端乐东捕集器上岸流量及组分Q-l, CHn-l, 大甲醇配乐东气流量Q-l1=Q-m2* (CHn-m2-CHn-d) / (CHn-l-CHn-d) , 乐东段塞流后配入东方流程气流量及组分Q-l1, CHn-l, 乐东流程剩余流量及组分Q-l-Q-l1, CHn-l。东方剩余气和配入的乐东气扣除终端自用量及放空气量, 混合后流量及组分Q-d-Q-d1+Q-l1 C H n-x, 直供化肥二部流量及组分Q-c2* (CHn-t-CHn-c2) / (CHn-t-CHn-x) , 直供建滔甲醇流量及组分Q-m1* (CHn-tCHn-m1) / (CHn-t-CHn-x) , 剩余气和乐东流程剩余气混合进脱碳系统进行脱碳, 近脱碳系统流量及组分Q-x1, C H n-x1, 脱除CO2量Q-x1* (CHn-t-CHn-x1) /CHn-t, 脱出CO2后剩余流量及组分Q-x1*CHn-x1/CHn-t, 一部分给建滔甲醇配脱碳气, 流量及组分Q-m1* (CHn-m1-CHn-x) / (CHn-t-CHn-x) , 和直供建滔甲醇流量及组分混合, 满足供给建滔甲醇的组分要求, 供气量及组分Q-m1, CHn-m1, 一部分给化肥二部配脱碳气, 给化肥二部配脱碳气, 流量及组分Q-c2* (CHn-c2-CHn-x) / (CHn-tCHn-x) , 满足供给化肥一部的组分要求, 供给化肥二部供气量及组分Q-c2, CHn-c2, 剩余部分供给管输一路供气量及组分Q-g, CHn-t和供给化肥一部供气量及组分Q-c1, CHn-t。
根据以上配比关系和约束条件, 利用Excel的强大迭代计算功能, 编制了东方-乐东气田联网配产和终端联合配气方案计算程序。该程序在给定单井油嘴的条件下, 可对应调整出满足各用户组分需求的最佳供气量, 在确定下游各用户用气需求的条件下, 也可以指导上游气田合理配产, 即只需要根据实际可能的生产情况调整黄色区域数值, 即可快速计算各节点配比气量和配产是否合理, 指导东方终端关键流程的流量控制, 操作简单快捷, 而且每一种预测的生产状态可以保存下来, 和实际生产情况进行核实。
3 应用
东方-乐东气田联网配产和终端联合配气方案计算程序, 在三个气田生产和供气的实际操作上得到广泛应用, 特别是在气田和下游每年大修或部分装置非计划停产期间得到充分应用。利用东方-乐东气田联网配产和终端联合配气方案计算程序, 实现了:
(1) 东方-乐东气田的科学合理配产;
(2) 东方终端优化配气;
(3) 配产和配气一体化管理;
(4) 充分发挥气田关键设备处理能力, 减少终端脱碳量, 实现供气量最大化;
(5) 已经作为东方终端生产模拟软件配气辅助系统的核心模块, 实现对中控技术人员及现场操作员的技能考核。
4 结束语
东方-乐东气田天然气组分复杂, 两个气田联合开发, 给下游不同用户供气。通过东方-乐东气田联网配产和终端联合配气方案计算程序的应用, 实现了产、供双方的快速合理调配, 确保了上、下游重要设备装置的稳定运行, 对指导现实中类似情况下的天然气开发具有非常重要的参考和利用价值。
摘要：东方1-1气田和乐东22-1/15-1气田联合开发给下游供气, 三个气田单井产能、组分差异较大, 通过海管在东方终端汇合后, 进生产流程进行处理和部分天然气脱碳, 给下游五大用户供气, 下游五大用户用气量和组分需求差异。通过联网配产和联合配气, 对单井进行科学、合理的配产, 得到所需混合天然气产量及组分, 在东方终端优化乐东、东方部分天然气交错配气, 在脱碳装置允许范围内最大量脱碳, 实现高碳井产能最大量释放、联合供气量最大化, 满足不同用户对供气量和供气组分含量的不同需求, 为气田现场生产和调配提供一种快捷、简单的操作程序。
关键词：天然气,产量,组分,配产,联合配气,流量守恒,计算程序
参考文献
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联合配气 篇2
隔爆型电气设备是易燃易爆危险场所最常用的防爆设备。GB 3836.2-2010《爆炸性环境第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》规定了I类矿用环境和II类爆炸性气体环境隔爆型设备的防爆试验要求;最新的GB12476.5-2013《可燃性粉尘环境用电气设备第5部分:外壳保护型“t D”》规定了III类可燃性粉尘环境外壳保型设备的防爆试验要求;GB25286.3-2010《爆炸性环境用非电气设备第3部分:隔爆外壳型d》规定了非电气隔爆设备的防爆试验要求。其主要是通过外壳耐压试验和内部的点燃不传爆试验判定其外壳强度和隔爆结合面间隙参数是否合格[1,2,3,4]。爆炸试验装置主要包括防爆试验罐和配气控制系统两大部分,试验时需要在隔爆罐、被试样品中充满符合标准要求的可燃性混合气体。不同防爆级别的设备,需要不同成分和浓度爆炸性混合气体(GB3836.2-2010第15条)。配气系统的核心是配制出符合标准浓度要求的试验气体,配气精度和试验测试时间是爆炸试验装置的关键指标之一。本文拟按照GB3836.2-2010防爆试验所规定的要求,设计并研制一套基于分压配气和流量配气的隔爆型设备爆炸试验控制系统。
1 配气系统原理
根据GB 3836.2-2010规定,爆炸试验所需爆炸性气体混合物如表1所示[1,2]。
在过压试验中,Ⅰ类设备需要(9.8±0.5)%的甲烷;ⅡA类设备需要(4.6±0.3)%的丙烷;ⅡB类设备需要(8±0.5)%的乙烯;ⅡC类设备需要(14±0.5)%的乙炔或者(31±1)%的氢气。而在不传爆试验中,Ⅰ类设备需要(12.5±0.5)%甲烷-氢气[(58±1)%的甲烷和(42±1)%的氢气];Ⅱ类设备需要6种不同浓度的氢气和一种乙炔混合气。由此可知,配气系统需要配出10种不同种类和浓度的混合气体,加上空气共6种气源。因此,配气系统要准确、高效、经济。目前配气方法有分压配气法和流量配气法2种。
1.1 分压配气原理
分压配气的原理是通过压力传感器实时测量隔爆罐中的压力,抽真空后,按照成分比等于压力比的规律,按标准成分要求分别充入相应的气体。影响分压配气精度的主要因素是压力传感器的精度、阀门和管路系统的密封性。分压配气由于要求样品和隔爆罐内的气体成分一致,需要配置一台混气泵,把样机和隔爆试验罐内的气体充分混合,适用于传爆试验,这样不仅配气速度快,而且不浪费气体。分压配气示意图如图1所示。
1.2 流量配气原理
流量配气的关键技术是控制配比误差,并使气体混合均匀,气体混合均匀由混合器的结构保证。本系统流量配气采用多路同步稳压,分别调节空气和可燃气阀门开启度来配气,在质量流量控制器(MFC)的前后端分别加减压阀和背压阀,质量流量控制器内部有智能芯片,依靠流量传感器实时监测流量,使用PID控制方法控制调节阀,它可自动消除系统控制静差,而且系统稳定,不会振荡[5]。流量配气原理图如图2所示。
流量配气法将配置好的气体混合后直接注入样机或者隔爆罐中,适合用在耐爆试验中,试验速度快,节省用气。另外流量配气用在Ⅰ类的不传爆试验中,依靠质量流量控制器本身的精确度,可避免因氢气传感器、甲烷传感器和氧气传感器之间的交叉干扰而影响配气精度的问题。
质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量调节阀门和放大控制器等部分组成。气体流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理,测量气体的质量流量(无需温度压力补偿)。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大,放大后的流量检测电压与设定电压进行比较,再将差值信号放大后控制调节阀门,以闭环控制的方式控制流过通道的流量,使之与设定的流量相等。分流器决定主通道的流量。与质量流量控制器配套的流量显示仪配置稳压电源、数字电压表、设定电位器、外设、内设转换和三位阀控开关等。
1.3 配气验证
不管是分压配气还是流量配气,气体的配比效果需要通过传感器来检测。系统通过检测含氧量和氢气的浓度来检验所配气体的浓度是否符合要求。根据标准的规定,在Ⅰ类设备的内部点燃不传爆试验中需要甲烷、氢气和空气,这是气体类型最多的一种混合气体,即三元配气。根据阿伏伽德罗定律,配气过程中可以根据体积比等于压力比的关系,分步骤依次加入所配气体组分;或者通过体积比等于摩尔数比,分步测量氧气含量;或者在三元配气中同步测量含氧量和氢气含量。因此,只需2个气体浓度传感器和1个压力传感器就可满足要求。
系统所配的气体会受到各种因素的影响,比如:隔爆罐的真空度、传感器的测量误差、质量流量控制器的控制精度等,因此,气体浓度是否符合标准中规定的要求还需要气相色谱仪做鉴定。鉴定周期一般为15天。
2 配气控制系统
配气控制系统结构图如图3所示。控制器通过压电传感器经电荷放大器获取压力信号;通过氧气、氢气浓度传感器获取混合气体组分含量信号;控制电磁阀开、关管路气体回路;控制隔爆罐中试验样品的火花塞点火;通过总线接口与质量流量控制器通信,设定并实时监测管路流量。
2.1 分压配气法控制
根据气体的性质,气体总是充满有限的空间,混合气体的总压力等于各组成成分的分压力之和。在充气时按照试验参考压力的要求确定总压力,先向防爆罐和样机中充入计算好压力的可燃气,再充入空气至参考压力。
分压控制的简略图如图4所示。
打开12QF、13QF,关闭6QF、7QF、8QF、9QF、11QF,启动真空泵,差压变送器实时监测罐内压力,罐内压力接近-0.1 MPa时停止抽真空,关闭13QF,打开6QF、7QF、8QF、9QF、11QF;打开1QF,往罐内注入可燃气体,至压力达到其分压值;打开3QF,再充入空气至常压或预压值;充气过程完成后关闭1QF、3QF、4QF,启动混气泵使样机内的气体和防爆试验罐内的气体成分一致;最后打开10QF,启动采样泵可以分别测量罐内含氧量和可燃气体浓度并验证配气浓度的准确性。其中,4 QF是流量配气的入口。
如果配制的气体在检验后,浓度符合要求,根据GB 3836.2-2010第15.1、15.2条,可以进行耐压试验和内部点燃的不传爆试验。试验根据设备的类别和气体的种类不同,进行的试验次数和试验气体的浓度如表1所示。
2.2 流量配气法控制
流量配气实际安装的管路如图5所示。该系统配置4个质量流量控制器,通过采用不同的开启方式实现2元或3元气体的配比。剩余一路作为冗余配置或者作为特殊气体的防爆试验,避免调整常用气体试验用质量流量控制器的参数调整。
实现流量配气主要设备包括:截止阀、过滤器、稳压阀、电磁阀、流量控制器、单向阀、气体混合器、背压阀等。为节约资源,该配气为自动配气方式,Φ1.0 m×1.6 m罐采用最大流量200 L/min的空气MFC、50 L/min的氢气MFC、30 L/min的氢气MFC,混合可燃气体最大流量:约为300 L/min,也可以自由调整配气总流量。气体稳流采用减压阀稳压装置。独特设计的气体混合装置,使气体充分混合均匀。
质量流量控制器内部自带流量传感器和阀控执行器以及智能芯片,通过RS485现场总线,设定或读取流量参数。流量传感器获取的信号经过滤波、差分和线性化处理,内部控制器将测定值和设定值比较输出给PID控制器控制比例电磁控制阀。
试验根据设备的类别和气体的种类不同,进行的试验次数和试验气体的浓度如表1所示。
3 试验结果及分析
应用本装置在实验室进行分压配气试验和流量配气试验,试验结果用气相色谱仪分析,结果见表2。
根据表2的试验数据,可以得出:该装置在可靠性、精确性、稳定性和重复性方面均满足防爆试验所规定的技术要求。
4 结语
配气机构常见故障分析与排除 篇3
(1) 现象
气门烧损前后发动机外部表现比较明显。轻微烧损时, 发动机冒黑烟, 着火声音不好。严重烧损时, 发动机冒白烟, 此时, 若进气门烧损时, 吸气管过热, 有烫手的感觉。
(2) 原因
(1) 机油压力低, 气门润滑不到位则气门犯卡, 使得气门密封不严、漏气, 或气门间隙太小, 造成热车时气门关闭不严, 燃烧后的高温气体从缝隙中窜出来, 时间长了使气门烧损。
(2) 气门头部积碳多, 使得气门密封不严、漏气。杆部积碳多, 使气门运动不灵活, 造成烧损。
(3) 供油时间太晚, 或供油量过大, 排气时还在燃烧, 使排气门烧损。
(4) 拖拉机长时间超负荷作业, 由于供油多燃烧不完全, 火焰通过气门时烧蚀气门。
(5) 减压机构调整不当, 减压手柄弹簧弹力减弱或折断, 从而使减压装置在工作中自行变位到减压位置, 造成烧蚀气门。
(3) 检查及排除方法
为了防止气门烧损, 必须按使用说明书要求正确调整气门间隙, 以保证气门工作时开启正常。检修时, 应细致检查配气机构, 检查气门弹簧弹力、气门杆与气门导管的配合间隙、气门和气门座的磨损情况, 不合标准的应修复或更新。按规定标准调整喷油泵的供油量及供油时间, 不得使油量过大, 不得长期超负荷作业。
2. 气门座磨损
(1) 现象
气门座工作面的严重磨损, 造成气门下陷, 降低压缩比, 使发动机启动困难, 功率下降。
(2) 原因
气门座工作条件恶劣, 排气门座不断受到高温、高压燃烧气体的冲刷, 进气门座受空气中沙粉和尘土的磨损, 发动机燃烧不良, 气门与气门座之间会产生大量积碳或气门间隙过小, 气门与气门座配合不严密造成烧气门和气门座。
(3) 检查及排除方法
气门座有轻微磨损或烧蚀, 以及气门座密封环带过宽或烧蚀严重时, 可采用手工研磨法和铰削法进行修理, 以恢复其密封性。当气门座因磨损而使气门下陷量达到2.5 mm时, 需要更换新件。
3. 气门弹簧弹性减弱或折断
(1) 现象
气门弹簧由于长期在高速的情况下工作, 负荷很大, 金属疲劳, 使弹簧失去原有弹性和自由长度, 甚至折断。当气门弹簧弹性减弱后, 气门关闭不严, 有轻微的敲击声, 发动机压缩不良, 启动困难, 功率下降。
(2) 原因
(1) 气门弹簧长期在高速下工作, 金属材料疲劳折断或弹性减弱。
(2) 发动机转速突然变化, 如频繁而突然地增大和减小油门或发动机“飞车”等, 使气门弹簧压缩和伸长的频率突然猛增, 疲劳折断。柴油发动机轰油门的习惯是极有害的。
(3) 气门弹簧长期处于高温下工作, 或因配气机构润滑油路堵塞、润滑不良, 高温使气门弹簧退火, 弹力减弱。
(4) 气门弹簧材质不好, 热处理不当, 过软弹力不足;过硬引起折断。
(3) 检查及排除方法
有条件的在弹力试验器上将弹簧压缩到一定高度时检查弹力。
另外也可以将两根弹簧串联在同一根螺栓上, 中间用铁片隔开。用螺母拧紧, 若旧弹簧先被压缩, 则表示此根弹簧弹力不足, 应更换。
4. 气门摇臂磨损或折断
(1) 现象
摇臂头因使用时间过长和缺油润滑都会发生磨损。磨损之后, 气门间隙增大, 气门实际开启时间缩短, 气缸内的进气量减少, 发动机工作不正常。
(2) 原因
气门杆与气门导管的间隙较小, 工作中由于高温、润滑条件差以及积碳等, 可能发生卡死, 有时因飞轮等原因, 将引起摇臂折断, 无法控制气门开启, 发动机即自行灭火。
(3) 检查及排除方法
当气门杆卡死, 可注汽油或柴油浸入导管内, 用手锤轻轻敲击气门杆端头, 促使气门活动。变形的推杆必须拆下放在平板上, 用手锤敲击整形笔直后仍可使用, 折断的摇臂应及时更换。
5. 气门折断
(1) 现象
有些小型拖拉机, 由于机手使用维修不当, 常常发生排气门折断, 造成打烂缸盖、活塞的事故。
(2) 原因
(1) 由于摇臂头磨成凹坑, 使气门与导管严重偏磨, 造成气门杆与导管两端接触, 甚至有卡滞现象, 气门弹簧弹力减弱后, 不能使气门及时复位, 要借助活塞上行的推力才能复位。由于此时气门倾斜于活塞平面, 使气门受到一个弯曲力的作用。
(2) 由于排气门硬度高, 韧性小, 抗弯曲变形的能力小, 在焊接处的韧性小, 所以弯曲力稍大, 气门很容易从焊接处折断。
(3) 预防与排除方法
配气机构动力学仿真分析 篇4
本文利用TYCON分析软件建立了某配气机构动力学分析模型, 对其动态特性进行了数值仿真。
1 动力学建模
1.1 仿真模型的主要参数
如下表1
1.2 T ycon模型
发动机配气机构是四气门机构, 由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门桥、气阀、气门弹簧及弹簧锁夹、气门座等部分组成。根据发动机配气机构实体结构及零部件布置情况, 在TYCON中建立该发动机单个气缸的配气机构计算模型, 包括进、排气部分动力学模型, 动力学模型如图1所示。进、排气部分动力学所建模型相同, 只是在参数的输入上有所不同。
1.3 参数设置
配气机构计算模型需要设置的参数包括结构参数, 边界条件 (初始条件及边界条件) , 还有单元的刚度、质量及阻尼等参数。结构参数由图纸即可查到。边界条件由发动机的特性获得。刚度、质量等参数需要通过三维模型及有限元软件分析获得, 也可以通过实测方法获得。阻尼参数一般根据TYCON软件参数推荐值选取。这里相关单元质量及刚度参数通过三维模型及有限元软件分析获得的。
2 动力学仿真分析
2.1 评价准则
对于配气机构动力学所反映的动态性能, 凸轮接触应力和气门落座是两个重要的评价指标:
1) 凸轮接触应力。对于配气机构来说, 在额定转速以内不应使配气机构发生飞脱, 在发动机超速范围内, 适度的飞脱是允许的, 但飞脱的持续期应比较小, 并且不能造成很大的冲击。
2) 气门反跳和气门落座速度。对气门的动态升程来说, 在额定转速范围内不应发生气门反跳, 在发动机超速范围内, 仅允许适度的气门反跳。气门的落座力及落座速度值应该在可以接受的范围内, 由于落座力受气门座圈刚度和气门头部刚度的影响很大, 而这两个数值又不容易精确确定, 因此, 气门落座速度是比较可靠的评价指标。
2.2 进、排气部分动力学仿真结果分析
2.2.1 进气部分动力学分析
由图2可以看出, 气门落座力曲线可以看出, 气门落座力最大为665.482 N, 而气门弹簧预紧力为297.3 N, 气门落座力小于6倍弹簧预紧力。从曲线上可以看出气门没有发生飞脱和反跳现象。
由图3可以看出, 气门弹簧力曲线可以发现弹簧无并圈现象。
由图4可以看出, 凸轮与挺柱间接触应力曲线看出, 接触应力处于较高值工作区间较宽, 这样加剧凸轮与挺柱间磨损, 应该针对降低凸轮与挺柱接触应力进行进气凸轮型线优化设计。
2.2.2 排气部分动力学分析
由图5可以看出, 气门落座力曲线可以看出, 排气门落座力略有偏大, 但还是在允许的范围之内。
由图6可以看出, 气门弹簧力曲线可以发现弹簧无并圈现象。
由图7可以看出, 在整个凸轮型线工作范围内凸轮和挺柱间接触应力变化趋势, 最大接触应力没有超过允许的接触应力范围, 但接触应力大部分工作区间处于较高的范围, 这样会加剧凸轮与挺柱的磨损, 需要改进凸轮型线设计来解决。
3 结论
通过建立进、排气部分动力学模型, 进行动力学仿真计算和分析, 可以明确进气机构工作状况, 针对这些问题, 将通过改进进、排气凸轮型线设计来优化。
摘要：以某柴油机配气机构为例, 利用AVLTycon软件建立了该配气机构的动力学模型, 采用理论计算和仿真分析的方法确定了配气机构动力学模型的主要参数, 并对其动态特性进行了仿真分析, 得到了该配气机构存在的问题, 为配气机构动态性能的评价和下一步优化提供了依据。
关键词：AVLTycon,动力学,仿真分析
参考文献
[1]尚汉冀.内燃机配气凸轮机构———设计与计算.上海:复旦大学山版社, 1988.
[2]吕林, 王勇波.车用发动机配气机构运动学与动力学分析[J], 武汉理工大学学报.交通科学与工程版, 2006.
[3]张晓蓉, 朱才朝, 吴佳芸.内燃机配气机构系统动力学分析[J].重庆大学学报, 2008.
多目标气举系统优化配气方法 篇5
如何将有限的高压气体分注到各井中, 并得到较高的产量, 一直是油田开发者追求的目标。
1.1 目标函数的确定
连续气举系统优化配气的问题, 系统内各井的注入气量和产出油量的关系可能各不相同, 但都可以用一元二次函数描述, 即可表示为:
式中, ai, bi, ci为由第i口井实际关系曲线拟合得到的系数。习惯上称 (式1) 为气举动态曲线方程。
则系统中总的产油量Q (m3/d) 为
在计算气举井的经济效益时, 既要考虑生产原油的获利, 还要计及注气费用。系统的总利润P (元/d) 可以表示为:
1.2 约束条件
系统内分配给各井的总注入气量Gi (m3/d) 不能超过可用气量G, 即
对于气举井, 由方程 (2-5) 可知, 当第i口井的注入气量达到 时, 该井的产油量也将达到最大, 分配给该井的气量qg (i) 不应超过q*gi, 即
此外, 根据实际情况应有:
(3) 优化配气模型
要求连续气举系统同时达到产量高和经济效益好的优化配气模型可以表示为:
2 优化配气模型的求解
本文选用评价函数法中的线性加权和法进行。当以产油量达到最大为目标函数时, 对应权系数为ω1, 当以经济效益最好为目标函数时, 对应权系数为ω2, 而且要求权系数满足:
经过这归一化处理后, 线性加权后的数值目标函数可记为:
将 (式5) 式代入 (式16) 式, 则
约束条件仍沿用 (式8) 式。
显然, 由 (式11) 式和 (式8) 式组成的多目标优化问题, 是一个带不等式约束的二次规划问题。
在给定权重ω1, ω2后, 采用K u h nTu c k e r方法, 求出问题 (式11) 的解, 在求出系统的优化配气量qg (i) , (i=1, 2, …n) 后, 进而可求得给定条件下优化配气的系统的日产油量Q。和系统的经济效益P。
3 优化配气实例
以井组气举系统为例, 进行优化配气计算。同时, 取po=850元/m3, pg=350元/103m3。拟合方程中, qo以m3/d、qg以1000m3/d计。
由 (式2) 式和 (式3) 式易知, 当系统以产油量为单一目标 (即ω1=1, ω2=0) , 产油量最大时, 所需的总气量为
当系统以经济效益为单一目标 (即ω1=0, ω2=1) , 效益最大时, 所需的总气量为:
当G
当G>Gp m a x时, 气量增加, 产量也有所增加, 但增加产量所得利润要小于增加气量所需的费用。在这种情况下, 可根据产量和经济效益目标的完成情况, 合理确定权系数, 分配各井的注入气量 (见表1) 。
4 现场应用效果
2012年3月至10月, 应用多目标气举系统优化配气方法, 根据优化配气结果进行气举井生产调整措施:
(1) 实施间歇气举8口井, 日节约注气量3.27×104m3/d, 累计节气248.5×104m3。
(2) 对32口井进行注气量优化, 累计增油2104.2t, 节气305.6×104m3/d。
(3) 利用节约的注气量新转气举井7口, 平均日增液18.8t/d, 日增油12.4t/d, 累计增油719.2t。
合计增油2823.4t, 节气554.1t, 创产值407.2万元。
参考文献
[1]张柏年译.举升法采油工艺 (卷二·上册) . (美) Brown k E.The technology of artifical lift methods, volume2a.北京石油工业出版社, 1987:159-167
汽车发动机的配气机构 篇6
配气机构作为发动机的两大机构之一, 可以按照发动机气缸内所进行的工作循环和发火次序, 定时开启和关闭各气缸的进排气门, 使新鲜充足的空气及时进入气缸, 废气可以及时地排出气缸, 同时在压缩与做功行程中, 保证燃烧室的密封[1]。配气机构是发动机各缸燃料燃烧做功的保证。
2 配气机构的分类
配气机构按照凸轮轴位置的不同可以分为下置式、中置式和上置式。凸轮轴下置式配气机构的凸轮轴与曲轴距离近, 可以只用一对齿轮传动。但是由于传动距离长、传动零件多, 导致配气机构的刚度差、噪音大。凸轮轴中置式配气机构没有推杆, 使机构的刚度增大, 所以经常在转速较高的发动机上使用。凸轮轴上置式配气机构由于其传动链短, 整个机构的刚度大, 所以最适合在高速发动机上使用。配气机构按照气门的驱动形式还可以分为摇臂式、摆臂式和直接式。
3 气门组和气门传动组的基本组成和功用
气门组主要由气门、气门弹簧座、气门弹簧、气门导管、气门油封和气门锁夹等组成。
气门的工作环境极其恶劣, 排气门的温度可达850℃, 进气门由于新进入的空气散热作用, 温度也可以达到450℃。进排气门由于周期性的开闭, 在惯性力的作用下, 使其受到周期性的冲击。并且进排气门长期与腐蚀性气体接触, 润滑条件不佳。这些因素使得对进排气门的材料选择变得极为严苛。通常我们要选择耐高温、耐腐蚀、耐冲击且导热性能优越的材料, 如铬刚、硅铬钢、21-4N奥氏体刚等[2]。气门顶面有平顶、凸顶和凹顶等形状。平顶制造容易, 凹顶用作进气门可以起到减少空气阻力的作用, 而凸顶由于其头部刚度大, 排气阻力小, 所以可用于排气门。凸顶式和凹顶式气门的制造都较为困难, 且受热面积大, 材料要求更高, 成本较大。气门与气门座圈之间通常有一锥面, 起到密封的作用, 而气门锥面与气门顶面的夹角就是气门锥角, 气门锥角45°有和30°可供选择。气门锥角较小时, 气门的进气阻力小, 可以增大进气效率, 但是由于其边缘部分较薄, 刚度差, 所以容易变形漏气。通常选择的气门锥角为45°。气门头部的热量一部分通过气门座圈传递给汽缸盖, 而另一部分通过气门杆和气门导管传给汽缸盖。为了增强散热、防止漏气, 气门和气门座圈要经研磨后紧密贴合, 气门头部和气门杆过渡部分不能有突兀。有些发动机的气门杆是中空的, 中间填入钠等金属物质, 利用钠的融化和凝固作用增强气门的传热能力。这种充钠的气门成本较高, 但是传热效果好, 常在风冷发动机等散热条件不好的情况下使用。
发动机每个汽缸一般有一个进气门和一个排气门, 由于进气阻力对发动机性能的影响比排气阻力大, 所以通常使进气门头部的直径比排气门大。现代高性能汽车普遍采用多气门发动机, 每个汽缸的气门数可达到五个。减少了进排气阻力, 但是结构复杂, 成本高。
气门弹簧保证了气门关闭时气门座圈和气门能紧密贴合、气门开启时传动件一直受到凸轮的控制。气门弹簧应该有合适的刚度和足够的抗疲劳强度。气门弹簧的材料通常选用用优质冷拔弹簧钢丝, 弹簧表面需要经过热处理[2]。由于气门弹簧经常做周期运动, 当其工作频率与其固有频率相等时, 气门弹簧会发生共振。所以在选用弹簧时应该有所侧重, 比如选用双气门弹簧, 两个弹簧可以起到相互减震的作用且当一个弹簧不能工作时, 另一个弹簧仍能使气门正常工作。注意两弹簧的旋向应该相反, 防止一个弹簧折断后卡入另一个弹簧内, 使整个机构不能运作。除了采用双气门弹簧防止共振外, 还可以采用锥形气门弹簧、变螺距气门弹簧等方法预防共振的发生。
气门传动组一般由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂或摆臂等组成。
凸轮轴承受周期性的载荷作用。其表明磨损也较为严重, 所以在设计和制造时应该保证其表面粗糙度较小、刚度较大、润滑良好、耐磨性能优越。通常选用合金钢或者优质碳钢制造凸轮轴。曲轴驱动凸轮轴运动, 由于要求有固定的传动比, 所以其传动机构通常为齿轮式、链条式或者齿形带式。齿轮式传动机构用于凸轮轴下置式的传动, 即传动距离较短时使用。链条式和齿形带式传动机构在传动距离较长时使用, 其中齿形带式传动机构的工作噪声小、质量轻、不要润滑、成本较低, 所以在越来越多的汽车上使用。挺柱是用来传递运动的中间部件。其底部与凸轮接触, 工作应力较大, 所以挺柱的工作表明需要耐磨耐压。挺柱可以分为机械挺柱和液力挺柱。其中液力挺柱使气门间隙为零, 减少了因为气门间隙所产生的冲击和噪声, 提高了配气机构的使用寿命。但是其结构复杂、成本很高, 磨损之后只能更换。
4 配气定时
以曲轴的转角为刻度, 描述进排气门开闭时刻及其持续时间就是配气定时。
从进气门打开到上止点过程中曲轴转过的角度叫做进气提前角。记作α;从进气下止点到进气门关闭曲轴转过的角度叫做进气迟后角, 记作β。一般取α小于60°, β在35°和80°之间。提早进气是未了减少进气阻力, 使得后续进气容易, 进气门迟闭是为了增大进气量。从排气门开启到活塞运动到下止点曲轴转过的角度叫做排气提起角, 用γ表示, 从活塞运动到上指点到排气门关闭曲轴转过的角度叫做排气迟后角, 用δ表示。排气门早开可以使得大量废气快速排出。排气门晚关可以使排气更加彻底。整个过程如上图所示[2]。在发动机的设计中, 可以通过调节配气定时改善其性能, 所以现在某些汽车的发动机已经使用可变的配气定时机构。
5 气门间隙
在冷态下, 进气门间隙一般为0.25~0.30mm, 排气门间隙一般为0.30~0.35mm, 不同发动机的气门间隙一般不同。气门间隙过小, 在发动机工作时传动件受热膨胀导致漏气, 使发动机的有效功率降低;气门间隙过大, 导致传动零件之间以及气门和气门座圈之间相互撞击, 使配气机构的平稳性下降, 噪音增加, 配气机构的寿命降低[3]。所以气门间隙应该维持在一个适当的水平, 一般在发动机出厂前发动机制造公司会根据实验来确定合适的气门间隙。
6 结束语
发动机配气机构结构复杂、零件工作情况恶劣、热处理要求高。实现发动机配气机构精确控制的难度大且对零件制造水平的要求高, 凸轮的设计和使用对配气机构的控制有着重要影响。发动机的配气机构是实现发动机高效工作的必要保证。同时, 现在为保护环境, 对发动机的排放要求越来越严格, 配气机构设计不好, 容易引起燃料的不完全燃烧, 导致汽车尾气排放不达标。理解发动机配气机构的工作原理, 对发动机配气机构的优化设计有着重要作用。
摘要：汽车发动机是汽车的心脏, 而发动机的配气机构是保证理想混合气形成的必要机构, 是汽车发动机高效工作的保障。合理的配气机构可以使燃油达到最佳利用率, 可以让汽车的动力性能大大提高。文章主要通过介绍汽车发动机配气机构的基本结构, 阐述汽车发动机配气机构的工作原理。
关键词：气门组,气门传动组,气门间隙
参考文献
[1]杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版社, 1986.
[2]姚为民.汽车构造[M].北京:人民交通出版社, 2013.
试论配气系统设计相关关键技术 篇7
国内燃气事业的蓬勃发展, 城市建设的突飞猛进, 以及我国经济技术和消费水平的不断提高, 城镇及广大农村 (以液化石油气为主) 的燃气化水平不断普及推广, 导致燃气用具的需求量日益扩大。而城市燃气的多样性又给燃具生产厂生产适合各地区使用的合格灶具以及燃气行业主管部门实施有效监督带来困难。因此, 从规范、安全生产的角度来说, 燃具生产厂建立燃气配气实验室是完全必要的, 本文主要讨论了配气系统设计相关关键技术, 对于燃具生产厂来说具有一定意义。
一、配气系统国内外发展现状
配气系统可以从不同的角度进行分类, 按计量方式可以分为重量法、体积法、压力法等。重量法精度最高, 但通常只用于静态系统配制少量的标准气;压力法通常也只用于静态系统, 装置简单, 但受气体温度、压力影响, 若不加多次修正, 精度比较低。上述两种静态配气方式均可通过多次修正制出高精度燃气。但由于其配制气量少, 配制时间长, 因此只适用于标准气及少量实验用气。
动态配气系统配制速度快, 气量可以随需要而定, 但从国外引进的几套动态配气系统看, 均存在配制精度低的问题。这种类型的典型系统可见于沈阳、广州的热水器生产厂及北京煤气用具厂, 其配气方式均为以转子流量计为流速指示;以标准压力表进行压力监视, 用手动调节阀来调节各成份气的流速, 以控制箱来控制其同时启动、停止及缓冲器阀门切换以及超压、欠压报警。配气的原料气均为单一成份气, 一般为五种成份:N2, H2, CH4, C3H8, C4H10。由于国内单一成分气供应少, 价格高, 因此这种系统使用局限性大, 往往不能充分使用。上述系统均自日本引进, 代表日本工业测试用气的一般水平。日本较先进的配气系统可见有关参考资料, 该系统仍以单一成份气为原料气, 配制过程由电脑控制, 并采取后控方式对配制气进行调整。
在西欧, 由于气源种类比较单一, 往往配气系统可以简化, 但其计量多以转子流量计为主, 以法国为例, 其配制过程由电脑控制调节阀来进行, 同样采取后控方式, 通过在线的测试仪器提供修正数据, 对配制比例进行调整。
二、配气系统设计
1、系统工作原理
本配气系统中, 两套配气装置、贮气装置是相互独立工作, 是由一套测控系统协调控制。三组份气体按一定比例通过各自配气装置的三路进气管道进入自身的配气罐中, 当配气结束后, 再分别送入独立的贮气罐中, 经过防回火装置安全隔离, 供用户使用。当贮气罐中的置换气快用完时, 触发行程开关启动下一次配气工作, 实现连续式配气。在配气过程中, 压力信号、行程开关信号的采集, 电磁阀、电-气比例阀的控制是由数据采集卡和前端处理电路、驱动电路以及一套软件协调实现。本系统共有五路压力信号、六路行程开关信号、八路电磁阀开关信号和六路比例阀模拟信号。
2、系统硬件设计
系统采用研华公司的IPC-6805工业机箱, 系统硬件由具有高分辨率A/D的多功能数据采集卡PCI-1716、端子板PCLD-789D、电磁阀驱动电路、信号隔离电路、高精度压力变送器、电磁阀、气控阀、高精度电-气比例压力阀、行程开关等组成。
信号隔离电路不仅提高压力信号抗干扰能力, 而且提高系统的安全可靠性;电磁阀驱动电路作用是提高数据采集卡I/O驱动电磁阀的能力;模拟开关用来切换控制比例阀的D/A通道。
3、系统软件功能结构
本系统软件设计采用的是C++Builder 6.0, 它不仅具有强大的图形界面开发功能, 而且简单易用、稳定可靠。系统软件包括数据库管理模块、图形化显示模块、数据处理模块、数据采集控制模块、异常监测模块、密码保护模块。
数据库管理模块主要实现配气参数的保存、查询等功能;图形化显示模块主要实现配气装置运行状况的形象显示的功能, 便于配气操作人员的监测;数据处理模块主要实现气体参数的迭代计算和对采集数据的数字滤波算法的功能;数据采集控制模块主要实现压力信号、行程开关信号的采集和电磁阀、比例阀的控制功能;异常监测模块主要实现气源压力的监测功能, 因为气源压力既不能高于某一数值, 过高会引起爆炸危险, 也不能低于某一数值, 过低则无法配气。
结语
当前部分小企业甚至还使用手工配气方式的配气系统, 操作繁琐、效率极低。部分大企业使用的自动配气系统, 虽然提高了自动化程度, 但是所配制的置换气的精度很难满足要求。特别是企业要求的配气量大、精度高的自动配气系统, 目前市场上还很难有符合要求的。针对这些问题, 于是本文研究了自动配气设计的相关关键技术。该系统集检测技术、现代工业控制技术、传感技术和电子测量技术为一体, 综合运用了机、电、气及计算机技术, 为企业、检测站解决了相应问题。
摘要：目前我国燃气事业发展很快, 各种燃气用具也增长很快, 但是对于配器系统设计还存在一定问题, 因此, 本文对于配气系统设计相关关键技术进行探讨, 对于进一步深化我国燃气器具发展具有一定帮助。