环流系统

环流系统（共12篇）

环流系统 篇1

错位无环流直流可逆调速系统是直流可逆调速系统中的一种控制方式, 采用错位控制, 消除静态环流, 并在调速系统中采用转速环、电流环和电压内环三闭环的结构。其中, 电压内环的作用非常重要: (1) 缩小电压调节死区, 提高切换的快速性; (2) 防止动态环流, 保证电流安全换向; (3) 抑制各种非线性因素对系统动态品质的不利影响[1]。本文采用Simulink和PowerSystem工具箱, 介绍如何实现错位无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。

1 错位无环流直流可逆调速系统的建模

大多传统的错位无环流直流可逆调速系统的计算机仿真是用传递函数结构图的方法来完成的, 各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的, 像系统的电压和电流的含有谐波分量的细节容易被忽略[2,3]。而PowerSystem工具箱提供了利用较为准确物理模型, 使电气控制系统的计算机仿真成为可能。

1.1 三闭环错位无环流直流可逆调速系统的工作原理

直流电动机可逆调速无环流分为两类: (1) 逻辑无环流可逆调速系统。 (2) 错位无环流可逆调速系统。在逻辑无环流控制系统中, 需要设置一个复杂的逻辑控制器 (DLC) , 使得当一组工作时开放一组触发脉冲, 封锁另一组触发脉冲。在转换过程中有一定的延时, 这样使得正反过程减慢。而采用错位无环流可逆调速, 仅仅使触发脉冲相位角的错开来实现无环流。两组同时施加触发脉冲, 脉冲的相位角错开较远。两组脉冲初始触发相位角整定在αf0+αr0=300°或360°, 也就是说, 初始触发相位角αf0=αr0=150°或180°。因而, 当待逆变组的触发脉冲到来时, 它的晶闸管一直处在反向阻断状态, 不可能导通, 当然就不会产生瞬时脉动环流了[4]。三闭环错位无环流可逆调速系统电气原理图如图1所示。

1.2 三闭环错位无环流直流可逆调速系统的模型结构

组成三闭环错位无环流直流可逆调速系统的主要子模块包括:主电路模块和控制电路模块两大部分。1.主电路模块:直流电动机、三相交流电源、整流变压器、正、反并联的晶闸管三相全控整流桥;2.控制电路模块:同步电源与6脉冲触发器、速度调节器 (ASR) 、电流调节器 (ACR) 及电压调节器 (AVR) 、电压隔离器、电流变换器、速度变换器、倒相器、移相控制器[5,6]。调节器和移相控制器模块需要自己设计封装外, 其余均可从有关模块库中直接复制, 其参数根据实际电动机和系统的设计要求设定, 然后给予各模块配置。

1.3 系统模型参数的配置及模型的封装

电力系统工具箱以Simulink为运行环境, 它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成, 根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块, 添加到有关模块库中。MATLAB6.5以上版本还有附加模块库, 其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块。

1.3.1 主电路模块的建模和参数配置

三相交流电压源模块, 将模块标签改为A相、B相、C相;然后从连接器模块组中选取三块同样的Ground (output) 分别与三相电源连接起来, 参数配置:幅值取230 V, A相初始相位角为0°, 频率为50 Hz, B相配置成与A相相差120°, C相配置成与A相相差240°的初始相位。其他参数为默认值。

晶闸管整流桥的建模和参数配置:“Universal Bridge”模块, 参数配置为:桥臂数取3。A、B、C相交流电源接到整流桥的输入端。

Ld平波电抗器的建模与参数配置:“Series RLC Rranch”模块, 参数配置为:R取0;C取0;L取主电路计算的电感值69.3 mH。

电动机的建模和参数配置

“DC Machine”模块;励磁电源参数配置为230 V;电机参数:电枢电阻Ra=0.84 Ω;电枢电感La=5.6 mH;转动惯量J=3.2 kg·m;其它为元件默认值;电动机经TL端口接额定负载, 使直流电动机的输出参数为转速n、电枢电流Ia, 分别通过示波器模块观察仿真输出。

1.3.2 移相控制器的封装

触发器的控制角 (alpha_deg端) 通过了移相控制环节 (shifter) 。移相控制模块的输入是移相控制信号uct, 输出是控制角α。移相控制信号Uct max由常数模块设定, 移相特性的数学表达式为:

$\alpha =180°+\frac{\alpha {}_{\min }-180°}{U{}_{ct\text{m}\text{a}\text{x}}}u{}_{ct}$。

在本模型中取αmin=30, Uct max=10, 所以α=180°-15uct。

1.3.3 同步电源与6脉冲触发器的封装

6脉冲触发器需与三相线电压同步, 同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与6脉冲触发器封装后的作为一子系统[7]。

1.3.4 带内、外限幅的调节器的封装

仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。需要指出的是, 系统的调节器都是有饱和特性和带内、外输出限幅的PI调节器, 为了充分反映在饱和与限幅非线性影响下调速系统的工作情况, 需要构建考虑饱和与输出内、外限幅的PI调节器如图2。

过程如下:线性PI调节器的传递函数为:

$W{}_{{\rm P}{\rm I}}(s)={\rm K}{}_{{\rm P}}+\frac{1}{{\rm K}{}_{i}s}={\rm K}{}_{{\rm P}}\frac{1+\tau s}{\tau s}$。

式中KP为比例系数;Ki为积分系数;τ=Kp×Ki。如果是I调节器, 则使KP=0。考虑饱和与输出内、外限幅的PI调节器如图2所示。模型中比例和积分调节分为两个通道, 其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值, 而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。为了是系统模型更简洁, 利用了Simulink的打包功能 (Great Subsystem) 将调节器模型缩小为一个分支模块。转速调节器ASR, 电流调节器ACR, 电压调节器AVR及主要的控制电路封装为 (control subsystem) 子模块。

1.3.5 错位无环流直流可逆调速系统整流桥的建模与封装

错位无环流直流可逆调速系统两组整流桥的仿真模型和封装后的双反星联接整流桥模块如图3所示。反组整流桥输出侧增加了环流观测器, 以方便对系统工作状态的观测。

1.3.6 错位无环流直流可逆调速系统整体的建模

将封装后的双反星联接整流桥, 给定环节、ASR、ACR、AVR、直流电动机等一起可构成三环错位无环流直流可逆调速系统的仿真模型, 如图4所示。

2 三环错位无环流直流可逆调速系统仿真实例及分析

三环错位无环流直流可逆调速系统的仿真模型中, 交流电源 (ua、ub、uc) 两组反并联的整流器 (VF、VR) 和两组触发器 (Synchronized 6-Pulse Generator) 、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、电压调节器AVR、倒相器Gain、和移相控制器Shifter等模块组成。其中给定环节可以通过切换开关 (Manual Switch) 选择电动机转向, 在需要改变转向时, 双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。ASR、ACR和AVR由带输出限幅的调节器分支电路来完成。

2.1 系统主要环节的仿真参数

给定信号:有两个常数模块和手动切换开关组成, ASR 为PI调节器, 其中:KP=16.7, Ki=171.49;ACR 为PI调节器, 其中:KP=1.498, Ki=33.8;AVR 为I调节器, 其中:KP=0, Ki=250;速度反馈系数:αn=0.006 67;电流反馈系数:ai=0.381;电压反馈系数:av=0.045 45。

2.2 仿真分析

对图4三闭环错位无环流直流可逆调速系统进行仿真, 得到调速系统在幅值为10的正、负阶跃给定信号下, 转速、电枢电流以及系统环流观测的仿真波形, 如图5所示。

图5中电枢电流和电枢转速为相对值。从仿真曲线结果知, 当系统给定信号变极性时:①启动时输出转速超调量小, 速度曲线具有较好的过渡过程, 能够较理想的实现快速起动。②稳定时能够很好地跟随转速给定信号, 说明有较好的抗干扰能力;转速极性随着给定信号改变极性;③系统环流观测波形在系统运行过程中, 始终接近于0, 说明采用错位控制策略可以有效地消除静态环流;④电枢电流波形呈现有一定程度的毛刺感, 说明在系统能够反映包含真实得谐波分量。加大电感可以使其减小。在设计过程中利用该仿真模型可起到事半功倍的效果。

3 结束语

在MATLAB仿真的基础上, 对面向系统电气原理结构图的三闭环错位无环流直流可逆调速系统进行了研究。通过Sumlink仿真, 实现了对电机控制系统以及其它生产控制系统的动态观测, 有利于理论的研究与设计, 对于工程实践具有很深的意义。

摘要：面向系统传递函数结构图的错位无环流直流可逆调速系统的计算机仿真很常见, 而面向系统电气原理结构图的错位无环流直流可逆调速系统的仿真未见, 为此提出了一种基于Simulink和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的错位无环流直流可逆调速系统计算机仿真的新方法, 实现了转速、电流和电压三闭环控制的错位无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。分别给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果, 仿真结果表明了仿真算法可信度较高。

关键词：错位无环流,直流电动机,MATLAB仿真,三闭环

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统 (第三版) .北京:机械工业出版社, 2004

[2]方清城, 罗中良, 官峰, 等.MATLAB在电力电子和运动控制系统实验教学中的应.西安航空技术高等专科学校学报, 2006;24 (3) :17—19

[3]陈桂明, 张明照, 戚红雨, 等.应用MATLAB建模与仿真.北京:科学出版社, 2001

[4]贾秋玲, 袁冬莉, 栾云.MATLAB7.X/Simulink系统仿真设计与分析.西安:西北工业大学出版社, 2006

[5]杨娟, 李运泽, 纳卫星.PID主动热控制及其仿真研究.系统仿真学报, 2008;20 (3) :811—813

[6]林立, 蒋寿生.双闭环调速工程设计仿真建模及应用研究.微计算机信息, 2007;5-1:297—299

[7]吴云, 文雨.α=β配合控制的直流可逆调速系统的MATLAB仿真.系统仿真学报, 2008;20 (21) :5967—5969

环流系统 篇2

热力环流是重点也是难点，属于自然地理部分，需要学生具备一定的空间想象能力及逻辑思维能力。而高一学生刚从以往的比较简单的初中地理跨入新的强度大的高中地理，学习地理的方法及理解能力一下子难于应对，基础相对比较薄弱。因此，若想落实学生自主探究的新课标思想，有一定的难度，本人便采用“浅入”的方式进入本节课的教学，如从视频片段“火烧上方谷”引入，引导学生思考：“浇灭这场大火的大雨，天意乎、人为乎？”，激发学生的学习热情。接下来通过观察“热力环流”的实验让学生自主探究，让其通过实验的观察和分析对热力环流有了初步的认识。然后，本人在黑板上一边讲解一边画出热力环流形成的原理图，这能帮助学生建立空间概念，比较直观地更好地理解热力环流。

在学完热力环流的基本原理和过程后，让学生学以致用，运用所学知识，到黑板上画出海陆风、山谷风、城市风简图，并一一讲解分析，这样学生的知识会掌握得更深刻、牢固，并通过思维拓展，让学生学会运用地理学原理解答现实生活中的地理现象，既拓展了学生思维，又深化了对课本知识的理解。本节课的教学设计是想充分调动学生的感官进行听、说、读、写，引导他们通过小组探讨交流合作，自主学习，但由于高一学生地理基础薄弱，动脑能力不强，平时惰性使然偏于依赖老师，都比较习惯在老师的引导下被动接受知识，所以这样就容易导致课堂偏向于老师主讲，学生单听的陷区，这就要求老师要极力地调动学生的情绪和精神气，让他们投入状态，能够台上台下地和老师进行互动，在愉悦的探讨氛围中完成学习。

此外，学生口头表达能力也相对比较薄弱，这就要求课堂上老师多问，学生多讲，加强锻炼学生的地理术语的表达能力。画热力环流简单示意图，有部分学生知其然，而不知其所以然的同学则依葫芦画瓢。地图是地理的语言和工具，一幅简单的地图里就蕴含了所有相应的地理知识，因此让学生掌握读图、画图、记图能力至关重要。所以，在本节课后半段，本人安排了让学生到黑板上画出海陆风、山谷风、城市风简图的练习，目的就在于此。

“热力环流”教学设计 篇3

课程标准：本节内容关注的对象是大气。旨在借用或绘制原理示意图，如：大气热力环流示意图，认识导致大气运动的基本原理，为后面学习大气环流、天气系统以及全球气候变化打下理论基础。

二、设计思想

地球上的大气这一单元各部分内容前后之间的关联性很强，热力环流的形成过程是本单元的基础，也是理解大气运动的突破口。因此，学好这部分内容是学好大气运动的基础，为后面学习大气环流（三圈环流、季风环流）打好基础，起到分散降低教学难度、便于学生掌握的作用。

在教学过程中，设计一些由浅入深的问题，并联系学生身边的一些现象，并借助于现代化多媒体计算机技术，把抽象的大气运动具体、生动、形象地表现出来，便于学生认识发展过程的实现，引导学生积极主动地参与到教学中来，积极主动地获取知识。这样不仅激发学生的学习兴趣，提高学生学习欲望，而且还可以实现培养学生探索知识、发展能力的目标。

1.教材分析：热力环流主要阐明了大气运动最简单的运动形式，用图示的形式形象地讲解了地面的冷热不均引起大气密度和气压的变化，进而形成热力环流的过程。

2.学情分析：大气热力环流的形成过程与一系列的知识有关，尤其是物理学的知识，学生在理解的过程中相对来说比较困难，

同时，这部分知识还涉及等压面这一空间概念，但由于高中阶段刚开始学习立体几何，空间概念建立不牢固，空间想象力不足，所以本节课的学习对于学生有一定难度。

三、教学目标

1.知识与技能

（1）掌握热力环流的概念，熟练阅读热力环流示意图，理解热力环流的形成过程。并培养学生观察、思维、想象和判断的能力。

（2）通过绘制热力环流图，训练学生绘制简单原理示意图的基本技能，提高学生的绘图能力和理解问题的能力。

（3）能够利用热力环流原理解答生产、生活中的热力环流问题。培养学生在实际生活中对地理事物的观测判断能力和运用理论知识指导实践的能力。

2.过程与方法

（1）使学生经历“感知地理知识——理解地理知识——巩固地理知识——应用地理知识”的思维过程。

（2）在提出问题到解决实际问题的过程中进一步培养学生学会分析、推理、归纳等学习方法。

3.情感、态度与价值观

（1）通过分析、理解、观察热力环流，培养学生探索自然、热爱科学的精神。

（2）提高学生理论联系实际的意识，逐步学会用联系的观点看问题。

（3）通过对热岛效应的介绍和城市风的分析，让学生了解环境保护的重要性。

四、教学方法

由于该部分内容理论性较强，同时与其他学科知识联系比较紧密，学生在学习过程中势必会有一定的难度，因此，在教学过程中，主要采用启发式问题教学法、多媒体辅助教学法。让学生在一系列问题的思考及探讨中，掌握所学的知识，并将知识运用到实际生活当中。

五、教学重难点

重点：热力环流的形成过程、原因以及原理的运用。

难点：运用热力环流的理论去解释城市风、海陆风和山谷风。

环流系统 篇4

逻辑无环流可逆调速系统因其简单可靠而被广泛应用于冶金、矿山、轻工等各领域。在龙门刨床、可逆轧机、矿井提升机等系统中,常希望所控制设备稳定、准确,而PI控制的电机正反转切换性能较差,转速存在超调,由正转到反转的切换时间较长。为改善系统切换性能,引入了积分滑模控制,但积分作用和限幅环节同时存在时系统容易出现Windup现象。

为抑制Windup现象,文献[1,2]提出了条件积分滑模控制,使边界层内为传统积分作用,边界层外积分项受到抑制,抑制程度由切换函数与边界层厚度决定。文献[3]在条件积分滑模控制的基础上进行了改进,增加了调节因子,积分项的抑制程度可依据实际情况进行调节。文献[4]设计了一种带有非线性积分项的滑模面,可通过调节非线性函数对到达积分器的误差进行限幅,以达到抑制Windup现象的目的。文献[5]采用双曲函数调节带有积分项的切换控制,当系统受扰时,状态向量运动轨迹偏离滑模面较远,切换控制作用加大,从而增强了系统抗扰性能。文献[6]将Anti-windup补偿装置引入到积分滑模控制器中,并于动力辅助系统中进行了实验验证。本文在文献[6]的基础上将带有Anti-windup环节的积分滑模控制应用到逻辑无环流可逆调速系统中,并取得了良好的控制效果。

1 逻辑无环流可逆调速系统

逻辑控制的可逆直流调速系统的原理框图如图1所示。其中ZC为零电平检测模块,TP为转矩极性鉴别模块,DLC为无环流逻辑控制模块。由于晶闸管的单向导电性,可逆调速系统主电路设有2组反并联的晶闸管整流装置,ACR1用来控制正组触发装置GTF,ACR2控制反组触发装置GTR。

当电机由正转切换到反转时,ASR输出极性由正变负,TP输出极性发生相应变化,在ZC未检测到零电流时,正组保持开通,电机进行本组逆变,主电路电感迅速释放储能;当电流过零后,DLC控制正组关断,反组开通,转入反组制动状态,反相电流迅速上升到-Idm以使正向转速下降,正转停止后紧接着保持-Idm进行反转启动,最终运行在稳定工作状态。

ACR1与ACR2两电流调节器的设计保持一致,均采用PI控制,转速调节器可在此基础上按照图2所示简化结构图进行设计。

图2中,R为电枢电阻,Tm为机电时间常数,Ce为电动势常数,α,β分别为转速和电流反馈系数,TΣn为2个小时间惯性常数1/KI,Ton的合并项,,Ki,τi为电流调节器参数[7]。此时,系统所对应的数学模型可描述如下:

2 带有Anti-windup环节的积分滑模控制

2.1 积分滑模控制

针对式(1)所示数学模型,选择系统状态变量为

式中:x0为转速误差积分;x1为转速误差;x2为误差变化率。

利用状态变量构建切换函数s为

式中:c0,c1为正数;p为拉普拉斯算子,p2+c1p+c0满足赫尔维茨稳定。

采用基于指数趋近律的滑模控制方案知:

由式(1)、式(2)知

结合式(4)得

2.2 Anti-windup环节

积分作用的引入可提高系统稳态精度,增强系统抗扰性能,但当控制作用受限时,输出响应容易出现超调增大、调节时间变长问题,通常将这种现象叫做Windup现象。图3给出了控制作用受限时的转速响应曲线。

造成Windup现象的原因是由于限幅环节使控制器输出与被控对象控制量输入之间存在差值,系统误差无法按照预期走向减小,积分作用持续积累,控制量在一段时间输出饱和上限设定值,系统闭环响应变差。

针对这种情况,本文在常规积分滑模控制中增加了Anti-windup装置,如图4所示。

此时积分环节输入量增加了(u-u′)项,与式(2)不同,x0的表达式为

若控制器输出在限幅范围内,Anti-windup补偿装置不起作用;当控制器输出大于限幅值时,Anti-windup补偿装置开始起作用,使得积分作用被削弱。

3 基于d SPACE的系统实现

3.1 系统结构

图5所示为基于d SPACE DS1103单板系统开发的逻辑无环流可逆调速系统结构图。

DS1103通过ISA总线与上位机进行数据通信,通过模数转换接口与外设进行信号传输。实验所用电机型号为DJ15他励直流电机,主要铭牌数据为:额定电压220 V,额定电流1.2 A,额定转速1 600 r/min,额定功率185 W。实验测得数据:R=30.06Ω,L=532 m H,Ce=0.05 V·r/min,Tm=0.25 s,晶闸管装置放大系数Ks=60。

3.2 软件设计

采用d SPACE进行算法实现时无需进行代码编写,可借助于RTW和RTI的支持,直接将Simulink中的模型下载到硬件设备中[8]。图6为带有Anti-windup环节的积分滑模控制实时模型。

因电机本体、电流检测和转速检测部分均被实际设备取代,所以实时模型中只保留了转速、电流调节器。ADC为模/数转换接口,DAC为数/模转换接口,又模拟电压1 V的采集信号幅值为0.1,所以ADC采集到的信号应乘10,DAC输出乘0.1。

3.3 实验结果及分析

为验证本文控制方案有效性,将实验结果与PI控制进行对比。图7和图8分别为电机正转、正反转切换过程转速响应曲线。

由图7a可知,PI实时控制系统超调量为9%,若误差允许范围为2%,调节时间为1.2 s,添加与撤除负载扰动时,动态降落为85 r/min,恢复时间2 s。由图7b可知,本文控制策略下转速不存在超调,系统调节时间为0.62 s,扰动下的动态降落为15 r/min,且在0.6 s后迅速恢复到给定转速。

由正、反转转速响应曲线图8可知,误差允许范围内PI控制的电机正反转切换时间为1.6 s,而积分滑模仅用时0.9 s,切换过程快速无超调。

4 结论

比例积分控制的逻辑无环流可逆调速系统因存在转速超调,切换效果较差。滑模变结构控制对于对象模型误差、参数变化有极佳的不敏感性,且结构简单,易于实现。

本文针对逻辑无环流可逆调速系统设计了带有Anti-windup环节的积分滑模控制器,并搭建了基于d SPACE的实验平台。实验结果表明,该控制策略下电机正反转切换迅速无超调,系统具有较强抗扰能力。

摘要：逻辑无环流可逆调速系统在工业领域中应用广泛,但采用PI控制时电机正反转切换性能及抗扰性能均较差,为改善系统上述性能,将积分滑模控制用于该系统中。又积分作用和输出限幅环节同时存在时,系统容易出现转速超调量增大、调节时间变长的问题,因此在控制器中增设了Anti-windup补偿装置。基于d SPACE的实验结果表明:该控制方案下系统不仅具有良好的启动和抗扰性能,且正反转切换过程快速无超调。

关键词：逻辑无环流,积分滑模,抗饱和

参考文献

[1]Seshagiri S,Khalil H K.Robust Output Feedback Regulation of Minimum-phase Nonlinear Systems Using Conditional Integrators[J].Automatic,2005,41(1):43-54.

[2]Khalil H K.Conditional Integral Action in Nonlinear Control[J].Proceedings of the 24th Session of the Chinese Control Conference,2005(7)18-24.

[3]李鹏,孙未蒙.一种改进积分滑模面在飞控中的应用[J].控制工程,2010,17(3):269-271.

[4]李鹏,郑志强.非线性积分滑模控制方法[J].控制理论与应用,2011,28(3):421-425.

[5]高远,孔峰.位置伺服系统的自适应积分滑模控制研究[J].电气传动,2012,42(5):33-37.

[6]Yokoyama M,Kim G N,Tsuchiya M,et al.Integral Sliding Mode Control with Anti-windup Compensation and Its Application to a Power Assist System[J].Journal of Vibration and Control,2010,16(4):503-512.

[7]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

环流熏蒸工作总结 篇5

从6月23日开始组织了对33号、34号、35号进行了环流熏蒸作业，到8月5日结束，现对整个工作过程作一下总结：

一、环流时间的确定

一般情况施药24小时后开始环流，连续环流时间不得少于48小时，特殊情况视粮堆状况、粮食品种、新陈度具体而定，这次作业中，35号、33号的初次达到浓度均衡的时间长于34号，35号仓粮堆上有梯形台，属2003年新玉米，呼吸旺盛，33号仓小麦，粮粒空隙度小，影响到毒气的扩散。

达到均衡以后，每天保持环流时间不少于6小时，连续时间保持一周以上。

二、浓度检测时间

施药后24小时开始检测，以后每天检测不少于两次。刚开始环流时每隔2小时检测一次，注意气体达到均衡的时间。气体均衡的确定为最低浓度与最高浓度的比率在0.8以上。

三、密闭时间的确定

一般密闭时间为28天，根据具体情况可延长或缩短时间，如毒气浓度在28天后仍保持70ppm以上，可以考虑适当延长，如仓房密闭性能差，毒气散失快，密闭14天后浓度下降到较低水平，起不到杀虫效果，就应马上散气。

四、环流机的密封与操作

首先是125cm大管道与仓房环流管的对接，要确保密封到位，再 者是环流机与通风口的对接。

在操作过程要注意阀门的适时开关，停止环流时要将全部阀门关闭。卸环流机时，要先将125cm管道卸掉。让环流机运行几分钟后，再将小管道卸掉。

五、经验和教训

1、粮食品种的不同影响到气体的扩散和达到均衡的时间，玉米胚大呼吸旺盛相对于小麦对毒气的吸附量大，玉米籽粒间空隙大环流时毒气易于达到均衡；小麦空隙小环流时需延长环流时间。对于陈粮环流时可以考虑减少药量，如34号仓的玉米，按9克/立方米绰绰有余，就本次过程来看，5克/立方米就可以达到效果。

2、粮堆状况 35号仓梯形台直接影响到毒气浓度的均衡，台下的浓度相对于台上始终较高，下一步作业时，可考虑适当减少台下的施药量。

3、仓房的密封 就本次作业过程来看，仓房的密封缺项在窗户，可以想象一个窗户的密封槽管由7、8根组成，其密封效果会怎样。应要求所有密封槽管的拐角处不能断档，密封全部窗户最多由2根管组成，方便于通风时揭塑料布。

4、浓度检测点的布置 每个仓设置了10个检测点，以中间为界分开，分中间和四周五点。这本次检测过程中，难以保证所有检测点的畅通，33号仓2个，34号仓1个，35号仓3个。对于36号、28号检测箱安装时要注意对应位置的正确，管道的畅通，其余31、32、30、29的管道连接也要注意这点。

5、不同深度粮堆检测 下一步环流要补上此项，安排两个点，考虑用废电阻杆和检测管结合插入粮堆不同深度用以检测。

6、施药点的布置要力求均匀，注意死角。

基于MMC的RPC环流抑制策略 篇6

关键词：MMC；RPC；环流

中图分类号：TM761文献标识码：A

Abstract：RPC of electrified railway negative sequence and reactive in situ compensation， suitable for comprehensive management of highspeed railway prominent negative sequence harmonic problems， but RPC by limiting device performance to increase its capacity to affect the future development of the RPC. In view of this problem， some scholars put forward a single phase RPC based MMC integrated compensation device （MRPC） to improve the application of the voltage level， which is conducive to the high voltage and high power applications. But the circulation in MRPC increased the system loss， affect the stability of the system， may lead to serious system collapse. To solve this problem， in this paper， the mathematical model of MRPC is deduced in detail； analyzes the mechanism of the circulation； finally put forward a circulation suppression strategy. The simulation results show that the proposed control strategy can restrain the MRPC circulation in the improvement of control performance， is conducive to practical application of MRPC.

Key words：MMC；RPC；circulation

1前言

我国的电气化铁路发展迅速，在国家铁路的“十二五”发展规划中我国电气化铁路里程将达到7万km以上。然而电气化铁路由于其供电方式和牵引负荷的不对称性，导致其产生大量的负序电流，降低了电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。因此必须对电气化铁路的负序、谐波和无功等电能质量问题采取有效的措施进行治理[1-3]。为有效减少电气化铁路对电网电能质量的影响，国内外采用的补偿装置主要有投切电容器、静止无功补偿装置（Static Var Compensator， SVC）、有源电力滤波器（Active power filter，APF）、铁路功率调节器（Railway static power conditioner， RPC）等[4-6]。RPC能够对负序、谐波和无功进行就地综合补偿，适用于对高速铁路突出的负序和谐波问题进行综合治理，是目前使用较多的补偿装置[7-8]。

随着电气化铁路系统规模的扩大，补偿装置的容量和电压等级也越来越高，RPC往高压大功率方向发展成为一种必然趋势。但常规的RPC受到开关器件的制约，容量难以增大。而RPC借助MMC比较容易实现高压大功率化的特性组成新拓扑MRPC。MRPC适应高压大功率场合，且具有开关损耗少，输出波形谐波含量低等优点，但MRPC中含有的环流增大了系统损耗，影响装置的性能。针对这一问题，本文在推导MRPC的数学模型的基础上分析了环流形成的机理，提出了一种环流抑制策略。最后通过仿真验证了所提方法的有效性和正确性。

2MRPC环流分析

2.1MRPC的电路结构

图1为V/v牵引变压器下的MRPC补偿系统，电网侧是220KV的三相电，经V/v变压器后成为两27.5KV的单相电（设其左右端分别为a、b端）。牵引侧连接牵引机车和MRPC。MRPC为背靠背结构，通过直流母线连接两个为单相全桥结构的模块化多电平换流器（MMC）。

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的桥臂不是由多个开关器件直接串联构成的，而是采用了子模块（SubModule，SM）级联的方式。MMC的子模块一般采用半H桥结构，如图2所示。其中Uc为子模块电容电压，Usm为子模块端口电压。根据上下开关管T1和T2的通断，子模块端口电压有0和Uc两种情况。

图2模块化多电平换流器（MMC）的基本结构

MMC的每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗L0组成，同相的上下两桥臂构成一个相单元，如图2所示。MMC同一相中导通的子模块数恒为N，这样可以保证直流侧电压的恒定。MMC的端口电压随上下桥臂导通的子模块数不同而变化。

MRPC可控制为受控电压源，能够实现网侧A、B相间有功功率的双向流动，并且能进行谐波抑制和无功补偿，因此该装置能进行高速铁路的负序和谐波补偿。

定义图1中的左侧供电臂为a相，右侧供电臂为b相供电臂。设供电臂上功率因数为1，暂不考虑谐波，以网侧A相电压为基准，可以得出一般情况下RPC两变流器在两供电臂电压侧的负序补偿电流[9]：

MRPC中含有的环流交流分量是可以消除的，在启动环流抑制策略后，如图7所示，MRPC中的环流交流分量被抑制削弱，几乎消失。此时，子模块的电压波动减少；直流侧电压波动减少，并且更为规律；桥臂电流畸变减少；而交流侧电流保持不变。

（a）子模块电压

（b） 直流侧电压

（c） 桥臂电流

（d）环流交流分量

（e）交流侧电流

5结论

本文结合MRPC的电路结构和工作特点，推导出了MRPC的环流模型，在此基础上，提出了MRPC的环流抑制策略，仿真结果表明该方法能够显著抑制MRPC的环流二倍频分量，并且能够有效降低子模块功率波动，提高其电压波形质量。

同时，原理较为简单，易于工程实现控制系统设计。

参考文献

[1]马伏军，罗安，吴传平，等.V/V 牵引供电系统中铁路功率调节器的控制方法研究[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：63-70.

[2]吴传平，罗安.一种电气化铁路电能质量综合补偿系统[J].中国电机工程学报，2011，26（10）：68-76.

[3]孙卓，朱东起，姜新建.牵引变电所新型电能质量调节器的研究[J].电力系统自动化， 2002， 26（19）： 41-44.

[4]LUO An，FU Qing.Highcapacity hybridpower filter for harmonic suppression and reactive power compensation in the power substation[J].Proceedings of the CSEE，2004，24（9）：115-123.

[5]张定华，桂卫华，王卫安，等.新型电气化铁道电能质量综合补偿系统的研究和工程应用[J].电工技术学报，2009，24（3）：189-194.

[6]赵伟，涂春鸣，罗安，等.适用于电气化铁路的单相注入式混合有源滤波器[J].中国电机工程学报，2008，28（21）：51-56.

[7]UZUKA T，IKEDO S，UEDA K.A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C].Power Electronics Specialists Conference，Aachen，German，2004.

[8]MORIMOTO H，ANDO M，MOCHINAGA Y，et al.Developmentof railway static power conditioner used at substation for Shinkansen[C].Power Conversion Conference，Osaka，Japan，2002.

[9]吴传平，罗安，徐先勇，等.采用V/V变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J].中国电机工程学报，2010，30（16）：111-117.

环流系统 篇7

煤矿井下UPS供电系统是煤矿发生安全事故后确保相关安全监控和生命保障装置运行的重要设备,是遇险的井下工作人员的重要生存依仗。UPS供电系统的自身可靠性、可恢复性对整个备用供电系统尤为重要[1,2,3,4]。目前,UPS供电系统多采取N组逆变单元并联式结构,具有冗余性、可扩展性、高可靠性及易维护等优点[5,6]。然而,各UPS逆变单元因其工作状态不同步或系统单元参数不同,UPS并联供电系统在低频段存在极低阻抗的环流通路,将造成系统出现不均流现象,甚至造成UPS逆变单元中功率器件过流损坏[7,8,9,10]。

针对煤矿井下恶劣环境对UPS并联供电系统可靠性、自恢复性提出的特殊要求,本文提出了一种井下UPS并联供电系统无差拍环流抑制方法。首先,建立UPS并联供电系统拓扑结构的等效离散数学模型,并对UPS并联供电系统中存在的高频、零序环流问题进行重点分析;为满足井下UPS并联供电系统单元故障下的快速自恢复特性,引入非线性无差拍控制器对零序电流进行前馈补偿;最后,基于2×35kW UPS并联供电系统实验样机对该方法进行验证与分析。实验结果表明,该方法可充分发挥井下UPS并联供电系统的冗余特性,仅需2~5ms即可实现井下UPS并联供电系统的在线自恢复。

1 UPS并联供电系统建模

煤矿井下UPS并联供电系统多采用“一用一备”的双机组并联式结构,双模块UPS并联供电系统结构如图1所示。

双模块UPS并联供电系统采用共直流母线供电方式,将每个逆变模块等效为一个电压源和内阻抗串联电路,假设各个并联模块的输出阻抗相同,则可建立UPS并联供电系统平均输出电压方程:

式中:uavg为并联逆变模块的平均输出电压;uabc1,uabc2为并联逆变模块的输出端口电压。

同时,可定义UPS并联供电系统等效环流表达式为

式中:iz为UPS逆变模块对应的零序环流;Z1、Z2为并联逆变模块内阻抗。

为了简化三相UPS并联供电系统模型,将模型的坐标系由三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系。由于UPS并联供电系统存在零序电压分量,同时零序电路的低阻抗特性将使UPS并联供电系统中出现零序环流,为此,在常规的二维坐标中须引入附加的z轴分量,即

式中:X为系统状态变量;T为坐标变换矩阵。

根据式(1)—式(3),可重写共直流母线UPS并联供电系统在同步旋转dqz坐标系下的数学模型:

式中:idqz1,idqz2分别为UPS模块1、模块2的dqz坐标分量;ω为UPS模块输出电压角频率;edq为负载反电动势dq轴分量;Δdz为UPS模块的零轴电压占空比;udc为直流母线电压;ddq1,ddq2分别为UPS模块1、模块2的dp轴占空比;L1,L2分别为UPS模块1、模块2的输出电感。

图2给出了UPS并联供电系统电流dqz轴分解示意,UPS模块内电流在dqz坐标系下已出现严重畸变,呈不规则曲线,但电流在dq坐标系下仍为标准电流圆,电流幅值|idq|为额定负载1pu。反观此时dz坐标系下的电流分量,其z轴电流分量幅值也同样达到1pu,即UPS单模块电流幅值达到1.414pu,将造成UPS保护单元误动作,甚至会造成主电路功率单元过流、过热损坏。

2 无差拍环流抑制方法

根据前文分析可知,对于煤矿井下双模块UPS并联供电系统,当其出现不一致的低频零序电压误差时,由于此时环流路径为低阻抗回路,即使零序电压很小,也会在UPS并联供电系统双模块之间产生极大的环流。为此,引入非线性无差拍控制器对零序电流iz分量进行平抑处理。

根据式(6)可知,产生UPS并联供电系统零序环流的关键在于其不一致的零序分量。为此,需从SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation,空间矢量脉宽调制)七段式导通机理出发进行分析,如图3所示。对于采用SVPWM方式的控制系统,其3个上桥臂导通的时间分别为daTs、dbTs、dcTs(Ts为系统控制周期),为了保证UPS并联供电系统可靠运行,需要保持空间合成矢量占空比不变,因而d1、d2不能发生改变。但通过调节零矢量(000)和(111)的作用时间d0,能够改变UPS并联供电系统的零序分量,即

式中:dz为零序电压占空比;da,db,dc为abc三相电压占空比;d1,d2,d0分别为SVPWM主、次、零矢量占空比;y为七段式调制零矢量修正量。

因此,可求得UPS并联供电系统零序电压误差值为

式中:分别为UPS模块1和模块2的零序电压占空比;d11,d21分别为UPS模块1和模块2的主电压占空比;d12,d22分别为UPS模块1和模块2的次电压占空比;d01,d02分别为UPS模块1和模块2的零序电压占空比。

在此基础上,可直接建立同步旋转dqz坐标系下的零序电流iz的微分方程:

考虑到实际UPS并联供电系统逆变单元的开关特性,根据等效前项差分原理对式(9)进行离散化建模,得

式中分别为第k、第k+1时刻的UPS并联供电系统零序电流分量。

至此,可求得k时刻精确抑制UPS并联供电系统零序环流的零电压矢量修正量为

式中为零序电流分量期望值。

3 实验验证

基于无差拍控制的井下UPS并联供电系统整体控制结构如图4所示,系统包括UPS控制电路、UPS逆变电路和负载电路3个部分。UPS并联供电系统采用共用电压外环,并以CAN总线形式向各UPS模块分配有功、无功电流的期望值i*dq。各UPS模块具备独立的电流内环,即PWM调制模块,此外,本文引入的无差拍控制器可有效抑制UPS并联供电系统的零序环流,保证各UPS模块有效均流。

为了验证所提无差拍控制环流抑制方法的可行性和有效性,搭建了2×35kW UPS并联供电系统实验样机。

井下UPS并联供电系统稳态性能测试结果如图5所示。图5(a)中,uinv为UPS模块输出电压,uout为LC正弦滤波器后端输出电压。由图5(a)可知,LC滤波单元有效消除了UPS逆变单元中的高频谐波分量,UPS模块输出电压满足幅值稳定、正弦度高的电能指标。图5(b)中,ia为UPS模块A相输出电流,iz为双UPS模块之间的零序环流。UPS模块工作在满载状态,电流幅值达到54A,零序环流iz的最大幅值仅为5A,占UPS模块额定值的9.26%,双UPS机组均流特性良好。图5(c)为UPS模块输出电压uout频谱分析结果,其中电压总畸变率为4.2%,且3、5、7次低频谐波分量低,满足IEEE-754对UPS电源提出的指标要求。

井下UPS并联供电系统动态投切测试结果如图6所示。图6(a)中,在25ms时,UPS并联供电系统由1号、2号双机协同供电切换至1号单机供电方式,此时,1号单机单独向负载通风机供电,起到冗余备用保护功能,承担负载通风机全部电流,三相电流幅值|iabc|也在该时刻阶跃为2倍。图6(b)给出了动态切换过程中UPS模块内部A相输出电流ia和UPS模块之间零序环流iz的解耦过程,可以看出满载切换过程耗时仅为3ms,且零序环流iz并未出现瞬时突增、突减问题,可见无差拍控制的井下UPS并联供电系统动态性能优异;图6(c)为不同负载、不同功率因数特性下UPS并联供电系统自恢复时间统计结果,当功率因数cosφ=0.2时,出现响应时间峰值,即便如此,该值也仅为5ms,满足矿山设备动态备用供电响应时间要求。

4 结语

为了满足煤矿井下恶劣环境对UPS供电系统可靠性、自恢复性的特殊要求,提出了一种井下UPS并联供电系统无差拍环流抑制方法,并基于2×35kW UPS并联供电系统实验样机对该方法进行了验证与分析。实验结果表明,该方法具备优异的零序环流抑制效果,且仅需2~5ms即可实现井下UPS并联供电系统的在线自恢复。

摘要：为了提升煤矿井下UPS供电系统的可靠性,提出了井下UPS并联供电系统无差拍环流抑制方法。首先,建立了UPS并联供电系统拓扑结构的等效离散数学模型,并重点分析了UPS并联供电系统中存在的零序环流问题;然后,引入非线性无差拍控制器对零序电流进行平抑处理;最后,通过2×35kW UPS并联供电系统实验样机对该方法进行验证与分析。实验结果表明,该方法可有效抑制井下UPS并联供电系统的零序环流,且仅需2~5ms即可实现UPS并联供电系统的冗余性恢复。

关键词：矿井UPS并联供电,不间断电源,环流抑制,无差拍控制

参考文献

[1]孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J].工矿自动化,2015,41(1):1-5.

[2]崔昊辰,李岳,沙成,等.矿用UPS中智能充电系统设计[J].煤炭工程,2014,46(2):19-21.

[3]李博.煤矿井下备用电源网络化电池管理系统研究[J].自动化与仪器仪表,2012(6):42-43.

[4]CAO L L,ZHAO G L,YU F F,et al.Research of mine flameproof UPS based on SCM[J].Coal Mine Machinery,2014,35(6):231-233.

[5]YI W M,GAO F,SUN Q R,et al.Study on envelope analysis of workspace based on 6-UPS parallel mechanism[J].Applied Mechanics&Materials,2015,703:312-317.

[6]林新春,段善旭,康勇,等.基于下垂特性控制的无互联线并联UPS建模与稳定性分析[J].中国电机工程学报,2004,24(2):33-38.

[7]李飞胤,祝龙记.基于DSP控制的矿用UPS电源设计[J].煤矿机械,2013,34(5):187-189.

[8]LAZZARIN T B,BARBI I.DSP-Based control for parallelism of three-phase voltage source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2013,9(2):749-759.

[9]何国锋,徐德鸿.基于解耦控制的多模块逆变器并联系统直流环流抑制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(18):43-51.

环流系统 篇8

RH钢水环流控制是RH真空脱气处理中的一项重要工艺过程,钢水的环流速度对钢水脱气处理质量有着重要影响。宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂1#RH炉环流系统改造前浸渍管环流气体管网分为4个支管,每个支管设1个流量调节阀,每个支管再分为3个支路,4个支管共12个支路均分流量为0～1 400 L/min的环流气体,支路上没有设置流量计和流量调节阀。总管也没有设置流量计,而是采用4个支管流量的总和作为总管流量,总管流量采用串级回路进行控制。系统改造前在钢水处理过程中发生过多次环流管被钢水堵住的现象,致使环流气体不能驱动钢水进行良好的循环,最终造成RH炉不能进行真空处理作业。由于支路上没有安装流量计,所以主控室内的HMI上也无法显示支路上环流气体流量的具体数值。另外,梅钢1#RH炉在环流气体总管前未设置保持气体压力稳定的储气装置,导致在真空处理过程中环流气体压力波动较大,控制系统改造前统计RH环流气体波动次数为平均每月10次。为了杜绝因为RH炉环流管被堵或环流气体波动而造成的RH炉不能正常进行真空处理的情况,2009年9月上海宝信软件股份有限公司梅山设计院对环流系统进行了技术改造,改造后的环流控制方式为对12个支路均可进行流量调节。

1 RH真空精炼炉钢水循环原理

RH炉钢水真空循环原理类似于“气泡泵”的作用[1]。RH环流气吹氩管采用的是在上升浸渍管的耐火材料周围埋进吹气管,从吹气管中吹入气体(Ar或N2)的一种方法。整个钢水冶炼反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行。真空槽的下部有两个带耐火衬的浸渍管,上部装有热弯管,气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统。钢水处理前,先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。当真空槽抽真空时,钢水表面的大气压与真空槽内的压差迫使钢水朝浸渍管里流动。与真空槽连通的两个浸渍管,一个为上升管,一个为下降管[2],由于上升管不断向钢液吹入Ar或N2,吹入的气体受热膨胀,从而驱动钢液不断上升,流经真空槽钢水中的Ar,N2和CO等气体在真空状态下被抽走。脱气的钢水由于密度增加再经下降管流入钢包,就此不断循环反复。

2 改造后的系统构成

2.1 硬件组成

改造后的RH真空精炼炉环流气体控制系统由Ar和N2流量测量及调节装置、PLC系统、供电系统及配套附件等组成,PLC系统的选型与主生产PLC系统保持一致,为罗克韦尔公司的PLC系统,系统框图如图1所示。

PT101,PI101—压力变送器和显示表;FT101～112—流量变送器;FV101～112—流量调节阀;FIC101～112—远程显示。

在Ar(或N2)接入真空槽的环流气体总管前增加相应储气罐,并安装自力式减压阀,保证进入环流总管前的气体压力基本保持不变。在环流总管道上设一个压力变送器(量程为0～1.6 MPa),把检测到的压力传送到主控室的HMI上。在接入环流气体总管前部,在Ar和 N2两气体管道上分别设置一个切断阀,用于控制Ar和N2的切换。12个支路上都设置1个质量流量计[3]和1个流量调节阀,流量测量设有压力补偿。总管流量统计方式未作改动。

2.2 软件组成

应用软件的开发采用罗克韦尔自动化公司的Logix5000软件;采用工业PC机作为操作站,完成现场实时数据的采集、设备的监视与控制;操作站与控制站之间采用Ethernet网络连接,操作站采用Microsoft Windows XP操作系统和罗克韦尔自动化公司的监控软件RSView 32作为开发和运行环境,实现画面操作、报警、趋势记录等功能。

2.3 网络结构

利用专用的Ethernet网实现系统的客服端/服务器结构。1～3#PLC通过ControlNet实时控制总线构成一个系统。改造后通过在原有的1#PLC机架上新增1756-DNB模块,使之能够下挂DeviceNet网络,如图2所示。现场的集成式阀站采用AB Flex I/O远程通信站进行控制。

3 控制原理

环流气体流量能够根据设定值自动进行调节,并且能够在某些支管堵塞的情况下实现流量的自动分配和动态补偿。环流气体的控制回路[4]如图3所示。

图中主PID控制器是一个虚拟的PID控制器,需要设定的值只有环流气体的设定流量,其中12个支管过程反馈的流量PV值之和作为主PID控制器的输入值,通过参数的设定,可调节输出值MV。主PID控制器的MV除以12后,平均分配给12个PID控制器,作为各支管PID控制器的SV。12个PID控制器PV采集于12个支管的流量变送器,而各支管PID控制器的MV控制各自支管上的流量调节阀。采用此控制方式后,当其中某个支管发生堵塞后,由于流量减小,此时PLC会自动调节其他调节阀的开度,以此来满足环流气体的流量。

4 程序设计及画面操作

(1)修改PLC原有程序,在RH炉HMI上增加手动和自动调节方式。在手动方式下可以根据需要调节流量调节阀的开度来调节每条支路的流量。在自动方式下,系统按照设定的总流量自动平均分配每条支路的流量;还编制了流量和压力的自适应控制程序,以此对某些支管发生堵塞等问题进行优化调整。

(2)环流气体的种类选择。环流气体的种类选择和相应的切断阀控制分为自动方式和手动方式。自动方式时N2阀和Ar阀根据一定的条件自动开闭;手动方式时N2阀和Ar阀的开闭由操作人员在HMI上操作。

(3)环流气体的流量控制。根据钢种的不同,在不同的处理阶段采用不同的流量设定,一般设定在1 000～1 400 L/min范围内。在非脱气处理时则是简单地根据操作人员手工设定值进行控制。在非处理工位时,N2流量采用定值控制,设定值为600 L/min。

(4)当发现某个支路偏离正常流量时,可在画面减少“串级调节数”,并且将封堵支路选择自动或者手动方式设定流量功能,将封堵的支管流量分配到其他支管,以弥补总管流量的损失,最终满足工艺生产的要求。

(5)每个支管可以进行串级(CAS)、自动(AUT)、手动(MAN)控制方式选择[5]。

1)CAS方式。此方式下的设定值变动来自2张设定表(正常设定表、非常设定表),由操作人员根据具体情况选择。正常设定表内容由L2在钢包到达时下达给L1,给出模式号Pattern No.进行流量调整和环流气体种类的开闭,L1不可以修改。非常设定表由操作人员在画面上设定,即时设定即时有效,一般是在正常设定表不符合当前处理工况时选用,且仅在当前一个处理周期内有效。每炉次处理开始或结束时,系统默认切换到正常设定表。设定表中分7个阶段,即:脱气前,阶段1～阶段5和脱气完,每段各有一个设定值。非常设定表中的阶段2～阶段4的设定值可在HMI上修改。处理开始后,根据脱气处理所处的时间判断所处的阶段,再查表得到环流气体流量的设定值,进行控制。

2)AUT方式。根据当前钢种特殊的工艺要求,人工设定环流气体的种类,然后由操作人员手动进行设定,即时设定即时有效,实现定值控制,保证按照设定的总流量自动平均分配每个支路的流量。

3)MAN方式。操作人员根据需要手动调节流量调节阀的开度,以此调节每个支路的流量;人工进行切断阀门的开/关,进行气体种类的切换。正常情况下通常不采用该方式。

5 结束语

改造后的环流气体控制系统具备了以下功能:

(1)环流气体流量能够根据设定值自动进行调节,并且能够在某些支管堵塞的情况下实现流量的自动分配和动态补偿。

(2)通过精确的环流支路流量控制,减小了真空处理过程中环流气体压力波动,稳定了生产工艺。

(3)通过工艺实验和计算,摸索出环流气体流量和真空室内钢液反应界面的关系参数。

(4)通过环流氩气总流量和废气总流量数据的检测,由质谱仪进行分析后,使用一系列公式,计算出真空系统的泄漏量,用于分析真空系统的工作状态并指导检漏工作,确保超低碳钢的顺利生产。

经过现场使用验证,改造后的环流气体控制系统在总体设计和安装上能够满足现场的生产需求,同时极大地提高了设备的精度和稳定性。RH环流系统改造后,设备运行率大于99.5%,与原环流系统相比有很大改善。控制方式上的改进,使新系统很好地抑制了环流管堵塞的现象,没有发生过因严重的浸渍管堵塞而导致生产中断的情况。新系统还在控制精度上有很大的提高,单支管的精度能达到满量程的±2%,从而使气泡在上升过程中更均匀细化,避免出现气泡“短路”现象,同时也能够更好地提高钢水循环效果和钢水成分混合效果。由此可见,梅钢RH精炼炉环流系统的技术改造是成功的,值得其他钢铁企业借鉴和推广。

摘要：宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂1#RH真空环流控制系统改造前由于采用一阀控多管,因而导致浸渍管经常发生堵塞、环流气体异常波动等问题,改造后,控制系统改为每个支管的每路管道单独采用质量流量计和流量调节阀,对气体流量进行调节,在整个系统的优化控制下,实现了环流气体流量的精确控制。本项目的实际成功运行可为其他炼钢企业提供借鉴。

关键词：RH真空精炼炉,环流控制,串级回路,质量流量计,PID调节

参考文献

[1]赵沛.炉外精炼及铁水预处理实用技术手册[M].北京:冶金工业出版社,2004:357.

[2]唐爱文,型敏,刘锋.莱钢1#RH精炼炉设备控制功能概述[J].莱钢科技,2007(3):82-84.TANG Ai-wen,XING Min,LIU Feng.A brief account of the control functions of the equipment for the No.1RH re-fining furnace in Laigang[J].Laigang Science&Technol-ogy,2007(3):82-84.

[3]王树青,乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京:化学工业出版社,2010:236.

[4]王昌才.RH真空环流的过程控制[J].冶金自动化,2007,31(2):33-36.WANG Chang-cai.Process control of RH vacuum circula-tion[J].Metallurgical Industry Automation,2007,31(2):33-36.

地球磁场可能源于海洋环流 篇9

地球磁场绵延几千英里, 进入太空, 对生命活动非常重要:它能使宇宙中的高粒子偏转, 保护人类免受致命的宇宙射线的伤害;也可排斥太阳风, 从而阻止地球大气被太阳风吹走。

很多科学家认为地球的磁场源于地心。地心有一个白热状态的固体铁球, 直径约为1500英里, 该铁球被约1400英里厚的液态金属外壳所环绕。因为外壳中的液态铁被炽热的地心加热, 密度变小, 向上升, 其位置会被温度稍低的物质所取代, 由此产生的炽热金属流动制造了电流, 并最终形成了地球的磁场。

然而, 美国西北大学化学和生物工程副教授雷戈里·雷斯对此提出了质疑。他认为, 地球磁场实际上同海洋的运动密切相关, 海水中盐分的运动会产生电磁场。

雷斯表示, 我们无法到达地心, 因此不可能得到准确的证据;另外, 通过计算机建模得到的结论都相互矛盾。

雷斯认为地球的磁场不断变化, 某些地方会增强, 而另外一些地方则会减弱。这种磁差现象导致了位于南北磁极不同地方的磁场大不相同。

科学家一直将磁差同流转的外核联系起来。雷斯却认为, 磁差实际上同海洋环流的变化密切相关。例如, 在大西洋北部, 海洋气流强度的变化同磁场的剧烈变化相一致。雷斯强调, 他还需要更多的研究来证实其结论。但很多科学家开始承认其学术意义, 密歇根理工大学的大气物理教授雷蒙德·肖恩表示, 该研究使“地球物理学占统治地位的范式崩塌”。

热力环流的成因及类型 篇10

一、热力环流的成因

热力环流：由于地面冷热不均而形成的空气环流，是大气运动的一种最简单的形式。

由于纬度差异、海陆热力性质、天气状况、下垫面性质等因素的影响，地区间出现冷热不均(冷热相对而言，温度较高的地方较热，温度较低的地方相对较冷)。

由于空气热胀冷缩的性质明显，在较热的A地附近，空气由于受热，体积膨胀，密度减小，在浮力的作用下，空气上升(图1甲);由于A处大气由近地面流向高空，对于同一水平面，在近地面A处的空气比相邻地区的空气质点少，密度小，形成低气压;而在高空，由于近地面的空气流向高空，使在A地上空的空气质点比相邻地区多，密度大，形成高压。

对于地面温度相对较冷的B、C两地，空气遇冷，体积收缩，密度增大，在重力的作用下，空气下沉(图1乙)。由于空气在竖直方向上由高空流向近地面，对于同一水平面，在近地面，B、C两地的空气质点比相邻地区多，形成高气压;在高空，空气质点比相邻地区少，形成低压。

地面的冷热不均，使空气产生上升和下沉，使同一水平面上出现气压差异，在水平气压梯度力的作用下，空气由高压向低压流动，从而形成水平方向的大气运动。

大气在竖直方向的上升和下沉运动与水平方向的水平运动结合起来，形成了热力环流(如图2)。

热力环流是大气运动最简单的形式。其形成过程用可以简单地表示为：

二、热力环流隐含的知识点

1. 同一竖直面内，海拔越低，气压越高；海拔越高，气压越低。

气压是由于单位面积上空气的重力作用而产生的压力，如图3所示，在同一竖直面内，A所在的面海拔低，大气稠密，空气柱长(La)，单位面积上空气的压力大，气压高;C所在的面海拔高，大气稀薄，空气柱短(Lc)，单位面积上空气的压力小，气压低。故在同一竖立面内，海拔越低，气压越高;海拔越高，气压越低。如图2中将 (1) (2) (3) (4) 四处的气压按由高到低排序依次为 (4) (3) (2) (1) 。

2. 同一竖直面内，近地面的气压性质与高空相反。

由热力环流的成因可知，在同一竖直面内，空气质点的上升和下沉，引起了同一水平面空气质点多少的变化。近地面较热，上升的空气质点使近地面比同一水平面相邻地区的空气质点少多，在近地面形成高压;相应的，在高空，空气质点就比同一水平面的空气质点多，形成高压(如图1中A地)。同理，近地面较冷，下沉的空气质点使近地面比同一水平面的空气质点比相邻地区多，在近地面形成高压;相应的，在高空，空气质点就比同一水平面的空气质点少，形成低压(如图1中B、C地)。故在同一竖直面内，近地面和高空的气压性质相反。

3. 空气的上升和下沉运动是由热胀冷缩引起的，不是由于水平气压梯度力而形成的。

成因同热力环流的成因所述。

4. 近地面在热力性质的影响下，温度较高的地方形成低气压（热低压），温度较低的地方形成高气压（冷高压）。

如在图2中的近地面，A处形成低气压(热低压)，B和C处形成高气压(冷高压)。

三、热力环流的常见类型

1. 城市热岛。

（1）表现

在城市的市区和郊区之间，近地面的风由郊区吹向市区，高空的风由市区吹向郊区(如图4)。

(2）形成原因

由于城市中的下垫面受到人类大规模的改造，在受到相同太阳辐射下，城市升温比周围郊区快;同时，由于城市中人类活动集中，并且频繁，城市中消耗的能源多，排放的废热也多。因此，在近地面，市区的温度比郊区的高，在市区形成低压，在郊区形成高压，风从郊区吹向市区;在高空，风则由高空吹向郊区。

(3）影响

(1) 有利影响。在近地面，风从郊区吹向市区;在高空，风由市区吹向郊区。热力环流将市区的大气污染物带到郊区，净化了市区的空气。

(2) 不利影响。如果城市排放的大气污染物浓度过大，虽然城市热力环流减小了污染物的浓度，但仍然超过环境的自净能力，使污染的范围扩大。同时，如果在城市热力环流的影响范围之内有严重的大气污染企业，在热力环流的作用下，会使城市的大气污染更加严重。因此，有大气污染的企业需建设在城市热力环流的范围之外;城市规模越大，其热力环流的范围也越广，有严重大气污染的企业距离城市也应该越远。

2. 海陆风

（1）表现

在一天之中，白天风由海洋吹向陆地，而在夜晚则由陆地吹向海洋的现象(如图5)。

(2）形成原因

由于海洋和陆地的热力性质不一样，海水的比热比陆地的大。白天，海洋和陆地获得相同的太阳辐射，海水的升温幅度较小，温度较低，对大气的加热作用弱，在海洋的近洋面形成高压;在陆地上，陆地的比热小，升温快，温度高，对大气的加热作用强，在近地面形成低压。在近地面，白天风由海洋吹向陆地，形成海风(如图5左图，白天)。

同理，在夜晚，由于海洋和陆地都散失热量，如果失去相等的热量，陆地的降温幅度比海洋大，陆地上形成高压，海洋上形成低压，在近地面，风由陆地吹向海洋。(如图5右图，夜晚)

(3）影响

风在海洋陆地之间运动，将海洋上空的水汽输向陆地，使陆地的降水增加，同时也调节海洋和陆地之间的热量的差异，使海洋和陆地之间的温差减小，使沿海地区的气温日较差和年较差较小，具有海洋性的特征。

3. 季风

（1）表现

在一年之中，夏季风由海洋吹向陆地，冬季风由陆地吹向海洋的现象(如图6)。

(2）形成原因

与海陆风的成因相似(如图6)。

(3）影响

同海陆风。

(4）分布

(1) 东亚。东亚是世界上季风分布最典型的地区，其处于世界最大的大洋———太平洋和最大的大陆———亚欧大陆之间，海陆热力性质十分明显，季风也最显著。在该地区，冬季吹西北季风，寒冷干燥;夏季吹东南季风，高温多雨。其主要影响中国东部与南部沿海，朝鲜半岛和日本。

(2) 南亚。南亚季风主要影响印度半岛、中南半岛和中国西南地区，该地区冬季吹东北季风，温和(因纬度低，气流南下过程中温度逐渐升高)少雨;夏季吹西南季风，高温多雨。

4. 山谷风

（1）表现

在一天中，白天风由山谷吹向山坡，夜晚风由山坡吹向山谷的现象(如图7)。

(2）形成原因

由于山谷的植被一般比山坡良好，同时山谷的水分(如溪水、池塘、河流、地面潮湿等)也往往比山坡多，因此，山谷的比热一般比山坡大。在白天，山坡日照时间一般比山谷长，获得的太阳辐射比山谷多，故山坡增温快，形成低压，而山谷形成高压，近地面风由山谷吹向山坡，形成谷风(如图7左图);在夜晚，山坡降温快，形成高压，而山谷形成低压，近地面风由山坡吹向山谷，形成山风(如图7右图)。

总之，热力环流的成因是高中教学中的一个重要的地理原理，理解并熟练运用，可以解释日常生活中许多天气现象，并对许多天气及气候的相关知识起到提纲挈领的作用。

摘要：热力环流的成因是高中教学中的一个重要的地理原理, 本文借众多实例分析了热力环流的成因和类型。

环流系统 篇11

通用周转包装器具

通用周转包装器具是指可以适用于工厂内70%以上产品的周转包装器具。通用周转包装器具使用范围广，工厂内可以经常调动，可满足不同汽车零配件的使用需求。根据生产计划，可随时调整各个物料配套的周转包装器具数量，以更好地满足工厂需求，从而更好地利于流通管理，提高周转包装器具的使用率，降低产品包装成本，同时还能降低空周转包装器具的库存，节约库房仓储空间，提高库房库位的使用率，减少工厂物流成本。通用周转包装器具按材质可以分为以下两种。

（1）通用塑料周转包装器具

通用塑料周转包装器具分为无盖塑料周转包装器具（如图1）、分体上盖塑料周转包装器具（如图2）和双开摇盖塑料周转包装器具（如图3）三种。其中，无盖塑料周转包装器具主要用于工厂内物料的短期周转，因工厂内环境较清洁，且物料即生产即使用，因此对防尘要求不高的汽车零配件都可以使用无盖塑料周转包装器具。分体上盖塑料周转包装器具和双开摇盖塑料周转包装器具，应用范围基本一致，主要用于工厂内汽车零配件存储以及作为出货到客户的包装等，但二者由于包装盖的连接方式不同，应用效果也各有利弊。其中，分体上盖塑料周转包装器具如果发生损坏，包装盖和包装箱可以分开维修处理，不影响未损坏部分的使用，但日常使用中，经常会出现包装盖与包装箱不匹配或包装盖丢失的情况；双开摇盖塑料周转包装器具则相反，虽然可以满足“一箱一盖”的匹配，但一旦发生损坏，整体都需要送去维修，影响工厂通用周转包装器具的使用数量，尤其是在周转包装器具需求量较大时，还可能会出现产品下线后没有周转包装器具使用的情况。因此，应根据工厂的实际情况合理选择和分配周转包装器具。

（2）通用铁质周转包装器具

相比塑料周转包装器具，铁质周转包装器具的使用寿命较长，一般为7～10年，每年要对其进行维修保养，定期除锈喷漆，以延长其使用寿命，节约包装成本。

从结构上，铁质周转包装器具可分为可折叠铁质周转包装器具和不可折叠铁质周转包装器具。其中，可折叠铁质周转包装器具应以折叠方式回收，以降低回收运输成本。尺寸上应满足通用运输汽车的长宽高，以增加货柜装载率。由于铁质周转包装器具的体积较大，其所有长宽高尺寸的公差一般控制在±5mm，在计算火车装载率时，应考虑尺寸的上下限，避免出现装不下或晃动严重的情况，以免发生损伤，而且装载率应控制在85%以上。

从功能上，铁质周转包装器具可分为可移动铁质周转包装器具和不可移动铁质周转包装器具。其中，可移动铁质周转包装器具须带有行走万向轮、牵引装置与刹车装置或配套的转运托盘车。如果此类周转包装器具须人工去取件，则需安装顶高器，但顶高器与刹车装置在设计时选其一即可；牵引装置的设计安装要以螺栓方式连接，便于后期维护更换，且器具的折页、门闩上都需要预备好更换螺栓，不要进行焊接处理。此外，铁质周转包装器具经常需要采用叉车运转，因此设计时要保证底部叉车孔间的距离为0.7m，也可根据实际使用情况，确定叉车孔间的距离。最重要的是，铁质周转包装器具应设计标识板，可以是铁质夹子或者文件卡槽，贴标位置应光滑，避免在入库及运输过程中出现标签脱落，无法辨识零件种类和数量。

特殊周转包装器具

特殊周转包装器具是指针对特殊产品设计的包装器具，只适用于特殊汽车零配件的可回收周转包装器具。工厂内，一旦出现超长、超大的汽车零配件，就会使用此类周转包装器具，通常选用聚丙烯中空板材料的周转包装器具。因为聚丙烯中空板材料价格居中，易成型，既可以手工裁切，从而满足极少量的周转包装器具的需求；也可以使用刀模模切批量生产，从而满足数量较大的周转包装器具的需求。此外，聚丙烯中空板材料还可以配合发泡聚乙烯、发泡聚丙烯、发泡乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等材料使用，满足不同汽车零配件对周转包装器具的不同需求。但聚丙烯中空板材料的缺点是使用寿命较短，一般为1～2年左右，而且受日晒、风吹容易变质，从而出现断裂破损。因此，在日常使用中，应尽量在室内使用，避免阳光直射。同时，针对形状特殊，如有尖角、怕划伤的产品，可以使用发泡聚丙烯或发泡聚苯乙烯树脂进行模具设计并发泡，从而保证器具完全贴合产品，满足产品的防护要求。

值得一提的是，在汽车零配件的周转包装器具循环流中，库房占有很重要的地位，从零配件厂商的三方库房，到零配件厂商的中央库房，再至主机厂的三方物流仓库，直到主机厂的中央库房，储存点的每次变动及包装的更换，都会影响产品及周转包装器具的使用率。库房的作用包括对周转包装器具进行清洁、存储、维护等。针对清洁，塑料周转包装器具可以使用水枪清洗灰尘，再使用风枪吹干；铁质周转包装器具可以直接使用风枪除尘，尽量避免使用水清洁，减少铁生锈的几率。

总而言之，在汽车零配件周转包装器具循环流中，不论是周转包装器具本身，还是各个库房，都具有决定性的作用及影响。要想保证周转包装器具的良好流通及高效使用，从包装工程师的包装设计，到质量工程师对周转包装器具的要求，再到库房物流人员对周转包装器具的维护，各个环节一定要共同协作及配合，将包装周转器具的循环使用做得更好，不仅可提高每个周转包装器具的流通性及使用率，让其真正“转”起来，还可让所有产品都有周转包装器具使用，却又不长期占用，从而提高周转包装器具的使用次数，降低周转包装器具的均摊成本，实现企业利益最大化。

南大洋古环流研究方法综述 篇12

南大洋是由南太平洋、南大西洋、南印度洋及南极大陆周围的威德尔海( Weddell Sea) 、罗斯海( Ross Sea) 、阿蒙森海( Amundsen Sea) 、别林斯高晋海( Bellingshausen Sea) 等边缘海组成的一片环绕南极大陆的独特水域。2000 年,国际水文地理组织( International Hydrographic Organization,IHO) 将60°S以南的全部海洋定义为南大洋。与其他大洋相比,南大洋有其特有的独特性。南大洋是五大洋中唯一的环绕地球一周而未被任何大陆所隔断的环形大洋,面积约3. 8 × 1013m2。另外,南大洋拥有与其他大洋完全不同的海洋生物体系。独特的海洋环境使得南大洋生物种类相比较其他大洋而言明显偏少,但每种生物的数量非常庞大,以磷虾—浮游生物—其他高等生物相对单一的食物链现象全球大洋中只有南大洋存在[1]。最后,南大洋表层海水在65°S的高盐度“南极分流带”向两侧分流,南极大陆边缘浮冰冷却海水下沉并从洋底向北流动,上层暖水南流下层冷水北流的热量交换格局在全球气候产生重大影响[2]。

南大洋环流丰富,主要包括南极绕极流( Antarctic Circumpolar,AAC) 、南极表层水( Antarctic Surface Water,AASW) 、绕极深层水( Circumpolar Deep Water,CDW) 和南极底层水( Antarctic Bottom Water,AABW) 。除此之外,北大西洋深层水( North Atlantic Deep Water,NADW) 通过深层潜伏向南流到本区,在威德尔海海域与浅层海水汇合[3]。南大洋环流系统是全球大洋环流系统的重要组成部分,对全球气候和环境的变化起着至关重要的作用[4,5]。

ACC是一支纬向连通无边界的海流,环绕南极大陆在35°S—65°S海域范围内自西向东运动,流域长度达2. 1 × 104km[6]。其流量约为130 ~ 140 Sv( 1 Sv = 106m3/ s) ,其近南极地区的流速为4 cm / s,向北可增至15 cm/s,可以说是全球大洋最强大的海流[7]。它将大西洋、太平洋和印度洋连接起来,成为三大洋热量、盐度和其他物质运输和交换的纽带,因而对全球气候有着重要影响[8]。

AASW按季节可分为南极冬季水( Antarctic Winter Water,WW ) 和南极夏季表层水( Antarctic Summer Surface Water,AASSW)[9]。WW是受冬季海水表面降温、冷却、结冰以及风引起的强垂直混合作用,在表层到100 ~ 200 m左右的深度上形成的低温、高盐,垂向方向上均一的水体。而在夏季由于温度升高海冰融化,表层盐度降低,形成相对高温、低盐的AASSW,一般深度在50 m以浅。AASW具有明显的年际变化特征,不同年份其占据深度随纬度有明显的变化[10,11,12]。

CDW是南大洋中分布最广、规模最大的水团,占据南大洋水体总体积的55% 以上[13]。按其温度和盐度可分为上下两个核心: 上层核心温度为0. 9℃ ~ 2. 5℃ ,盐度为34. 60 ~ 34. 75,深度为250 ~600 m; 下层核心温度为1. 0℃ ~ 1. 8℃ ,盐度为34. 70 ~ 34. 75,深度为500 ~ 3 000 m[14]。

南极是大洋底层水重要的发源地之一。AABW产生于南极洲冰陆架,主要受季节性海冰形成的影响[15],每年3 - 4 月是南半球海冰快速产生的时期也是AABW向北搬运的最快时期。海冰在表层水中留下大量盐分,使下伏冷水密度加大,水温达到- 0. 4℃ ,盐度为34. 7 时,便开始下沉,并向北扩散到各大洋的底部,扩散范围可到太平洋的50°N,大西洋的45°N[16],是世界大洋底层水的重要组成部分。形成和外输AABW的最大源区是威德尔海,威德尔海的海冰变化不定,热量和湿气在垂向上的强劲流动则在威德尔环流和海冰之上形成寒冷的极地大气,这使得威尔海环流形成AABW的一个主要源地[17]。此外,在冬季威德尔海海冰覆盖区中央会出现开阔水域形成“冰间湖”[18],增强海洋向大气水汽输送和热量输送[19],上升的高温水在海洋上层降温,稳定度减少,海水垂向混合加强,对AABW的形成会产生较大影响[20]。AABW另一个重要源区是罗斯海,分析表明,源于陆架上的底层水会形成盐度较高和盐度较低的AABW。盐度较高的AABW受西罗斯海罗斯海陆架水( Ross Sea Shelf Water,RSSW) 和CDW的混合影响; 盐度较低的AABW则是受东罗斯海陆架坡的CDW和冰架水( Ice Shelf Water,ISW) 的混合影响[21]。

AABW与NADW相互作用形成了南北两半球之间的温盐跷跷板[22],共同调控着全球热盐环流强度[23]。ACC通过极强的垂向混合过程带动太平洋、大西洋和印度洋之间的热量、水分和能量交换[24,25]; 低纬度地区的水团经潜沉过程在ACC南面的上升流区上升,发生强烈的海气交换[26];AABW和ACC都是全球热盐环流运输带中的重要组成部分[2]。南大洋环流对资源矿产具有重大意义。AASW与磷虾资源密切相关,南极冬季水扩展区常是磷虾密集区域[27,28]; AABW水循环运动丰富输送了丰富的铁锰结核( 壳) 矿床的成矿物质[29]。此外,南大洋的海- 冰- 气耦合反馈过程复杂[30],生物地球化学碳循环活跃[31]。由此可见,南大洋的海洋环流系统对南半球,甚至全球气候起着重大调节作用。

近几年,南大洋古环流系统已经受到了海洋学家的广泛关注和研究,但主要集中在南大洋某一海域或单支海流,没有进行全面、系统地研究。并且,对南大洋古环流的研究也缺少全面的研究方法总结。基于此,在前人研究的基础上,从南大洋古海流的基本概况出发,分析了南大洋古海流的主要研究方法和手段,为我国南大洋古环流系统的研究奠定了一定的基础。

2 主要的古环流研究手段

对南大洋环流的研究主要集中在温度、盐度、密度、氧化还原环境、流向、演变和影响作用,研究侧重内容不同所采取的手段和方法也有差别。

2. 1 古温度

各洋流、水团间最大的区别主要在于温度,利用微体古生物、稳定同位素等方法求出古温度在平面上的分布格局,可绘出相应的古洋流图。

2. 1. 1 微体古生物法

微体古生物法主要是用浮游有孔虫,包括浮游有孔虫的种属、分异度和相对丰度等方面的特征数据。

微体古生物的种属判断环流、水团。始新世的分界处( 38 Ma前) ,南极底层水及洋底“冷水圈”的首次形成,大洋水温骤降约4℃ ~ 5℃,浮游有孔虫都是简单的抱球式; 从渐新世至早中新世( 17 -15 Ma) 气候变暖,浮游有孔虫又重新出现了圆辐虫式,矛棘虫式、圆球虫式形态,构成近代有孔虫群落的基本面貌[32]。

浮游有孔虫的分异度表现在壳体的形态、壳径、壳面孔隙率、壳体旋向等形态结构,这些形态结构差异也往往受到环境条件的制约,具有一定的指温、指纬意义。例如,Kennett[33]从分析了截锥圆辐虫的形态特征,发现截锥圆辐虫个体平均宽度与高度比值在亚南极北部水团为1. 40 ~ 1. 52; 而亚南极南部水团—南极水团北部为1. 48 ~ 1. 55。Malmgren和Kennett[34]通过对中央亚南极及热带辐合区的研究发现,泡抱球虫的平均壳径在寒冷期较大,在温暖期较小。

浮游有孔虫对温度变化敏感,在适宜温度内呈现大量生存繁衍的现象,因此其相对丰度变化可以表征古温度特征。涂霞等[35]分析南极普利兹湾柱状样有孔虫得出,柱深40 cm以上暖水种群Globigerinoides sacculifer,G. ruber浮游有孔虫含量占浮游有孔虫总量的50% 以上,表明全柱的表层水温变化在柱深40 cm以上段表层水温温暖。

2. 1. 2 稳定同位素法

硅藻成因Si O2的氧同位素值反应海水表面温度记录,再配以植物组分的资料,也能成为上升流的很敏感的标志。多数人认为在中中新世南极冰盖形成以前的早新生代时期大陆上还不存在冰川,因此可用氧同位素资料直接解释当时大洋古温度的变化[36]。Shackelton等[37]通过塔斯曼海区三口钻井分析发现,始新世、渐新世之交,南极海冰大规模形成; 中中新世,南极大陆冰盖开始形成。Keigwin[38]进一步利用氧同位素资料分析对比不同地区底层水温度变化趋势,发现亚南极站位上的浮游与底栖有孔虫同位素具有协调一致的变化趋势,并在界面处开始同时急剧变冷。

此外,有孔虫的Mg /Ca比值,可以估算海水古温度,这方法适用于低纬和高纬、表层和深层海水古温度[39,40,41,42]。古森昌等[43]通过对柱状样元素组分的分析,发现沉积物中的Si O2、Al2O3、Fe2O3、Ca O、Mg O、P、S、Corg等元素组分较好地记录了由古气候变化而引起的物源改变,这些元素组分在地层中的分布规律与古海洋沉积环境及古气候变迁相一致;并发现自晚更新世末期以来的气候大致可分为温暖期、寒冷期、高温期、转冷期和转暖期5 个区段。

海水表层温度升高、异常的海洋气候现象造成海水温度变化,会影响浮游藻类合成长链烯酮( 简称烯酮) 化合物的不饱和比值( Uk37) ,这种信息会在沉积物中完整而有序地记录保存,因此Uk37可以估算古海水表层温度( Sea Surface Temperature,SST)[44,45]。利用海洋沉积物中长链不饱和酮分子研究古海水SST的基本原理是[46],在E. huxleyi中具有两个不饱和键的长链不饱和酮分子与具有3 个不饱和键的长链不饱和酮分子的相对数目会随SST的变化而变化,从而海底沉积物种保存的源于E-. huxleyi的长链不饱和酮分子的相对数目必将反映古海水表层温度。Ikehara[47]用Uk37研究南大洋塔斯曼海隆区域表层温度,发现该区域末次盛冰期时的SST比现在的低4℃ ,并且倒数第二冰期和末次冰期之间的SST差至少5. 2℃。Alfredo[48]用Uk37研究发现800 ka以来南大西洋海域SST差有8℃ 之多,但这与利用有孔虫得出的表层海水温差有出入。颗石藻不仅普遍存在于海洋环境中[49,50],也存在于湖泊环境中[51],因此也可用湖泊沉积物探讨水体温度。刘毅等[52]研究东南极拉斯曼丘陵地区的沉积柱中Uk37,得出该区在5100 cal. a B. P. 前后气候开始由冷转暖,冰川消融。不过,此方法受沉积柱层理变化、上层水热扩散、水深季节性变化等因素影响,从而其他方法得出的表层水温有不大出入[48,53]。

Tex86是古海水温度重建指标,基于由古菌的一个分支Marine Crenarchaeota所产生的一组生物标志物( GDGTs) 的比值[54]。古菌Marine Crenarchaeota的细胞膜主要由甘油二烷基甘油四醚化合物( Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers,GDGTs) 构成。这类化合物具有良好的热稳定性,环境温度升高其五元环的相对数量能够增加[55,56]。依据这个原理Schouten等建立了海洋浮游型奇古菌GDGTs的四醚指数Tex86表征五元环相对数量,并发现海洋沉积物GDGTs的Tex86与SST具有很好的相关性。Jung等[57]在南印度洋海域通过Tex86探讨50 ka以来的SST变化,得出末次冰期南印度洋海域的平均SST在10℃,之后SST逐渐升温,早全新世时该海域的SST升到19℃ 。并且该结论与硅藻成因的氧同位素得出的SST具有很好的一致性。Jenkyns等[58]在南极大陆架海域,Tex86显示早白垩纪阿普第期至阿尔布期之间的SST在24℃ ~ 28℃,并且显示在早阿尔布时期海水表面温度呈现出上升的趋势。Tex86是新兴的古海水温度重建指标,在应用过程中仍有一些不足之处。Tex86仅适用于成熟度较低的沉积物[59],陆源有机质输入可能导致Tex86偏差[60],Tex86与水体深度以及季节变化之间的关系还有待进一步的探索[61],这些原因限制了Tex86在SST重建。

2. 2 盐度

盐度分布体现了海洋的热分布与运输状况,盐度变化提供了整个水体的运动、输送以及水体混合的信息。南大洋是全球中层和深层水形成的主要区域,它的盐度变化将直接影响全球中、深层水特征,并且南大洋上层海水盐度季节和年际变化过程控制着南极表层冬季水的形成和深度。南大洋表层海水盐度的分布主要受季节性的海水升温和融冰淡水混合的影响[62]。

2. 2. 1 现场观测

对南大洋环流盐度的研究主要采取观测的技术手段,包括全球海洋环流观测( WOCE) 和ARGO观测计划。WOCE和ARGO观测获得的数据能够基本描述南大洋环流形态特征及其在全球大洋环流中的影响作用,但是由于盐度观测点分布稀疏,尚未能完好地分析南大洋盐度变化过程。除此之外,利用卫星遥感数据可以分析获取盐度数据,许苏清等[63]利用遥感盐度数据经过插值计算得出,南大洋表层水的盐度呈不规则的盐度值或高或低的空间块状分布。

根据航渡观测资料显示,南大洋海域盐度在34. 52 ~ 33. 67 之间,其中在南印度洋海域盐度是34. 10 ± 0. 47,南大西洋海域盐度是34. 52 ± 0. 27,德雷克海峡海域盐度是34. 37 ± 0. 33,南极海湾附近海域盐度是33. 48 ± 0. 09,南美洲近岸海域盐度是33. 67 ± 0. 64[64]。

2. 2. 2 数值模拟法

为了克服盐度实际观测数据有限的障碍,科学研究工作者试图通过历史盐度观测数据重构盐度剖面。Woodcock等[65]最早提出利用温度-盐度的统计关系以及相对丰富的温度剖面观测来估计盐度剖面; Donguy等[66]将表层盐度观测作为新的控制数据,在上混合层内通过表层盐度观测插值计算混合以下的盐度; Hansen等[67]通过建立垂向平均盐度与其他观测( 温度、海面盐度等) 之间的相关改进了盐度剖面反演结果,其反演的盐度剖面能够再现观测到的盐度障碍层; Vossepoel等[68]引入海面高度作为辅助信息来修正反演的盐度剖面; Yan等[69]建立了基于三维变分的数据同化方法,利用垂向温度-盐度关系与海面动力高度观测之间的相关关系重构盐度剖面。这些方法可以间接地获得盐度垂向剖面,但是要求研究海域已有较多的历史温度-盐度剖面观测,并且具有相对稳定的温度-盐度关系,以便建立稳定的温度- 盐度之间的函数关系。

2. 3 流向

洋流的流向是指洋流的流去方向,其流向一般具有稳定的性质。南大洋古环流流向的研究方法有古生物法和地球化学法两大类: 古生物法利用放射虫、有孔虫、硅藻等微体海洋沉积生物; 地球化学法利用水体氧化还原程度和 δ13C、δ18O值。

2. 3. 1 古生物法

古生物法是古环流最主要的研究手段。放射虫、有孔虫、硅藻等微体生物,主要受海水深度、温度、盐度、浊度、营养盐以及水体运动等各种物理化学条件的控制。某一具体的环流具有相对稳定的温度盐度等物理化学特征,并且随环流的流动其物理化学性质会发生细微变化。这些要素变化的信息便记录在生物个体、生物组合、分异度等特征上,因此古生物是判断古环流流向的灵敏标志。此外,海流的路线往往与某些关键性地区如海峡通道的关放或封闭密切相关,因此可以通过比较海峡两侧的化石群,分析是否存在明显的差异或者是否具有某些海流的标志属种,以判断是当时海流的可能途径。

“将今论古”是放射虫在古海洋环境和古水团重建研究的应用基础,而且不少研究证明现代海洋中活体放射虫水深分布与某些水团紧密联系,可以作为水团的追踪和指示剂从而应用到古海洋和古水团的重建[70,71]。Gupta等[72]通过Nassekkaria和Spumellaria两种放射虫的数量比值变化规律发现了AABW活动的证据; 常凤鸣、Pudsey和Howe[73,74,75]利用Cycladophora davisiana恢复了南极环流的演变历史。某些水团具有特定的底栖生物标志种或标志性组合的分布,利用其特殊的标志生物可加以判断水团的动向。放射虫的某些属种和水团有着密切的关系,Ciesielski等[76]根据放射虫石群的变化讨论上新世南极辐合带在西南大西洋的位置移动,再如亚极地分布在大洋表层的冷水种,当相应水团朝赤道方向潜入深部时,也随着转向深层水中,当水团的布局发生季节性变化时,放射虫组合的分布也随之变更。但是仅靠一两种放射虫来重建古环流不足以强有力地说明问题,并且取样时间的差异会导致研究结果可比性很差,还需要结合诸如沉积物粒度、有机质等其他指标,以增强其研究结果的对比性和准确性。

底栖有孔虫的种属常作为水团的标志。在早期研究中,普遍把底栖有孔虫用于判断古深度[77];后来研究表明,底栖有孔虫的深度分布很大程度上是水团与水深的关系[78]。不同深度处分布着不同的水团,被不同水团占据的海底生活着不同属种组合的底栖有孔虫。Espistom inella umbonifera指示AABW,Epistom inella exigua和Cibicidoides wuellerstorfi指示南大洋NADW[79],Globigerina bulloides是现代上升流最重要的标志种,分布于南印度洋、太平洋、大西洋海岸的上升流中。底栖有孔虫壳体受埋藏作用影响,胶结壳的分解和钙质壳的溶解导致有孔虫埋藏群、化石群差异变化。因此利用有孔虫研究水团流向变化时,要考虑到埋藏的古环境。

硅藻对环境变化反应敏感,其物种组成、数量变化和地理分布依赖于各种物化条件,蕴含丰富的生态与环境信息[80]。苏联学者[81]将现代硅藻划分为7 个组合,各自分布在不同纬度区代表不同的水文条件,这些组合的硅藻属种可以用来追索水团位置。如南极组合的特征分子Eucampiabalaus - tium,Coscinodiscus lentiginosus和Thalassiosiragracilis等在沉积物中的分布可被用做南极底层水AABW在南太平洋萨摩亚群岛以南分成两支北上的证据之一;在大西洋和印度洋也可以用硅藻追踪出南极底层水的流路[82]。值得注意的是,硅藻群落在经海流迁移、沉积、埋藏的过程中,其携带的环境信息已经发生了改变[83],所以沉积硅藻的组合分布特征反映的是某段时期的平均状况。

2. 3. 2 地球化学法

氧化还原电位( Eh) 是多种氧化物质和还原物质发生氧化还原反应的综合结果,反映了体系中所有物质表现出来的宏观氧化- 还原性。氧化还原作用对水体化学环境有很大影响,水体中各种有机质、无机质的存在和迁移现象,氧化还原反应都起着关键性作用[84]。

Eh可以反映洋流的水道和流向。东太平洋海盆底层洋水的氧化程度呈现南北高、中部低、南西高于北东的分布势态,这势态所确定AABW的水道和流向与根据水温而确定的AABW克拉里昂水道的流向基本相同[29]。此外,沉积物的Eh分析被用于海洋地球化学研究中,有学者对海底沉积物的分析以证明海水的流动方向[85]。

δ13C值可以用来指示深层水的形成及流动。深层水在其形成的源区,δ13C偏重( 正) ; 随着深层水的富集,深层水中12C富集得越来越多,δ13C逐渐偏轻( 负) 。因此,海洋中的 δ13C的梯度可以指示深层水的源区和流向[86]。如今在大西洋海域深层水δ13C的值大约在1 × 10-3[87],而AAABW的 δ13C只有0. 4 × 10-3[88],从而揭示NADW驱动着AABW的形成。

δ18O值也被用于研究水团来源与迁移,δ18O值的平面分布等值线可以反映出定常流流场特征,表征大尺度环流的路径; δ18O值的断面分布可以研究水体的垂向运动和垂直扩散过程[89]。在南大洋近南极半岛海域,表层水的 δ18O值在无冰的海域为负值0. 40 × 10- 3左右,但在近半岛有浮冰出现或靠岸海域的冰融水影响时,δ18O值相应变负0. 55 × 10- 3左右[90]。无冰海域和浮冰海域 δ18O值差异表明南大洋南极半岛海域表层水受海冰输入影响: 海冰融化大量淡水混入,轻同位素分子16O增加,使得重同位素18O相对贫化,即 δ18O值随之降低; 并可依据其推论出海冰输入路径及环流运移路径。

2. 4 变迁及效应

2. 4. 1 沉积识别

底层流可以直接对洋底沉积物的搬运与沉积发生作用,因此可以运用沉积学标志,如沉积物的组成、结构、构造以及沉积间断等标志加以识别。而在海岸上升流流区的地质组分中,可以利用有机碳、磷灰石、硅藻等沉积信息识别上升流。深海岩心的冰载碎屑含量可以反应南极冰盖出现情况,并且根据洋底南极冰载物质可搬运到40°S范围也可推论出南大洋环流影响范围。

距今3. 5 Ma前,由于南极进一步变冷,南极西部( 基底位于还平面之下) 冰盖形成,促使AABW活动性明显加强。AABW在途径澳大利亚南部,流向新西兰方向后即转向塔斯马尼亚及萨摩亚海盆北流,至北部海山处分成东西两股底流,在全球范围内普遍出现强烈的深海侵蚀作用及沉积间断[91]。Watkins等[92]在南大洋70°E—190°E地区,经多年工作综合绘制出表面沉积物平均年代的5 次趋势图,显示出2. 5 Ma来南极底层水侵蚀冲刷,科尔盖伦海台、南塔斯曼盆地、西埃莫拉尔德盆地以及罗斯海区都是强底流侵蚀区。然而,沉积构造( 底床形态) 以研究AABW不一定适用[93],这是由于AABW是属于速度较快的温盐环流,往往活动于CCD之下,所处的洋底不一定能发现沙砾级的波痕及沙丘等形态,即使在湍急的深水谷地内也不例外。

2. 4. 2 模拟法

古大洋表层流通常不留下直接标志,只能通过间接的途径加以研究。数值模拟不仅能够模拟气候变化过程中不同驱动因子的相对重要性,而且可以输出不同边界条件下各气候要素的空间分布,从而获得对气候变化机制的认识[94]。凭借此优势,数值模拟在古气候中发挥着重要作用,科学家们也将此手段用于南大洋古环流研究中。

Weaver等[95]等利用中等复杂的气候模式UVic,向南大洋注入淡水通量,减弱AABW的生成,有力地证明了南北半球跷跷板的存在,证明了南极底层水的是全球运输带重要引擎的气候效应。Seidov[96,97]和Stouffer[98]用海- 气完全耦合模式,发现AABW生成受到表层淡水输入的抑制作用。同时,数值模拟结合地质历史时期的大陆位置条件,推论环流体系。海洋环流模式( OGCM) 模拟德雷克海峡开合和ACC形成方面,数值模式表明[26,99]30 Ma之前封闭的德雷克海峡在其纬度上构建了纬向的压力梯度产生经向的地转流,为南极带来丰沛的暖水。之后德雷克海峡打开使得ACC形成,阻隔了副热带暖水和极地冷水之间的热交换,南极气候变得寒冷[100,101]。然而,平板海流( slab ocean) 模式和冰盖动力学模式耦合结果显示,德雷克海峡开启和ACC形成,并不足以使得南极从温暖向严寒环境转变[102]。由此可见,由于边界条件难确定,古地形、海底地形难恢复,对模拟结果影响较大,数值模拟在南大洋古环流研究中的局限性和不确定性明显。

3 讨论

对南大洋古环流的研究主要集中在温度、盐度、流向、变迁及效应4 个方面,侧重内容不同所采取的手段和方法也有稍许差别,总的来说可以大致概括为古生物法、地球化学法、现场观测和数值模拟这四大类型。古生物法方面,通过放射虫、有孔虫、硅藻可以判别古环流的流向,通过微体古生物的种属、分异度、相对丰度可以认知古温度变化; 地球化学法方面,Eh、δ13C、δ18O用于古环流的流向判别,硅藻Si O2、Mg /Ca、Uk37、Tex86用于古温度研究; 通过现场观测获取第一手资料直观地研究盐度变化;数值模拟既可以用于重构温盐剖面,又可以帮助了解古环流的变迁及效应。此外,通过沉积构造也能一定的帮助识别底层流。

上述的研究方法中,以古生物和地球化学的方法为主; 除模拟法和沉积法之外,其他方法的研究对象几乎都以微体古生物的介壳为主。因此,鉴定和分析微体古生物的工作起着关键性的作用。洋流存在的必要条件是水温梯度,众多方法实际上就是判别古水温的方法。所以,利用微体古生物准确判别古水温以区分洋流对南大洋古环流重建显得格外重要。

然而,各种研究方法中也有自身的不足: 有孔虫的Mg /Ca比值对较老年代的海水古温度的恢复尚需要进一步工作加以证实[103],底层分辨率、分析样品的代表性、生物扰动破坏等因素都影响到古环流重建的可靠性和精确度; Uk37、Tex86水深变化、上层水扩散、陆源输入等因素影响,一定程度上限制了它们重建SST的准确度; 南大洋海底环境不同于常态,具有低温高压的特点,在常温常压下测量沉积物和水体Eh方法误差大; 现场观测虽然能直观地获取第一手资料数据,但是南大洋海洋考察需要更高水平的航海船舶、仪器设备作为支撑; 数值模拟相比于现场观测,具有较强的灵活性和任意性,逐步求精为古环流研究提供丰富的数据支持,但是其模型建立受建模者主观性限制,边界不确定也是其弊端。

4 展望

南大洋环流丰富变化复杂,各研究手段存在不足,可靠性和分辨率有待进一步提高,加之南大洋远离人类居住环境恶劣,考察能力有限,众多因素限制南大洋古环流研究发展。未来的研究还要注意多手段结合综合分析,重点关注以下方面。

( 1) 古生物与地球化学方法多参数运用,与其他圈层如大气圈、岩石圈、水圈、生物圈结合系统分析。

( 2) 发展新技术手段。受工作电极和参比电极最高使用温度和压力的限制,目前国际上有关Eh的测量主要是在常温常压下进行。因此,亟须开展原位监测的氧化还原电位测量工作。此外,还需建设极地海底观测系统,建立更详细参数的数值模拟模型。

( 3) 对温度盐度的调查主要是依靠单次调查结果,且调查的范围有限,经向跨度小。采用多航次、多剖面、跨经度调查,以获得更大区域范围丰富的南大洋环流温盐资料。

( 4) 从能力建设方面着手加强极地科考能力,这对南大洋古环流研究有极大地促进作用。

( 5) 这些研究技术成就都是在一系列大型国际合作计划和长期稳定资助下取得的,科学问题的前瞻性和研究经费的合理运用成为取得这些成就的必要基础。任何创新性成果的取得必须依赖于广泛的跨学科、跨方向的合作。

摘要：南大洋海洋环流系统由南极底层水AABW、南极绕极流ACC、南极表层水AASW、绕极深层水CDW组成,它们在全球气候调节中扮演重要角色。随着科考技术的进步,有关南大洋古环流研究越来越多,研究主要集中在温度、盐度、流向和影响作用等方面。研究侧重内容不同所采取的手段和方法也有差别,南大洋古环流研究方法包括古生物法、地球化学法、数值模拟、沉积法、实测资料等。本文就这些研究方法做一简单综述,以期强调南大洋在全球大洋历史中的作用。