压力气体（精选8篇）
压力气体 篇1
摘要：采用基于PC机的数据采集系统,运用虚拟仪器技术的非电量的电子测量法,结合传感器技术、信号处理技术等,搭建硬件设备,建立气体压力、流量等参数的在线监控系统,实现对测控系统的调节和控制。
关键词：气流,数据采集,LabVIEW,测试
近年来,随着我国国民经济的快速发展,气体产品应用范围不断扩大。气体工业对近年来飞速发展的微电子、新型材料、环境科学等高新技术部门有重要影响,在这些部门中发挥着不可缺少的作用。本系统对于气体流量与压力的测量,主要以喷气织机作为载体,对其喷嘴喷出的气体做测量与分析,指导实践并产生积极意义。同时,系统的建立也有助于在完成引纬条件下,尽量选择较低的喷射张力,进行柔和的引纬以减少纬纱断头及压缩空气的消耗。
从硬件到软件,全面体现了一个系统的完整性。从参数在线测量到控制系统,解决了喷气引纬的气流调控,满足引纬工艺参数的要求。该设备可以提高产品的质量、降低能量的消耗,并且为改善设备提供实验依据。基于虚拟仪器的气流测试系统的研究涉及许多学科领域,如流体力学、机械学科、微电子学、测试技术、传感器技术等诸多方面[1,2,3]。
1 测量原理方案
测量原理方案如图1所示,在确定原理方案的基础上,对整个系统的硬件、软件两方面进行规划涉及,搭建硬件平台,同时采用LabVIEW建立数据采集系统进行调试,然后对系统的软硬件进行调试、检测与控制,最后评定整个系统,用于实践检验、测试和改进。
对一个动态运行的气体流量压力进行测试和控制,关键是提取和处理该系统中压力、流量等随时间动态变化的物理量。因此,提出构建以计算机为核心的基于虚拟仪器的流量压力测试系统和控制系统,目的是能较高精度、较高灵敏度、较高效率地获得压力、流量和温度等参数值,并能利用微机对于数据的处理能力,最大限度地消除测量的随机误差和系统误差以及干扰,完成自动校正零点,自动显示、输出实验数据和实验曲线的功能。
系统利用压力、流量等传感器,检测气流的状态,并根据测试值和经验值设置工作状态参数,使其达到最佳工作状态。首先采用传感器连接系统,对情况进行监测,并将数据传输给采集模块;其次要进行数据传输和处理,利用计算机进行编程和运算;最后由采集处理后的数据与标准数据比较,给出比较数值,调控相应阀,以达到标准所需状态。
2 测试系统框图
如图2所示,本系统采用空气压缩机供气,经过分水滤气器、油雾器等辅助元件实现对压缩空气的过滤、除杂,然后进入喷嘴进行供气,保证气源。测试系统对气流进行采集,输入的流量、压力信号通过流量传感器、压力变送器,再经过信号调理电路,把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其它目的的数字信号,将数字信号送至数据采集卡,可以对气流进行压力流量的测试。将数据采集卡的信息接入电脑,通过LabVIEW所构建的测试系统进行数据采集,最后在程序界面进行图像与数据的显示和保存,完成测试的一个循环。
3 硬件系统
气流测试系统主要由传感器测量单元(包括压力传感器、流量传感器),伺服控制单元(流量伺服阀、压力伺服阀),接口单元(USB接口),数据采集卡以及计算机(PC机及软件平台)组成。
(1)AOB-131型压力变速器:高性能,采用微型放大处理电路的硅压阻传感器,具有抗震性和抗冲击性好,精度高,稳定性好等优点。测量范围为-0.1-0-60MPa,供电电源为12VDC~36VDC典型24VDC,长期稳定性≤±0.2%FS/年。
(2)LWGYA型涡街流量传感器,4~20mA两线制电流输出,远传变送型,公称通径15mm,普通流量范围0.6~6 m3/h,准确度为1.0级。传感器具有精度高、重复性好、寿命长、操作简单等特点,可应用于测量气体的体积瞬时流量和体积总量。
(3)USB2013数据采集卡:有标准插拔端口,可即插即用,传输速度快。USB2013板上设计有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器,提供了16路单端或8路双端的模拟输入通道和4路D/A输出通道。A/D转换器输入信号范围:±5V、±10V、0~10V;D/A转换器输入信号范围:0~5V、0~10V、±5V、±10V。16路开关量输入,16路开关量输出且均能上电清零。使用本卡时最好通过板卡上的EX_VCC插座接上外接电源。
(4)伺服控制单元:包括压力控制阀和流量控制阀。
压力控制阀指控制系统中压力的阀类,可用到减压阀,作用为将气阀压力减到每台装置所需要的压力,并且保证减压后压力值的稳定。可根据需要选用直动式,先导式减压阀或者定值器,综合考虑。
流量控制阀通过改变节流口的通流面积来改变气体流量大小,从而实现运行速度控制。同样,也可根据不同的需求选择相应的节流阀。
(5)除上述元件以外,还需要空气压缩机作为实验用的气源提供装置,一台PC机及若干数据连线,气管,电磁阀等。
整体硬件系统效果如图3所示。
4 软件调试
数据采集系统如图4所示,先将被测对象各参考量通过各种元件适当转换后,再经过信号处理、采样、编码、传输,送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。此过程与传感器、信号检测与处理、计算机等技术进行了结合。同样,测物理量时,转换器必须将本实验中的压力与流量转换为可以测量的电信号(比如电压或者电流),而所需的转换气即上述所提到的压电变送器及涡街流量传感器,元件将用于数据采集。
采集过程中应先做好硬件方面的工作,安装完硬件后,分别安装驱动及设备管理,此后要进行配置,包括运行管理程序,添加硬件以及硬件的测试。此后构建数据采集系统:创建VI,用来显示所采集数据,同时分别设计打开采集设备,关闭采集设备和实施数据采集功能,模块之间进行连接,最后将测量到的数据送至示波器现实空间上。
LabVIEW图形化编程,由前面板与程序框图面板组成,具有很强的直观性与可读性,采用模块化设计,同时具有高效率与开放性的优点。LabVIEW程序称为“虚拟仪器”或简称VI,是科学研究和工程领域最主要的图形开发环境[4,5,6]。
(1)前面板功能设计
前面板是图形用户界面,也就是VI的虚拟仪器面板,这一界面上有用户输入和显示输出两类对象,具体表现有开关、旋钮、图形以及其它控制和显示对象,使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口,而显示是输出程序产生的数据接口,前面板就相当于仪器的面板。
如图5所示,对测试系统前面板进行设计,系统的开始和停止可以通过按钮实现,采集到的压力和流量信息可以通过图形与数据同时显示出来。前面板上可实现对压力、流量的单独测量,也可实现对二者的同时在线监控,并且将采集数据按一定比例显示在数据采集显示框中,同时可对压力、流量进行波形显示,并可存储参数,存储和打印流量—压力特性曲线。
(2)程序框图面板功能设计
框图是定义VI功能的图形化源代码。在框图中对于VI编程的主要工作就是从前面板上的输入控件获得用户信息,然后进行计算和处理,最后在输出控件中把处理结果反馈给用户。框图上的编程元素除了包括与前面板上的控制和显示端子对应的连线端子之外,还有函数、子VI、常量、结构和连线等。框图相当于仪器内的的功能部件,一些情况下,框图可以仿真标准仪器。
从图5可知已经得到信号,对于已经采集到的信号,需要进行信号处理与分析,对于信号处理,应用到LabVIEW中的频谱分析。通过对于采样频率与样本数设置,在时域信号序列与频谱中显示出来,即对信号进行频谱分析,将信号源发出的信号强度按频率顺序展开,使其成为频率的函数,并考察变化规律,称为频谱分析。
对于采集到信号来说,要分模拟信号与数字信号。对于模拟信号来说,往往对其进行抽样,然后进行快速傅里叶变换,然后对其幅度和相位的图像进行分析;对于数字信号,则可直接进行快速傅里叶变换。如图6则是单边快速傅里叶变换的程序框图。
5 结论
基于虚拟仪器的数据采集系统完成了信号的采集、显示、分析与数据的保存等一些功能。与传统仪器相比性价比高、通用性强,而且易于开发,具有很多优点。将之用于系统性能测试、数据的分析与处理等方面,大大缩短了开发的时间[6,7]。
建立传感器和数据采集卡组成的测控系统,能够准确检测气流的压力和流量,并能进行调控,通过虚拟仪器实现了实时显示状态参数。气流测试系统应用于生产过程,产生良好的经济效益,有利于与产品质量的提高,同时使设备的能耗降低。
参考文献
[1]王绍斌,赵怀勋,张平国,等.SX-1型喷气织机气流测试仪[J].纺织器材,1995,22(2):3-6.
[2]祝章琛,黄福荣,周纪勇,等.喷气织机引纬筘槽内气流状态的测试分析[J].纺织学报,2010(6):120-124.
[3]陈雪善,卢跃华,祝成炎.筘槽内引纬气流场分布及其对纬纱飞行的影响[J].纺织学报,2009,30(7):31-35.
[4]徐磊,翟文涛,严利民,等.基于LabVIEW的流量测试系统设计[J].仪器仪表用户,2010,17(5):9-10.
[5]Heuy-Dong Kim,Chae-Min Lim,Ho-Joon Lee.AStudy of the Gas Flow through Air Jet Loom.Journal ofThermal Science[J].2007,16(2):l59-l63.
[6]刘烨,庄庆德.虚拟仪器在农业方面的应用现状[J].国外电子测量技术,2006,25(8):6-9.
[7]裴锋,杨万生.LabVIEW中模糊控制器的设计及应用[J].化工自动化及仪表,2004,31(1):41-43.
压力气体 篇2
1、什么是液化气体？（概念）
答：常温常压下呈气态，常温加压变为液态的气体。★
2、液化石油气的组成
答：丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷、正丁烯、异丁烯、反丁烯-
2、顺丁烯及少量的水和残液。
★
3、液化石油气物理性质及对安全有何影响？
答：
1、气态LPG相对密度大，易沉积，与空气形成爆炸性混合物；
2、液态LPG密度随温度上升而减小，体积随温度上升而增大,膨胀系数大，易因液体膨胀而超压；
3、LPG饱和蒸汽压随温度增加而增加，高温时易超压；
4、LPG汽化（由液态变成气态）潜热值大，易冻伤人，大量汽化时设备液位处易产生温差应力，造成设备损坏。★
4、液化石油气与液化天然气的物理性质主要有哪些不同？ 答：
1、临界温度不在同一范围，不是一种气体，天然气是永久气体常温下呈气态；液化石油气是液化气体常温加压可液化。
2、天然气相对密度小，易挥发；液化石油气相对密度大，易沉积。
5、燃烧的必要条件有哪些？
答： ⑴可燃物（首要条件）（可燃气体、液体、固体）⑵助燃物（氧气、氯气）
⑶温度（引火源）★
6、为什么说LPG是一种危险物质？ 答：1.极易燃烧和爆炸
闪点低于-60度；
爆炸极限（2-10）%； 2.火势猛，火灾损失大
爆炸速度：2000-3000m/s;火焰温度：2000度 3.易挥发，事故具有隐蔽性
4.极限浓度低，继生灾害严重
5.液体受热膨胀系数大，易造成设备超压 6.气态比重大，泄漏后易在低洼处聚集。
7、危险品罐车有哪几种？怎么分类？ 答：
一、运输液体危险化学品常压罐车。
二、承压罐车：
常温罐车(LPG)T=(-20至50)℃ 低温罐车(CO2、C2H4)T=(-70至-20)℃
深冷绝热型罐车(LN2 LO2 LAr LNG)T≤-150℃
8、汽车罐车安全附件有哪些？
答：指安全泄放装置（安全阀、爆破片)、紧急切断装置、导静电装置、压力表、液面计、温度计。
9、汽车罐车有哪些组成？
答：底盘、罐体和安全附件组成。
10、试述汽车罐车充装步骤？ 答：
1、连接接地线。
2、连接气液相管；
3、打开放散阀；
4、打开装卸台截止阀，至放散阀排尽空气，关闭放散阀；
5、检查确定管路气、液相中压力表差，压力表差在0.2-0.3MPa。
6、打开紧急切断阀，停留片刻；
7、缓慢打开球阀,使管路中介质流动处于稳流状态；
8、观察液位计及充（卸）过程至最大充装量；
9、关闭装卸台截止阀及紧急切断阀及球阀
10、打开放散阀，排尽软管中的介质。
11、卸下气液相管。
12、关闭放散阀，并装快装接头。
13、断开接地线。
11、静电产生的原因和危害？ 答：1.产生：摩擦、接近带电物等
2.危害：引起火灾、爆炸；妨碍生产；电击人。★
12、紧急切断装置的作用及组成？
答：装卸过程中当管路发生大量泄漏及发生火灾时紧急止漏。
★
13、罐车安全阀开启压力、回座压力是多少？（LPG）答：安全阀的开启压力应为罐体设计压力的1.05-1.1倍，回座压力应不低于开启压力的0.8倍；低温型罐车的安全阀开启压力不得超过罐体的设计压力。
★
14、LPG汽车罐车最大充装量是怎么确定的？
答：W=ΦV 式中Ｗ——汽车罐车最大充装重量，ｔ；
Φ——单位容积充装重量，0.42ｔ／ｍ；
Ｖ——罐体实测容积，ｍ。★
15、LPG汽车罐车的装卸方法有哪些？
答：
1、压缩机装卸法；
2、烃泵装卸法；
3、蒸发器装卸法；
4、压缩气体装卸法；
5、静压法。
16、汽车罐车携带的证件有哪些？ 答：１、汽车罐车使用证；
２、机动车驾驶执照和汽车罐车准驾证；
３、押运员证；
４、准运证；
５、汽车罐车定期检验报告复印件；
６、液面计指示刻度与容积的对应关系表，在不同温度下，介质密度，压力、体积对照表；
７、运行检查记录本；
８、汽车罐车装卸记录。
17、危险品罐车充装前检查，发现哪些情况不得充装？
答： １、汽车罐车使用证或准运证已超过有效期；
２、汽车罐车未按规定进行定期检验；
３、汽车罐车漆色或标志不符合本规程的规定；
４、防护用具、服装、专用检修工具和备品、备件没有随车携带；
５、随车必带的文件和资料不符合规定或与实物不符； ６、首次投入使用或检修后首次使用的汽车罐车，如对罐体介质有置换要求的，不能提供置换合格分析报告单或证明文件；
７、余压不符合规定；
８、罐体或安全附件、阀门等有异常。
18、危险品罐车出现哪些情况禁止装卸？
答：
1、介质易燃、易爆的汽车罐车，遇有雷雨天气或附近有明火时；
2、周围有易燃、易爆或有毒介质泄漏时；
3、罐体内压力异常时。
19、什么是压力容器？
答：压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0．1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2．5MPa〃L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器； 20、什么是特种设备？ 答：特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内机动车辆。
21、液氮、液氧、液化天然气是液化气体吗？为什么？ 答：不是，因为液氮、液氧、液化天然气的临界温度都低于-10℃，常温下呈气态，按照《气瓶安全监察规程》划分，它们都是永久气体。
22、液氮、液氧罐车有哪几大系统组成？
答：
1、进出液系统；
2、进排气系统；
3、自增加系统；
4、安全防护系统；
5、仪表控制系统；
6、真空系统；
7、最大液位及取样系统。
23、液氮、液氧罐车最大充装率指什么？是多少？ 答：最大充装率：是指充许达到最大充装液氮、液氧的体积与内容器的几何容积之比。是 ？
24、低温液体操作应注意哪些？ 答：
一、防止泄漏；
1、低温液体泄漏会使一些材料变脆（如碳钢），断裂；
2、冷收缩，使设备损坏，引起泄漏；
3、对人体冷灼伤。
二、热态设备充装低温介质前必须进行预冷。
25、低温罐车结构有哪几种？
答：
1、正压堆积绝热；
2、真空粉沫绝热；
3、高真空多层绝热。
26、低温罐车的装卸方法有哪几种？ 答：
1、压力装卸法；
2、低温泵装卸法。
27、液氮、液氧罐车为什么要装防爆片？
答：因为液氮、液氧常温下呈气态，深冷下液化，体积缩小800倍（氧）、670倍（氮）；当设备绝热层破坏后，液氮、液氧急剧汽化易造成设备迅速超压，为保护设备不超压，要装防爆片，以保证安全阀失效时，超压迅速泄放。
28、液氮不燃、无毒为什么是危险物质？
答：
1、深冷气体；
2、窒息性气体；
3、氮气液态时，体积缩小670倍（氮），当设备绝热层破坏后，液氮急剧汽化易造成设备迅速超压；
29、液氧充装应注意哪些事项？ 答：
一、防止泄漏；
1、液氧泄漏使一些材料变脆（如碳钢），断裂；
2、冷收缩，使设备损坏，引起泄漏；
3、对人体冷灼伤。
二、热态设备充装低温介质前必须进行预冷；
三、禁油。
30、管道发生低温液体泄漏应如何处理？注意事项有哪些？ 答：
1、迅速查明泄漏点，关闭泄漏点两端管线上的阀门和与该管线相接的每一个储罐阀门，把气源切断。如不能解决用湿绵被包住泄漏处，并用水对其进行喷射冷却，使之结冻，减少泄漏。
2、杜绝一切火源，禁止车辆通行。
3、设立警戒（区域），撤离无关人员，组织人员进行处理，用雾水化驱散气雾。并立即报警（公安消防、质量技术监督、安全生产、运管等部门）。同时立即向本单位领导报告。
4、对泄漏点进行检修。注：
1、★低温罐车不答 2、21—30题常温罐车不答 爆炸极限：
气体压力闭环控制系统设计 篇3
关键词：PC104,步进电机,闭环控制,混合编程
0 引 言
气体压力的自动化测试和控制是一个古老而又不断更新的课题,随着自动控制和计算机技术迅猛发展,给气体压力控制技术带来了深刻的影响。精密气压的产生与控制技术应用越来越广泛,特别是应用于液压和气动设备的检验,对气压的控制精度和控制稳定性提出了越来越高的要求。目前,现代工业生产日益复杂化,为满足生产条件和产品精密的要求,必须不断改进信号采集和控制的方式方法,向更加快捷、高效、准确、实时以及远程控制的方向发展。气体控制是利用各种控制元件(各种阀、缸等)和控制器,组成控制回路,以进行自动控制[1]。
在某型装备测试操作中,需要往高压气瓶中注入高压工作气体,高压气体在注入的过程中出于安全起见需要精确控制充气速度。因此,本文采用闭环控制系统通过计算机对气体管路进行实时控制,在装置运行过程中根据压力表反馈的数据,动态调节阀门的开启度,控制充气速度在合适的范围。
1 整体方案设计
对气阀的流速做出控制,最简单易行的方法就是改变进气时气流流通的横截面积,可以通过在进气道中设置一锥形活塞,通过精确控制锥形活塞的行程来改变进气道流通面积,而精确控制锥形活塞的行程可以通过步进电机带动丝杆传动系统,做出精确位移来实现[2]。
整个闭环控制系统由PC系统、气体管路系统和步进电机系统构成。在VC++2005环境下,由PC系统控制压力表实时采集管路的压力值,实时数据经过Matlab的多项回归处理,得出压力的实时变化快慢来闭环控制步进电机调节精密阀门开度,实现气阀充气速度的自动控制。
1.1 硬件设计
系统以ICOP最近推出的一款功能齐全完美的PC104单板电脑VDX-6354为核心,主板采用标准PC104结构,小尺寸并拥有完整性的功能,运算时的稳定度高,执行速度快,功耗低,-40~+85 ℃的军工级工作温度[3]。
步进电机控制系统选用RORZE系列,通过RS 232总线和电脑通信,包括RD-023MS驱动器、RC-002电平变换器和RC-233定位主控器、RM2414S步进电机。该系列步进电机系统,以程序取代人的操作,配备功能强大的编码器,利用RD-023MS驱动器,不需要外接脉冲信号和驱动电路,通过程序指令控制电机实现正转、反转、加速、减速、查询、定位等功能[4]。RC 233定位主控器可以有80,320,1,64,50,400几种细分,满足不同速度的需求。
压力表选用ACD-2精密数字压力表,它是一款高精度智能测量仪表,由压力传感器和信号处理电路组成。压力传感器采用进口传感器,性能优越,具有精度高、抗腐蚀、抗冲击、抗震动、高稳定性等优点,可靠性高。压力表通过RS 485接口与电脑通信连接,驱动和控制程序简单,气压表12 V直流电压供电。由于RS 485串行接口属于一种差分标准,允许1对双绞线上1个发送器驱动多个负载设备,RS 485通信多用在主从式多机通信中,但其作为一种半双工的通信方式,在1条通信电缆上挂许多设备时,一定要保证在总线上只有1台设备处于发送状态,其他设备一定要处于接收状态;而一旦同时2台设备都处于发送状态,必然会出现总线冲突的现象[5]。针对上述问题,解决的关键是一定要控制好各台设备的接收与发送状态即RS 485接口器的收发状态,本系统中两个压力表工作时间不同步,可以避免这种收发冲突。
气体管路组件选用宁波星箭航天机械厂的过滤器、截止阀、阀门和导管,硬件系统示意图如图1所示。
1.2 软件设计
软件部分通过网络接口实现远程编程,在其他电脑上Windows XP环境下用VC++2005和Matlab混合编程,最后将可执行文件以静态库的形式移植到单板电脑上运行,分为主程序模块、硬件驱动模块、数据处理模块三个部分,后两个部分均以类的形式封装。Visual C++是Windows平台下强有力的高级编程语言,能够方便快速地开发出界面友好,执行速度快,易于维护升级的系统软件。然而Visual C++只提供了一些基本的数学函数库,当遇到复杂的数值运算时,重新编写程序代码延长软件开发周期,增加软件开发成本。Matlab拥有独立的数学函数库,包含有大量优化了的数学函数,同时提供了对C++语言的函数接口,用户可以方便地在VC++的集成开发环境中调用。但Matlab的应用程序接口并不是很强大,它不能传输除了数值之外的其他数据,而VC++却具有强大的程序接口,能传输任何数据,但其进行复杂计算的能力不是很强。因此,若将两者结合起来,协同工作,必将提高软件开发效率[6]。程序流程图如图2所示,初始状态把阀门定在完全关闭的状态,规定电机逆时针为正。
1.2.1 主程序模块
主要是声明成员变量,调用硬件驱动模块和数据处理模块的已经定义好的类函数。主程序根据气压表模块输出的压力值,然后用数据处理模块进行数据分析,根据压力值的变化来闭环控制步进电机转动的方向,压力变化过快,则需要减小精密阀门开度,电机反转,压力变化过慢则电机正转,使压力上升速度在一个安全高效的范围内。
1.2.2 硬件驱动模块
硬件驱动模块用于对硬件设计部分主要仪表的控制和驱动,主要包括气压表模块、步进电机模块和串口模块,各分模块也是均以类的形式进行封装。
气压表模块,表1和表2在气压表内部可以进行初始设定编号01,02[7],表1负责放气时的气压读数,表2负责充气。气压表实时监测高压管路的压力值,实际上一秒最多可采集数据20次, PC机通过串口模块实时向气压表发送命令“@01!”、“@02!”,通过MFC对话框的形式实时接收气压表返回的压力值,经过数据处理,得出压力值变化的速度来闭环控制步进电机,使充放气速度在一个安全高效的范围。
步进电机模块,直接发送程序指令来控制电机实现各个动作。电机步距角为1.8°/步,细分50时,转动一圈需要10 000个脉冲,在导轨上从原点至终点共需6.5圈65 000个脉冲。这里将平面直角坐标系引入模块中,将步进电机的行程65 000个脉冲均分为100份,坐标原点设为阀门完全关闭点,坐标100处阀门完全打开。在步进电机控制中引入坐标系,可以通过对坐标点的标定来定位电机,有以下几大好处:
(1)利于闭环控制程序的编写。闭环控制可用一个循环程序来实现,有了坐标系,就可以方便定义一个位置变量,以压力变化快慢作为循环条件,位置变量作相应的增减,即可控制电机的正反转,改变精密阀门的行程,调节阀门开度实现气压控制;
(2)限制步进电机的行程。步进电机的活动范围限制为坐标0~100之间,在不可见系统中解决步进电机失步碰撞问题,可以替代接近开关的作用;
(3)实时查询步进电机的位置。查询锥形活塞所处点的坐标,根据坐标和阀门旋转螺旋间距,就可以得出电机的位移,相当于一个位移传感器。
串口模块,在VC++2005对话框编辑框中添加ActiveX控件Microsoft Communication Control,给该控件命名并在对话框属性框里设置相应的参数,即可以直接调用串口。
1.2.3 数据处理模块
数据处理部分采用的是VC++和Matlab混合编程的方法,VC作为客户端,利用其能够简单地同底层硬件资源进行通信的优点,将数据读入到内存中,再将数据送到Matlab中进行数据处理,通过调用Matlab下数字信号处理工具箱中的函数以及自己所写的函数进行分析[8]。选用Matlab的C/C++编译器mcc,这种混合编程方式将.m源文件转化为C/C++等各种不同类型的源代码,并在此基础上根据应用需要生成MEX文件、独立可执行应用程序等文件类型,大大提高程序的运行速度,以及代码的执行效率。由于气压表每秒采集数据20次,为了精确地实现闭环控制,把20组数据进行多项式最小二乘法曲线拟合,建立第1 s内气压随时间变化的函数模型:
在Matlab中调用回归命令:A=polyfit(T,P,n)[9],其中:T=0∶0.05∶1;P=[p0,p1,…,pn]可以通过气压表的读数得到;A=[an,…,a1,a0],是多项式(1)的系数;n为多项式的次数。
预测气压的变化速度:
多项式拟合数据的模型随着阶次n的选择不同而不同。虽然n+1个数据点可以确定惟一的n阶多项式,但实践证明并不是阶次越高拟合越好,有时会发生阶次越高越不精确的情况。曲线拟合时应该根据实际情况凭借经验及观察选择拟合次数,注意检验结果,比如观察曲线是否平滑、拟合误差是否足够小等,力求准确全面地描述输入数据之间的关系[10]。由每秒的模型得出连续的气压模型函数和气压变化速度函数,根据气压变化速度函数在各个时间点上的值来判断步进电机正转还是反转。数据处理模块也是以类的形式封装起来,供主函数调用。
2 实验与分析
气体压力闭环控制装置已经应用于某型装备故障检测中,对高压充气速度进行控制,在试验时,装置连接在管路中,通过对电机的控制实现对充气速度的调节,从而完成所需试验数据的采集。通过多次试验,验证了系统的稳定可靠性和高精度的控制充气速度。
3 结 论
气体压力闭环控制系统的设计在某型装备故障检测中已得到较好的实现。设计中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法,这使得系统扩展起来比较方便,系统可移植性高,增加了系统的灵活性和可靠性,具有广泛的适应性。坐标系引进步进电机行程的方法,可以成功解决步进电机失步碰撞问题,能够确保系统正常运行。
参考文献
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GIS中SF6气体压力的监视 篇4
GIS (gas-insulated metal-enclosed switchgear) 为气体绝缘金属封闭组合电器的英文缩写, 为近几十年发展起来的高、精、尖输变电设备, 该设备运行所受外界影响小, 技术先进, 占地面积小, 维护工作量小, 运行可靠性高。GIS设备发展速度非常快, 从开始的几千伏等级已发展至220k V、500k V、750k V等级, 而目前国家正在建设1000k V电压等级的交流输电线路, 其中的开关设备亦采用GIS产品。从目前情况看, 我国的高压, 特高压GIS已作为我国高电压输电设备的主流产品。
GIS设备内部充有一定压力的SF6气体, 而SF6气体本身具有优越的灭弧性能和绝缘性能, 其直接影响着GIS设备的使用寿命。因此如何更好的监视SF6气体压力是GIS设备中能否正常运行的关键。现有监视GIS设备中SF6气体压力普遍采用的方式是在GIS本体上安装密度继电器, 再依靠密度继电器上的压力节点向远方发出SF6压力低报警、压力闭锁信号。
而随着数字化、智能变电站的发展, 越来越多的GIS变电站在监视SF6气体压力时采用在线监测系统。SF6在线监测系统可以及时发现气体的泄漏及发展趋势, 以防止GIS出现严重泄漏危及主设备安全, 造成主设备损坏而影响电力系统的稳定运行。
2 SF6气体密度继电器简介
在GIS产品中, SF6气体是主要的绝缘介质和灭弧介质, 其绝缘强度和灭弧能力均取决于SF6气体的密度, 密度越高, 性能越好。而在现实电气设备中一般不直接测试SF6气体的密度, 一般都用SF6气体压力来表征SF6气体的密度, 所以无论是传统的变电站还是现在智能变电站中都需要表计来监视GIS设备中SF6气体压力值。在变电站日常巡检时对表值的观察和记录是目前SF6气体压力监视最直观、最可靠的监视方式, 传统的压力表只能监视GIS内部SF6气体压力值, 而压力值随温度变化, 所观察的结果需再通过“SF6气体随温度变化曲线”来比照计算出设备内部SF6气体在20℃时的气体压力值, 以判断其是否发生泄漏现象。随着科技的发展及工艺的改进, 通过在表计中增加压力补偿元件使表计一直显示设备内部气体在20℃时的压力值, 即现今变电站中常使用的SF6气体密度继电器。
如图1, SF6气体密度继电器结构简图所示, SF6气体密度继电器一般由一个指示器和一个触点机械装置组成, 指示器能够指示电力设备内部SF6气体的压力, 当产生不正常的压力或气体压力达到设定值时, 触点机械装置可以通过接通或断开回路的方式来操控不同的电器元件, 如报警器和控制继电器。
如图2, SF6气体密度继电器内部简图所示, SF6气体密度继电器主要由压力传感器元件1, 传动元件及指针2, 双层金属片3三部分组成。压力传感元件是一种布尔登管式 (弹性金属曲管式) 压力/行程转换器。当GIS内部SF6气体一定量 (处于额定值) 情况下, 仅仅由于温度变化而引起的任何压力变化, 都可以通过压力元件和可动部件之间的双金属片得到补偿, 因此不会引起指针的偏转, 并确保压力指示值的正确性。通过这种结构, SF6气体密度继电器的指示器指示的压力值始终是折算到气体在20℃状态下的压力值。
3 SF6气体密度继电器使用
SF6气体密度继电器分为充油型和不充油型 (后面简称干式密度继电器) , 而干式密度继电器又有两重形式:一种内部气体与周围空气相通;另一种内部充入氮气, 采用全密封结构。根据变电站所处环境及所需要的功能不同我们应合理的选用各种类SF6气体密度图1气体密度继电器结构简图继电器。
充油型SF6气体密度继电器内部充有硅油或变压器油, 其防护等级可以达到IP65, 其抗震性、抗紫外线性、抗风雨性一般优于干式密度继电器, 常规情况户外变电站的GIS产品或用于GIS中的断路器气室。
普通的干式SF6密度继电器内部与周围空气相同, 防护等级为IP54, 由于其防护等级能力低, 故而其干扰性能也稍差, 但由于其成本低, 所以价格上稍便宜, 主要在户内变电站GIS除断路器气室外的其它气室使用。
另一种SF6密度继电器内部充入氮气, 由于采用全密封机构, 其防护等级也达到IP65, 在常规电站中不需要采用此种密度继电器, 而在一些特殊的环境中, 比如高寒地区或者高海拔地区一些变电站就需要采用此种类型密度继电器。
这种压力一般是相对压力, 而非绝对压力。在不同海拔高度的地区, 因大气压力的不同, 在相同SF6气体表压的情况下, 其设备内部的SF6密度是不同的, SF6密度实际上是与SF6气体的绝对压力一一对应的。因P绝对=P相对+P大气压, 在高海拔地区, P大气压下降, 在相同的充气压力P相对的情况下, 设备内部的绝对压力P绝对将比平原地区减小。也就是说, 在相同的P相对下, 高海拔地区的SF6电气设备内SF6气体的实际密度将比平原地区减小, 因此其绝缘、灭弧能力都将下降。
4 SF6气体压力在线监视系统的应用
随着智能变电站的发展, 越来越多的变电站要求实现无人值守, 监测系统自动化、人性化等, 但SF6气体密度继电器已经无法达到智能化变电站的要求。因此GIS产品中SF6气体压力也越来越多采用在线监视装置, 以适应智能化变电站的需要。
密度变送器 (又称电子式气体密度计) 作为SF6气体压力在线监视系统中直接安装于GIS设备上的测量元件, 其准确性直接关系到GIS设备运行安全, 更关系到整套在线监测系统的可靠性和测量精度。
密度变送器主要由一个测量气体压力的压力变送器和一个测量气体温度的温度变送器组成。其与指针式SF6气体密度继电器不同, 后者是通过机械方式测量压力, 由机械式温度补偿得到20℃时的压力作为密度指示。而密度变送器通过压力变送器将设备内部气体压力转化成4~20mA DC标准信号输出到控制柜中的可编程控制器上;再通过温度变送器将设备内部气体温度也转化成4~20mA DC标准信号输出到控制柜中的可编程控制器上, 而后通过数字运算求出设备内部气体在20℃时的压力来表征内部气体密度。
在实际的智能变电站应用中, 根据密度变送器的原理, 其布置方式也分两种情况。一、将压力变送器和温度变送器分开布置。压力变送器每个气室布置一处, 温度变送器根据当地的环境多气室布置一处或每个气室布置一处。通过变电站的实际观察, 笔者发现此种布置方式并不可取, 其主要原因是温度变送器置位置选择问题。当温度变送器布置在日照强烈地区或阴暗地区, 其不能实际反映出设备内部气体的实际温度, 从而造成其补偿后计算出不能真实的反映SF6气体在20℃的压力。二、将压力变送器和温度变送器集成布置, 甚至将集成后的压力变送器与SF6气体密度继电器组合集成布置, 这样密度变送器与SF6气体密度继电器所处的环境温度等因素都是相同的, 通过对密度变送器与SF6气体密度继电器数值的比较、对照, 能够更清晰、更真实的反映设备内部气体的压力。
结束语
对于公司而言, 在实际应用中要对气体监测装置的监测准确度和产品的成本两方面来考虑, 既要满足产品的应用功能, 能够准确的监测出产品内部SF6气体的密度, 又要进行成本核算, 尽量节约。这就要根据产品所在地区的实际环境选用适当型号、适当功能的SF6气体密度继电器或在线监测装置。另外由于现场的环境影响, 其“示值”可能并不准确, 在发生问题时要慎重人工分析, 不能简单判定密度表的好坏。
摘要：全封闭组合电器 (GIS) 由于其技术先进、占地面积小、维护工作量小等优点被越来越多的变电站所采用。GIS内部充有一定压力的SF6气体作为灭弧、绝缘介质。本文主要介绍SF6气体密度继电器、密度变送器的结构、原理, 并讨论了在各环境中SF6气体密度继电器的选用及使用, 以达到GIS中SF6气体压力的更好监视。
压力气体 篇5
工业现场环境的复杂性与功能需求的多元化推动着智能仪表的更新与发展,出于对更新成本、产品可靠性和稳定性等方面的考虑,国内市场上仍缺乏一种既能够准确检测变送被测信号,同时又能够满足安全性、抗干扰、稳定性等多方面要求的产品,即使有,其成本也相对较高。S2420即是一款从功能复杂性、生产成本、稳定可靠性等多方面出发进行研发的智能装置,它的体积小、成本低、抗干扰能力强、 易于操作和安装、稳定而可靠,同时它具备较高的开关精度和开关频率,非常耐用。
1 S2420概况
1. 1性能分析
PN30针对不同测量范围、精度要求、通信方式和访问权限等要求而设计有多款型号,S2420即属PN30气体压力仪表系列。S2420集气体压力测量、 功能菜单设置以及压力值即时数字显示等多功能于一体。另外,其MCU运行速度快,稳定性高,且内置进口精密传感元件,使得压力测量过程灵敏而准确。
为了满足防爆及屏蔽外界的噪声和电磁干扰等要求,S2420采用细柱状钢质防爆外壳封装,并进行了密封处理。S2420输出可设定为4m A ~ 20m A标准电流信号或0 ~ 5V电压信号两种开关信号输出方式,具体方式的选择可通过菜单设置。S2420可选用5V直流电源或24V直流电源( 内部电压转换电路会将24V电源转换为5V信号) 进行供电。
S2420有两种功能模式: Gate ( 窗口功能) 模式和Hyst( 迟滞功能) 模式。Gate模式下系统压力在开启点与关闭点之间变化时,输出功能将发生转换( 常开/常闭) ; Hyst模式下,在压力上升过程中,当系统压力达到开启点spx时切换输出状态,在系统压力达到最大并转而下降到关闭点rpx时输出切换回原来状态。两种模式下具体动作情况如图1 - 2所示,具体的开启点与关闭点的压力值用户可根据实际需要在菜单内进行设置。
1. 2 S2420内部结构
S2420内部嵌入高精密传感器及3块PCB板, 主要功能涉及信号处理功能( 放大、滤波等处理) 、 信号AD/DA转换处理、电源变换、配置按键及数码管显示等。各个功能板之间通过排线进行信号通信连接,板与板间的物理连接采用插针式与卡槽式连接相结合的方式进行固定。涉及的主要芯片主要包括Atmga16主控芯片、10位DAC控制芯片TLC5615、MAX1452信号调理芯片以及高精密传感元件等。
1. 3 S2420硬件测试平台
S2420研发过程中利用活塞式压力计实验平台进行实验测试,做好准备工作( 如排气) 后,通过增减码盘调节最大压力值,改变转盘旋进量改变当前气体压力大小,将S2420示数与刻度盘读数进行对比,即可判断S2420的准确性,S2420及其测试平台如图3所示。
2功能菜单设计
2. 1 S2420功能菜单结构
S2420包含两种功能菜单: 用户( user) 菜单和setup菜单。两菜单功能不同,但是结构和运行模式基本一致。
功能菜单从结构上划分主要分内、外两层,按运行流程分为纵向运行和横向运行。纵向为功能项选择,横向运行旨在切换功能模式或设置功能参数并确定修改,以上过程均通过操作左右两按键予以实现。部分user菜单功能设计及其操作流程如图4所示。
2. 2菜单按键操作流程
S2420的user菜单设置权限为用户级,setup菜单则由生产厂家进行设置,具体操作流程如下。
( 1) 接通供电电源,显示压力界面,显示值指示当前压力大小,若无菜单请求( 双键同时按下) 则一直显示当前压力( 若设置显示单位,则每隔10s显示当前压力单位bar/psi约1s) 。
( 2) 短按S1 + S2并在3s内同时释放,则进入用户菜单欢迎界面,显示如图3中的Unit字样所示( 若S1 + S2按下时间大于3s,则显示设置菜单欢迎界面) ,指示进入用户菜单,此时菜单处于横向与纵向运行交叉点处。
( 3) 若在步骤( 2) 后按下右键,菜单横向运行, 进入功能选择行- - 单位选择,按下左键可切换单位选择,选好单位后按下右键,显示界面重新在交叉点处显示Unit字样。后续菜单行均如此。只是若按右键进入的是参数设置行,第一位闪烁,指示当前正设置第一位,按一次左键,当前位加1,到9后返回0,循环计数,每位均如此。当前一位设置好后, 按右键,闪烁位右移一位,设置操作与前一位一致, 以此类推,当到达第四位,并设置好后,按下右键,保存该行设置并返回该参数设置行开始处( 即横纵向交叉点处) 。
( 4) 若任一行的开始处按下左键,菜单下行,进入下一功能选择或参数设置行。但是,若当前已到达菜单最后一行,按下左键,菜单返回第一行交叉点处。
( 5) 同样,在进入菜单最后一行,选择是否保存当前的修改,按左键切换是/否保存选项,按右键确定,随后跳出菜单,返回压力显示界面。
两个菜单设置方法均按照以上步骤,另外,在菜单操作过程中,若10s内无按键输入,系统自动跳出菜单返回压力显示界面。
在步骤( 2) 中,若长按双键进入setup菜单,若已设置启用密码保护功能,按左键S1,菜单不下行而停在原处,若按右键则进入密码输入选项,若输入密码正确,则菜单正常运行,否则,重新输入密码。 若原先没有设置开启密码保护功能,则菜单会按如上步骤运行。在横、纵向交叉处,当按下左键S1,菜单横向运行; 当按下右键S2,菜单纵向运行,进入下一个功能菜单项。
3主要硬件电路设计
3. 1输出电路设计
PN30系列仪表的一大特点在于具备两种信号输出方式: 4m A ~ 20m A标准电流信号输出或0 ~ 5V电压信号输出。该系列开关包含4线制/5线制仪表,S2420即为5线制,其开关电路设计原理如图5所示。
3. 2信号调理电路
信号调理电路是S2420硬件设计至关重要的部分,它主要负责对压力信号进行放大、校准和温度补偿处理,以确保被测信号的准确性。该部分独立设计于一PCB电路板上,主控芯片MAX1452,具体的电路图设计如图6所示。
4软件编程与算法设计
4. 1菜单软件设计流程
S2420菜单软件实现详细流程如图7所示。
整个S2420菜单操作流程分纵向、横向运行,纵向运行用于在不同的参数设置/功能选择项之间进行切换,横向运行以进入各功能项进行具体的参数及功能设置。菜单最后设置了是否保存当前进行的修改选项,按需要选择后菜单自动返回压力显示界面。
4. 2菜单程序设计
S2420菜单设计采用基于过程的C语言进行软件设计。主要功能模块有: ADC转换模块、数据读写模块、显示模块、功率放大模块、信号调理模块等。
4. 2. 1数据访问设计
软件设计中,将不需要修改的字符串/数值定义为常量( const) 字符数组元素,作为固定不变部分( 掉电自动保存) ; 把需要修改的字符串/数值作为可变部分存于EEPROM中。这样,在上电时,只需要将菜单可变部分从EEPROM中读取出来放到菜单运行时用及的字符数组中,菜单显示字符的固定部分只需要以变量赋值的方式从已定义常量字符数组中获得; 而在掉电时,只需要对菜单可变部分对应的数据进行写EEPROM存储即可。简图描述如图8所示。
4. 2. 2软件开发平台
S2420软件开发环境选用ICCV7 for AVR,主控芯片Atmega16,在AVR单片机ISP下载编程软件AVR_fighter的辅助下完成编译调试过程。
4. 2. 3程序代码及算法设计
S2420软件程序主要有三个主要状态: 压力显示、运行user菜单、运行setup菜单。主函数整体结构为一while循环体,侦测菜单操作请求并随时更新显示内容,程序主体部分代码编写如下:
S2420上电后,系统自动侦测按键输入以判断是否有菜单请求,根据输入按键的类型调用不同的菜单处理函数进入相应菜单。外层while循环保证系统自上电即循环侦测按键输入时,执行相应的菜单操作, 同时,调用显示函数对当前菜单内容进行跟踪显示, 保证了系统对按键输入的实时侦测和灵敏反应。
4. 3仿真测试
S2420的软件测试运用AVR ATmega16实验板进行,其操作界面包含左、右两按键S1 /S2,4位数码管以及两个LED报警指示灯,指示灯分别用于指示运行状况和工作状态。输入信号即用实验板上的ADC输入按钮进行模拟。经反复调试,菜单程序功能运行正常可靠。实际产品抗干扰能力较强,线性跟踪压力信号变化较为灵敏准确。正常运行后,压力显示界面如图9所示。
当有用户菜单请求时,操作双键可进入各菜单,按照功能指示用户可自由设置报警上下限、单位、延时大小等各项功能参数值,setup欢迎界面如图10所示。
5结束语
压力气体 篇6
1 实验方法和测试装置
1.1 测试装置
采用由爆炸管、配气系统、压力测试系统、火焰速度测试系统、高压点火。系统组成的管道式实验装置,如图1。
爆炸压力测量采用CY-YD205型压电式压力传感器;数据采集使用成都泰斯特电子信息有限责任公司的TST3000动态测试分析仪。高压点火装置为高压互感式点火系统。配气方法为分压法。
1.2 测试方法[5]
(1)气密性检测。
(2)安装火焰测速仪。
(3)将管道用真空泵抽真空。
(4)通过配气管向管道充入甲烷,当甲烷气体的分压达到实验所要求气压时,停止进气。
(5)向管道中充入空气,当管内的混合气体的压力达到1个标准大气压时,停止进气。
(6)打开高压点火器电源并充电到指定电压,启动数据采集仪与火焰测速仪处于等待触发状态,点火。
(7)记录数据。
(8)清理管道,并准备下一次实验。
1.3 试验方法
1.3.1 空载试验
依照上述测定方法在试验装置内充满常压空气,点火,观察各压力传感器压力信号的变化。
1.3.2 光滑管道气体爆炸压力试验
选用甲烷浓度为10%的混合气体,在长径比分别为4,16,32,48,64的光滑管道内情况进行爆炸压力的测定。
1.3.3 障碍物在水平管道内对气体爆炸压力试验
采用1.2试验方法选用三片间距为140 mm圆环作为障碍物如图2,在阻塞率分别为40%、50%、60%的条件下进行气体爆炸压力实验。
1.3.4 障碍物的间距对气体爆炸压力的影响试验
在阻塞率为50%,数量为5片圆环形的障碍物,调整障碍物之间的间距与管道内径的比例从一倍增加到二倍和三倍分别进行了、爆炸压力实验研究。
2 结果与讨论
2.1 空载试验
在管道内没有充入可燃气体,只充满常压空气,然后点火,结果在各压力传感器上没有测到压力信号,如图3、图4所示。表明电极产生的是电火花对甲烷—空气混合气的爆炸压力信号和火焰信号没有影响。这与其它文献报道一致[6,7]。
2.2 光滑管道气体爆炸压力试验
光滑管道内甲烷—空气预混气体爆炸过程是较慢的爆燃过程,随着长径比的增大,爆炸压力逐渐增大。但压力普遍不大,最大也只有0.5306 MPa。如图5。
2.3 障碍物在水平管道内对气体爆炸压力实验结果
通过设计采用不同阻塞率的障碍物,不同长径比下测定气体爆炸的压力结果如表1。从表1可以看到,当障碍物的阻塞率从40%增大到60%时,管道内各测压力点的气体爆炸的最大爆炸压力也增大,在阻塞率为60%时达到1.449 MPa,火焰速度也达到234 m/s,但没有形成爆轰,由于本实验管道的长径比只有70,而在障碍物的激励下,形成爆轰的长径比为90以上[8]。因此对于同一障碍物而言,管道上各测点的爆炸压力是增大趋势。根据上述数据绘制爆炸压力变化曲线图6。从图6可以看出,当障碍物的阻塞率增大时,管道内的爆炸压力将增大。分析其中的原因,这主要是随着阻塞率的增加,障碍物的湍流效应也在增大,促使火焰速度增加,障碍物后的爆炸强度增大[9,10]。阻塞率为40%～60%的1#～4#传感器压力—时间曲线如图7。
从图3和图4对比分析看,障碍物的存在与光滑管道相比,爆炸压力,变化是非常的明显。有障碍物在管道内各测压点的爆炸压力明显高于光滑管道的爆炸压力,最大峰值压力从0.5306 MPa上升至1.4492 MPa。总的来看,主要是由于障碍物的存在,火焰在自身加剧燃爆强度向前发展的同时, 由于障碍物的存在一方面加剧了压力场与湍流的强度, 促进了燃烧反应的进行[11];另一方面使较窄的火焰前锋穿过障碍物时火焰前锋被延展为较大宽度, 基本充满整个管道, 并且一个较光滑完整的火焰前锋被分离为多个连续的波浪或锯齿状火焰面。这种形状的火焰前锋皱折程度大为增加, 从而与未燃气体的接触面积以及混合度也大为提高, 使火焰在较大燃爆强度基础上继续向前发展, 引起整个管道沿线各点爆炸强度的增加, 即加快了火焰传播速度,提高了火焰传播过程中的湍流现象,使反应表面积增加,加快了热传导速度,从而增大了火焰的传播速度。相应地爆炸压力也增大[12,13]。
2.4 障碍物的间距对气体爆炸压力的影响结果
在障碍物形状为环形,阻塞率为50%,数量为5片条件下,障碍物之间的距离分别为管道内径的一倍、两倍、三倍测出的爆炸压力绘图如图8。
由图8可以看出,障碍物的间距对最终的爆炸压力影响很小。分析其原因,当火焰在重复布置障碍物的管道中传播时,可看作是预混气在一个接一个的燃烧室中的连续爆炸过程,在每一个燃烧室中,由于没有障碍物的存在,火焰加速很小,可以近似为匀速传播,只有在燃烧室的出口,由于障碍物的节流作用,火焰才急剧变形加速。显然,此时燃烧室出口的预混气爆炸速度只与障碍物内径有关,而与燃烧室长度无关。因此,在障碍物内径相同的条件下,如果障碍物的数量足够多,对爆炸说产生的压力变化影响不大。
3 结 论
障碍物对气体爆炸的爆炸压力有明显的影响。而障碍物之间的距离变化对爆炸压力影响不大。随着障碍物的阻塞率的不断提高,它们都对气体爆炸有激励作用也随之增大导致爆炸压力不断增大。当障碍物的阻塞率增大到某一值时,火焰速度就不会增加,反而会下降,甚至可能导致火焰淬熄[14,15]。这一结论对预防和控制气体爆炸灾害有一定的借鉴作用,同时对矿井瓦斯爆炸的防治有所帮助。
摘要：随着煤矿机械化生产水平的提升,煤矿巷道内机械设备已经其它固定设备的增多,在瓦斯爆炸的传播过程中障碍物的影响研究越来越被人们所重视。本论文利用管道式气体爆炸测试装置,分别在光环管道内和放有障碍物的水平管道内充入当量浓度的甲烷气体对其爆炸过程进行了较深入的实验研究。结果表明:随着障碍物的阻塞率增大,管道内气体爆炸的最大爆炸压力均相应增加,爆炸持续时间缩短;而改变障碍物的间距,则对爆炸过程的影响不大。该实验结果对预防和控制气体爆炸灾害有一定的借鉴作用。
压力气体 篇7
SF6气体如果发生严重泄漏, 压力持续降低, 将直接造成该气室内的绝缘性能下降, 严重时会发生闪络击穿, 威胁人身设备安全。同时与相邻气室的压差过大, 也会造成绝缘子盆变形损坏。因此SF6的气体压力值成为检查组合电器设备是否正常运行的重要指标。
1 密度表常见问题的发现
某500 k V变电站内220 k V设备采用GIS组合电器设备设备型号为ZF16-252, 生产厂家为山东某高压开关有限公司;SF6密度表生产厂家为某科技股份有限公司生产的GMR-15型表计。
2015年1月18日9:00, 运行值班人员在进行日常巡视时发现, 220 k V GIS设备C母PT间隔QS3气室气体密度表计压力偏低, 压力为0.36 MPa (此气室SF6的额定压力为0.4 MPa, 报警压力为0.35 MPa, 闭锁压力为0.3 MPa) 。中午12:00, 检查压力值为0.39 MPa, 晚上20:00, 检查压力值为0.36 MPa。
根据要求, GIS设备“SF6气体密度表”接近报警压力时需要补充气压至额定值, 同时进行表计和设备检漏。2015年1月19日7:00, SF6检漏仪运至现场, 开始对表计及气室进行检漏, 却未发现漏点。此时QS3气室密度表压力为0.355 MPa, 已接近报警值, 于是决定对气室进行充气。充气完成后, 气瓶表计显示压力为0.43 MPa。打开SF6表计阀门, 表计稳定后显示为0.43 MPa, 此时为上午11:25。晚上20:00, 检查压力值已降为0.39 MPa。由于表计压力下降速度快, 晚上21:00再次对设备进行了检漏, 依然未见漏点, 此时表计压力下降至0.385 MPa。经过研究决定再次对设备进行补气, 当气瓶与气室连接后, 气瓶表计压力显示0.43 MPa, 于是停止补气。
通过分析, 初步判断是“SF6气体密度表”表计本身有问题。
2 密度表产生问题的原因分析
2.1 压力值与温度数据分析
由温度在线监测系统, 导出对应具体时段的温度, 将其与压力进行对比 (见第116页表1) 。
该站处于海拔较高的山区, 昼夜温差很大。通过对数据的统计对比发现, SF6气体密度表的压力值随着温度的变化而变化。初步判断SF6气体密度表已经失去了温度补偿能力。
2.2 SF6气体密度表的原理
所谓密度, 是指某一特定物质在特定条件下单位体积的质量。SF6断路器中的SF6气体是密封在一个固定不变的容器内的, 在20℃时的额定压力下, 它具有一定的密度值, 在设备运行的各种允许条件范围内, 尽管SF6气体的压力随着温度的变化而变化, 但是, SF6气体的密度值始终不变[1]。
因为SF6的绝缘性能在很大程度上取决于SF6气体的纯度和密度, 所以, 对SF6气体纯度的检测和密度的监视显得特别重要。如果采用普通压力表来监视SF6气体的泄漏, 就会分不清是由于真正泄漏还是由于环境温度变化而造成SF6气体的压力变化[2]。为了能达到经常监视密度的目的, 国家标准规定, 充SF6设备应装设SF6气体密度表和密度继电器。SF6气体密度表是起监视作用的, 密度继电器是起控制和保护作用的。密度继电器一般与表计集成在一起, 通过电缆将表计信号传输回后台。
图1为SF6气体密度表内部温度补偿装置原理图。当密度表没有安装使用时, 此时环境温度是20℃, 指针指向0 MP, 但如果环境温度不是20℃时, 双层金属片将按照环境温度与20℃的差进行补偿。具体为, 当环境温度高于20℃时, 双层金属片伸长, 其下端带动齿轮机构和指针向密度或压力指示值减小的方向移动, 使指针的读数小于0 MP;当环境温度低于20℃时, 齿轮机构和指针将向密度或压力指示值增大的方向移动, 使指针的读数大于0 MP。如果双层金属片失灵, 温度变化时, SF6气体密度表的压力指示就会失误。
3 处理和验证
由于初步判断SF6气体密度表已经失去了温度补偿能力, 现场研究决定对表计进行更换。1月19日22:00, C母PT间隔QS3气室气体密度表计完成了更换, 表计压力稳定后度数为0.43 MPa, 检漏仪检漏后无漏气, 24 h静置观察度数未改变。72 h巡视度数变化率小于5%, 证明缺陷已消除。
检修人员将表计发回厂家进行评估, 经过解体检查后发现, 双金属片发生了老化变形, 随温度变化的形变量非常小, 因此导致表计温度补偿失效。
4 对应措施
1) 制定更为严格的采购管理制度, 采购性能优质的SF6气体密度表, 使其在不同的变电站的自然环境条件下, 一直保持机械结构的灵动性能和双金属片的灵敏性与耐久性, 满足使用要求。
2) 保持站内良好的温度在线监测系统, 对时间、温度和压力值做好精确有效的完整记录。
3) 运维值班人员不仅要在进行日常巡视时仔细观察发现问题, 还要对检测记录做过滤性分析, 做到尽早发现问题, 解决问题。
4) 表计进行定期校验, 校准表计的准确性。
5 结束语
由此例问题分析解决可见, 一般情况下, 影响SF6气体密度表测定值准确性的因素体现在2个方面:一是自然环境因素中的温度高低, 它对SF6气体密度表的压力测量值构成外在影响;二是气体密度表本身的性能优劣, 其表内部温度补偿装置机械结构的灵动性能和双金属片的灵敏性与耐久性对表的压力测量值构成内在影响。当巡视发现设备压力波动, 一定要把环境因素与设备因素同时综合分析比较才能准确找到结症并快速解决问题。
SF6气体密度表作为唯一的监视SF6气体压力的手段, 表计的准确性显得至关重要。虽然每年都会对表计进行校验, 但是对于表计的温度补偿装置却没有有效的检查手段, 只能通过日常的运行维护来发现。这个案例, 对积累GIS设备运行经验具有重要意义, 如果巡视发现设备压力降低, 一定要分析环境因素, 同时要与同类设备做横向比较, 做好特殊巡视安排, 对压力与温度等其他变量形成完整的统计表, 来确定设备压力异常的原因。这样才能及时发现问题, 保证电网的安全稳定运行。
参考文献
[1]张全元.变电运行现场技术问答[M].北京:中国电力出版社, 2013.
压力气体 篇8
在工程应用中,往往需要改变预混合可燃性气体的初始压力并在小环境密闭空间下燃烧乃至爆炸以达到某些特定的效果,例如利用热能去除毛刺、高空飞行器的燃烧室等。初始压力的变化会影响到预混合可燃性气体的化学反应速率、增加燃烧或爆炸的强度,缩小燃烧室的体积。因此,研究小环境密闭空间初始压力对预混合可燃性气体燃烧过程的影响在工程应用中具有很重要的实际意义[1]。
本文利用CFD(计算流体动力学)方法,采用成熟的气体爆炸软件AutoReaGas在不同初始压力条件下的小环境密闭空间预混合可燃性气体爆炸的影响进行了数值模拟,以期对小环境密闭空间预混合可燃性气体燃烧爆炸理论研究有所帮助,为实际的工程应用提供有益的启示和参考[2,3,4,5]。
1控制方程
预混合可燃性气体爆炸在数学模拟为有粘性完全气体的受热膨胀。气体动力学可用质量、动量和能量守恒方程来表示。在笛卡尔张量形式可表示如下[6,7]:
质量守恒方程
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动量守恒方程
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能量守恒方程
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燃料组分守恒方程
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湍流用k-ε模型来描述。
湍流动能方程
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湍流动能耗散率方程
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湍流燃烧模型
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式中:RC为燃烧反应率,kg/m3/s;St为湍流燃烧速度;Ct为湍流模拟常数;Dfu为燃料组分的湍流扩散系数;ρ为密度,kg/m3;ui为i坐标轴方向上的流体速度,m/s;p为静压,Pa;k为湍流动能,J;E为能量,J;ε为湍流动能的耗散率;ut为湍流黏性系数,m2/s;mfu为燃料质量分数;Rfu为体积燃烧速率,m3/s;Γ为输运特性的湍流耗散数;T为温度;σ为输运特性的湍流普朗特数;δij为克罗内克算子;t为时间,s;i,j为坐标方向;C1,C2为常数。
2小环境约束空间可燃性气体爆轰的仿真模拟
模拟的小环境密闭空间尺寸为0.2m×0.15m×0.3m,形状为长方形。可燃性气体为氢气—空气的预混合物,氢气体积浓度为30%。为测得爆炸过程特征参数沿长方形空间的中心轴依次布置6个观测点,每隔0.05m一个,第一个观测点坐标为(0.1,0.075,0.04)。起爆点坐标为(0.1,0.075,0)。将此长方形密闭空间在x,y,z方向分别划分40,30,60个网格,网格总数为72000。小环境密闭空间的尺寸、观测点、起爆点、网格的数值模型图如图1所示。
计算试验中只考虑一种环境条件对预混合的氢气—空气爆炸传播的影响规律:初始压力的变化[8,9]。分别模拟了在相同条件下初始压力为1个标准大气压、2个标准大气压、3个标准大气压、4个标准大气压、5个标准大气压下各个观测点的超压、密度、温度、速度的变化规律。
3仿真模拟结果分析
3.1初始压力对预混合气体爆炸超压和密度的影响
图2为观测点6在5种初始大气压下超压—时间的变化曲线。图3为观测点6在5种初始大气压下密度—时间的变化曲线。图4为初始压力—超压的线性图。
由图2可以看出初始压力对爆炸超压有着明显的影响,随着初始压力的增加,爆炸超压也有着明显的升高。这是因为预混合可燃性气体爆炸产生的超压与初始压力、温度、浓度、可预混合气体的组分、容器等因素有关。随着初始压力的升高,反应物氢气的体积浓度不变,导致反应物氢气和空气的密度增加。由图3可知,在反应前每增加1个标准大气压的初始压力混合气体密度就增加0.9 kg/m3,而反应物的密度会影响化学反应速度的大小,从而影响到爆炸超压。由图4可知,初始压力的升高对爆炸超压的影响是呈近似的线性关系。在此次氢氧混合浓度为30%的条件下初始压力每增加1个标准大气压爆炸超压增加约为0.65MPa,这也很好的验证了爆炸超压Pm与初始压力Pi的关系式undefined。
3.2初始压力对预混合气体爆炸温度、速度的影响
图5为观测点6在5种初始大气压下温度—时间的变化曲线。图6为观测点6在5种初始大气压下沿z轴方向的速度—时间的变化曲线。
由图4、图5可以看出初始压力的变化对爆炸产生温度和冲击波速度没有明显的影响,不同初始压力下观测点6的温度—时间、沿z轴方向的速度—时间的变化曲线基本是重合的。这是因为此燃烧爆炸室模型为一个绝热模型,燃烧产生的全部热量全部都用来加热燃烧产物。虽然氢气的密度随着初始压力的增加而增大,但相应的空气密度也有所增加,浓度保持不变,导致预混合可燃性气体温度不随着初始压力的变化而变化。同理,当温度一定时,燃烧产物的压力和密度均增大,导致爆轰波波速不随着初始压力的增加而变化[11]。
4结论
(1)在相同的小环境密闭空间下初始压力的增加爆炸产生的超压则越大,并且在1个标准大气压到5个标准大气压下呈近似的线性关系,在此次氢氧混合浓度为30%的条件下初始压力每增加1个标准大气压爆炸超压增加约为0.65MPa。
(2)初始压力的变化对混合气体密度有着重要的影响,在反应前,氢氧混合浓度为30%的条件下每增加1个标准大气压的初始压力混合气体密度增加0.9kg/m3。
(3)初始压力的改变对爆炸产生的温度和冲击波的速度没有明显的影响。
(4)运用成熟的气体爆炸软件AutoReaGas定量研究了小环境密闭空间的初始压力对预混合可燃性气体爆炸产生的超压、密度、速度、温度的影响并进行了分析,取得的结果可为今后的工程应用提供一定的指导。
参考文献
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