二氧化碳裂隙孔隙巖體測(cè)試流動(dòng)儀

二氧化碳裂隙孔隙巖體測(cè)試流動(dòng)儀

YCQ-2型二氧化碳裂隙孔隙巖體測(cè)試流動(dòng)儀技術(shù)說(shuō)明

一、儀器的功能

1.二氧化碳地質(zhì)封存條件下的巖石裂隙注漿封堵實(shí)驗(yàn),。

2.普通二氧化碳?xì)怏w的裂隙修復(fù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),。

3.超臨界二氧化碳的裂隙修復(fù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),。

4.巖石裂隙孔隙的液測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)。

三,、主要技術(shù)指標(biāo)

巖心規(guī)格：直徑50mm,，長(zhǎng)度100m 可垂直、水平放置

溫度范圍：室溫～100℃

環(huán)壓：≤50MPa

孔隙壓力：≤20MPa

工作介質(zhì)：二氧化碳,、微生物

制冷量：2400kcal/h

電源：AC380V  6kW

四,、設(shè)備組成

本設(shè)備主要由制冷系統(tǒng)、儲(chǔ)罐,、CO2高壓注入泵,、夾持器、恒溫箱,、微生物注入系統(tǒng),、環(huán)壓回壓系統(tǒng)、氣液分離計(jì)量系統(tǒng)及相關(guān)輔助部件組成,。

五,、組成部件說(shuō)明與指標(biāo)

5-1、制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)將二氧化碳?xì)怏w液化后,，方便流體的高壓注入,。為了高壓注入的穩(wěn)定、可靠,。制冷機(jī)組采用進(jìn)口壓縮機(jī),，運(yùn)行穩(wěn)定，其它制冷配件均選用國(guó)際產(chǎn)品,。根據(jù)試驗(yàn)條件，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷機(jī)運(yùn)行工況,、冷量大小,，確保壓縮機(jī)工作在合適狀態(tài)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命,。環(huán)保制冷劑R404a,；制冷機(jī)專用減振彈簧、機(jī)組圍板粘貼特種吸音棉降噪措施,。具體技術(shù)指標(biāo)如下：

制 冷 量：2400kcal/h

制冷方式：風(fēng)冷 密封循環(huán)

溫控范圍：2℃～7℃

5-2,、二氧化碳儲(chǔ)罐

儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳以備高壓注入泵使用，儲(chǔ)罐設(shè)有降溫保溫冷循環(huán)系統(tǒng),，保持儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度穩(wěn)定,，外設(shè)保溫層和不銹鋼外飾，避免環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度的影響,。

儲(chǔ)罐容積：2L

儲(chǔ)罐壓力：16MPa

儲(chǔ)罐材質(zhì)：304不銹鋼

5-3,、二氧化碳注入泵

選用YHS-2型雙缸恒速恒壓泵對(duì)液體進(jìn)行精確注入,，流量范圍：0.001～40mL/min，工作壓力：≤40MPa,，用于恒速注入流體或恒壓注入流體,。該泵采用大屏幕液晶顯示屏，背光顯示,，可清晰地顯示泵的運(yùn)行狀態(tài)壓力,、流量等參數(shù)。

該泵采用日本進(jìn)口交流電機(jī),、伺服系統(tǒng),、控制泵的運(yùn)行，具有很高運(yùn)行精度,，轉(zhuǎn)矩大,，體積小，重量輕等特點(diǎn),，伺服務(wù)系統(tǒng)還具有欠壓保護(hù),、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù),、漏電保護(hù),、過(guò)載保護(hù)等功能，傳動(dòng)平穩(wěn),，傳動(dòng)比準(zhǔn)確,，噪音低。

雙泵采用電磁閥自動(dòng)控制閥的切換,，實(shí)現(xiàn)雙泵自動(dòng)換向,，具有自動(dòng)跟蹤運(yùn)行壓力，即預(yù)增壓功能,，使雙泵換向平穩(wěn)無(wú)脈沖,。（具有靈敏度高，高壓運(yùn)行無(wú)泄漏）采用標(biāo)準(zhǔn)RS485接口,，由計(jì)算機(jī)控制泵的運(yùn)行,，便于實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)泵參數(shù)的設(shè)定、監(jiān)測(cè)和記錄,。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

巖心規(guī)格：直徑50mm,，長(zhǎng)度100m
巖心夾持器傾角：0-90°范圍內(nèi)可調(diào)
溫度范圍：室溫～100℃
環(huán)壓：≤50MPa
孔隙壓力：≤20MPa
工作介質(zhì)：二氧化碳、微生物
壓力測(cè)試精度：0.25%F·S2
流量范圍 0.01～45mL/min
控溫精度：±0.5℃
制冷量：2400kcal/h
電源：AC380V 6kW

該泵主要由柱塞缸體,、氣控閥,、壓力傳感器、控制系統(tǒng),、伺服電機(jī)等組成,。

1,、柱塞缸體：

泵缸缸體材質(zhì)選用316L不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)壁精打磨處理,，光潔度為  9級(jí),，柱塞運(yùn)行流暢，柱塞材質(zhì)為耐磨碳化硅材質(zhì),，密封材料為超高分子量聚乙烯,。

泵腔增設(shè)冷卻循環(huán)，防止長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)柱塞摩擦升溫,，影響液體二氧化碳的穩(wěn)定輸出,。

2、氣控閥：

氣控閥為二位二通管閥,，壓縮空氣氣動(dòng)控制,，快速接口，即插即用,，方便快捷,，可分為雙氣控和單氣控兩種方式，氣控閥實(shí)物如下圖所示,，選用耐壓耐二氧化碳密封材料,。3、壓力傳感器：

采用瑞士TRAFAG品牌壓力傳感器,，壓力量程60MPa,，精度為滿量程的0.1%，輸出信號(hào)4-20ma,。

4,、控制系統(tǒng)：

采用信捷以太網(wǎng)PLC控制系統(tǒng)，新穎的信號(hào)板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展通信端口,、數(shù)字量通道,、模擬量通道配備西門(mén)子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15μs ,，CPU模塊本體最多集成2 路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100kHz,，14位模擬量,，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。

5,、松下伺服電機(jī)：

采用日本松下伺服電機(jī)進(jìn)行配置,，對(duì)泵輸

出運(yùn)動(dòng)命令及時(shí)執(zhí)行并提供動(dòng)力。如右圖所示,。

該泵可實(shí)現(xiàn)快速且正確的操作,；高速響應(yīng),；

高精度定位。采用提高加工精度和生產(chǎn)性的新

算法“2自由度控制方式”進(jìn)行控制,。

由于以往的模型不能對(duì)前饋控制和反饋控制進(jìn)行個(gè)別調(diào)整,，即使調(diào)節(jié)“縮短”的前饋控制時(shí)，在反饋控制下“減小”控制也會(huì)相應(yīng)變動(dòng),，所以需要針對(duì)它們相互之間再做調(diào)整,。運(yùn)行界面如下：

簡(jiǎn)單快速設(shè)定調(diào)整時(shí)間是以往的約1/5，設(shè)備和裝置啟動(dòng)時(shí),，需要調(diào)整伺服電機(jī),、驅(qū)動(dòng)器的情況下，為了便于設(shè)定參數(shù)與監(jiān)測(cè)等升級(jí)安裝支持軟件「PANATERM」,。使畫(huà)面更加清晰,。搭配可實(shí)現(xiàn)快速安裝的適合增益，新開(kāi)發(fā)出能最大限度發(fā)揮A5Ⅱ系列特性的適合增益功能,。具有當(dāng)裝置剛性低時(shí)能夠降低振動(dòng)的自適應(yīng)陷波濾波器功能,，以及能自動(dòng)設(shè)定調(diào)整的各種增益。

5-4,、緩沖容器

容積：1000ml,，使用壓力≤30MPa，材質(zhì)316L不銹鋼,，其作用是對(duì)高壓注入的二氧化碳流體進(jìn)行緩沖,，降低柱塞增壓行程極點(diǎn)時(shí)的脈沖影響，同時(shí),，在進(jìn)行二氧化碳驅(qū)時(shí),，可作為供應(yīng)氣源，提高了驅(qū)替壓力范圍,，避免鋼瓶氣壓低,，滿足不了實(shí)驗(yàn)要求等現(xiàn)象。

5-5,、預(yù)熱器

設(shè)備流體的預(yù)加熱采用盤(pán)管換熱方式,，盤(pán)于電加熱浴槽內(nèi)，與換熱介質(zhì)進(jìn)行充分換熱后,，達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)入夾持器作業(yè),，預(yù)熱器溫度：室溫～100℃，控溫精度：±1℃,。預(yù)熱盤(pán)管采用φ6mm×1.5mm規(guī)格管線,，材質(zhì)316L不銹鋼。浴槽材質(zhì)304不銹鋼,，設(shè)置保溫隔熱與不銹鋼外飾以及對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施,。

5-6,、恒溫箱

恒溫箱采用空氣浴加熱方式，熱風(fēng)對(duì)流循環(huán),，溫度范圍：室溫-150℃,，數(shù)顯自動(dòng)控溫，精度±1℃,，中空可視窗,，可通過(guò)射燈對(duì)箱體內(nèi)部情況進(jìn)行查看，內(nèi)膽尺寸720×530×800mm,，材質(zhì)304不銹鋼,，外表噴塑。

5-7,、微生物注入系統(tǒng)

高壓注入泵與高壓活塞容器組合,，進(jìn)行微生物注入作業(yè)，將微生物注入高壓活塞容器物料腔,，注入完成后,，通過(guò)高壓注入泵向高壓活塞容器液體腔注液增壓，推動(dòng)活

塞將微生物注入夾持器,，高壓活塞容器材質(zhì)316L,，容積2000ml，壓力30MPa,內(nèi)壁精打磨處理,，光潔度   ,，有效減小內(nèi)壁摩擦力，使活塞來(lái)回運(yùn)行自如,，阻力小,，密封件采用蓄能密封圈，該類型密封圈具有初始自彈性密封功能,，無(wú)需預(yù)緊密封,，密封壓力高、密封可靠,、耐磨性能好等特點(diǎn),，該密封圈具有良好的壓縮率、摩擦系數(shù),、抗拉強(qiáng)度,、耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性。注入用泵參照二氧化碳注入泵,，該泵不需設(shè)置冷循環(huán),，但為保證泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用,，注入清水為去離子水,，使用完成后,，及時(shí)清洗干凈活塞容器。

5-8,、巖心夾持器

TY-4型夾持器,，材質(zhì)為316L不銹鋼。規(guī)格為φ50×100/30MPa,，室溫-150℃,。該型號(hào)的夾持器結(jié)構(gòu)形式具有以下特點(diǎn)：

（1）由于采用外螺紋結(jié)構(gòu)形式，使其具有體積小,、重量輕,，死體積小，拆卸方便,，實(shí)用性強(qiáng),，耐壓高等特點(diǎn)。

（2）采用了端面密封結(jié)構(gòu)形式,，使其具有了拆裝封頭及巖心的方便,，換膠皮筒或O形圈時(shí)無(wú)需用拆卸手柄即可旋下壓帽，移開(kāi)封頭,。

常規(guī)情況下?lián)Q巖心時(shí)壓帽及封頭均無(wú)須拆卸,，只須旋

出調(diào)節(jié)螺母，用專用工具退出巖心即可,。如圖所示

 5-9,、環(huán)壓控制系統(tǒng)

SYB-60型手動(dòng)泵，為巖心施加環(huán)向壓力,，密封巖心,，形成完整流體通過(guò)路徑，防止流體沿巖心外側(cè)流出,。工作壓力≤40MPa

緩沖器：ZR-2型,，600mL，40MPa,，配備壓力儀表

 5-10,、回壓控制系統(tǒng)

用于控制巖心夾持器的出口壓力，由頂部加載式回壓閥和緩沖容器,、回壓泵組成,。

緩沖器：ZR-2型，600mL,，40MPa,，配備壓力儀表

回壓閥：HY-2型頂部加載式，40MPa

回壓泵：SYB-60型手動(dòng)泵

5-11、氣液分離器

氣液分離采用316L不銹鋼制作,，容積1000ml,，微壓，氣體經(jīng)干燥過(guò)濾進(jìn)行計(jì)量或處理排放,；液體經(jīng)排放進(jìn)進(jìn)行計(jì)量分析,。

5-12、電子天平

采用天平稱重法計(jì)算液體量

天平規(guī)格：量程2200g,，精度0.01g

計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集計(jì)算流量值

5-13,、氣體流量計(jì)

氣體流量計(jì)用于單一氣體的測(cè)量，采用高精度氣體流量計(jì),，根據(jù)使用的具體氣體進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定計(jì)量,，可精確計(jì)量和控制氣體的注入量。選用七星華創(chuàng)D07-7B氣體流量控制器,，流量量程為500sccm/min,，

精度為滿量程±1%F.S.，響應(yīng)時(shí)間≤10sec,，輸入

輸出信號(hào)0-5VDC,。

5-14、溫度測(cè)控子系統(tǒng)

主要包括對(duì)預(yù)熱器,、恒溫箱的溫度測(cè)控,。

溫度傳感器選用加固型高溫傳感器，測(cè)量范圍0-200℃,，測(cè)量精度0.2%,，輸出信號(hào)：4-20mA。

數(shù)顯二次儀表：主要用于顯示溫度值,，便于后部計(jì)算用,；采用國(guó)產(chǎn)高精度溫度數(shù)顯二次表,該類數(shù)顯二次表具有較高的采集速度、較高的準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn),自帶RS485通訊,，儀表顯示精度為0.1℃,，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)RS232與485的轉(zhuǎn)換通訊。

5-15,、壓力測(cè)控子系統(tǒng)

壓力測(cè)控系統(tǒng)分為壓力測(cè)量系統(tǒng)(壓力傳感器和壓力數(shù)字二次儀表),。

壓力測(cè)量系統(tǒng)：

采用森納士壓力傳感器，環(huán)境下穩(wěn)定工作,，量程25MPa,，精度0.05%F.S，供電9～36V,，輸出4-20mA（0）,。該傳感器具有較高的精度及長(zhǎng)期作業(yè)的穩(wěn)定性。

壓力控制儀表采用數(shù)顯二次儀表，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊,；該類數(shù)顯二次表具有較高的采集速度,、較高的準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn),自帶RS485通訊，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)RS232與485的轉(zhuǎn)換通訊,。

 5-16、安全保護(hù)系統(tǒng)

設(shè)備設(shè)計(jì)有接地保護(hù)和斷電保護(hù)措施,，確保使用者人身安全,；

設(shè)備整體進(jìn)行防靜電保護(hù)，保證安全操作的同時(shí),，有效保護(hù)精密電子部件不受損傷,。

裝置設(shè)計(jì)有多重安全報(bào)警裝置，如檢測(cè)到系統(tǒng)壓力超出設(shè)定范圍,，將發(fā)出聲光報(bào)警,，提醒操作人員注意并進(jìn)行處理，確保設(shè)備及操作人員安全,。

5-17,、管閥件系統(tǒng)

高壓針型截止閥以及相應(yīng)的三通、四通,、管線等組成,，材料為316L不銹鋼，壓力≤50MPa,管路流程的連接結(jié)構(gòu)緊湊,，管線折彎美觀大方,，拆卸方便。

 5-18,、電氣系統(tǒng)

采用正品品牌電氣元件,，德力西、正泰等,，接線采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn),，三相五線制(三相一零一地)，保證使用安全和精密電氣元件的安全,。

電氣控制線路采用特殊信號(hào)屏蔽線纜,，防止控制線路的信號(hào)交叉影響。

5-19,、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括采集壓力,、溫度、流量等,，為了保證測(cè)量精度和控制的可靠性,，采用進(jìn)口A/D轉(zhuǎn)換模塊，MOXA-CP168EL PCI數(shù)字采集控制卡，數(shù)據(jù)傳輸速率≥920Kbps,，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集傳輸,。

溫度、壓力,、流量等數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)的采集板卡,，在采集板卡上經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳遞給計(jì)算機(jī)，控制軟件通過(guò)特定的控制算法,，將采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算后得到控制數(shù)據(jù),，通過(guò)串行口傳遞到下位單片機(jī)，控制動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行,，從而控制系統(tǒng)內(nèi)的壓力,。

計(jì)算機(jī)：四核處理器、22寸液晶彩顯,、1T硬盤(pán),，4G內(nèi)存

界面、流程,、進(jìn)程,、控制節(jié)點(diǎn)顯示清楚，控制操作靈活,、方便,。能滿足實(shí)驗(yàn)室所提需求；

人機(jī)界面：操作者用于向系統(tǒng)發(fā)出指令并接收信息,。

試驗(yàn)執(zhí)行：將操作者的指令傳送給下位機(jī),，再由下位機(jī)控制相應(yīng)的執(zhí)行器去完成。

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存：接收下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并經(jīng)判別后儲(chǔ)存,，以備后處理時(shí)使用,。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)計(jì)算出結(jié)果參數(shù)，繪制各種關(guān)系曲線,。

控制系統(tǒng)的硬件主要包括控制主機(jī),、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)整模塊,，其結(jié)構(gòu)框圖,，如下圖所示：

整個(gè)系統(tǒng)在脫離網(wǎng)絡(luò)條件下可獨(dú)立運(yùn)行。

軟件在WINDOWS10環(huán)境下運(yùn)行,，采用DELPHI7.0編程,。

1、系統(tǒng)的信號(hào)采集設(shè)計(jì)：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)就是測(cè)量和生成信號(hào),。它通常包括傳感器,、轉(zhuǎn)換器,、信號(hào)調(diào)理及一套可以處理、分析,、顯示,、存儲(chǔ)等功能的軟件組成。通過(guò)傳感器采集信號(hào),，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理利用上位機(jī)接收并處理數(shù)據(jù),。上位機(jī)軟件對(duì)采集這些原始數(shù)據(jù)顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，使數(shù)據(jù)以圖形,、表格或文件得形式展現(xiàn)在用戶眼前，通過(guò)軟件對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制,，告知測(cè)量設(shè)備應(yīng)何時(shí)采集數(shù)據(jù)以及從第幾通道采集或生成數(shù)據(jù)。

信號(hào)的類型可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種,，在進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)和使用DAQ硬件之前,，需要將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電流或電壓），一般由轉(zhuǎn)換器完成這個(gè)功能,，在本系統(tǒng)中是由所用的壓力變送器,、溫度傳感器等完成的。當(dāng)測(cè)量的物理信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后,，就可以采集并提取有用信息并進(jìn)行處理分析,，最后再通過(guò)相應(yīng)的軟件把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為原來(lái)的物理信號(hào)并加以顯示處理和分析。

2,、壓力,、溫度、流量等信號(hào)采集：

壓力傳感器,、溫度傳感器,、氣體流量計(jì)等發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理端子板轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的接線端子與模擬輸入端口相連接，測(cè)試系統(tǒng)壓力,、溫度等變化時(shí)傳感器的電壓變化量,，根據(jù)壓力、溫度等的變化量的大小和傳感器的線性關(guān)系確定所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓力或溫度等,。

4,、控制報(bào)警功能設(shè)計(jì)：

在系統(tǒng)的運(yùn)行中一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)作出快速反應(yīng),，因此,，在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須進(jìn)行參數(shù)異常值的判斷和報(bào)警，這對(duì)于裝置的正常運(yùn)行至關(guān)重要,。其需要判斷的故障主要可以分為以下幾個(gè)方面：信號(hào)的超上限故障,、低下限故障報(bào)警和超停機(jī)限故障,。

5-20、箱體支架

儀器支架采用工業(yè)鋁型材撬接結(jié)構(gòu),，并設(shè)計(jì)有滾輪移動(dòng)和調(diào)節(jié)固定部件,，設(shè)備移動(dòng)與固定方便快捷。面板采用不銹鋼激光切割成型技術(shù)與工藝烤漆相結(jié)合,，美觀耐用,。并對(duì)箱體和支架部件進(jìn)行防靜電處理，減少靜電對(duì)精密儀器,、電子元件等器件的損壞,。

七、配置一覽表