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)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、漏電保護(hù)、過載保護(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)無脈沖。（具有靈敏度高，高壓運(yùn)行無泄漏）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」。使畫面更加清晰。搭配可實(shí)現(xiàn)快速安裝的適合增益，新開發(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)加熱采用盤管換熱方式，盤于電加熱浴槽內(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)無需用拆卸手柄即可旋下壓帽，移開封頭。

常規(guī)情況下?lián)Q巖心時(shí)壓帽及封頭均無須拆卸，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，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。通過傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過信號(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，最后再通過相應(yīng)的軟件把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為原來的物理信號(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