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        大流量高壓氣體充填教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

        2023-02-20 13:42:18王漢鵬林春金李夢(mèng)天趙盛男
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2023年11期
        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)氣罐氣壓電磁閥

        張 冰,王漢鵬,林春金,李夢(mèng)天,王 偉,趙盛男

        (山東大學(xué)a.巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心;b.齊魯交通學(xué)院,濟(jì)南 250061)

        0 引言

        在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領(lǐng)域,鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)流體運(yùn)移、煤與瓦斯突出事故等諸多工程問(wèn)題以及壓縮空氣儲(chǔ)能等熱點(diǎn)問(wèn)題均屬于氣固耦合問(wèn)題,涉及氣體與巖體間的相互作用,十分復(fù)雜。模擬實(shí)驗(yàn)可以反映成巖地質(zhì)體在工程狀態(tài)下的實(shí)際情況,嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象的主要參數(shù),是研究氣固耦合相關(guān)工程問(wèn)題的有效手段,同時(shí)也是本科生和研究生需要掌握的重要方法[1-2]。

        氣固耦合模擬實(shí)驗(yàn)中,氣體邊界條件的安全、精準(zhǔn)控制對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)室安全意義重大[3-4]。在傳統(tǒng)的氣固耦合模擬實(shí)驗(yàn)中,研究人員通過(guò)高壓氣瓶對(duì)模型直接注氣,采用減壓閥控制注入氣體的壓力,并利用氣壓傳感器或壓力表監(jiān)測(cè)注入氣體的壓力[5-6]。這種方法操作簡(jiǎn)單、技術(shù)門(mén)檻低,相關(guān)設(shè)備獲取方便,是目前最常用的氣體充填方法。然而,該方法及相關(guān)設(shè)備在充氣能力、控制精度、安全保障等方面存在諸多不足,嚴(yán)重限制了其適用性[7-9]。

        隨著模型尺度增大、工程問(wèn)題復(fù)雜性提高以及新工科建設(shè)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器要求的提高,氣體充填系統(tǒng)的充填能力、控制精度、自動(dòng)化程度和操作安全性亟待提高[10-11]?;诖耍邪l(fā)了一個(gè)大流量高壓氣體充填教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可有效提高學(xué)生及相關(guān)技術(shù)人員在氣固耦合實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中的便捷性與安全性,推動(dòng)智能化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)程。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

        按照功能分類(lèi),系統(tǒng)包括氣源模塊、動(dòng)力模塊、氣體增壓模塊、儲(chǔ)氣模塊、真空模塊、氣體充填模塊、采集控制模塊。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 和圖2 所示。

        氣體增壓模塊的作用是將氣源供給的低壓氣體轉(zhuǎn)換為高壓氣體,核心部件為增壓比1∶10 的氣體增壓泵,可將氣體壓力提高10 倍。此外,該模塊設(shè)置A、B 2 個(gè)壓力表,分別監(jiān)測(cè)輸入氣體、動(dòng)力氣體的壓力;設(shè)置No.1~4 4 個(gè)電磁閥,分別控制輸入氣體管路、動(dòng)力氣體管路、輸出氣體管路、過(guò)壓氣體溢出管路的開(kāi)閉。

        儲(chǔ)氣模塊用于儲(chǔ)存增壓后的高壓氣體,進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)提供大流量、高壓力的氣流補(bǔ)充,核心部件為腔體體積為2 m3的儲(chǔ)氣罐。該罐體為碳鋼材質(zhì),設(shè)計(jì)承受32 MPa氣壓,實(shí)際使用中可容納5 MPa 的高壓氣體。同時(shí),該罐體設(shè)置氣壓傳感器對(duì)罐體氣體壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),設(shè)置安全溢流閥保證罐體壓力在安全范圍內(nèi)。

        氣源模塊為氣體增壓模塊的穩(wěn)定氣體來(lái)源。該模塊由多個(gè)并聯(lián)的高壓氣瓶組成,以確保充足的氣體供應(yīng);每個(gè)高壓氣瓶外接加熱型減壓閥,以控制氣瓶的氣體輸出壓力,并加熱由氣瓶減壓后輸出的低溫氣體。

        動(dòng)力模塊為氣體增壓泵提供充足、穩(wěn)定、清潔的動(dòng)力氣體(壓縮空氣),核心部分為空氣壓縮機(jī)、空氣儲(chǔ)氣罐、除水清潔器。空氣壓縮機(jī)增壓比為1∶7,可將空氣由常壓壓縮至0.7 MPa。與儲(chǔ)氣模塊中的儲(chǔ)氣罐類(lèi)似,空氣儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存增壓后的空氣,保證動(dòng)力氣體的充足與穩(wěn)定,同時(shí)該罐體還設(shè)置了氣壓傳感器與溢流閥。除水清潔器可對(duì)空氣儲(chǔ)氣罐輸出的壓縮空氣進(jìn)行干燥、清潔處理。

        真空模塊可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理,核心部件為真空泵。此外,該模塊還設(shè)置了No.6 電磁閥,控制管路的開(kāi)閉。

        氣體充填模塊可將儲(chǔ)氣模塊中的高壓氣體恒體積流量、均勻地充填給實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,核心部件為質(zhì)量流量計(jì)和面式充填板。質(zhì)量流量計(jì)與采集控制模塊連接,可采集、控制管路中的氣體流量;面式充填板為自主設(shè)計(jì)的充氣面板,設(shè)有多層千目鋼絲網(wǎng),能夠過(guò)濾細(xì)小煤粉并具有良好的氣體通透性,實(shí)現(xiàn)了氣體的均勻充填。

        采集控制模塊用于整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)采集,核心部件為中央控制單元、中間繼電器、計(jì)算機(jī)及控制軟件(見(jiàn)圖2)。該模塊功能的實(shí)現(xiàn)依托三者基于電信號(hào)建立的信息傳輸:中央控制單元可采集管路中壓力、流量信號(hào),并傳遞給計(jì)算機(jī),以供實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ),同時(shí)根據(jù)控制軟件的指令,驅(qū)動(dòng)中間繼電器動(dòng)作,控制增壓泵、真空泵的啟停與電磁閥開(kāi)閉。

        1.2 工作原理

        為實(shí)現(xiàn)大流量、高氣壓的氣體充填,首先將氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體通過(guò)加熱型減壓閥降到0.5 MPa 左右,然后氣體增壓模塊以0.7 MPa 左右的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)(氣源模塊提供),將氣體增壓至需要的壓力,增壓后的氣體儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中,作為實(shí)驗(yàn)的直接氣體補(bǔ)給源。實(shí)驗(yàn)時(shí),氣體增壓模塊為儲(chǔ)氣罐實(shí)時(shí)補(bǔ)充高壓氣體,保證儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體充足。此外,在該技術(shù)方案中,采用先減壓再增壓、減壓過(guò)程對(duì)氣體加熱處理、增壓后氣體暫存在儲(chǔ)氣罐中的方法,使氣體溫度接近室溫,解決了現(xiàn)有儀器在氣體充填過(guò)程中存在的低溫效應(yīng)。

        注氣過(guò)程中氣體流量的精確控制通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。注氣過(guò)程中氣體壓力的自動(dòng)控制則通過(guò)氣體增壓泵、No.3~6 電磁閥、氣壓傳感器組成的控制回路實(shí)現(xiàn)。充填過(guò)程中,采集控制模塊通過(guò)氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐氣壓。當(dāng)罐內(nèi)氣壓大于設(shè)定壓力時(shí),采集控制模塊自動(dòng)關(guān)閉氣體增壓泵、No.3 電磁閥,開(kāi)啟No.4 電磁閥,以排出超壓氣體;當(dāng)罐內(nèi)氣壓小于等于設(shè)定壓力時(shí),采集控制模塊自動(dòng)開(kāi)啟氣體增壓泵、No.3 電磁閥,關(guān)閉No.4 電磁閥,對(duì)儲(chǔ)氣罐持續(xù)補(bǔ)氣,直至罐內(nèi)氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值。抽真空過(guò)程中氣體壓力的自動(dòng)控制原理與上述原理相同。

        此外,注氣過(guò)程與抽真空過(guò)程中啟停與切換的自動(dòng)控制也可通過(guò)采集控制模塊控制氣體增壓泵、真空泵的啟停來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        1.3 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

        為提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的便捷性與安全性,整套系統(tǒng)的操作可通過(guò)同一套軟件統(tǒng)一控制。抽真空過(guò)程的操作步驟如下:

        (1)利用控制軟件設(shè)置壓力目標(biāo)值,點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕,啟動(dòng)抽真空過(guò)程。采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.5電磁閥、No.6 電磁閥、質(zhì)量流量計(jì),并開(kāi)啟真空泵,為整個(gè)系統(tǒng)管路、實(shí)驗(yàn)?zāi)P统槿≌婵铡?/p>

        (2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,軟件界面實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)氣罐壓力、壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。系統(tǒng)持續(xù)工作直至儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到目標(biāo)值。

        (3)點(diǎn)擊控制軟件中的停止按鈕,強(qiáng)制停止抽真空過(guò)程。

        氣體充填過(guò)程的操作步驟如下:

        (1)手動(dòng)打開(kāi)氣源模塊的所有氣瓶,利用減壓閥調(diào)節(jié)輸出氣體壓力至0.5 MPa左右。

        (2)利用控制軟件打開(kāi)空氣壓縮機(jī),利用減壓閥調(diào)節(jié)輸出空氣壓力至0.7 MPa左右。

        (3)利用控制軟件設(shè)置壓力目標(biāo)值、流量目標(biāo)值,點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕,啟動(dòng)氣體充填過(guò)程。首先,采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.1~3 電磁閥、質(zhì)量流量計(jì),并自動(dòng)開(kāi)啟氣體增壓泵,為儲(chǔ)氣罐補(bǔ)氣。待儲(chǔ)氣罐氣體壓力達(dá)到目標(biāo)值后,采集控制模塊自動(dòng)打開(kāi)No.5 電磁閥,為實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃泱w積流量、恒壓充氣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,軟件界面實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)氣罐壓力、壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。

        (4)待實(shí)驗(yàn)完畢后,點(diǎn)擊控制軟件中的停止按鈕,停止氣體充填過(guò)程。

        2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

        2.1 實(shí)驗(yàn)方案

        將該系統(tǒng)應(yīng)用于巷道掘進(jìn)誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)中,以驗(yàn)證其可靠性和精確性。煤與瓦斯突出是煤炭開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的一種高壓吸附瓦斯煤體突然破壞的動(dòng)力災(zāi)害,噴出大量的煤粉與瓦斯,也是典型的氣固耦合問(wèn)題[12-13]。實(shí)驗(yàn)中,需要在1~2 h內(nèi)快速充填幾百升0.75~2.00 MPa 的氣體,并維持24~48 h的恒壓氣體補(bǔ)充,對(duì)氣體充填系統(tǒng)的要求極高。

        搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)P腿鐖D3 所示。實(shí)驗(yàn)包括地應(yīng)力加載、模型抽真空、氣體充填、巷道掘進(jìn)(該過(guò)程中維持煤層氣體壓力不變)、信息采集等過(guò)程,其中模型抽真空、氣體充填、巷道掘進(jìn)過(guò)程中的煤層氣體壓力維持由所研發(fā)的氣體充填系統(tǒng)完成。模型抽真空是對(duì)包括煤層、低滲性巖層在內(nèi)的整個(gè)模型抽真空,以排除模型內(nèi)部原有氣體的干擾。為保證模型的真空效果,抽真空過(guò)程需將煤層氣壓抽至-0.10 MPa 并穩(wěn)壓24 h。氣體充填是在1 h內(nèi)將模型中的煤層充氣至1.20 MPa,隨后維持在該氣體壓力下24 h,使煤層達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。煤層氣體壓力維持是在巷道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)模型持續(xù)補(bǔ)氣,使其氣壓維持在1.20 MPa,以模擬周邊煤層對(duì)突出煤層的氣體補(bǔ)充。

        圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/p>

        如圖3 所示,巷道內(nèi)設(shè)置氣體濃度傳感器,對(duì)工作面氣體涌出情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于煤體吸附氣體時(shí)放熱、解吸氣體時(shí)吸熱,因此煤層內(nèi)同時(shí)設(shè)置氣壓傳感器、溫度傳感器,對(duì)煤層吸附平衡狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14]。

        2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        發(fā)生了劇烈的煤與瓦斯突出,持續(xù)2.1 s,突出煤粉質(zhì)量為24.5 kg,突出煤粉最大拋射距離為11 m,與現(xiàn)場(chǎng)突出現(xiàn)象極為相似(見(jiàn)圖4)。

        圖4 突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在氣體充填過(guò)程中,煤層內(nèi)氣壓(氣壓傳感器)在400 s內(nèi)升至1.20 MPa,并在24 h內(nèi)維持在該氣壓,如圖5 所示。在該過(guò)程中煤層溫度(溫度傳感器)在400 s左右上升至11 ℃并維持恒定。這說(shuō)明,煤層在400 s內(nèi)基本完成氣體吸附,之后便在恒溫中緩慢吸附,有利于煤層完全吸附平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

        圖5 氣體充填過(guò)程監(jiān)測(cè)信息演化規(guī)律

        巷道掘進(jìn)過(guò)程中,巷道內(nèi)氣體濃度(氣體濃度傳感器)持續(xù)上升,其異常顯現(xiàn)形態(tài)與文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[16]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)獲取的完全一致,這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)M出了與現(xiàn)場(chǎng)相同的巷道內(nèi)氣體滲漏現(xiàn)象。同時(shí),煤層內(nèi)溫度(溫度傳感器)在掘進(jìn)時(shí)間為340~405 s 時(shí)異常上升,在掘進(jìn)時(shí)間為405~535 s時(shí)在9.5~10.6 ℃內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn),在突出之前的孕育階段,煤層處于瓦斯吸附與解吸交替變化的非穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中煤層內(nèi)氣壓(氣壓傳感器)仍保持恒定(見(jiàn)圖6),與現(xiàn)場(chǎng)情況相同。這說(shuō)明,氣體充填系統(tǒng)可像周邊煤層一樣,為突出煤層提供源源不斷的氣體補(bǔ)充。

        圖6 掘進(jìn)過(guò)程監(jiān)測(cè)信息演化規(guī)律

        以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,所研發(fā)的氣體充填系統(tǒng)滿(mǎn)足巷道掘進(jìn)誘發(fā)的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)的需求。

        3 結(jié)語(yǔ)

        在巖土工程、安全工程、礦業(yè)工程等領(lǐng)域,氣固耦合實(shí)驗(yàn)是學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。氣固耦合相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能以及智能化與安全性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效、實(shí)驗(yàn)室安全管理均有重要影響。所研發(fā)的大流量高壓氣體充填教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可完成0~10 L/s、0~5 MPa氣體的恒體積流量、恒壓、自動(dòng)化充填,克服了氣體充填時(shí)存在的低溫效應(yīng),可同時(shí)應(yīng)用于氣固耦合相關(guān)的物理模擬實(shí)驗(yàn)和小試件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),為實(shí)驗(yàn)室智能化管控和高壓氣體安全使用提供重要設(shè)備平臺(tái),助力新工科人才培養(yǎng)。

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