何建軍,柳 晗,謝玉玲,付長衛(wèi)

(63601部隊(duì),甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

某場區(qū)空混車氧氮混合氣采用高純氮?dú)馀c高純氧氣按照23%～25.5%氧濃度混合配比而成,主要混合配比出近似地球呼吸環(huán)境的富氧空氣?？栈燔囇醯旌蠚馐窃诟邏籂顟B(tài)下進(jìn)行混合配比的氣體,具有操作控制繁瑣、混合配比精度高、配比難、混合均勻性差、多次混合配比等特點(diǎn)。為解決混合均勻性差、提高氣體混合配比精度和模塊化配比能力,提出一次自動(dòng)混合配比成功控制模型,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混氣功能。

2 氧氮混合氣混合配比工藝簡介

2.1 氧氮混合氣混合配比原理

把一定質(zhì)量的氣體裝在一個(gè)封閉的容器中,不管氣體內(nèi)各部分原有的溫度和壓力如何,經(jīng)過一段時(shí)間后,容器內(nèi)氣體各部分將具有相同的溫度和壓力。如果它與外界沒有能量交換,內(nèi)部也沒有任何形式的能量轉(zhuǎn)換,溫度和壓力將不隨時(shí)間變化,這樣的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài),簡稱平衡態(tài),也稱之為熱動(dòng)平衡狀態(tài)。氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)是永不停息的,通過氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞,在宏觀上表現(xiàn)為氣體各部分的密度均勻、溫度均勻、壓力均勻的熱動(dòng)平衡狀態(tài)[1]。

氧氮混合氣則是利用這一規(guī)律,將高純氧與高純氮按照一定比例在空混氣瓶內(nèi)進(jìn)行壓力混比配制,利用分子間不斷的相互碰撞,使得每個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向頻繁改變,從而使氣體能夠均勻混合。

2.2 氧氮混合氣混合配比流程

混合氣手動(dòng)混合配比流程如圖1所示。氣體分組進(jìn)行混合配比,以第一組混合配比為例。

HCP、QP高壓無縫鋼瓶;KG1開關(guān)閥;QF1球閥;NC進(jìn)口壓力開關(guān);NO出口壓力開關(guān);M氧氣增壓泵

第一步,氣瓶充氧。通過K10、K7閥門先向第一組氣瓶內(nèi)充入6.8 MPa高純氧氣。

第二步,氣瓶預(yù)充氮。打開K12、K13、K14、K15、K7閥門,通過氧氣增壓泵M向氣瓶充入高純氮?dú)庵?2 MPa,觀察氧分析儀檢測濃度在26%～30%時(shí),停止充入高純氮?dú)狻?/p>

第三步,精確混氣配比。由于氧濃度偏低時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氧存在混合均勻性差的問題,因此,混氣配比操作均在氧濃度偏高情況下采用“步步逼進(jìn)法”進(jìn)行。即根據(jù)氣瓶尾端在線氧濃度分析儀檢測氧濃度預(yù)混至26%～30%時(shí),先按照混合后氧濃度為25%值計(jì)算充氮容積和壓力,通過氣體增壓泵第一次補(bǔ)氮約30 min,待氣瓶內(nèi)氧氮混合均勻穩(wěn)定后再根據(jù)在線氧濃度分析儀檢測氧濃度情況,按照混合后氧濃度值計(jì)算充氮容積和壓力,第二次補(bǔ)氮約30 min,直至氣瓶內(nèi)氧濃度數(shù)值穩(wěn)定;最后根據(jù)在線氧濃度分析儀檢測氧濃度情況,按照混合后氧濃度值計(jì)算充氮容積和壓力,第三次補(bǔ)氮約30 min,直至氣瓶內(nèi)氧濃度數(shù)值穩(wěn)定在最佳值24.0%。受環(huán)境溫度、人工理論計(jì)算誤差及氧濃度分析儀等因素影響,一般情況下,在3～5次內(nèi)完成混氣配比的操作。

2.3 氧氮混合氣混合配比特點(diǎn)

2.3.1氣體混合配比均勻性差

理論來講壓力越高、分子數(shù)越多,越容易混勻,但實(shí)際上在高壓狀態(tài)下,經(jīng)過多次混氣配比試驗(yàn)證明,兩種氣體進(jìn)行混合配比時(shí),先充體積小的氣體再充體積大的氣體進(jìn)行混合的均勻性比先充體積大的氣體再充體積小的氣體進(jìn)行混合后的均勻性好。例如先向氣瓶充高純氮?dú)庠俪溲鯕饣蜓鯘舛绕驮傺a(bǔ)充高純氮?dú)?氣體混合6個(gè)月后氧濃度都很難均勻一致,呈現(xiàn)出氣瓶尾端氧濃度低,充氣端氧濃度高的特征。若采用先充氧,根據(jù)檢測氧濃度“步步逼進(jìn)法”逐漸充入氮,氣體混合后30 min,可以達(dá)到氣瓶尾端與充氣端氣體氧濃度一致,且在此之后的氧濃度不會(huì)發(fā)生變化。

2.3.2氣體混合配比受各類參數(shù)影響大

氣體混合配比與氣瓶充氣壓力、比容、溫度、氧濃度及均勻性相關(guān)。

1. 高壓狀態(tài)下,充氣體積計(jì)算值與氧濃度的關(guān)系。

從混氣流程可以看出,混氣過程中采用氧濃度分析儀檢測氧濃度,再根據(jù)預(yù)混氧濃度值計(jì)算出補(bǔ)氣體積,再經(jīng)過理想狀態(tài)方程換算為補(bǔ)氣壓力。而通常情況下,真實(shí)氣體只是在溫度不太低、壓力不太高的條件下才能遵守理想氣體的狀態(tài)方程。真實(shí)氣體的狀態(tài)變化與理想氣體的狀態(tài)方程不甚符合,尤其在高壓或低溫下出入更大,因此,理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用到真實(shí)氣體時(shí),必須考慮到真實(shí)氣體的特征,予以必要的修正。

氧氮混合配比采用體積配比法,即充入氧的體積與充入氮的體積混合后的濃度比。因此在進(jìn)行體積混比時(shí),若用理想氣體方程進(jìn)行計(jì)算,誤差較大,應(yīng)用范德瓦耳斯方程計(jì)算修正。如表1、圖2所示。當(dāng)氣體壓力<10 MPa時(shí),兩個(gè)方程計(jì)算結(jié)果誤差不大,但當(dāng)氣體壓力達(dá)到50 MPa時(shí),理想氣體方程與實(shí)際氣體計(jì)算結(jié)果誤差較大[2]。

表1 范德瓦耳斯方程與理想氣體狀態(tài)方程準(zhǔn)確度比較

圖2 理想氣體與真實(shí)氣體比較

2. 溫度與均勻性的關(guān)系。

氣體的溫度是其分子的平均動(dòng)能的量度,隨著氣體溫度的升高,分子的平均速率增大。在實(shí)際混氣配比操作中,室溫環(huán)境下由于分子運(yùn)動(dòng),混氣時(shí)氣瓶溫度均會(huì)上升,有利于混氣均勻性。場區(qū)環(huán)境溫度較低,當(dāng)氣瓶溫度低至-20℃時(shí),進(jìn)行混合配比,氣體中氧濃度穩(wěn)定時(shí)間滯后,且出現(xiàn)氧濃度忽高忽低的趨勢,如表2、圖3所示。

表2 混氣溫度與氧濃度關(guān)系

圖3 混氣溫度與氧濃度關(guān)系

2.3.3氣體混合配比操作難度大

在高壓下進(jìn)行動(dòng)態(tài)氣體混合配比充氣,采用氧濃度分析儀檢測氧濃度進(jìn)行換算充氣的過程比較復(fù)雜?；旌吓浔炔捎酶邼舛妊踔饾u逼進(jìn)法進(jìn)行補(bǔ)氮的方式,在氧濃度精度要求比較高的情況下,容易因補(bǔ)氣壓力控制不當(dāng),造成充氮體積過大,導(dǎo)致氧濃度偏低,而一旦氧濃度低于規(guī)定值,需要補(bǔ)氧時(shí),將出現(xiàn)氣體均勻性差的問題。因此精細(xì)化的操作、精密的壓力比容控制是混合配比的關(guān)鍵。

3 氧氮混合氣自動(dòng)混合配比模型設(shè)計(jì)

為解決混合配比中精確控制壓力、比容、溫度與氧濃度問題,設(shè)計(jì)一套自動(dòng)混合配比模型。通過采集混氣操作中環(huán)境溫度、氣瓶壓力、氧濃度等數(shù)據(jù),將補(bǔ)氣壓力根據(jù)理論推導(dǎo)公式編程,利用增壓泵電磁閥控制等方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混合配比的精確控制。

3.1 總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案

空混車采用PLC集中監(jiān)控方式,為氧氮混合氣混合配比提供在線過程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控和安全保護(hù)。在就地儀表監(jiān)控盤上設(shè)置小型顯示終端機(jī),通過LED觸摸屏實(shí)時(shí)顯示氣瓶壓力、溫度和氧濃度分析儀參數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

3.2 主要技術(shù)改造措施與控制邏輯

3.2.1技術(shù)改造與主要功能

1. 增設(shè)空混氣配氣臺P4壓力表壓力傳感器,實(shí)現(xiàn)混氣配比壓力遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控功能,將壓力參數(shù)傳輸給PLC控制模塊。

2. 增設(shè)空混氣瓶組外壁貼片式溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)混氣配比溫度遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控功能,將溫度參數(shù)傳輸給PLC控制模塊。

3. 通過氧濃度分析儀二次線路,實(shí)現(xiàn)在線氧濃度參數(shù)傳輸與監(jiān)控的功能,將氧濃度參數(shù)傳輸給PLC控制模塊。

5. 增設(shè)車載空調(diào)繼電器、加熱器繼電器,通過斷路器觸點(diǎn)、設(shè)定溫度與環(huán)境溫度,實(shí)現(xiàn)空調(diào)或加熱器自動(dòng)啟停,使其具備調(diào)節(jié)混氣環(huán)境溫度功能。

6. 增設(shè)增壓泵驅(qū)動(dòng)氣先導(dǎo)氣QF1閥串聯(lián)1個(gè)電磁閥,根據(jù)氧濃度分析儀檢測數(shù)據(jù)與PLC編程控制,實(shí)現(xiàn)增壓泵自動(dòng)充氣功能。

7. 通過氧濃度報(bào)警信號,實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)啟停與聲光報(bào)警功能。

8. 在空混氣瓶組K1、K2、K3閥門之后各增設(shè)1個(gè)45 MPa高壓電磁閥,將控制信號傳輸給PLC,在氧濃度報(bào)警儀安全閥前端增加1個(gè)35/0.1 MPa額定減壓閥,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制混氣瓶氧濃度檢測功能。

3.2.2混氣配比控制邏輯

當(dāng)預(yù)混氣氧濃度接近26%時(shí),采用自動(dòng)混合配比系統(tǒng)。自動(dòng)混合配比模型控制邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 自動(dòng)混合配比模型控制邏輯關(guān)系

1. 操作手在PLC控制儀顯示屏現(xiàn)場裝訂預(yù)混氣體氧濃度值24%(最佳值)。

視角1：函數(shù)角度，分別討論與區(qū)間位置關(guān)系，①②，分別畫出兩種情況下對應(yīng)的函數(shù)圖像，如圖2找到兩種情況下對應(yīng)的解析式，可知的最小值為1。

2. PLC控制儀通過氧濃度分析儀采集在線氧濃度數(shù)據(jù)、混氣瓶壓力傳感器傳感的氣瓶壓力、氣瓶溫度傳感器輸入的溫度;根據(jù)設(shè)定的混氣氧濃度值,按照PLC編程,理論計(jì)算出補(bǔ)氣壓力,進(jìn)行補(bǔ)氣信號輸出,并在PLC顯示屏顯示出補(bǔ)氣介質(zhì)與補(bǔ)氣壓力。

3. PLC控制儀對增壓泵驅(qū)動(dòng)氣先導(dǎo)氣QF1并聯(lián)電磁閥輸出補(bǔ)氣信號,電磁閥自動(dòng)開啟,實(shí)現(xiàn)對混氣瓶的補(bǔ)氣;當(dāng)混氣瓶壓力傳感器壓力達(dá)到計(jì)算補(bǔ)氣壓力或氧濃度檢測儀顯示氧濃度為設(shè)定氧濃度(24%)時(shí),PLC控制增壓泵QF1并聯(lián)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混氣操作。

4. 根據(jù)時(shí)間設(shè)定,30 min后通過控制空混氣瓶組高壓電磁閥,進(jìn)行氧濃度自動(dòng)檢測,并通過氧濃度分析儀采集氧濃度數(shù)據(jù)傳輸給PLC。

5. 輔助設(shè)備控制邏輯。設(shè)定混氣瓶混氣溫度范圍值為20～30 ℃,當(dāng)混氣瓶溫度<20℃時(shí),氣瓶溫度傳感器傳輸給PLC,PLC控制儀自動(dòng)控制空調(diào)和電加熱器斷電器,啟動(dòng)空間加熱,同時(shí)伴有聲光提醒;當(dāng)混氣瓶溫度>25℃時(shí),PLC控制儀自動(dòng)控制空調(diào)和電加熱器斷電器,停止空間加熱。當(dāng)混氣瓶溫度>30℃時(shí),PLC控制儀進(jìn)行聲音報(bào)警,提醒是否進(jìn)行制冷,通過顯示屏手動(dòng)啟動(dòng)或停止空調(diào)斷電器進(jìn)行空間制冷。

6. 工作環(huán)境氧濃度報(bào)警控制邏輯。車載氧濃度報(bào)警儀低濃度氧或高濃度氧報(bào)警信號傳輸至PLC,PLC控制儀控制軸流風(fēng)機(jī)繼電器閉合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)確定

3.3.1氧氮混合配比理論推導(dǎo)公式

若氧濃度超出規(guī)定值或低于規(guī)定值時(shí),氧氮混合體積配比按照以下公式計(jì)算。

3.3.1.1氧濃度超標(biāo),排氧補(bǔ)氮計(jì)算

氧濃度超標(biāo),混氣瓶壓力已達(dá)到35 MPa上限,無法補(bǔ)加氮?dú)鈺r(shí),則需排放部分混合氣體,再補(bǔ)加氮?dú)?。此時(shí)排放氧氮混合氣壓力,再補(bǔ)加氮?dú)鈮毫Π词?1)～(3)計(jì)算。根據(jù)氧濃度超標(biāo)狀態(tài)下多出的氧體積V′=氧濃度超標(biāo)狀態(tài)下需排出氧體積V″:

pV(a-a′)=V′p′Va′=V″

(1)

V(a-a′)=p′Va′

(2)

(3)

式中,p′為混氣瓶內(nèi)應(yīng)當(dāng)排放的壓力值,MPa;p為混氣瓶內(nèi)原始壓力值,MPa;a為混氣瓶內(nèi)原始氧濃度,%;a′為氧氮混合氣規(guī)定氧濃度最佳值24%;V′為氧濃度超標(biāo)狀態(tài)下多出的氧體積,Nm3;V″為氧濃度超標(biāo)狀態(tài)下需排出氧體積,Nm3;V為混氣瓶容積,Nm3。

例:混氣瓶內(nèi)壓力為35 MPa,氧濃度為26%的空混氣(高于標(biāo)準(zhǔn)),那么,應(yīng)該排放多少壓力的空混氣,然后充高純氮?dú)庵猎級毫?5 MPa才能滿足氧濃度為24%的空混氣要求。

根據(jù)上述公式計(jì)算可得:應(yīng)該排放2.92 MPa的空混氣,再充高純氮?dú)庵?5 MPa,此時(shí)空混氣的氧濃度理論計(jì)算值為24%。

3.3.1.2氧濃度低于標(biāo)準(zhǔn),補(bǔ)氧計(jì)算

氧濃度低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí),補(bǔ)氧計(jì)算公式如式(4)～(5),僅限于氧濃度<2%的場合。根據(jù)補(bǔ)氧體積V′=缺氧體積V″:

p′V(1-a′)=V′pV(a′-a)=V″

(4)

(5)

式中,p′為混氣瓶補(bǔ)氧壓力值,MPa;p為混氣瓶內(nèi)原始壓力值,MPa;a為混氣瓶內(nèi)原始氧濃度,%;a′為氧氮混合氣規(guī)定氧濃度最佳值24%;V′為補(bǔ)氧體積,Nm3;V″為缺氧體積,Nm3。

例:空混氣瓶內(nèi)壓力為32 MPa,氧濃度為22%的空混氣(低于標(biāo)準(zhǔn)),那么,應(yīng)該補(bǔ)充多少壓力的氧氣才能滿足氧濃度為24%的空混氣要求。

根據(jù)上述公式計(jì)算可得:應(yīng)該補(bǔ)充0.84 MPa的氧氣,氣瓶內(nèi)壓力應(yīng)充氣至32.84 MPa,此時(shí)空混氣的氧濃度理論計(jì)算值為24%。

3.3.1.3氧濃度超標(biāo)準(zhǔn),補(bǔ)氮計(jì)算

氧濃度超過標(biāo)準(zhǔn),混氣瓶仍可補(bǔ)加氣體時(shí)(如當(dāng)前氣瓶壓力為30 MPa,氧濃度為26%時(shí),則只需要繼續(xù)向混氣瓶內(nèi)補(bǔ)氮混合),補(bǔ)氮計(jì)算公式如式(6)～(8)。

V′=pV(a-a′)V″=pV

(6)

(7)

(8)

式中,p′為混氣瓶補(bǔ)氮壓力值,MPa;p為混氣瓶內(nèi)原始壓力值,MPa;a為混氣瓶內(nèi)原始氧濃度,%;a′為氧氮混合氣規(guī)定氧濃度最佳值24%;V′為多余規(guī)定濃度a′的氧體積,Nm3;V″為補(bǔ)氮體積,Nm3。

例:氧濃度超過標(biāo)準(zhǔn),混氣瓶仍可補(bǔ)壓時(shí),如當(dāng)前氣瓶壓力為30 MPa,氧濃度為26%時(shí),那么,應(yīng)該補(bǔ)充多少壓力的氮?dú)獠拍軡M足氧濃度為24%的要求。

綜合上述,此套自動(dòng)混合配比模型主要考慮在高濃度情況下補(bǔ)氮操作,主要運(yùn)用公式(1)～(3)和公式(6)～(8)。因此,設(shè)計(jì)模型將設(shè)定高濃度補(bǔ)氮或排放氣體后補(bǔ)氮兩種模式?？紤]到氧濃度過低補(bǔ)氧后均勻性差的問題,設(shè)計(jì)公式(4)～(5)僅限于氧濃度<2%的場合使用。

3.3.2氧氮混合配比程序控制參數(shù)

1. 混氣均勻性穩(wěn)定時(shí)間與溫度確定。根據(jù)混氣試驗(yàn)得出結(jié)論,在室溫狀態(tài)下,混氣均勻性穩(wěn)定時(shí)間為30 min。根據(jù)不同氣溫變化,混氣配比時(shí)根據(jù)空調(diào)和加熱器功能將氣瓶環(huán)境溫度控制在20～30℃。

2. 混合氣體體積或壓力確定。根據(jù)混氣試驗(yàn)與范德瓦耳斯方程修正計(jì)算得出結(jié)論,混合35 MPa氧氮混合氣時(shí),先將充氧的壓力確定為6.8 MPa,混合后氣體壓力在34～35 MPa?？紤]真實(shí)氣體與理想氣體在高壓狀態(tài)下的偏差,此套自動(dòng)混氣配比模型在先充氧、補(bǔ)氮壓力達(dá)到30 MPa情況下,才進(jìn)行混氣自動(dòng)操作,因而可以忽略偏差值。

3. 混合配比工作流程顯示。混合配比遵循以下流程,先充高純氧氣,再向混氣瓶充高純氮?dú)?補(bǔ)氣至30 MPa或氧濃度檢測儀顯示氧濃度為26%時(shí),穩(wěn)定30 min后,根據(jù)氧濃度分析儀在線自動(dòng)檢測氧濃度,啟動(dòng)自動(dòng)或手動(dòng)控制模式,即根據(jù)混合配比理論推導(dǎo)公式計(jì)算補(bǔ)氮、補(bǔ)氧體積與壓力,在氧濃度分析儀的配合下,自動(dòng)將氧濃度混合至規(guī)定值24%。

4. 控制面板顯示狀態(tài)與參數(shù)。面板主要顯示氣瓶組氧濃度(%)、混氣瓶組壓力(MPa)、混氣瓶組溫度(℃)、混氣瓶組設(shè)定氧濃度(%)、混氣瓶組理論計(jì)算補(bǔ)氮體積(Nm3)、混氣瓶組理論計(jì)算補(bǔ)氮壓力(MPa)、混氣瓶排氣體壓力(MPa)、混氣均勻時(shí)間(min)、空調(diào)加熱啟動(dòng)(停止)、軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)(停止)、電加熱器啟動(dòng)(停止)、車內(nèi)氧濃度報(bào)警、空調(diào)制冷啟動(dòng)(停止)等。

4 結(jié) 論

通過對混氣操作環(huán)境溫度、氣瓶壓力、氧濃度分析參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,推導(dǎo)混氣充放氣壓力理論公式,在PLC對增壓泵電磁閥控制下,采用步步逼進(jìn)法能夠解決混合配比中精確控制壓力、比容、溫度與氧濃度對混合配比的影響的問題,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)混合配比的精確控制。