二氧化碳裂隙孔隙巖體測試流動儀

二氧化碳裂隙孔隙巖體測試流動儀

YCQ-2型二氧化碳裂隙孔隙巖體測試流動儀技術說明

一、儀器的功能

1.二氧化碳地質封存條件下的巖石裂隙注漿封堵實驗。

2.普通二氧化碳氣體的裂隙修復評價實驗。

3.超臨界二氧化碳的裂隙修復評價實驗。

4.巖石裂隙孔隙的液測滲透率實驗。

三、主要技術指標

巖心規格：直徑50mm，長度100m 可垂直、水平放置

溫度范圍：室溫～100℃

環壓：≤50MPa

孔隙壓力：≤20MPa

工作介質：二氧化碳、微生物

制冷量：2400kcal/h

電源：AC380V  6kW

四、設備組成

本設備主要由制冷系統、儲罐、CO2高壓注入泵、夾持器、恒溫箱、微生物注入系統、環壓回壓系統、氣液分離計量系統及相關輔助部件組成。

五、組成部件說明與指標

5-1、制冷系統

制冷系統將二氧化碳氣體液化后，方便流體的高壓注入。為了高壓注入的穩定、可靠。制冷機組采用進口壓縮機，運行穩定，其它制冷配件均選用國際產品。根據試驗條件，控制系統自動調節制冷機運行工況、冷量大小，確保壓縮機工作在合適狀態，延長壓縮機使用壽命。環保制冷劑R404a；制冷機專用減振彈簧、機組圍板粘貼特種吸音棉降噪措施。具體技術指標如下：

制 冷 量：2400kcal/h

制冷方式：風冷 密封循環

溫控范圍：2℃～7℃

5-2、二氧化碳儲罐

儲存液態二氧化碳以備高壓注入泵使用，儲罐設有降溫保溫冷循環系統，保持儲罐內部溫度穩定，外設保溫層和不銹鋼外飾，避免環境溫度對儲罐內部溫度的影響。

儲罐容積：2L

儲罐壓力：16MPa

儲罐材質：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液體進行精確注入，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行狀態壓力、流量等參數。

該泵采用日本進口交流電機、伺服系統、控制泵的運行，具有很高運行精度，轉矩大，體積小，重量輕等特點，伺服務系統還具有欠壓保護、過流保護、過壓保護、漏電保護、過載保護等功能，傳動平穩，傳動比準確，噪音低。

雙泵采用電磁閥自動控制閥的切換，實現雙泵自動換向，具有自動跟蹤運行壓力，即預增壓功能，使雙泵換向平穩無脈沖。（具有靈敏度高，高壓運行無泄漏）采用標準RS485接口，由計算機控制泵的運行，便于實現軟件對泵參數的設定、監測和記錄。

主要技術指標如下：

巖心規格：直徑50mm，長度100m
巖心夾持器傾角：0-90°范圍內可調
溫度范圍：室溫～100℃
環壓：≤50MPa
孔隙壓力：≤20MPa
工作介質：二氧化碳、微生物
壓力測試精度：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、伺服電機等組成。

1、柱塞缸體：

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

泵腔增設冷卻循環，防止長時間使用時柱塞摩擦升溫，影響液體二氧化碳的穩定輸出。

2、氣控閥：

氣控閥為二位二通管閥，壓縮空氣氣動控制，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4-20ma。

4、控制系統：

采用信捷以太網PLC控制系統，新穎的信號板設計可擴展通信端口、數字量通道、模擬量通道配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執行時間可達0.15μs ，CPU模塊本體最多集成2 路高速脈沖輸出，頻率高達100kHz，14位模擬量，可自由設置運動包絡。

5、松下伺服電機：

采用日本松下伺服電機進行配置，對泵輸

出運動命令及時執行并提供動力。如右圖所示。

該泵可實現快速且正確的操作；高速響應；

高精度定位。采用提高加工精度和生產性的新

算法“2自由度控制方式”進行控制。

由于以往的模型不能對前饋控制和反饋控制進行個別調整，即使調節“縮短”的前饋控制時，在反饋控制下“減小”控制也會相應變動，所以需要針對它們相互之間再做調整。運行界面如下：

簡單快速設定調整時間是以往的約1/5，設備和裝置啟動時，需要調整伺服電機、驅動器的情況下，為了便于設定參數與監測等升級安裝支持軟件「PANATERM」。使畫面更加清晰。搭配可實現快速安裝的適合增益，新開發出能最大限度發揮A5Ⅱ系列特性的適合增益功能。具有當裝置剛性低時能夠降低振動的自適應陷波濾波器功能，以及能自動設定調整的各種增益。

5-4、緩沖容器

容積：1000ml，使用壓力≤30MPa，材質316L不銹鋼，其作用是對高壓注入的二氧化碳流體進行緩沖，降低柱塞增壓行程極點時的脈沖影響，同時，在進行二氧化碳驅時，可作為供應氣源，提高了驅替壓力范圍，避免鋼瓶氣壓低，滿足不了實驗要求等現象。

5-5、預熱器

設備流體的預加熱采用盤管換熱方式，盤于電加熱浴槽內，與換熱介質進行充分換熱后，達到設定溫度后進入夾持器作業，預熱器溫度：室溫～100℃，控溫精度：±1℃。預熱盤管采用φ6mm×1.5mm規格管線，材質316L不銹鋼。浴槽材質304不銹鋼，設置保溫隔熱與不銹鋼外飾以及對應的保護措施。

5-6、恒溫箱

恒溫箱采用空氣浴加熱方式，熱風對流循環，溫度范圍：室溫-150℃，數顯自動控溫，精度±1℃，中空可視窗，可通過射燈對箱體內部情況進行查看，內膽尺寸720×530×800mm，材質304不銹鋼，外表噴塑。

5-7、微生物注入系統

高壓注入泵與高壓活塞容器組合，進行微生物注入作業，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，推動活

塞將微生物注入夾持器，高壓活塞容器材質316L，容積2000ml，壓力30MPa,內壁精打磨處理，光潔度   ，有效減小內壁摩擦力，使活塞來回運行自如，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，無需預緊密封，密封壓力高、密封可靠、耐磨性能好等特點，該密封圈具有良好的壓縮率、摩擦系數、抗拉強度、耐熱性及化學穩定性。注入用泵參照二氧化碳注入泵，該泵不需設置冷循環，但為保證泵的長期穩定使用，注入清水為去離子水，使用完成后，及時清洗干凈活塞容器。

5-8、巖心夾持器

TY-4型夾持器，材質為316L不銹鋼。規格為φ50×100/30MPa，室溫-150℃。該型號的夾持器結構形式具有以下特點：

（1）由于采用外螺紋結構形式，使其具有體積小、重量輕，死體積小，拆卸方便，實用性強，耐壓高等特點。

（2）采用了端面密封結構形式，使其具有了拆裝封頭及巖心的方便，換膠皮筒或O形圈時無需用拆卸手柄即可旋下壓帽，移開封頭。

常規情況下換巖心時壓帽及封頭均無須拆卸，只須旋

出調節螺母，用專用工具退出巖心即可。如圖所示

 5-9、環壓控制系統

SYB-60型手動泵，為巖心施加環向壓力，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

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，氣體經干燥過濾進行計量或處理排放；液體經排放進進行計量分析。

5-12、電子天平

采用天平稱重法計算液體量

天平規格：量程2200g，精度0.01g

計算機自動采集計算流量值

5-13、氣體流量計

氣體流量計用于單一氣體的測量，采用高精度氣體流量計，根據使用的具體氣體進行單獨標定計量，可精確計量和控制氣體的注入量。選用七星華創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.，響應時間≤10sec，輸入

輸出信號0-5VDC。

5-14、溫度測控子系統

主要包括對預熱器、恒溫箱的溫度測控。

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

數顯二次儀表：主要用于顯示溫度值，便于后部計算用；采用國產高精度溫度數顯二次表,該類數顯二次表具有較高的采集速度、較高的準確度等優點,自帶RS485通訊，儀表顯示精度為0.1℃，可實現與計算機RS232與485的轉換通訊。

5-15、壓力測控子系統

壓力測控系統分為壓力測量系統(壓力傳感器和壓力數字二次儀表)。

壓力測量系統：

采用森納士壓力傳感器，環境下穩定工作，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期作業的穩定性。

壓力控制儀表采用數顯二次儀表，可實現與計算機的通訊；該類數顯二次表具有較高的采集速度、較高的準確度等優點,自帶RS485通訊，可實現與計算機RS232與485的轉換通訊。

 5-16、安全保護系統

設備設計有接地保護和斷電保護措施，確保使用者人身安全；

設備整體進行防靜電保護，保證安全操作的同時，有效保護精密電子部件不受損傷。

裝置設計有多重安全報警裝置，如檢測到系統壓力超出設定范圍，將發出聲光報警，提醒操作人員注意并進行處理，確保設備及操作人員安全。

5-17、管閥件系統

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

 5-18、電氣系統

采用正品品牌電氣元件，德力西、正泰等，接線采用國際通用標準，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屏蔽線纜，防止控制線路的信號交叉影響。

5-19、數據采集處理系統

軟件系統包括采集壓力、溫度、流量等，為了保證測量精度和控制的可靠性，采用進口A/D轉換模塊，MOXA-CP168EL PCI數字采集控制卡，數據傳輸速率≥920Kbps，從而實現數字化采集傳輸。

溫度、壓力、流量等數據送入計算機的采集板卡，在采集板卡上經A/D轉換為數字信號并傳遞給計算機，控制軟件通過特定的控制算法，將采集到的數據計算后得到控制數據，通過串行口傳遞到下位單片機，控制動力系統的執行，從而控制系統內的壓力。

計算機：四核處理器、22寸液晶彩顯、1T硬盤，4G內存

界面、流程、進程、控制節點顯示清楚，控制操作靈活、方便。能滿足實驗室所提需求；

人機界面：操作者用于向系統發出指令并接收信息。

試驗執行：將操作者的指令傳送給下位機，再由下位機控制相應的執行器去完成。

數據儲存：接收下位機傳來的數據并經判別后儲存，以備后處理時使用。

數據處理：根據儲存的數據計算出結果參數，繪制各種關系曲線。

控制系統的硬件主要包括控制主機、數據采集模塊、信號調整模塊，其結構框圖，如下圖所示：

整個系統在脫離網絡條件下可獨立運行。

軟件在WINDOWS10環境下運行，采用DELPHI7.0編程。

1、系統的信號采集設計：

數據采集系統的主要任務就是測量和生成信號。它通常包括傳感器、轉換器、信號調理及一套可以處理、分析、顯示、存儲等功能的軟件組成。通過傳感器采集信號，經過信號調理利用上位機接收并處理數據。上位機軟件對采集這些原始數據顯示，并對數據進行處理，使數據以圖形、表格或文件得形式展現在用戶眼前，通過軟件對整個測量系統進行控制，告知測量設備應何時采集數據以及從第幾通道采集或生成數據。

信號的類型可分為模擬信號和數字信號兩種，在進行信號調節和使用DAQ硬件之前，需要將物理信號轉換成電信號（電流或電壓），一般由轉換器完成這個功能，在本系統中是由所用的壓力變送器、溫度傳感器等完成的。當測量的物理信號被轉換成電信號后，就可以采集并提取有用信息并進行處理分析，最后再通過相應的軟件把電信號轉換為原來的物理信號并加以顯示處理和分析。

2、壓力、溫度、流量等信號采集：

壓力傳感器、溫度傳感器、氣體流量計等發出的標準電流信號經過信號調理端子板轉化為電壓信號經數據采集卡的接線端子與模擬輸入端口相連接，測試系統壓力、溫度等變化時傳感器的電壓變化量，根據壓力、溫度等的變化量的大小和傳感器的線性關系確定所對應的系統壓力或溫度等。

4、控制報警功能設計：

在系統的運行中一旦出現異常情況，系統應能夠及時作出快速反應，因此，在程序設計的過程中必須進行參數異常值的判斷和報警，這對于裝置的正常運行至關重要。其需要判斷的故障主要可以分為以下幾個方面：信號的超上限故障、低下限故障報警和超停機限故障。

5-20、箱體支架

儀器支架采用工業鋁型材撬接結構，并設計有滾輪移動和調節固定部件，設備移動與固定方便快捷。面板采用不銹鋼激光切割成型技術與工藝烤漆相結合，美觀耐用。并對箱體和支架部件進行防靜電處理，減少靜電對精密儀器、電子元件等器件的損壞。

七、配置一覽表