空混車氧氮混合氣自動混合配比模型設計

何建軍,柳 晗,謝玉玲,付長衛

(63601部隊,甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

某場區空混車氧氮混合氣采用高純氮氣與高純氧氣按照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境的富氧空氣。空混車氧氮混合氣是在高壓狀態下進行混合配比的氣體,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。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,提出一次自動混合配比成功控制模型,實現自動混氣功能。

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

把一定質量的氣體裝在一個封閉的容器中,不管氣體內各部分原有的溫度和壓力如何,經過一段時間后,容器內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,內部也沒有任何形式的能量轉換,溫度和壓力將不隨時間變化,這樣的狀態稱為平衡狀態,簡稱平衡態,也稱之為熱動平衡狀態。氣體分子的熱運動是永不停息的,通過氣體分子的熱運動和相互碰撞,在宏觀上表現為氣體各部分的密度均勻、溫度均勻、壓力均勻的熱動平衡狀態[1]。

氧氮混合氣則是利用這一規律,將高純氧與高純氮按照一定比例在空混氣瓶內進行壓力混比配制,利用分子間不斷的相互碰撞,使得每個分子運動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

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

HCP、QP高壓無縫鋼瓶;KG1開關閥;QF1球閥;NC進口壓力開關;NO出口壓力開關;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充入6.8 MPa高純氧氣。

第二步,氣瓶預充氮。打開K12、K13、K14、K15、K7閥門,通過氧氣增壓泵M向氣瓶充入高純氮氣至32 MPa,觀察氧分析儀檢測濃度在26%～30%時,停止充入高純氮氣。

第三步,精確混氣配比。由于氧濃度偏低時進行補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“步步逼進法”進行。即根據氣瓶尾端在線氧濃度分析儀檢測氧濃度預混至26%～30%時,先按照混合后氧濃度為25%值計算充氮容積和壓力,通過氣體增壓泵第一次補氮約30 min,待氣瓶內氧氮混合均勻穩定后再根據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算充氮容積和壓力,第二次補氮約30 min,直至氣瓶內氧濃度數值穩定;最后根據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算充氮容積和壓力,第三次補氮約30 min,直至氣瓶內氧濃度數值穩定在最佳值24.0%。受環境溫度、人工理論計算誤差及氧濃度分析儀等因素影響,一般情況下,在3～5次內完成混氣配比的操作。

2.3 氧氮混合氣混合配比特點

2.3.1氣體混合配比均勻性差

理論來講壓力越高、分子數越多,越容易混勻,但實際上在高壓狀態下,經過多次混氣配比試驗證明,兩種氣體進行混合配比時,先充體積小的氣體再充體積大的氣體進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行混合后的均勻性好。例如先向氣瓶充高純氮氣再充氧氣或氧濃度偏低再補充高純氮氣,氣體混合6個月后氧濃度都很難均勻一致,呈現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,根據檢測氧濃度“步步逼進法”逐漸充入氮,氣體混合后30 min,可以達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發生變化。

2.3.2氣體混合配比受各類參數影響大

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。

1. 高壓狀態下,充氣體積計算值與氧濃度的關系。

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,再根據預混氧濃度值計算出補氣體積,再經過理想狀態方程換算為補氣壓力。而通常情況下,真實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方程。真實氣體的狀態變化與理想氣體的狀態方程不甚符合,尤其在高壓或低溫下出入更大,因此,理想氣體狀態方程應用到真實氣體時,必須考慮到真實氣體的特征,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。因此在進行體積混比時,若用理想氣體方程進行計算,誤差較大,應用范德瓦耳斯方程計算修正。如表1、圖2所示。當氣體壓力<10 MPa時,兩個方程計算結果誤差不大,但當氣體壓力達到50 MPa時,理想氣體方程與實際氣體計算結果誤差較大[2]。

表1 范德瓦耳斯方程與理想氣體狀態方程準確度比較

圖2 理想氣體與真實氣體比較

2. 溫度與均勻性的關系。

氣體的溫度是其分子的平均動能的量度,隨著氣體溫度的升高,分子的平均速率增大。在實際混氣配比操作中,室溫環境下由于分子運動,混氣時氣瓶溫度均會上升,有利于混氣均勻性。場區環境溫度較低,當氣瓶溫度低至-20℃時,進行混合配比,氣體中氧濃度穩定時間滯后,且出現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系

圖3 混氣溫度與氧濃度關系

2.3.3氣體混合配比操作難度大

在高壓下進行動態氣體混合配比充氣,采用氧濃度分析儀檢測氧濃度進行換算充氣的過程比較復雜。混合配比采用高濃度氧逐漸逼進法進行補氮的方式,在氧濃度精度要求比較高的情況下,容易因補氣壓力控制不當,造成充氮體積過大,導致氧濃度偏低,而一旦氧濃度低于規定值,需要補氧時,將出現氣體均勻性差的問題。因此精細化的操作、精密的壓力比容控制是混合配比的關鍵。

3 氧氮混合氣自動混合配比模型設計

為解決混合配比中精確控制壓力、比容、溫度與氧濃度問題,設計一套自動混合配比模型。通過采集混氣操作中環境溫度、氣瓶壓力、氧濃度等數據,將補氣壓力根據理論推導公式編程,利用增壓泵電磁閥控制等方法來實現自動混合配比的精確控制。

3.1 總體技術設計方案

空混車采用PLC集中監控方式,為氧氮混合氣混合配比提供在線過程控制、數據監控和安全保護。在就地儀表監控盤上設置小型顯示終端機,通過LED觸摸屏實時顯示氣瓶壓力、溫度和氧濃度分析儀參數,實現自動控制功能。

3.2 主要技術改造措施與控制邏輯

3.2.1技術改造與主要功能

1. 增設空混氣配氣臺P4壓力表壓力傳感器,實現混氣配比壓力遠程傳輸與監控功能,將壓力參數傳輸給PLC控制模塊。

2. 增設空混氣瓶組外壁貼片式溫度傳感器,實現混氣配比溫度遠程傳輸與監控功能,將溫度參數傳輸給PLC控制模塊。

3. 通過氧濃度分析儀二次線路,實現在線氧濃度參數傳輸與監控的功能,將氧濃度參數傳輸給PLC控制模塊。

5. 增設車載空調繼電器、加熱器繼電器,通過斷路器觸點、設定溫度與環境溫度,實現空調或加熱器自動啟停,使其具備調節混氣環境溫度功能。

6. 增設增壓泵驅動氣先導氣QF1閥串聯1個電磁閥,根據氧濃度分析儀檢測數據與PLC編程控制,實現增壓泵自動充氣功能。

7. 通過氧濃度報警信號,實現軸流風機啟停與聲光報警功能。

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

3.2.2混氣配比控制邏輯

當預混氣氧濃度接近26%時,采用自動混合配比系統。自動混合配比模型控制邏輯關系如圖4所示。

圖4 自動混合配比模型控制邏輯關系

1. 操作手在PLC控制儀顯示屏現場裝訂預混氣體氧濃度值24%(最佳值)。

視角1：函數角度，分別討論與區間位置關系，①②，分別畫出兩種情況下對應的函數圖像，如圖2找到兩種情況下對應的解析式，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據、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;根據設定的混氣氧濃度值,按照PLC編程,理論計算出補氣壓力,進行補氣信號輸出,并在PLC顯示屏顯示出補氣介質與補氣壓力。

3. PLC控制儀對增壓泵驅動氣先導氣QF1并聯電磁閥輸出補氣信號,電磁閥自動開啟,實現對混氣瓶的補氣;當混氣瓶壓力傳感器壓力達到計算補氣壓力或氧濃度檢測儀顯示氧濃度為設定氧濃度(24%)時,PLC控制增壓泵QF1并聯電磁閥自動關閉,實現自動混氣操作。

4. 根據時間設定,30 min后通過控制空混氣瓶組高壓電磁閥,進行氧濃度自動檢測,并通過氧濃度分析儀采集氧濃度數據傳輸給PLC。

5. 輔助設備控制邏輯。設定混氣瓶混氣溫度范圍值為20～30 ℃,當混氣瓶溫度<20℃時,氣瓶溫度傳感器傳輸給PLC,PLC控制儀自動控制空調和電加熱器斷電器,啟動空間加熱,同時伴有聲光提醒;當混氣瓶溫度>25℃時,PLC控制儀自動控制空調和電加熱器斷電器,停止空間加熱。當混氣瓶溫度>30℃時,PLC控制儀進行聲音報警,提醒是否進行制冷,通過顯示屏手動啟動或停止空調斷電器進行空間制冷。

6. 工作環境氧濃度報警控制邏輯。車載氧濃度報警儀低濃度氧或高濃度氧報警信號傳輸至PLC,PLC控制儀控制軸流風機繼電器閉合,實現自動啟停風機。

3.3 主要技術參數確定

3.3.1氧氮混合配比理論推導公式

若氧濃度超出規定值或低于規定值時,氧氮混合體積配比按照以下公式計算。

3.3.1.1氧濃度超標,排氧補氮計算

氧濃度超標,混氣瓶壓力已達到35 MPa上限,無法補加氮氣時,則需排放部分混合氣體,再補加氮氣。此時排放氧氮混合氣壓力,再補加氮氣壓力按式(1)～(3)計算。根據氧濃度超標狀態下多出的氧體積V′=氧濃度超標狀態下需排出氧體積V″:

pV(a-a′)=V′p′Va′=V″

(1)

V(a-a′)=p′Va′

(2)

(3)

式中,p′為混氣瓶內應當排放的壓力值,MPa;p為混氣瓶內原始壓力值,MPa;a為混氣瓶內原始氧濃度,%;a′為氧氮混合氣規定氧濃度最佳值24%;V′為氧濃度超標狀態下多出的氧體積,Nm3;V″為氧濃度超標狀態下需排出氧體積,Nm3;V為混氣瓶容積,Nm3。

例:混氣瓶內壓力為35 MPa,氧濃度為26%的空混氣(高于標準),那么,應該排放多少壓力的空混氣,然后充高純氮氣至原始壓力35 MPa才能滿足氧濃度為24%的空混氣要求。

根據上述公式計算可得:應該排放2.92 MPa的空混氣,再充高純氮氣至35 MPa,此時空混氣的氧濃度理論計算值為24%。

3.3.1.2氧濃度低于標準,補氧計算

氧濃度低于標準時,補氧計算公式如式(4)～(5),僅限于氧濃度<2%的場合。根據補氧體積V′=缺氧體積V″:

p′V(1-a′)=V′pV(a′-a)=V″

(4)

(5)

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

例:空混氣瓶內壓力為32 MPa,氧濃度為22%的空混氣(低于標準),那么,應該補充多少壓力的氧氣才能滿足氧濃度為24%的空混氣要求。

根據上述公式計算可得:應該補充0.84 MPa的氧氣,氣瓶內壓力應充氣至32.84 MPa,此時空混氣的氧濃度理論計算值為24%。

3.3.1.3氧濃度超標準,補氮計算

氧濃度超過標準,混氣瓶仍可補加氣體時(如當前氣瓶壓力為30 MPa,氧濃度為26%時,則只需要繼續向混氣瓶內補氮混合),補氮計算公式如式(6)～(8)。

V′=pV(a-a′)V″=pV

(6)

(7)

(8)

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

例:氧濃度超過標準,混氣瓶仍可補壓時,如當前氣瓶壓力為30 MPa,氧濃度為26%時,那么,應該補充多少壓力的氮氣才能滿足氧濃度為24%的要求。

綜合上述,此套自動混合配比模型主要考慮在高濃度情況下補氮操作,主要運用公式(1)～(3)和公式(6)～(8)。因此,設計模型將設定高濃度補氮或排放氣體后補氮兩種模式。考慮到氧濃度過低補氧后均勻性差的問題,設計公式(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

1. 混氣均勻性穩定時間與溫度確定。根據混氣試驗得出結論,在室溫狀態下,混氣均勻性穩定時間為30 min。根據不同氣溫變化,混氣配比時根據空調和加熱器功能將氣瓶環境溫度控制在20～30℃。

2. 混合氣體體積或壓力確定。根據混氣試驗與范德瓦耳斯方程修正計算得出結論,混合35 MPa氧氮混合氣時,先將充氧的壓力確定為6.8 MPa,混合后氣體壓力在34～35 MPa。考慮真實氣體與理想氣體在高壓狀態下的偏差,此套自動混氣配比模型在先充氧、補氮壓力達到30 MPa情況下,才進行混氣自動操作,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氣,補氣至30 MPa或氧濃度檢測儀顯示氧濃度為26%時,穩定30 min后,根據氧濃度分析儀在線自動檢測氧濃度,啟動自動或手動控制模式,即根據混合配比理論推導公式計算補氮、補氧體積與壓力,在氧濃度分析儀的配合下,自動將氧濃度混合至規定值24%。

4. 控制面板顯示狀態與參數。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(℃)、混氣瓶組設定氧濃度(%)、混氣瓶組理論計算補氮體積(Nm3)、混氣瓶組理論計算補氮壓力(MPa)、混氣瓶排氣體壓力(MPa)、混氣均勻時間(min)、空調加熱啟動(停止)、軸流風機啟動(停止)、電加熱器啟動(停止)、車內氧濃度報警、空調制冷啟動(停止)等。

4 結 論

通過對混氣操作環境溫度、氣瓶壓力、氧濃度分析參數進行數據采集,推導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,實現自動混合配比的精確控制。