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页岩气发气量测量装置系统设计_图文

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页岩 气量 测量 装置 系统 设计 图文
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I 页岩气发气量测量装置 系统设计 专 业:机械设计制造及其自动化 学 生:花 俊 指 导 教 师:王 昌 龙 日 期: 2015 年 5 月 28 日 扬州大学机械工程学院 文摘要 内容: 全球经济不断增长,能源消耗与需求的矛盾越来越 突出 ,在传统能源存量日益减少的今天,替代能源已被提上日程,非常规天然气的重要地位得到各国 重视,但其开采的难度以及开采成本很大。因此对非常规天然气地质特性的研究日益受到重视。随着经济与科技的快速发展,试验技术也应得到提升 ,传统排水集气法测定煤制气含气量实验费时费力。本文设计一种高精度自动化含气量测量装置,以替代传统的排水集气法。 本文所做的工作主要有以下几方面: ( 1) 测量装置的硬件设计,包括机械方面和电气方面的硬件设计。机械方面的 设计包 括测试系统架构,其中最重要的是气体压力传感器的选择。气体压力传感器 直接关系到整 个实验装置的精度,而且压力传感器为单片机提供信号,关系到整个装置的工作可靠性 。 电路方面的设计主要是气体流量的测量及电机驱动的 电路设计,以及单片机数据采集、存储与处理电路设计。 ( 2) 测量装置的软件设计。软件设 计包括数据采集 及 A/D 转换程序设计,数据 写 究阶段单片机与 ( 3) 由于本装置的设计需要以大量的实验为基础,所以为了方便实验,节约 实验时间,在研究阶段本课题借助 的强大功能。 件使用的是 课题需要在 及对所采集信号的数字处理,提取信号的特征值。 本文设计了一种高精度 含气量 自动测量装置,通过气体压力传感器 产生与气体流量成正比得模拟信号,再 经过高速串行 A/,单片机对单次放气过程中的信号进行积分,转换后的数据由单片机送入 关键词:单片机 , 含气量 , 高精度 , 软件 he is in on it is to of of So of of be of of In of a to of ( 1 ) of of is of is to of a to to or is CM ( 2) of / D CM C CD ( 3) PC of of to be on a of so in to of a PC in of C I 's to be on C as as of of a by to an / D / D on a by V 目录 中文摘要 ...................................................................................................................... I ................................................................................................................... 录 .............................................................................................................................一章 引言 .............................................................................................................. 1 题的研究背景与意义 ......................................................................................... 1 内外有关研究情况 ............................................................................................. 1 文研究的主要内容 ............................................................................................ 4 第二章 页岩气发气量检测系统对象的整体设计和分析 ......................... 5 统的概述 ............................................................................................................. 5 统对象的介绍 .................................................................................................. 5 统对象的设备组成 .......................................................................................... 7 气部分 ................................................................................................................ 7 气的环境要求 .................................................................................................. 7 气装置以及工作方式 ...................................................................................... 8 测部分 ................................................................................................................ 9 测原理与检测装置 .......................................................................................... 9 动部分 ................................................................................................................. 9 动装置以及工作方式 ...................................................................................... 9 第三章 气体流量信号采集系统的电路及软件设计 .................................. 11 统电路设计 ...................................................................................................... 11 感器及 A/D 转换模块 ................................................................................... 11 磁阀模块 ....................................................................................................... 13 机驱动模块 ................................................................................................... 14 统软件设计 ...................................................................................................... 16 力采集及 A/D 转换程序 ............................................................................... 17 据 压力调节平衡程序 ................................................................................... 19 晶显示程序 ................................................................................................... 21 第四章 实验结果 .................................................................................................. 23 第五章 总结与展望 .............................................................................................. 25 结 ....................................................................................................................... 25 究工作展望 ....................................................................................................... 25 致谢 ............................................................................................................................ 26 参考文献 ................................................................................................................... 27 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 1 第一章 引言 题的研究背景 与意义 当今能源问题关系到经济的发展和社会的稳定,不断增长的世界能源需求和现有资源 的消耗 引起的供求差距越来越大,传统能源主要是石油、煤、天然气。然而,传统能源对环境的破坏比较严重,尤其以石油、煤为首,在燃烧的过程中,释放出大量的有害气体以及温室气体 , 造成 环境恶化和全球温室效应。天然气与煤炭和石油相比,燃烧所排放的一氧化碳 较低(仅为煤炭和石油的 42%和 71%),因此天然气是典型 的“绿色能源”。非常规天然气资源量 常规天然气的 ,使非常规天然气成为新一代环保、高效的优质替代能源。虽然非常规天然气有如此多的优点,但是其开采难度较大,现有的开采都是源于常规天然气的基础之上,而非常规天然气跟常规天然气有很大的区别:常规天然气藏一般是以浮力作为运移动力的,以构造和地层形式单个分布;而非常规天然气藏一般不是以浮力作为运移动力而是以扩散方式运移、聚集的,这种气藏具有区域性广泛分布的特点,且一般不依赖于构造和地层圈闭。基于上述特点,对非常规天燃气的开采价值的研究就尤为重要 ,本课题通过在实验室中模拟 页岩气 的自然解析过程,利用 算出被测样品的非常规天然气的储量,从而判断开采的价值。 内外有关研究情况 致密砂岩储层只是一个相对概念,世界上没有统一的界限和划分标准,在不同国家和不同时期,由于资源状况不同,技术条件的不同,对致密油气储层的界限和划分标准也有所不同。一般把孔隙度低(小于 12%)、渗透率比较低、含气饱和度低( 小于 60%),含水饱和度高(大于 40%)、天然气在其中流动速度较为缓慢的砂岩层中的非 常规天然气的储 层,称之为致密砂岩储层认为致密含气砂岩是一种不经过大型改造措施(水力压裂)或者是不采用水平井、多分支井,就不能产出工业性 气流的砂岩储层,因此就不存在典型的致密含气砂岩。 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 2 致密砂岩气藏几乎存在于所有的含油气区,早在 1927 年就发现了位于美国的圣胡安盆地, 1976 年加拿大在其阿尔伯达盆地西部的深坳陷区北部发现了大型的致密砂岩气田命名为埃尔姆沃斯。我国自从在 1971年发现川西中坝气田后,也慢慢地开始了对致密砂岩含气进行系统研究。由于在北美地区发现的致密砂岩气藏大部分分布在盆地中心或者盆地构造的深部,于是在 1979 年 及 20世纪 80年代以后 密砂岩气藏”概念,其之后又提出过“盆地中心气藏”、“连续型气藏”、“ 根缘气 ”等针对深盆气藏性质的概念。 1969 年以前煤层气总是被当作煤矿开采过程中的有害气体处理, 1969 年,美国矿业局第一个钻出了采空区的瓦斯抽放井。 1970 年,美国已经形成一个概念就是将煤层气作为一种潜在的有效替代能源,随后美国掀起了一股煤层气地面垂直井开发试验的热潮。其后美国建立了两个比较大的 目前 ,美国、加拿大、澳大利亚 三 国已经开始煤层气的商业化开采 。其中,美国是世界上非常规天然气开发时间最早、规模最大、水平最高的国家, 1990年以来美国陆上发 现的大型天然气田主要为非常规天然气田, 2009 年非常规天然气产量达到 3182 亿立方米, 占国内天然气总产量的 59% 。非常规天然气的成功开发,使美国跃居 2009 年世界第一大天然气生产国,如图 实现了自给自足,彻底改变了美国天然气的供给格局,并对世界天然气供应产生深远影响。目前,美国对非常规天然气的试验研究仍然走在世界的前列,其中代表性的实验室有 拿大是目前世界上唯一实现油砂商业化开采的国家。 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 3 图 国非常规天然气的发展 在气藏的勘探开发中已成为国内外众多学者研究的热点和前沿问题。国内外许多学者都在这一领域对其形成与分布、成藏机理及开发方式等进行了研究。我国非常规天然气资源丰富,分布广泛,初步估计资源量超过 150万亿立方米,约为常规天然气地质资源量的 3 倍以上。受勘探开发关键技术的制约,过去非常规天然气在我国发展较为缓慢。近年来,国家和各石油企 业高度重视非常规天然气的研究与开发利用,在理论和技术上都取得许多突破,业务发展进入了新阶段五。目前,我国低渗透致密气已经实现规模开发,煤层气工业化开发已起步,页岩气开发试验已经启动,非常规天然气的发展前景十分广阔。 经过近年的努力,我国在非常规天然气资源勘探开发上取得了一定成果,但总体看 我国非常规天然气研究起步较晚,目前对产气量很小的矿物产气计量方法主要为手工排水集气法。劳动强度大,人为误差大。多家研究单位正在研发自动计量装置,多数采用国外进口的价格昂贵的高精度热式流量计进行计量,然而任何流量计都只能在一定 压差条件下使用,小量程的热式流量计用于大流量测量、大量程仪器测量微小流量都不准确。因此多数研究单位采用多个不同大小量程的系列流量计,分别在样品释放气体的不同阶段切换使用,基本保证随样品产气量逐渐减小各阶段都能准确测出流量。但这样做仪器成本成倍提高,体积增大,且憋气造成测量数据不准确,甚至远远偏离生产上普遍要求的自然解析 —— 在一个大气压恒压下解析。对大范围推广使用不利。另外目前高精度的气体流量计多为质量流量计,要根据抽样成分换算成为气体体积,这些是目前特种天然气开发行业亟待解决的问题。 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 4 文研究的主要 内容 本课题重点需要解决的问题包括:实现严格意义上的气体自然解析,也就是物料释放气体过程中密封罐内压力保持不变,这就需要及时把释放的气体排出。其次要保证测量精度不低于现行国家标准 9559行标准规定的试验方法为排水集气法,该方法如果要保证严格意义上的自然解析,我们拟采用压阻传感器测量气体及液柱压力,随时测出 U 形管两边的液位,通过 步进电机 和丝杠螺母机构带动水罐上下移动,使两边液面始终保持在同一水平面上。 1. 研制一种能够进行精确、在线自动测量页岩气含气量以及其它发气样品含气量的 仪器,能够满足我国页岩气开发行业进行页岩或其他含气物料发气量测试研究之用; 通过 步进电机 上下移动水罐,保持水罐中的水平面与刻度玻璃管中的水平面始终在同一水平面上从而使发气罐中稳定在一个大气压; 而实现液晶屏显示、 步进电机 驱动、数据存储等功能; 能在控制系统控制下,由 步进电机 驱动,完成水罐上下位移; 能发送至计算机,通过 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 5 第二章 页岩气发气量检测系统对象的整体设计和分析 统的概述 统对象的介绍 本系统是以排水集气法为其基础采集方法而设计开发的一种自动化采集、调节的检测装置。通过该装置的总体布局、硬件部分的设计、软件部分的设计,以及软硬件结合调试等关键技术的解决,以完成一个完整的页岩气发气量检测装置。 本系统开发设计任务包括:①相关功能硬件的设计;②实现自动化采集、记录数据的软件设计。 本系统的自动控制流程图如 图 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 6 接通解析罐前仪器通电接通乳胶管打开气夹检测 大P 大 >846? 0. 98 ?罐上升关排气阀开总阀水位 852?P 液柱 10μ S) 6、 、 机运转方向控制 ,通过控制该端子电平可改变电机运行方向 7、 此输入信号用于使能 /禁止,高电平使能,低电平时驱动器不能工作,不用时悬空即可。 当单片机向 三极管 基极送 高 电平时 ,集电极和发射极导通,从而驱动器部分二极管导通,驱动器光电 耦合 工作, 当单片机向 三极管 基 极送 低 电平时,集电极和发射极 截止 ,从而驱动器部分二极管 截止 , 驱动器光电 耦合 不工作,如此交替形成脉冲控制步进电机。 电路构成: 三极管 基极通过 2K 上拉电阻接单片机 I/O 端口, 发射 极接地,集电 极接步进电机驱动器的控制端口,两个 三极管 分别控制一个驱动器的方向和花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 16 脉冲两个端口 信号 。 步进驱动器工作原理如图 图 进电机驱动器原理图 统软件设计 与本课题设计方案的硬件电路相对应的程序包括 主程序、压力采集及 A/序 、 电磁阀通断控制程序、电机驱动程序、液晶显示程序。 软件程序工作流程: 一、 仅打 开排气阀,使集气管与水罐两者液面平齐,保证集气管内为一个大气压。然后采集四个压力传感器测量值,并通过给变量赋值送至单片机。 二、 采集五次液柱压力取均值,判断水罐是否位于顶端,若不在顶端,则驱动步进电机控制水罐升至顶端,确认水罐在顶端之后则可以进行下一步程序。花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 17 以上工作皆是处于进气阀、小压阀关闭,排气阀打开的状况。 三、 确认水罐升顶,即排气完成,关闭排气阀,通过按键选择 “全新实验 ”或 “继续实验 ”。若选择全新实验,则擦除 容,清空所有变量内容,开始全新实验。若选择继续实验,则寻址上次实验数据写 址,变量 清零后继续实验。 四、 正式工作后,打开进气阀,采集传感器数据存数据并根据大小压力传感器压力值调平衡,完成调平衡后,计算赋值并存储。 力采集及 A/D 转换程序 本段子程序主要解决了传感器采集压力信号后经由 A/D 转换芯片 3202 转换成 0间的电压信号送给单片机的问题。该子程序主要由两部分组成,前半部分为设置 3202 工作模式,后半部分为数据采集及存入变量。 /***完成 3202 端大压力传感器输入 *******************/ { i; ; //清空 3202A/D 转换结果,为接下来的转换做准 备 ; //下降沿读出数据 ; //片选信号 电平有效 _;_;_;_;_;_; _;_;_;_;_;_; ; //上升沿写数据 _;_;_;_;_;_; ; //上第一个 “1”位被 3202 解析为起始位,故启动 A/花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 18 ; _;_;_;_;_;_; ; _;_;_;_;_;_; ; //”1”为单端模式, ”0“为差分模式 ;//上升沿写入数据 _;_;_;_;_;_; ; _;_;_;_;_;_; ; //”1”选择通道 1 ; _;_;_;_;_;_; ; _;_;_;_;_;_; ; //1 ,转换结果 先以 式输出,再以 式输出 ; _;_;_;_;_;_; /*以上是写入 1101,选择通道 0,单端模式 ,数据读取一遍, 前 */ ; _;_;_;_;_;_; ; //空位放掉 _;_;_;_;_;_; i=0; //大压力 0帕, 3 个数: 1 毫米 ; //给电机方向信号,使水罐向下运动 ; //给电机 0, 1 脉冲,通过延时长 短控制转动角 度 _;_;_;_;_; ; 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 20 _;_;_;_;_; ; //采集大压力传感器 //压力数据送至单片机 0); 000) //压力采集不正常跳出循环 } /*******以下 ,根据小压力数值调节平衡 *******/ 00&& //小压力 0帕, 16 个数: 1 毫米,正常 830 { ;//发步进电机方向信号,控制水罐下降 ;//送 0、 1 脉冲,驱动步进电机 _;_;_;_;_; ; _;_;_;_;_; ;//采集小压力传感器 0); 090) //压力采集不正常跳出循环,防止死循环 } 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 21 } 晶显示程序 本段子程序负责液晶显示功能,显示内容包括大、小压力值、外界大气压值、液柱压力值、液柱高度、当前温度等系统工作相关参数。 本段子程序主要包括拆分数值并转换为 式将其逐位显示,设定各参数在液晶面板上的显示位置两大部分内容。 /****************液晶显示程序 **********************/ //******************以下显示 4 位数 { //8本指令集合 *; //起始位置 000%10+48); //这是显示数据函数 00%10+48); //这是显示数据函数 0%10+48); //转换为 显示 0+48); } //******************以下显示 8 位数 { //8本指令集合 *; //起始位置 0000000%10+48); //这是显示数据函数 000000%10+48); //这是显示数据函数 00000%10+48); 花俊 页岩气发气量测量装 置系统软件设计 22 0000+48); 000%10+48); //这是显示数据函数 00%10+48); //这是显示数据函数 0%10+48); 0+48); } //以下是液晶显示程序 { //设定各参数显示位置程序 ;//液晶初始化 ,0,"大压 ");//显示 “大压 ”字符串 ,2,
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