CN112901573A - 率定平台温压交替控制系统及其控制方法 - Google Patents

率定平台温压交替控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种率定平台温压交替控制系统及其控制方法，应用于深部原位保真取芯“五保”能力率定平台，其中率定平台温压交替控制系统通过在模拟舱体与管道内的诸多个监测点上安装温压传感器，通过数据自动采集系统与计算机技术，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位高温高压环境模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地科学前沿探索提供基础预研条件；率定平台温压交替控制方法在舱体进行加温加压工作时，充分考虑压力‑温度‑孔压耦合关系，提出了“五保”能力率定环境预设实施方案构想，可平稳实现率定环境预设与控制。

Description

率定平台温压交替控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于原位环境实验技术领域，具体涉及一种率定平台温压交替控制系统及其控制方法的设计。
背景技术
向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。目前，地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，煤炭开采深度已达1500m，地热开采深度超过3000m，金属矿开采深度超过4350m，油气资源开采深度达7500m，深部资源开采已成为常态。
探明深部岩石特性，为深部进军提供强有力的支持，就必须在实际工程的深部原位保真取芯工作前，先在实验室中还原深部环境，并测试取芯系统的可靠性。而目前针对还原原位环境实验的温压控制装置，基本停留在浅部岩石力学实验阶段，甚至是常温常压阶段；同时，很少考虑应力-温度-渗透压三场耦合的情况，可能在试样内部各点未达到均匀时就开始了钻芯或力学实验，这样做会导致较大的偏差，无法正确还原岩石的原位环境，得出的实验结论或者取出的岩芯与实际情况有所误差。
在深地环境中，与浅部最明显的区别就是其高温高压的环境，其温压环境可以达到100℃与100MPa以上，为了研究深部原位取芯，必须了解深部原位温压情况下的各种性质。在一些模拟取芯或者原位实验中，温压的加载路径十分重要，特别是在深地中100+℃与100+MPa级别的温压环境，若温压加载路径不一致，会导致水体气化，对整个实验系统造成巨大扰动。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有针对还原原位环境实验的温压控制装置基本停留在浅部岩石力学实验阶段，无法正确还原岩石的原位环境，得出的实验结论或者取出的岩芯与实际情况有所误差的问题，提出了一种率定平台温压交替控制系统及其控制方法，在保证流体在施加温压环境过程中不至发生相变的同时，能够保持温压施加过程平稳，防止因温压耦合效应致使温压环境超出单项控制极限。
本发明的技术方案为：率定平台温压交替控制系统，包括分别与模拟舱连接的压力控制子系统和温度控制子系统，压力控制子系统和温度控制子系统共用主控计算机；压力控制子系统包括位于模拟舱体底部的底部油缸以及分别与主控计算机通信连接的渗透压控制模块、孔隙压力控制模块和围压控制模块，围压控制模块设置于模拟舱体底部，渗透压控制模块和孔隙压力控制模块均设置于模拟舱体上，底部油缸内设置有第一超高压伺服推力油源，用于为围压控制模块提供推力；温度控制子系统包括分别与主控计算机通信连接的模拟舱内温度控制模块和模拟舱外壁温度控制模块，模拟舱内温度控制模块与模拟舱体连接，模拟舱外壁温度控制模块设置于模拟舱体外壁。
进一步地，渗透压控制模块包括第一流量控制器、第一隔离器和第一PLC控制器；第一流量控制器通过第一PLC控制器与主控计算机连接，第一隔离器与第一流量控制器连接；第一流量控制器和第一隔离器的进出口均设置有第一液控单向阀和第一压力监测单元；第一隔离器的出口处设置有第一泥沙过滤单元和冷却控制单元；冷却控制单元处设置有温度采集模块，温度采集模块设置于模拟舱体上，主控计算机、第一流量控制器、第一隔离器、第一PLC控制器、第一液控单向阀和第一压力监测单元为闭环控制；第一流量控制器包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，第一液控单向阀和第一压力监测单元均分别位于第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与第一隔离器连接。
进一步地，孔隙压力控制模块包括第二流量控制器、第二隔离器、第二PLC控制器、第一储能器以及位于第二隔离器出口处的第二泥沙过滤单元；第二泥沙过滤单元与模拟舱体连接，第二流量控制器通过第二PLC控制器与主控计算机连接，第二隔离器与第二流量控制器连接，第二流量控制器和第二隔离器的进出口均设置有第二液控单向阀和第二压力监测单元；主控计算机、第二PLC控制器、第二流量控制器、第二隔离器、第二液控单向阀和第二压力监测单元为闭环控制；第二流量控制器包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，第二液控单向阀和第二压力监测单元均分别位于第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与和第二隔离器连接。
进一步地，围压控制模块包括第三PLC控制器和液压泵，液压泵分别与外部油箱、电磁换向阀中第一管路的一端以及溢流阀的输入端连接，溢流阀的输出端连接至外部油箱，电磁换向阀中第一管路的另一端分别与第三液控单向阀的进液口、增压器换向阀的管路一端和第四液控单向阀的进液口连接，第四液控单向阀的出液口连接至底部油缸，第四液控单向阀与底部油缸的连接管路上设置有第二蓄能器和压力测量仪，第三液控单向阀的出液口分别与第五液控单向阀的进液口和增压缸的顶部连接，增压缸的底部与增压器换向阀的管路另一端连接，增压缸的中部连接至增压器换向阀的阀芯和第六液控单向阀的进液口，第六液控单向阀的出液口与电磁换向阀中第二管路的一端连接，电磁换向阀中第二管路的另一端连接至外部油箱，第五液控单向阀的出液口连接至底部油缸，第三PLC控制器分别与主控计算机、液压泵、电磁换向阀、溢流阀、第三液控单向阀、增压器换向阀、第四液控单向阀、第二蓄能器、压力测量仪、第五液控单向阀以及第六液控单向阀通信连接。
进一步地，模拟舱内温度控制模块包括降温池、污水池、降温盘管、加热管道、第一高频感应线圈、第二高频感应线圈、低压泵、高压泵、第一温压传感器、第二温压传感器、第三温压传感器、第一压力变送器、第二压力变送器、第一液控阀、第二液控阀、第三液控阀、第四液控阀、第一安全阀、第二安全阀、第三安全阀、第一常温管道、第二常温管道和第三常温管道；降温盘管固定设置于降温池内，降温盘管的输入端通过第二常温管道和模拟舱体固定连接，其输出端固定设置于污水池内，加热管道的一端和第三常温管道的一端均固定设置于降温池内，加热管道的外壁上依次固定设置有第一高频感应线圈、低压泵、第一温压传感器和第二高频感应线圈，加热管道的另一端通过高压泵和第一常温管道的一端固定连接，第一常温管道的第一支路外壁上固定设置有第二液控阀、第一安全阀、第一压力变送器和第二温压传感器，第一常温管道的第二支路外壁上固定设置有第三液控阀、第二安全阀和第二压力变送器；第一支路的另一端和第二支路的另一端均与模拟舱体固定连接，高压泵还与第三常温管道的一端固定连接，第三常温管道的另一端固定设置于降温池内，第三常温管道的外壁上固定设置有第一液控阀和第三温压传感器，第二常温管道的外壁上固定设置有第四液控阀；低压泵、高压泵、第一压力变送器和第二压力变送器均与主控计算机通信连接；污水池内安装有过滤系统；加热管道、第一常温管道、第二常温管道和第三常温管道的外壁上均固定设置有隔热层。
进一步地，模拟舱外壁温度控制模块包括设置于模拟舱体外壁的加热层、导热层、隔热层、电源单元和温度控制单元；加热层和隔热层之间固定设置有导热层，导热层的内壁上固定设置有温度控制单元，电源单元和温度控制单元电性连接，电源单元的正负极通过导线分别与加热层正负极连接，加热层包括硅橡胶加热带和无碱玻璃纤维层，硅橡胶加热带缠绕于模拟舱的舱体外壁。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在模拟舱体与管道内的诸多监测点上安装温压传感器，通过数据自动采集系统与计算机技术，在保证高温高压管道安全的同时，为深部原位高温高压环境模拟舱装置提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。
(2)本发明的压力控制子系统包括孔压、围压和渗透压控制，三者结合可以对舱体本身及其内部液体、试样进行加热保温，并同时施加相应的压力，还原深地原位环境中的高温高压环境。
(3)本发明通过在管道内安装压力传感器、泥沙过滤单元和冷却控制模块，在保证高温高压管道安全的同时，能有效地防止泄出高温液体气化，以及能有效地保证排出液体温度低于60℃以下不产生气体，保证系统安全运行，为深部原位高温高压环境模拟舱装置提供了可靠的温压控制系统。
(4)本发明能够准确地在深部原位高温高压环境模拟舱中还原深地高温高压的赋存环境，通过各类传感器进行温压调控，防止因为温差引起的高温高压实验装置损坏。
(5)本发明的围压控制模块中的液压泵能够持续产生高压流体，作用在样品上产生高压，实现深地原位高压环境的模拟。
(6)本发明的温度控制子系统中的液体(水和油)与模拟舱体同步进行加热，可以防止因为温差引起的高温高压实验装置损坏。
(7)本发明在温度控制子系统中的污水池内增设过滤系统，可以过滤掉通过模拟舱内试样的液体中的泥沙，防止对其他系统造成破坏。
(8)本发明在加热管道、第一常温管道、第二常温管道和第三常温管道的外壁上均固定设置有隔热层，利用隔热层保温，减小热量散失，提升热能利用率。
(9)本发明中模拟舱体加热采用硅橡胶加热带，温控精度±1℃，可提升系统的热效率，同时模拟舱体外壁的隔热层可避免常温介质进入舱内造成舱内温度急剧变化，使温度控制更加精准。
本发明还提供了一种率定平台温压交替控制方法，包括以下步骤：
S1、通过围压控制模块对模拟舱施加围压至145MPa，同步通过温度控制子系统对模拟舱一次加温至90℃。
S2、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块对模拟舱施加孔压至130MPa。
S3、保持模拟舱的孔压和围压不变，通过温度控制子系统对模拟舱二次加温至150℃。
S4、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块缓慢提升模拟舱的孔压至140MPa，完成对模拟舱高温高压原位环境的预设控制。
进一步地，步骤S1具体包括以下分步骤：
A1、由主控计算机通过第三PLC控制器发送运行指令，并根据运行指令控制电磁换向阀的导通方向为液压泵至第四液控单向阀以及增压器换向阀的初始导通方向为增压缸至电磁换向阀。
A2、通过第三PLC控制器控制液压泵工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液依次通过第四液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达底部油缸。
A3、判断第四液控单向阀是否自动关闭，若是则进入步骤A4，否则重复步骤A3。
A4、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液通过第三液控单向阀进入增压缸中的顶部活塞HP，并利用底部油缸中的第一高压伺服推力油源产生的推力推动增压缸中的顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸的底部。
A5、通过油液带动增压器换向阀的阀芯向下运动至增压器换向阀换向，令油液从电磁换向阀到达增压缸底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油。
A6、令高压油依次通过第五液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达油缸，并通过压力测量仪实时监测模拟舱的围压，直至对模拟舱施加围压至145MPa，同时通过第二蓄能器蓄能，将第二蓄能器的能量释放以保障模拟舱的围压不会下降。
A7、利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至90℃，完成舱体加热。
A8、经加热管道，依次利用第一高频感应线圈和低压泵，将降温池中的常温常压水加热至90℃，增压至5MPa，完成一次加温增压。
A9、将一次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱一次加温至90℃。
进一步地，步骤S2和步骤S4中通过孔隙压力控制模块对模拟舱施加孔压的具体方法为：
B1、保持模拟舱的围压和温度不变，由主控计算机通过第二PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令。
B2、根据指令，通过第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第二隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第二隔离器进口处的第二液控单向阀。
B3、利用第二压力监测单元监测第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源进出口处的油压信息，并利用第二压力监测单元监测第二隔离器在交替运行时的油压信息，直至油压上升到130MPa或140MPa。
B4、利用第二泥沙过滤装置对高压油进行过滤，通过过滤后的高压油对模拟舱施加孔压至130MPa或140MPa。
进一步地，步骤S3具体包括以下分步骤：
C1、保持模拟舱的孔压和围压不变，利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至150℃，完成舱体加热。
C2、经加热管道，依次利用第二高频感应线圈和高压泵，将一次加温加压后的液体加热至150℃，增压至140MPa，完成二次加温增压。
C3、将二次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱二次加温至150℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的温压交替控制方法在舱体进行加温加压工作时，充分考虑压力-温度-孔压耦合关系，提出了“五保”率定环境预设实施方案构想，可平稳实现率定环境预设与控制。
(2)本发明对模拟舱的加温方式主要由高频加温管道与硅橡胶带加温舱体两种方式组成，两种加温方式组合既可控制加温时间长短调节，又可避免常温介质直接进入舱内造成舱内温急剧变化，使控制温度更精准。
(3)本发明中通过高频感应线圈、低压泵和高压泵完成对常温常压水的两次加温增压，且管道中的液控阀和安全阀可在保证管道安全的同时控制液体流向。
附图说明
图1所示为本发明实施例1提供的率定平台温压交替控制系统框图。
图2所示为本发明实施例1提供的压力控制子系统结构示意图。
图3所示为本发明实施例1提供的围压控制模块结构示意图。
图4所示为本发明实施例1提供的模拟舱内温度控制模块结构示意图。
图5所示为本发明实施例1提供的模拟舱外壁温度控制模块结构示意图。
图6所示为本发明实施例2提供的率定平台温压交替控制方法流程图。
图7所示为本发明实施例2提供的率定平台温压交替控制方法实施过程图。
附图标记说明：1-主控计算机，2-底部油缸，3-第一流量控制器，4-第一隔离器，5-第一PLC控制器，6-第一液控单向阀，7-第一压力监测单元，8-第一泥沙过滤单元，9-冷却控制单元，10-第二流量控制器，11-第二隔离器，12-第二PLC控制器，13-第二液控单向阀，14-第二压力监测单元，15-液压泵，16-电磁换向阀，17-溢流阀，18-第三液控单向阀，19-增压器换向阀，20-第四液控单向阀，21-第二蓄能器，22-压力测量仪，23-第五液控单向阀，24-第六液控单向阀，25-第一蓄能器，26-第二泥沙过滤单元，27-第三PLC控制器，28-增压缸，29-温度采集模块，30-降温池，31-污水池，32-降温盘管，33-加热管道，34-第一高频感应线圈，35-第二高频感应线圈，36-低压泵，37-高压泵，38-第一温压传感器，39-第二温压传感器，40-第三温压传感器，41-第一压力变送器，42-第二压力变送器，43-第一液控阀，44-第二液控阀，45-第三液控阀，46-第四液控阀，47-第一安全阀，48-第二安全阀，49-第三安全阀，50-模拟舱体，51-第一常温管道，52-第二常温管道，53-第三常温管道，54-加热层，55-导热层，56-隔热层，57-电源单元，58-温度控制单元。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例中，率定平台为深部原位保真取芯“五保”能力率定平台的简称，模拟舱为深部原位高温高压环境模拟舱的简称。
实施例1：
本发明实施例提供了一种率定平台温压交替控制系统，如图1～图2共同所示，包括分别与模拟舱连接的压力控制子系统和温度控制子系统，压力控制子系统和温度控制子系统共用主控计算机1，用于实现对模拟舱的温压交替控制。压力控制子系统包括位于模拟舱体50底部的底部油缸2以及分别与主控计算机1通信连接的渗透压控制模块、孔隙压力控制模块和围压控制模块，围压控制模块设置于模拟舱体50底部，渗透压控制模块和孔隙压力控制模块均设置于模拟舱体50上，底部油缸2内设置有第一超高压伺服推力油源，用于为围压控制模块提供推力；温度控制子系统包括分别与主控计算机1通信连接的模拟舱内温度控制模块和模拟舱外壁温度控制模块，模拟舱内温度控制模块与模拟舱体50连接，模拟舱外壁温度控制模块设置于模拟舱体50外壁。
如图2所示，渗透压控制模块包括第一流量控制器3、第一隔离器4和第一PLC控制器5；第一流量控制器3通过第一PLC控制器5与主控计算机1连接，第一隔离器4与第一流量控制器3连接；第一流量控制器3和第一隔离器4的进出口均设置有第一液控单向阀6和第一压力监测单元7；第一隔离器4的出口处设置有第一泥沙过滤单元8和冷却控制单元9；冷却控制单元9处设置有温度采集模块29，温度采集模块29设置于模拟舱体50上，主控计算机1、第一流量控制器3、第一隔离器4、第一PLC控制器5、第一液控单向阀6和第一压力监测单元7为闭环控制；第一流量控制器3包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，第一液控单向阀6和第一压力监测单元7均分别位于第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与第一隔离器4连接。
如图2所示，孔隙压力控制模块包括第二流量控制器10、第二隔离器11、第二PLC控制器12、第一储能器25以及位于第二隔离器11出口处的第二泥沙过滤单元26；第二泥沙过滤单元26与模拟舱体50连接，第二流量控制器10通过第二PLC控制器12与主控计算机1连接，第二隔离器11与第二流量控制器10连接，第二流量控制器10和第二隔离器11的进出口均设置有第二液控单向阀13和第二压力监测单元14；主控计算机1、第二PLC控制器12、第二流量控制器10、第二隔离器11、第二液控单向阀13和第二压力监测单元14为闭环控制；第二流量控制器10包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，第二液控单向阀13和第二压力监测单元14均分别位于第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与和第二隔离器11连接。
如图3所示，围压控制模块包括第三PLC控制器27和液压泵15，液压泵15分别与外部油箱、电磁换向阀16中第一管路的一端P以及溢流阀17的输入端连接，溢流阀17的输出端连接至外部油箱，电磁换向阀16中第一管路的另一端A分别与第三液控单向阀18的进液口、增压器换向阀19的管路一端和第四液控单向阀20的进液口连接，第四液控单向阀20的出液口连接至底部油缸2，第四液控单向阀20与底部油缸2的连接管路上设置有第二蓄能器21和压力测量仪22，第三液控单向阀18的出液口分别与第五液控单向阀23的进液口和增压缸28的顶部连接，增压缸28的底部与增压器换向阀19的管路另一端连接，增压缸28的中部连接至增压器换向阀19的阀芯和第六液控单向阀24的进液口，第六液控单向阀24的出液口与电磁换向阀16中第二管路的一端B连接，电磁换向阀16中第二管路的另一端T连接至外部油箱，第五液控单向阀23的出液口连接至底部油缸2，第三PLC控制器27分别与主控计算机1、液压泵15、电磁换向阀16、溢流阀17、第三液控单向阀18、增压器换向阀19、第四液控单向阀20、第二蓄能器21、压力测量仪22、第五液控单向阀23以及第六液控单向阀24通信连接。
本发明实施例中，压力控制子系统包括4个高精度无限流量推力水源(包含底部油缸)，额定压力140MPa，额定流量0-100ml/min无级调速，分辨度0.01MPa，稳定精度±0.3％F·S，双水源交替使用达到自动无限量供水。压力控制子系统包括3个PLC控制器，保证各加压油源可以单独控制且协同工作；泥沙过滤器能有效地保证舱体内部循环液体的杂质在一定的限度以下，以保证各个泵头的安全稳定工作，同时也保证了各高温高压管道的使用寿命。
本发明实施例中，压力传感器及液控阀与计算机及PLC控制器相连，协同工作。
本实施例中，孔隙压力控制模块(渗透压输入端)由试样底部供给：是利用一组超高压无限体积流量控制器(由两只超高压伺服推力油源组成，简称“油源”)，计算机控制油源交替运行，推动一组超高压无限体积隔离器(用于油水转换，简称“隔离器”)，使隔离器交替运行，就能保持控制渗透水压力与流量连续不断输出。每一组油源或隔离器的进、出油(水)口，均配备独立的液控单向阀和闭环控制的压力、温度传感器，与计算机及PLC控制器共同组成一套大的闭环控制系统，实现每一组加压油源(或隔离器)可以单独控制，且相互协同工作，实现渗透水压的稳定、可靠、安全施加。
本发明实施例中，渗透压控制模块(渗透压出口端)在试样上部控制：工作原理同上，也是一组“油源”交替运行，推动一组“隔离器”。由于在试样出口端，为防止流出液体混有泥沙配备有泥沙过滤装置，为防止泄出的高温液体气化增设了冷却控制装置，保证排出液体温度低于60℃以下不至于产生气体，保证系统安全运行。
本发明实施例中，为保证试样内部上、下两端渗透水压压力均匀，验证渗透水压力是否平衡，应在渗透水入口(试样底部)施加一个适当的孔隙进水压力，在试样上部施加一小于进水压力的反压力后，保持一段时间，当渗透出口端(试样顶部)反压力与试样底部进水孔隙压力基本相等时，即可认为试样内部各区域孔隙压力达到均匀。
本发明实施例通过在管道内的安装压力传感器、泥沙过滤单元和冷却控制单元，在保证高温高压管道安全的同时，能有效地防止泄出高温液体气化，以及能有效地保证排出液体温度低于60℃以下不产生气体，保证系统安全运行，为深部原位高温高压环境模拟舱装置提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。
本发明实施例中，通过围压控制模块能够持续产生高压油，将高压油送入油缸以对岩样施加压力，模拟其地下高压的环境，实现了对岩样的围压测量。本发明实施例在围压测量结束后，可将增压系统中存在的残留油液回流至外部油箱中。
本发明实施例中，整个压力控制子系统是在一台主控计算机及多套PLC控制器与相对应的压力、流量和相对应的机械设备共同组成的一整套大闭环控制系统组成。压力控制子系统由控制软件统一指挥，自动完成全系统的操作控制工作，安全控制系统在整个试验过程中，始终保证监控到位，准确防止安全事故发生。出现安全事故苗头能及时提前报警，提醒操作人员介入检查与进行安全方案操作，并在底部油缸处配置手动应急阀门，在紧急时刻可以手动关闭压力系统，确保设备与人员安全。
如图4所示，模拟舱内温度控制模块包括降温池30、污水池31、降温盘管32、加热管道33、第一高频感应线圈34、第二高频感应线圈35、低压泵36、高压泵37、第一温压传感器38、第二温压传感器39、第三温压传感器40、第一压力变送器41、第二压力变送器42、第一液控阀43、第二液控阀44、第三液控阀45、第四液控阀46、第一安全阀47、第二安全阀48、第三安全阀49、第一常温管道51、第二常温管道52和第三常温管道53。
其中降温盘管32固定设置于降温池30内，降温盘管32的输入端通过第二常温管道52和模拟舱体50固定连接，其输出端固定设置于污水池31内，加热管道33的一端和第三常温管道53的一端均固定设置于降温池30内，加热管道33的外壁上依次固定设置有第一高频感应线圈34、低压泵36、第一温压传感器38和第二高频感应线圈35，加热管道33的另一端通过高压泵37和第一常温管道51的一端固定连接，第一常温管道51的第一支路外壁上固定设置有第二液控阀44、第一安全阀47、第一压力变送器41和第二温压传感器39，第一常温管道51的第二支路外壁上固定设置有第三液控阀45、第二安全阀48和第二压力变送器42；第一支路的另一端和第二支路的另一端均与模拟舱体50固定连接，高压泵37还与第三常温管道53的一端固定连接，第三常温管道53的另一端固定设置于降温池30内，第三常温管道53的外壁上固定设置有第一液控阀43和第三温压传感器40，第二常温管道52的外壁上固定设置有第四液控阀46；低压泵36、高压泵37、第一压力变送器41和第二压力变送器42均与主控计算机1通信连接；污水池31内安装有过滤系统；加热管道33、第一常温管道51、第二常温管道52和第三常温管道53的外壁上均固定设置有隔热层。
本发明实施例中，如图4所示，第一高频感应线圈34和低压泵36形成一次加温加压单元，其用于将常温常压水加热至90℃，加压至5MPa；第二高频感应线圈35和高压泵37形成二次加温加压单元，其用于将常温常压水加热至150℃，加压至140MPa。
本发明实施例中，采用高频感应电加热线圈加热的方式，高频感应是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流(涡流损耗)以及导体内磁场的作用磁滞损耗引起导体自身发热而进行加热的，其热效率高，功率低，节约能源。
如图5所示，模拟舱外壁温度控制模块包括设置于模拟舱体50外壁的加热层54、导热层55、隔热层56、电源单元57和温度控制单元58；加热层54和隔热层56之间固定设置有导热层55，导热层55的内壁上固定设置有温度控制单元58，电源单元57和温度控制单元58电性连接，电源单元57的正负极通过导线分别与加热层54正负极连接，加热层54包括硅橡胶加热带和无碱玻璃纤维层，硅橡胶加热带缠绕于模拟舱的舱体外壁。
本发明实施例中，常温常压水从降温池30经加热管道33加热至90℃，供入低压泵36加压至5MPa(对应水沸点264℃)；二次加温至目标温度150℃，输入高压泵37增压至140MPa；然后进入取芯器驱动取芯钻与舱体内部管道，液体经由舱体管道后从钻杆部分下部流出，通过降温盘管32进入降温池30降温后流入污水池31，然后通过污水池31中的过滤系统进入降温池30，进入下一循环。温度控制子系统整体控制方式采用远程计算机自动控温，可设定温度上限线值，达到精准控温，并配置了第一液控阀43、第二液控阀44、第三液控阀45、第四液控阀46、第一安全阀47、第二安全阀48和第三安全阀49分别控制管道安全与液体流向。
实施例2：
本发明实施例提供了一种率定平台温压交替控制方法，在舱体进行加温加压工作时，充分考虑压力-温度-孔压耦合关系，提出了“五保”率定环境预设实施方案构想，可平稳实现率定环境预设与控制，如图6～图7共同所示，其包括以下步骤S1～S4：
S1、通过围压控制模块对模拟舱施加围压至145MPa，同步通过温度控制子系统对模拟舱一次加温至90℃。
步骤S1具体包括以下分步骤A1～A9：
A1、由主控计算机通过第三PLC控制器发送运行指令，并根据运行指令控制电磁换向阀的导通方向为液压泵至第四液控单向阀以及增压器换向阀的初始导通方向为增压缸至电磁换向阀。
A2、通过第三PLC控制器控制液压泵工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液依次通过第四液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达底部油缸。
A3、判断第四液控单向阀是否自动关闭，若是则进入步骤A4，否则重复步骤A3。
A4、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液通过第三液控单向阀进入增压缸中的顶部活塞HP，并利用底部油缸中的第一高压伺服推力油源产生的推力推动增压缸中的顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸的底部。
A5、通过油液带动增压器换向阀的阀芯向下运动至增压器换向阀换向，令油液从电磁换向阀到达增压缸底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油。
A6、令高压油依次通过第五液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达油缸，并通过压力测量仪实时监测模拟舱的围压，直至对模拟舱施加围压至145MPa，同时通过第二蓄能器蓄能，将第二蓄能器的能量释放以保障模拟舱的围压不会下降。
A7、利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至90℃，完成舱体加热。
A8、经加热管道，依次利用第一高频感应线圈和低压泵，将降温池中的常温常压水加热至90℃，增压至5MPa，完成一次加温增压。
A9、将一次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱一次加温至90℃。
S2、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块对模拟舱施加孔压至130MPa。
步骤S2包括以下分步骤B1～B4：
B1、保持模拟舱的围压和温度不变，由主控计算机通过第二PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令。
B2、根据指令，通过第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第二隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第二隔离器进口处的第二液控单向阀。
B3、利用第二压力监测单元监测第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源进出口处的油压信息，并利用第二压力监测单元监测第二隔离器在交替运行时的油压信息，直至油压上升到130MPa。
B4、利用第二泥沙过滤装置对高压油进行过滤，通过过滤后的高压油对模拟舱施加孔压至130MPa。
S3、保持模拟舱的孔压和围压不变，通过温度控制子系统对模拟舱二次加温至150℃。
步骤S3具体包括以下分步骤C1～C3：
C1、保持模拟舱的孔压和围压不变，利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至150℃，完成舱体加热。
C2、经加热管道，依次利用第二高频感应线圈和高压泵，将一次加温加压后的液体加热至150℃，增压至140MPa，完成二次加温增压。
C3、将二次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱二次加温至150℃。
S4、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块缓慢提升模拟舱的孔压至140MPa，完成对模拟舱高温高压原位环境的预设控制。
步骤S4具体包括以下分步骤B1～B4：
B1、保持模拟舱的围压和温度不变，由主控计算机通过第二PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令。
B2、根据指令，通过第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第二隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第二隔离器进口处的第二液控单向阀。
B3、利用第二压力监测单元监测第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源进出口处的油压信息，并利用第二压力监测单元监测第二隔离器在交替运行时的油压信息，直至油压上升到140MPa。
B4、利用第二泥沙过滤装置对高压油进行过滤，通过过滤后的高压油对模拟舱施加孔压至140MPa。
本发明实施例中，当完成对模拟舱高温高压原位环境的预设控制后，针对围压控制模块，关闭液压泵，令电磁换向阀的导通方向为第四液控单向阀至液压泵，第六液控单向阀导通，令系统中残余油液依次通过第六液控单向阀和电磁换向阀回流至外部油箱；针对温度控制子系统，将加温增压后的液体从模拟舱体的钻杆下部流出，经由常温管道输入至降温池，利用降温池中的降温盘管对液体进行降温，并流入污水池，通过污水池中的过滤系统对液体进行泥沙过滤，并将过滤后的液体流入降温池，进入下一循环。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.率定平台温压交替控制系统，其特征在于，包括分别与模拟舱连接的压力控制子系统和温度控制子系统，所述压力控制子系统和温度控制子系统共用主控计算机(1)；
所述压力控制子系统包括位于模拟舱体(50)底部的底部油缸(2)以及分别与所述主控计算机(1)通信连接的渗透压控制模块、孔隙压力控制模块和围压控制模块，所述围压控制模块设置于模拟舱体(50)底部，所述渗透压控制模块和孔隙压力控制模块均设置于模拟舱体(50)上，所述底部油缸(2)内设置有第一超高压伺服推力油源，用于为围压控制模块提供推力；
所述温度控制子系统包括分别与所述主控计算机(1)通信连接的模拟舱内温度控制模块和模拟舱外壁温度控制模块，所述模拟舱内温度控制模块与模拟舱体(50)连接，所述模拟舱外壁温度控制模块设置于模拟舱体(50)外壁。
2.根据权利要求1所述的率定平台温压交替控制系统，其特征在于，所述渗透压控制模块包括第一流量控制器(3)、第一隔离器(4)和第一PLC控制器(5)；所述第一流量控制器(3)通过第一PLC控制器(5)与主控计算机(1)连接，所述第一隔离器(4)与第一流量控制器(3)连接；所述第一流量控制器(3)和第一隔离器(4)的进出口均设置有第一液控单向阀(6)和第一压力监测单元(7)；所述第一隔离器(4)的出口处设置有第一泥沙过滤单元(8)和冷却控制单元(9)；所述冷却控制单元(9)处设置有温度采集模块(29)，所述温度采集模块(29)设置于模拟舱体(50)上，所述主控计算机(1)、第一流量控制器(3)、第一隔离器(4)、第一PLC控制器(5)、第一液控单向阀(6)和第一压力监测单元(7)为闭环控制；所述第一流量控制器(3)包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，所述第一液控单向阀(6)和第一压力监测单元(7)均分别位于所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与第一隔离器(4)连接。
3.根据权利要求1所述的率定平台温压交替控制系统，其特征在于，所述孔隙压力控制模块包括第二流量控制器(10)、第二隔离器(11)、第二PLC控制器(12)、第一储能器(25)以及位于第二隔离器(11)出口处的第二泥沙过滤单元(26)；所述第二泥沙过滤单元(26)与模拟舱体(50)连接，所述第二流量控制器(10)通过第二PLC控制器(12)与主控计算机(1)连接，所述第二隔离器(11)与第二流量控制器(10)连接，所述第二流量控制器(10)和第二隔离器(11)的进出口均设置有第二液控单向阀(13)和第二压力监测单元(14)；所述主控计算机(1)、第二PLC控制器(12)、第二流量控制器(10)、第二隔离器(11)、第二液控单向阀(13)和第二压力监测单元(14)为闭环控制；所述第二流量控制器(10)包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，所述第二液控单向阀(13)和第二压力监测单元(14)均分别位于所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均与和第二隔离器(11)连接。
4.根据权利要求1所述的率定平台温压交替控制系统，其特征在于，所述围压控制模块包括第三PLC控制器(27)和液压泵(15)，所述液压泵(15)分别与外部油箱、电磁换向阀(16)中第一管路的一端以及溢流阀(17)的输入端连接，所述溢流阀(17)的输出端连接至外部油箱，所述电磁换向阀(16)中第一管路的另一端分别与第三液控单向阀(18)的进液口、增压器换向阀(19)的管路一端和第四液控单向阀(20)的进液口连接，所述第四液控单向阀(20)的出液口连接至底部油缸(2)，所述第四液控单向阀(20)与底部油缸(2)的连接管路上设置有第二蓄能器(21)和压力测量仪(22)，所述第三液控单向阀(18)的出液口分别与第五液控单向阀(23)的进液口和增压缸(28)的顶部连接，所述增压缸(28)的底部与增压器换向阀(19)的管路另一端连接，所述增压缸(28)的中部连接至增压器换向阀(19)的阀芯和第六液控单向阀(24)的进液口，所述第六液控单向阀(24)的出液口与电磁换向阀(16)中第二管路的一端连接，所述电磁换向阀(16)中第二管路的另一端连接至外部油箱，所述第五液控单向阀(23)的出液口连接至底部油缸(2)，所述第三PLC控制器(27)分别与主控计算机(1)、液压泵(15)、电磁换向阀(16)、溢流阀(17)、第三液控单向阀(18)、增压器换向阀(19)、第四液控单向阀(20)、第二蓄能器(21)、压力测量仪(22)、第五液控单向阀(23)以及第六液控单向阀(24)通信连接。
5.根据权利要求1所述的率定平台温压交替控制系统，其特征在于，所述模拟舱内温度控制模块包括降温池(30)、污水池(31)、降温盘管(32)、加热管道(33)、第一高频感应线圈(34)、第二高频感应线圈(35)、低压泵(36)、高压泵(37)、第一温压传感器(38)、第二温压传感器(39)、第三温压传感器(40)、第一压力变送器(41)、第二压力变送器(42)、第一液控阀(43)、第二液控阀(44)、第三液控阀(45)、第四液控阀(46)、第一安全阀(47)、第二安全阀(48)、第三安全阀(49)、第一常温管道(51)、第二常温管道(52)和第三常温管道(53)；
所述降温盘管(32)固定设置于降温池(30)内，所述降温盘管(32)的输入端通过第二常温管道(52)和模拟舱体(50)固定连接，其输出端固定设置于污水池(31)内，所述加热管道(33)的一端和第三常温管道(53)的一端均固定设置于降温池(30)内，所述加热管道(33)的外壁上依次固定设置有第一高频感应线圈(34)、低压泵(36)、第一温压传感器(38)和第二高频感应线圈(35)，所述加热管道(33)的另一端通过高压泵(37)和第一常温管道(51)的一端固定连接，所述第一常温管道(51)的第一支路外壁上固定设置有第二液控阀(44)、第一安全阀(47)、第一压力变送器(41)和第二温压传感器(39)，所述第一常温管道(51)的第二支路外壁上固定设置有第三液控阀(45)、第二安全阀(48)和第二压力变送器(42)；所述第一支路的另一端和第二支路的另一端均与模拟舱体(50)固定连接，所述高压泵(37)还与第三常温管道(53)的一端固定连接，所述第三常温管道(53)的另一端固定设置于降温池(30)内，所述第三常温管道(53)的外壁上固定设置有第一液控阀(43)和第三温压传感器(40)，所述第二常温管道(52)的外壁上固定设置有第四液控阀(46)；所述低压泵(36)、高压泵(37)、第一压力变送器(41)和第二压力变送器(42)均与主控计算机(1)通信连接；所述污水池(31)内安装有过滤系统；所述加热管道(33)、第一常温管道(51)、第二常温管道(52)和第三常温管道(53)的外壁上均固定设置有隔热层。
6.根据权利要求1所述的率定平台温压交替控制系统，其特征在于，所述模拟舱外壁温度控制模块包括设置于模拟舱体(50)外壁的加热层(54)、导热层(55)、隔热层(56)、电源单元(57)和温度控制单元(58)；所述加热层(54)和隔热层(56)之间固定设置有导热层(55)，所述导热层(55)的内壁上固定设置有温度控制单元(58)，所述电源单元(57)和温度控制单元(58)电性连接，所述电源单元(57)的正负极通过导线分别与加热层(54)正负极连接，所述加热层(54)包括硅橡胶加热带和无碱玻璃纤维层，所述硅橡胶加热带缠绕于模拟舱的舱体外壁。
7.率定平台温压交替控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过围压控制模块对模拟舱施加围压至145MPa，同步通过温度控制子系统对模拟舱一次加温至90℃；
S2、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块对模拟舱施加孔压至130MPa；
S3、保持模拟舱的孔压和围压不变，通过温度控制子系统对模拟舱二次加温至150℃；
S4、保持模拟舱的围压和温度不变，通过孔隙压力控制模块缓慢提升模拟舱的孔压至140MPa，完成对模拟舱高温高压原位环境的预设控制。
8.根据权利要求7所述的率定平台温压交替控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下分步骤：
A1、由主控计算机通过第三PLC控制器发送运行指令，并根据所述运行指令控制电磁换向阀的导通方向为液压泵至第四液控单向阀以及增压器换向阀的初始导通方向为增压缸至电磁换向阀；
A2、通过第三PLC控制器控制液压泵工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液依次通过第四液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达底部油缸；
A3、判断第四液控单向阀是否自动关闭，若是则进入步骤A4，否则重复步骤A3；
A4、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液通过第三液控单向阀进入增压缸中的顶部活塞HP，并利用底部油缸中的第一高压伺服推力油源产生的推力推动增压缸中的顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸的底部；
A5、通过油液带动增压器换向阀的阀芯向下运动至增压器换向阀换向，令油液从电磁换向阀到达增压缸底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油；
A6、令高压油依次通过第五液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达油缸，并通过压力测量仪实时监测模拟舱的围压，直至对模拟舱施加围压至145MPa，同时通过第二蓄能器蓄能，将第二蓄能器的能量释放以保障模拟舱的围压不会下降；
A7、利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至90℃，完成舱体加热；
A8、经加热管道，依次利用第一高频感应线圈和低压泵，将降温池中的常温常压水加热至90℃，增压至5MPa，完成一次加温增压；
A9、将一次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱一次加温至90℃。
9.根据权利要求7所述的率定平台温压交替控制方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S4中通过孔隙压力控制模块对模拟舱施加孔压的具体方法为：
B1、保持模拟舱的围压和温度不变，由主控计算机通过第二PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令；
B2、根据所述指令，通过第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第二隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第二隔离器进口处的第二液控单向阀；
B3、利用第二压力监测单元监测第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源进出口处的油压信息，并利用第二压力监测单元监测第二隔离器在交替运行时的油压信息，直至油压上升到130MPa或140MPa；
B4、利用第二泥沙过滤装置对高压油进行过滤，通过过滤后的高压油对模拟舱施加孔压至130MPa或140MPa。
10.根据权利要求7所述的率定平台温压交替控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下分步骤：
C1、保持模拟舱的孔压和围压不变，利用模拟舱体外壁上的硅橡胶加热带加热舱体，使舱体温度上升至150℃，完成舱体加热；
C2、经加热管道，依次利用第二高频感应线圈和高压泵，将一次加温加压后的液体加热至150℃，增压至140MPa，完成二次加温增压；
C3、将二次加温增压后的液体经由模拟舱体内部管道，对模拟舱二次加温至150℃。
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