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CN112050074A - 基于称重与分压组合法的c5-pfk混气配制装置及方法 - Google Patents

基于称重与分压组合法的c5-pfk混气配制装置及方法 Download PDF

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CN112050074A CN202010912722.XA CN202010912722A CN112050074A CN 112050074 A CN112050074 A CN 112050074A CN 202010912722 A CN202010912722 A CN 202010912722A CN 112050074 A CN112050074 A CN 112050074A
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Abstract

基于称重与分压组合法的C5‑PFK混合气体配制装置，其特征在于：包括C5绝缘液体储存钢瓶、稀释气体源、C5绝缘液体输出管路、稀释气体输出管路、稀释气体输出支管路，混合气体储存容器、混合气体管路、抽真空管路；C5绝缘液体输出管路的进气端连接C5绝缘液体储存钢瓶的出口并延伸到钢瓶底部，出气端连接混合气体管路的进气口，稀释气体输出管路的进气端连接稀释气体源的出气口，出气端也连接混合气体管路的进气口，稀释气体输出支管路的进气口连接到稀释气体输出管路上减压稳压阀的出气口，出气口连接C5绝缘液体储存钢瓶的进口，混合气体管路的出气口连接混合气体储存容器。本发明还公开了C5‑PFK混合气体的配制方法。本发明可以减少由于C5气体液化造成的配制的混气压力低、浓度偏低等问题。

Description

基于称重与分压组合法的C5-PFK混气配制装置及方法
技术领域
本发明属于混合气体的配制技术领域，具体涉及一种液态流体和稀释气体配制混合绝缘气体的气液混合装置及配制方法。
背景技术
C5-PFK是一种绝缘流体，其分子式为C5F10O（简称C5），同等条件下，C5-PFK的绝缘能力是六氟化硫气体（SF6）的1.6倍。但是C5-PFK的饱和蒸气压比较低，液化温度26℃，在实际工程应用中需要与稀释气体进行混合使用，提高混合气体的蒸汽压和降低液化温度。
两种气体物质的混合，可以采用气体质量流量计进行动态配气，配置的混合气体无需静置即可直接使用。但该种方法不适宜气体和液体的混合配制。
对于C5-PFK与稀释气体Air的混合，常用分压法。分压法由于受温度影响比较大，工程现场无法大量配制，但可以在实验室条件下小批量配制。C5-PFK在钢瓶中是以液态的形式存在，通过分压法配制需要用抽过真空的容器来抽取气态的C5-PFK，在抽取的过程中C5-PFK会不断汽化吸热，造成后续C5-PFK汽化速度很慢、温度降低，温度的变化会造成配成气体的压力波动，造成配制的混合气体浓度误差很大。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置，包括C5绝缘液体储存钢瓶、稀释气体源、C5绝缘液体输出管路、稀释气体输出管路、稀释气体输出支管路，混合气体储存容器、混合气体管路、抽真空管路；
C5绝缘液体输出管路的进气端连接C5绝缘液体储存钢瓶的出口并延伸到钢瓶底部，出气端连接混合气体管路的进气口，C5绝缘液体输出管路上从进气端到出气端依次设有第一电磁阀、第一热换器、第一针阀；
稀释气体输出管路的进气端连接稀释气体源的出气口，出气端也连接混合气体管路的进气口，稀释气体输出管路上从进气端到出气端依次设有减压稳压阀、第二热换器、第二针阀；
稀释气体输出支管路的进气口连接到稀释气体输出管路上减压稳压阀的出气口，稀释气体输出支管路的出气口连接C5绝缘液体储存钢瓶的进口，稀释气体输出支管路上设有第二电磁阀；
混合气体管路的出气口连接混合气体储存容器，混合气体管路上设有压力传感器；
C5绝缘液体储存钢瓶下设有第一称重装置。
稀释气体气瓶下设有第二称重装置。
抽真空管路的抽气口也连接到混合气体管路的进气口，并同时与稀释气体输出管路、C5绝缘液体输出管路相连通，抽真空管路上设有第三电磁阀、真空泵，真空泵的出口连接消声器。
本发明的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制方法，包括以下步骤，
（1）先对容器及管路进行抽真空；
（2）根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压；
（3）配制混合气体。
步骤（1）所述的容器及管路进行抽真空，具体过程为，打开第一电磁阀、第二和第三电磁阀、真空泵、第一针阀和第二针阀，关闭稀释气体源的减压稳压阀，关闭C5绝缘液体储存钢瓶本体上的进出口阀门；真空泵启动，对除C5绝缘液体储存钢瓶和管路系统及稀释气体源之外的管路系统及混合气体储存容器进行抽真空；当压力传感器压力值为10Pa，停止抽真空。
步骤（2）所述的根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，具体操作为，
配制气体时，待配制混合气体的储存容器容积和C5浓度及稀释气体浓度是已知，C5和稀释气体的摩尔质量已知，通过下面公式可以计算出待配制混合气体中各组分C5流体的质量和稀释气体质量，即C5和稀释气体的重量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
R——气体常数（8.31451 J/mol k）；
T——环境温度，单位为K；
Zf——温度T和压力Pf时压缩系数，不同气体对应不同的压缩系数，1兆帕以内，Zf≈1。
步骤（2）所述的根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压，具体操作为，
通过分压原理计算待配制混合气体中组分C5在混合气体中的分压PC5；
PC5=P总*fC5
fC5为混合气体中组分C5浓度；
待配制混合气体中稀释气体的分压P稀释气体，
P稀释气体=P总-PC5。
步骤（3）所述的配制混合气体，其具体操作为，
首先将减压稳压阀压力稳定为PC5压力，打开第二和第一电磁阀，稀释气体通过稀释气体输出支管路流进C5液体储存钢瓶的顶部，C5液态被压到第一热换器中进行汽化，通过第一称重传感器与第一针阀组合进行控制进入混合气体储存容器的C5重量，当C5进气量达到，关闭第二和第一电磁阀及第一针阀；
然后将稀释气体充入容器，减压稳压阀压力调整到P总，第二针阀与第二称重传感器组合控制进入混合气体储存容器的稀释气体air重量，air进气量达到，关闭减压稳压阀和第二针阀；配制的混合气体静止24小时保证气体充分混合。
按照此组合法配制的混合气体浓度偏差小于0.3%以内。
结构中，减压稳压电磁阀对稀释气体进行减压和稳压，保证气流的稳定。第一电磁阀对C5绝缘液体进行控制，第二电磁阀对进入C5绝缘液体储存钢瓶的稀释气体进行控制；第三电磁阀对抽真空气流进行控制。第一针阀对稀释气体的流量进行控制，第二针阀对被携带出来的C5绝缘液体流进行流量的控制。第一热换器和第二热换器保持稀释气体和C5汽化的气体两者处于同样的温度状态。
本发明的有益效果是，称重和分压组合法配气，可以减少由于C5气体液化造成的配制的混气压力低、浓度偏低等问题，还可以减少C5气体蒸汽压低，后续温度降低造成的配气过程缓慢等问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例以C5-PFK液态流体和稀释气体Air为例，对基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置及配制方法进行说明。
本发明的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置，包括C5绝缘液体储存钢瓶1、稀释气体气瓶2、C5绝缘液体输出管路3、稀释气体输出管路4、稀释气体输出支管路5，混合气体储存容器6、混合气体管路7、抽真空管路8；
C5绝缘液体输出管路3的进气端连接C5绝缘液体储存钢瓶1的出口并延伸到钢瓶底部，出气端连接混合气体管路7的进气口，C5绝缘液体输出管路3上从进气端到出气端依次设有第一电磁阀9a、第一热换器10a、第一针阀11a；
稀释气体输出管路4的进气端连接稀释气体气瓶2的出气口，出气端连接也混合气体管路7的进气口，稀释气体输出管路4上从进气端到出气端依次设有减压稳压阀12、第二热换器10b、第二针阀11b；
稀释气体输出支管路5的进气口连接到稀释气体输出管路4上减压稳压阀12的出气口，稀释气体输出支管路5的出气口连接C5绝缘液体储存钢瓶1的进口，稀释气体输出支管路5上设有第二电磁阀9b；
混合气体管路7的出气口连接混合气体储存容器6，混合气体管路7上设有压力传感器13；
C5绝缘液体储存钢瓶1、稀释气体气瓶2下分别设有第一称重装置16a和第二称重装置16b。
抽真空管路8的抽气口也连接到混合气体管路7的进气口，并同时与稀释气体输出管路4、C5绝缘液体输出管路3相连通，抽真空管路8上设有第三电磁阀11c、真空泵14，真空泵14的出口连接消声器15。
本发明的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制方法，包括以下步骤，
（1）对容器及管路进行抽真空；
（2）根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压；
（3）配制混合气体。
步骤（1）所述的对容器及管路进行抽真空，具体过程为，打开第一电磁阀9a、第二和第三电磁阀9b和9c，真空泵14，第一针阀11a和第二针阀11b，关闭稀释气体气瓶2的减压稳压阀12，关闭C5绝缘液体储存钢瓶1本体上的进出口阀门；真空泵14启动，对除C5绝缘液体储存钢瓶1及管路系统和稀释气体气瓶2之外的管路系统及混合气体储存容器6进行抽真空；当压力传感器13压力值为10Pa，停止抽真空。
步骤（2）所述的根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，具体操作为，配制气体时，待配制混合气体的储存容器容积和C5浓度及稀释气体浓度是已知，如预配制20L、压力为800kPa、浓度为10%的C5混合气体，稀释气体采用干燥air，则C5和稀释气体air的摩尔质量已知，分别为166和29，通过下面公式可以计算出待配制混合气体中各组分C5流体的质量和稀释气体air质量，即C5和稀释气体air的重量；
Figure 672355DEST_PATH_IMAGE002
R——气体常数（8.31451 J/mol k）；
T——环境温度，单位为K；
Zf——温度T和压力Pf时压缩系数，不同气体对应不同的压缩系数，1兆帕以内，Zf≈1。
步骤（2）所述的根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压，具体操作为，
以配制20L、压力为800kPa、浓度为10%的C5混合气体为例进行说明，则通过分压原理计算待配制混合气体中组分C5在混合气体中的分压PC5，
PC5=P总*fC5 =800*103 *10%=80*103Pa，
fC5为混合气体中组分C5浓度10%；
待配制混合气体中稀释气体的分压P稀释气体，
P稀释气体=P总-PC5=800*103-80*103=720*103Pa。
步骤（3）所述的配制混合气体，其具体操作为，
将减压稳压阀压力稳定为PC5压力，打开第二和第一电磁阀9b、9a，稀释气体通过稀释气体输出支管路5流进C5液体储存钢瓶1的顶部，C5液态被压到第一热换器10a中进行汽化，通过第一称重传感器16a与第一针阀11a组合进行控制进入混合气体储存容器6的C5重量，当C5进气量达到，关闭第二和第一电磁阀9b、9a及第一针阀11a；
然后将稀释气体充入容器，减压稳压阀压力调整到P总，第二针阀11b与第二称重传感器16b组合控制进入混合气体储存容器6的稀释气体air重量，air进气量达到，关闭减压稳压阀12和第二针阀11a；配制的混合气体静止24小时保证气体充分混合。
经多个实验证实，按照此组合法配制的混合气体浓度偏差小于0.3%以内。
结构中，减压稳压电磁阀对稀释气体进行减压和稳压，保证气流的稳定。第一电磁阀对C5绝缘液体进行控制，第二电磁阀对进入C5绝缘液体储存钢瓶的稀释气体进行控制；第三电磁阀对抽真空气流进行控制。第一针阀对稀释气体的流量进行控制，第二针阀对被携带出来的C5绝缘液体流进行流量的控制。第一热换器和第二热换器保持稀释气体和C5汽化的气体两者处于同样的温度状态。
本发明的有益效果是，称重和分压组合法配气，可以减少由于C5气体液化造成的配制的混气压力低、浓度偏低等问题，还可以减少C5气体蒸汽压低，后续温度降低造成的配气过程缓慢等问题。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置，其特征在于：包括C5绝缘液体储存钢瓶、稀释气体源、C5绝缘液体输出管路、稀释气体输出管路、稀释气体输出支管路，混合气体储存容器、混合气体管路、抽真空管路；
C5绝缘液体输出管路的进气端连接C5绝缘液体储存钢瓶的出口并延伸到钢瓶底部，出气端连接混合气体管路的进气口，C5绝缘液体输出管路上从进气端到出气端依次设有第一电磁阀、第一热换器、第一针阀；
稀释气体输出管路的进气端连接稀释气体源的出气口，出气端也连接混合气体管路的进气口，稀释气体输出管路上从进气端到出气端依次设有减压稳压阀、第二热换器、第二针阀；
稀释气体输出支管路的进气口连接到稀释气体输出管路上减压稳压阀的出气口，稀释气体输出支管路的出气口连接C5绝缘液体储存钢瓶的进口，稀释气体输出支管路上设有第二电磁阀；
混合气体管路的出气口连接混合气体储存容器，混合气体管路上设有压力传感器；
C5绝缘液体储存钢瓶下设有第一称重装置。
2.根据权利要求1所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置，其特征在于：稀释气体气瓶下设有第二称重装置。
3.根据权利要求1所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置，其特征在于：抽真空管路的抽气口也连接到混合气体管路的进气口，并同时与稀释气体输出管路、C5绝缘液体输出管路相连通，抽真空管路上设有第三电磁阀、真空泵，真空泵的出口连接消声器。
4.采用如权利要求3所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置的配气方法，其特征在于：包括以下步骤，
（1）先对容器及管路进行抽真空；
（2）根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压；
（3）配制混合气体。
5.根据权利要求4所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置的配制方法，其特征在于：步骤（1）所述的容器及管路进行抽真空，具体过程为，打开第一电磁阀、第二和第三电磁阀、真空泵、第一针阀和第二针阀，关闭稀释气体源的减压稳压阀，关闭C5绝缘液体储存钢瓶本体上的进出口阀门；真空泵启动，对除C5绝缘液体储存钢瓶和管路系统及稀释气体源之外的管路系统及混合气体储存容器进行抽真空；当压力传感器压力值为10Pa，停止抽真空。
6.根据权利要求4所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置的配制方法，其特征在于：步骤（2）所述的根据称重法计算待配制混合气体中各组分所需重量，具体操作为，
配制气体时，待配制混合气体的储存容器容积和C5浓度及稀释气体浓度是已知，C5和稀释气体的摩尔质量已知，通过下面公式可以计算出待配制混合气体中各组分C5流体的质量和稀释气体质量，即C5和稀释气体的重量；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
R——气体常数（8.31451 J/mol k）；
T——环境温度，单位为K；
Zf——温度T和压力Pf时压缩系数，不同气体对应不同的压缩系数，1兆帕以内，Zf≈1。
7.根据权利要求4所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置的配制方法，其特征在于：步骤（2）所述的根据分压原理计算待配制混合气体中各组分的分压，具体操作为；
通过分压原理计算待配制混合气体中组分C5在混合气体中的分压PC5，
PC5=P总*fC5
fC5为混合气体中组分C5浓度；
待配制混合气体中稀释气体的分压P稀释气体，
P稀释气体=P总-PC5。
8.根据权利要求4所述的基于称重与分压组合法的C5-PFK混合气体配制装置的配制方法，其特征在于：步骤（3）所述的配制混合气体，其具体操作为，
首先将减压稳压阀压力稳定为PC5压力，打开第二和第一电磁阀，稀释气体通过稀释气体输出支管路流进C5液体储存钢瓶的顶部，C5液态被压到第一热换器中进行汽化，通过第一称重传感器与第一针阀组合进行控制进入混合气体储存容器的C5重量，当C5进气量达到，关闭第二和第一电磁阀及第一针阀；
然后将稀释气体充入容器，减压稳压阀压力调整到P总，第二针阀与第二称重传感器组合控制进入混合气体储存容器的稀释气体air重量，air进气量达到，关闭减压稳压阀和第二针阀；配制的混合气体静止24小时保证气体充分混合。
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