一種研究超臨界CO₂管道放空特性的實驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種研究超臨界CO2管道放空特性的實驗裝置及方法，包括主管道及與主管道垂直的節(jié)流管段兩部分；主管道的入口與CO2源連通，且在入口安裝有控制閥，在主管道上安裝有差壓傳感器及溫度傳感器，主管道出口安裝有出口控制閥，出口控制閥的出口與節(jié)流管段相連，所述的節(jié)流管段安裝有節(jié)流調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器及壓力傳感器，用以采集節(jié)流后溫度及壓力。
【專利說明】
一種研究超臨界C〇2管道放空特性的實驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明公開了一種研究超臨界co2管道放空特性的實驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于溫室效應(yīng)的持續(xù)現(xiàn)象，加之人們對于環(huán)境保護的重視。碳捕集及封存技術(shù) (CCS)作為應(yīng)對全球氣候變暖的有效措施之一，正變得越來越受到重視。捕集到的〇) 2通常 需要通過超臨界長距離管道輸送到埋存點。因此，C02管道的安全性對于CCS的發(fā)展有著重 要作用。當(dāng)管道超壓是，通常可以通過人為的泄壓設(shè)施來控制管內(nèi)壓力，這就是氣體管道通 常采用的放空措施。由于C0 2的特殊性質(zhì)，在放空過程中會出現(xiàn)急劇的溫降效應(yīng)(Joule-Thomson效應(yīng)）。低溫不僅會破壞管道結(jié)構(gòu)，還可能引起干冰(或冰)堵塞管道，發(fā)生危險。因 此，需要對超臨界C0 2管道的放空特性進行研究。
[0003] 然后由于超臨界C02管道放空過程設(shè)計到高壓、低溫、超高速流動以及噪聲控制等 諸多方面，因此對于其開展實驗研究具有一定難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明基于熱力學(xué)和氣體動力學(xué)原理，公開 了一套能夠準(zhǔn)確測量超臨界C02管道放空過程管內(nèi)流動參數(shù)的裝置以及方法。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種研究超臨界⑶2管道放空特性的實驗裝置，包括主管道及與主管道垂直的節(jié) 流管段兩部分;主管道的入口與co 2源連通，且在入口安裝有控制閥，在主管道上設(shè)有多個 采集截面，每個采集截面上都安裝有壓差傳感器I及溫度傳感器I，主管道出口安裝有出口 控制閥，出口控制閥的出口與節(jié)流管段相連，所述的節(jié)流管段安裝有節(jié)流調(diào)節(jié)閥、溫度傳感 器II及壓力傳感器II，用以采集節(jié)流后溫度及壓力。
[0007] 進一步的，所述的節(jié)流調(diào)節(jié)閥為多級，且各級節(jié)流閥間節(jié)流管長1.5m。
[0008] 進一步的，在節(jié)流管出口處設(shè)置孔徑為10mm管嘴。
[0009] 進一步的，節(jié)流管段的溫度、壓力傳感器設(shè)在各級節(jié)流閥出口處，三級節(jié)流后⑶2 通過管嘴將直接泄放至大氣環(huán)境。
[0010] 進一步的，所述的主管道及節(jié)流管段的外壁設(shè)有加熱裝置及保溫層。
[0011] 進一步的，所述的實驗裝置安裝一個支架上，所述的支架能夠平衡實驗過程中產(chǎn) 生的水平方向瞬態(tài)噴射力及對主管道與節(jié)流垂直管段連接處產(chǎn)生的力矩。
[0012] 進一步的，與主管中的溫度和壓力傳感器分布不同；節(jié)流管上一共三個節(jié)流閥，在 節(jié)流閥的入口和出口分別安裝有壓力和溫度傳感器(各一個）。目的是測量節(jié)流閥入口和出 口的溫度、壓力變化情況。
[0013] 進一步的，每個采集截面上均設(shè)有三個溫度傳感器I和一個壓差傳感器I，壓差傳 感器I位于其中兩個溫度傳感器的中心位置處。
[0014] 進一步的，上述裝置的實驗方法如下：
[0015] 步驟1在實驗準(zhǔn)備過程，先以氣態(tài)C02注入主管道掃氣，清除管內(nèi)空氣，使氣態(tài)雜質(zhì) 對實驗C02產(chǎn)生的組分不確定性影響最?。?br>[0016] 步驟2根據(jù)實驗壓力溫度及管容估算出該實驗用氣，掃氣過程中先關(guān)閉主管道出 口控制閥，當(dāng)估算用氣量充裝主管道之后關(guān)閉進口控制閥；
[0017] 步驟3采用加熱裝置對主管道進行升溫升壓，同步采集加熱過程中主管道內(nèi)壓力 和溫度；
[0018] 步驟4當(dāng)管內(nèi)溫度壓力達到超臨界狀態(tài)時，全部開啟出口控制閥，使超臨界態(tài)C02 進入節(jié)流管段，同步采集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化數(shù)據(jù)，直至主管道內(nèi)〇)2全 部放空。
[0019] 進一步的，多個溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)平均值作為該截面C02的溫度。
[0020] 本發(fā)明的有益效果：
[0021] 本發(fā)明為了研究不同節(jié)流工況對管內(nèi)流動參數(shù)的影響，設(shè)三級節(jié)流調(diào)節(jié)閥，其中 為保證各級節(jié)流后流體能穩(wěn)定進入下一級節(jié)流，各級節(jié)流閥間節(jié)流管長1.5m以進行穩(wěn)流； 節(jié)流管段末端的流體膨脹壓損，在節(jié)流管出口處設(shè)置孔徑為1〇_管嘴，因溫度、壓力傳感器 設(shè)在各級節(jié)流閥出口處，三級節(jié)流后C0 2將直接泄放至大氣環(huán)境，通過設(shè)置管嘴可以使實驗 過程中三級節(jié)流后傳感器采集到的參數(shù)維持節(jié)流調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)開度所產(chǎn)生的出口壓力及 溫度，保證準(zhǔn)確采集分析三級節(jié)流閥出口參數(shù)變化規(guī)律。
【附圖說明】
[0022] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1超臨界C02管道放空裝置；
[0024]圖2主管道中溫度和壓力傳感器的分布圖；
[0025]圖3 C02實驗裝置節(jié)流管集合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖中：1 -C02源，2-主管道入口球閥，3、4、5、6-采集截面，7-主管道出口球閥，8、9、 10-節(jié)流閥，P為壓力采集點，T為溫度采集點。
【具體實施方式】
[0027]如圖1-2所示:一種研究超臨界C02管道放空特性的裝置包括主管道及節(jié)流管段兩 部分，主管道同時連接差壓傳感器及溫度傳感器，節(jié)流管段包括節(jié)流調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器及 壓力傳感器，用以采集節(jié)流后溫度及壓力，實驗裝置如圖1所示。
[0028]實驗主管道及節(jié)流管段均采用304不銹鋼建造，其中主管道直徑DN250,壁厚12mm， 總長為12m，因此管容近600L，外壁設(shè)有加熱套及保溫層，裝置圖中具體閥門及傳感器為： C02源1，主管道入口球閥2(25MPa，DN25)，采集截面3、4、5、6，各截面含一個壓力采集點及等 距分布溫度采集點，主管道出口球閥7(25MPa，DN50)，節(jié)流閥8、9、10。
[0029]水平節(jié)流管總長4m，內(nèi)直徑50mm，為了研究不同節(jié)流工況對管內(nèi)流動參數(shù)的影響， 設(shè)三級節(jié)流閥，其中為保證各級節(jié)流后流體能穩(wěn)定進入下一級節(jié)流，各級節(jié)流閥間節(jié)流管 長1.5m以進行穩(wěn)流，節(jié)流管幾何結(jié)構(gòu)簡略示意如圖3所示，在控制圖3中L4所示處節(jié)流管段 末端的流體膨脹壓損，在節(jié)流管出口處設(shè)置孔徑為l〇mm管嘴，因溫度壓力傳感器設(shè)在各級 節(jié)流閥出口處，三級節(jié)流后C02將直接泄放至大氣環(huán)境，這樣設(shè)置可以使實驗過程中三級節(jié) 流后傳感器采集到的參數(shù)維持節(jié)流閥調(diào)節(jié)開度所產(chǎn)生的出口壓力及溫度，保證準(zhǔn)確采集分 析三級節(jié)流閥出口參數(shù)變化規(guī)律。
[0030] 瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護設(shè)計
[0031] 瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護以最大實驗壓力作用于節(jié)流管段截面上的總壓力為 實驗的瞬態(tài)噴射力，因節(jié)流管位于主管道以上1.5m高，對主管道與垂直管段連接處將產(chǎn)生 力矩，因此實驗裝置的外部支架需能夠平衡實驗過程中產(chǎn)生的水平方向瞬態(tài)噴射力及對連 接處產(chǎn)生的力矩，并考慮持續(xù)噴射過程對節(jié)流管段產(chǎn)生的失穩(wěn)，其力與力矩具體為：
[0033] M=FXL= 14718.75X1.5 = 22078(N · m)
[0034] 其中，p為最大實驗壓力，D為節(jié)流管段截面直徑，L節(jié)流管高度。同時根據(jù)已有經(jīng) 驗，節(jié)流放空的c〇2將在孔口處高速噴射產(chǎn)生噪聲，根據(jù)高速氣體噴射噪聲公式可知：
[0036] 其中，L為總噪聲級，P1為噴射壓力，po為環(huán)境壓力，D為孔□直徑，Do取1mm。因此，實 驗裝置噴射管嘴處噪聲為：
[0038]實驗裝置設(shè)計除滿足實驗?zāi)康?，裝置的整體安全及附件在操作過程中的安全可根 據(jù)以上計算結(jié)果參考加工安裝。
[0039]具體的實驗步驟如下：
[0040] 實驗過程中，C02流體將通過氣源注入封閉主管道，根據(jù)實驗要求參數(shù)計算主管管 容下C02流體質(zhì)量，在封閉主管道內(nèi)對固定質(zhì)量C0 2流體通過加熱裝置調(diào)節(jié)至實驗壓力溫度， 該參數(shù)下C02通過主管道出口閥門進入節(jié)流流程，進而放空至大氣，實驗過程采集主管道及 節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化。如圖2所示，在采集截面設(shè)有一個壓力采集點P，三個溫度采 集點T，這主要是因為管內(nèi)壓力各向相同，而為了克服環(huán)境及加熱裝置對外壁溫度不均勻性 影響，以三個采集點采集數(shù)據(jù)的平均值作為該截面C0 2的溫度。
[0041] 具體實驗內(nèi)容為:對超臨界態(tài)C02進行三級節(jié)流，不同等級節(jié)流閥采用等開度，采 集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化。
[0042] (1)在實驗準(zhǔn)備過程，先以氣態(tài)C02注入實驗主管道掃氣，清除管內(nèi)空氣，使氣態(tài)雜 質(zhì)對實驗C〇2產(chǎn)生的組分不確定性影響最??；
[0043] (2)根據(jù)實驗壓力溫度及管容估算出該實驗用氣，掃氣過程中先關(guān)閉主管道出口 球閥，當(dāng)估算用氣量充裝主管道之后關(guān)閉進口球閥；
[0044] (3)采用電加熱對主管道進行升溫升壓，同步采集加熱過程中主管道內(nèi)壓力溫度； [0045] (4)當(dāng)管內(nèi)溫度壓力達到超臨界狀態(tài)時，全部開啟出口閥，使超臨界態(tài)C02進入節(jié) 流流程，同步采集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化數(shù)據(jù)，直至主管道內(nèi)⑶2全部放 空。
[0046]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種研究超臨界c〇2管道放空特性的實驗裝置，其特征在于，包括主管道及與主管道 垂直的節(jié)流管段兩部分;主管道的入口與⑶ 2源連通，且在入口安裝有控制閥，在主管道上 設(shè)有多個采集截面，每個采集截面上都安裝有壓差傳感器I及溫度傳感器I，主管道出口安 裝有出口控制閥，出口控制閥的出口與節(jié)流管段相連，所述的節(jié)流管段安裝有節(jié)流調(diào)節(jié)閥、 溫度傳感器II及壓力傳感器II，用以采集節(jié)流后溫度及壓力。2. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的節(jié)流調(diào)節(jié)閥為多級，且各級節(jié)流 閥間節(jié)流管長1.5m。3. 如權(quán)利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，節(jié)流管段的溫度、壓力傳感器設(shè)在各級 節(jié)流閥出口處，三級節(jié)流后C02通過管嘴將直接泄放至大氣環(huán)境。4. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，每個采集截面上均設(shè)有三個溫度傳感器 I和一個壓差傳感器I，壓差傳感器I位于其中兩個溫度傳感器的中心位置處。5. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，在節(jié)流管段出口處設(shè)置有管嘴。6. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的主管道及節(jié)流管段的外壁設(shè)有加 熱裝置及保溫層。7. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的實驗裝置安裝一個支架上，所述 的支架能夠平衡實驗過程中產(chǎn)生的水平方向瞬態(tài)噴射力及對主管道與節(jié)流垂直管段連接 處產(chǎn)生的力矩。8. 利用權(quán)利要求1所述的實驗裝置研究超臨界C02管道放空特性的方法，其特征在于： 步驟1實驗準(zhǔn)備過程，先以氣態(tài)C0 2注入主管道掃氣，清除管內(nèi)空氣，使氣態(tài)雜質(zhì)對實驗 C02產(chǎn)生的組分不確定性影響最??； 步驟2根據(jù)實驗壓力溫度及管容估算出該實驗用氣，掃氣過程中先關(guān)閉主管道出口控 制閥，當(dāng)估算用氣量充裝主管道之后關(guān)閉進口控制閥； 步驟3采用加熱裝置對主管道進行升溫升壓，同步采集加熱過程中主管道內(nèi)壓力和溫 度； 步驟4當(dāng)管內(nèi)溫度壓力達到超臨界狀態(tài)時，全部開啟出口控制閥，使超臨界態(tài)C02進入節(jié) 流管段，同步采集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化數(shù)據(jù)，直至主管道內(nèi)⑶2全部放 空。9. 利用權(quán)利要求8所述的實驗裝置研究超臨界C02管道放空特性的方法，其特征在于:多 個溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)平均值作為該截面C0 2的溫度。
【文檔編號】G01D21/02GK105865520SQ201610196165
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】李玉星, 滕霖, 趙青, 王武昌, 胡其會
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)