CN105675402A - 一种测量co2管道减压波传播速度的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量CO₂管道减压波传播速度的实验装置及方法，包括一个实验环道，所述实验环道的入口与CO₂注入系统相连，实验环道的出口与双爆破片控制装置相连，且在实验环道上安装有数据采集系统，通过数据采集系统采集环道在瞬态失压工况下管道内CO₂流体压力及温度随时间变化过程。本发明能够安全、准确的测得减压波传播速度。该发明能够实现对CO₂管道减压过程的人为控制，可实现对超临界、液态、气态等不同相态的CO₂管道减压波的测量。该发明有助于对CO₂管道泄漏的检测以及对管道裂纹延展的安全控制。

Description

一种测量CO2管道减压波传播速度的实验装置及方法

技术领域

本发明公开了一种测量CO₂管道减压波传播速度的实验装置及方法。

技术背景

随着温室气体排放增加，温室效应对人类生活生产的影响也越来越明显。碳捕集及封存技术(CCS)被认为是实现二氧化碳减排的有效方法。管道输送作为其中的重要环节不容忽视。由于长距离输送CO₂过程中，管道需要穿过各种复杂地形和环境。恶劣的环境及人为破坏等因素可能造成管道穿孔泄漏，进而造成管道韧性断裂。对于韧性断裂扩展控制的首要问题是需要得到泄漏过程中流体的减压特性，这样可以计算出驱动裂纹扩展的局部应力大小。预测减压波特性，尤其是减压波速度，对于控制CO₂管道的裂纹扩展尤为重要。国内外测量减压波速的方法通常是进行工业规模的全尺寸爆破实验。此方法花费巨大，一次实验的费用高达几千万元。因此需要一种能够模拟工业管道泄漏的实验装置和实验方法，既能节约费用，又能准确地测量减压波速。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的就是通过实验设备和实验方法的革新，准确测量CO₂管道减压波传播速度。

本发明采用的技术方案如下：

一种测量CO₂管道减压波传播速度的装置，包括一个实验环道，所述实验环道的入口与CO₂注入系统相连，实验环道的出口于双爆破片控制装置相连，且在实验环道上安装有数据采集系统，通过环道可以采集在瞬态失压工况下管道内CO₂流体压力及温度随时间变化过程。

进一步的，在所述的实验环道的入口和出口还安装有电磁截止阀、安全阀和泄压放空阀，在实验环道的外壁上设有温度控制装置。电磁截止阀可以实现远控封闭开启实验环道；管路采用DN20、304不锈钢焊接而成，耐腐承压效果好，适用于CO₂管道；外壁电加热用来实现控制管内CO₂温度及相态；泄压放空阀用于实现实验准备及结束时安全泄放高压非实验用CO₂。

进一步的，所述的双爆破片控制装置由两片正拱爆破片以及连接两片爆破片的管段组成，其中一个爆破片以夹持器夹持，固定在实验环道出口；另一爆破片夹持在整个实验装置末通向大气环境，在两个爆破片之间的管段开设注入孔以平衡主管内压力。不同参数的爆破片可以实现管路在不同瞬态失压工况下对管内压力温度采集的实验要求。

进一步的，注入系统：采用工业用高纯度CO₂气瓶，采用气瓶注入具有用量少，易操作等优点，为便于气瓶的安全更换与拆装，在CO₂气瓶的注入端安装有手自双控阀门组。

进一步的，所述的数据采集系统包括多个间隔安装在实验环道上的压力采集装置以及温度采集装置。

具体的实验方法如下：

考虑到管道输送过程中CO₂的不同相态特性，该装置可以测量不同相态下(气态、液态、超临界态)CO₂管道的泄漏过程中减压波的传播速度及沿程参数变化规律。

实验操作过程中的方案设计如下：

1)以气态CO₂注入实验环道内，扫气清除管内杂质；关闭实验环道末端泄压放空阀及电磁截止阀；

2)根据实验环道管容及实验参数估算实验用气量充装实验环道，同步监测管内压力及温度，充装至计算用气量时关闭实验环道首端电磁截止阀，封闭实验环道；

3)开启末端电磁截止阀连通爆破片，对实验环道进行加热升温升压，采用双爆破片控制装置控制管内爆破压力，通过注入孔向爆破管段注入CO₂平衡实验环道内压力，使实验环道内CO₂流体绝对压力不变情况下相对压力下降，同时爆破管段内CO₂压力低于外爆破片标定爆破压力，再次调节主管实验压力至内爆破片爆破压力，升温过程结束，再升高爆破管段压力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后将使内爆破片背压为环境压力进而使内爆破片爆破，爆破瞬间形成泄漏瞬态失压工况，根据采集管内参数及时间关系得出减压波传播速度；

4)泄漏至设定压力时，关闭实验环道末端的电磁截止阀，实验结束，更换爆破片进行下一组实验。

减压波传播速度的计算方法：

根据实验装置的设计，利用安装在管路上2个压力传感器在轴线方向上的间隔距离除以两传感器采集到相同压力之间的滞后时间即得到减压波速度在该实验管段上的实验值，假设实验中产生的减压波仅为单程传播，在实验管路入口端能量完全耗散。减压波速度可以表示为：

$w=\frac{L}{\mathrm{\Δ}t}$

w表示实验测得的减压波速度，m/s；L表示两个压力传感器间的距离，m；Δt表示两个压力传感器相继左右的时间间隔，s。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种测量CO₂管道减压波传播速度的实验装置及方法，能够安全、准确的测得减压波传播速度。该发明能够实现对CO₂管道减压过程的人为控制，可实现对超临界、液态、气态等不同相态的CO₂管道减压波的测量。该发明有助于对CO₂管道泄漏的检测以及对管道裂纹延展的安全控制。

环道的使用能够模拟了真实工程中管道的泄漏减压过程。环道是泄漏减压过程的主体，也是输送CO₂流体的工具。所以应在环道(管道)中测定减压波传播速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1实验装置原理图；

图2图1的A视图放大结构图；

图3手自双控阀门。

具体实施方式

如图1所示，一种测量CO₂管道减压波传播速度的装置，主要由实验环道、双爆破片控制装置、注入系统、数据采集系统多部分组成。通过环道可以采集在瞬态失压工况下管道内CO₂流体压力及温度随时间变化过程，是研究减压波传播特性的有效方法，实验装置图如图1所示。

实验环道：包括电磁截止阀、管路、外壁电加热、泄压放空阀及安全阀等。电磁截止阀可以实现远控封闭开启环道；管路采用DN20、304不锈钢焊接而成，耐腐承压效果好，适用于CO₂管道；外壁电加热用来实现控制管内CO₂温度及相态；泄压放空阀用于实现实验准备及结束时安全泄放高压非实验用CO₂。

双爆破片控制装置：爆破片是一次性的泄压装置，是压力容器、管道的重要安全装置，可以在规定的爆破压力及温度下，当爆破片两侧压差达到预定值时，爆破片破裂或脱落从而泄放压力。在相同的爆破温度下，实际爆破压力与标定爆破压力会有区别，爆破允差是指实际爆破压力与标定爆破压力之间的允许的偏差。为了使管内CO₂在要求参数下实现泄漏工况，安全准确控制爆破片爆破，采用双爆破片装置。该装置由两片正拱爆破片及二者之间管段组成，爆破片以夹持器夹持，通过法兰用螺栓固定在主管道出口，另一爆破片夹持在实验装置末通向大气环境，在爆破片之间管段开设注入孔以平衡主管内压力。不同参数的爆破片可以实现管路在不同瞬态失压工况下对管内压力温度采集的实验要求。

注入系统：采用工业用高纯度CO₂气瓶，采用气瓶注入具有用量少，易操作等优点，为便于气瓶的安全更换与拆装，在注入端设计安装手自双控阀门组，如图2所示。手控阀门用于通过气瓶向主管道内注气更换气瓶过程对主管道的封闭，自控阀门为远控球阀，用于加热升压过程封闭主管道，其开度可控，注气结束后需关闭自控阀，完全开启手控阀。

数据采集系统：包括压力采集及温度采集，依托LabVIEW平台编制相应采集程序，根据实验要求变送器输出标准4-20mA信号，实现信号监测及连续存储，采集频率应足够高，才能够实现对压力波的采集。

其中：如图2所示，在图1中实验环道的交叉处不连通。

考虑到管道输送过程中CO2的不同相态特性，该装置可以测量不同相态下(气态、液态、超临界态)CO2管道的泄漏过程中减压波的传播速度及沿程参数变化规律。

实验操作过程中的方案设计如下：

1)扫气清除管内杂质，关闭环道末端泄压阀及截止阀；

2)根据环道管容及实验参数估算实验用气量充装环道，同步监测管内压力及温度，充装至计算用气量时关闭环道首端截止阀，封闭环道；

3)开启末端截止阀连通爆破片，对环道进行加热升温升压，采用双爆破片控制装置控制管内爆破压力，通过注入孔(如图1所示)向爆破管段注入CO₂平衡主管内压力，使主管内CO₂流体绝对压力不变情况下相对压力下降，同时爆破管段内CO₂压力低于外爆破片标定爆破压力，再次调节主管实验压力至内爆破片爆破压力，升温过程结束，再升高爆破管段压力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后将使内爆破片背压为环境压力进而使内爆破片爆破，爆破瞬间形成泄漏瞬态失压工况，可根据采集管内参数及时间关系得出减压波传播速度；

4)泄漏至一定压力时可关闭环道末端截止阀，实验结束，可更换爆破片进行下一组实验。

减压波传播速度计算

根据实验装置的设计，利用安装在管路上2个压力传感器在轴线方向上的间隔距离除以两传感器采集到相同压力之间的滞后时间即得到减压波速度在该实验管段上的实验值，假设实验中产生的减压波仅为单程传播，在实验管路入口端能量完全耗散。减压波速度可以表示为：

$w=\frac{L}{\mathrm{\Δ}t}$

w表示实验测得的减压波速度，单位m/s；L表示两个压力传感器间的距离，单位m；Δt表示两个压力传感器相继左右的时间间隔，单位s。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种测量CO₂管道减压波传播速度的实验装置，其特征在于：包括一个实验环道，所述实验环道的入口与CO₂注入系统相连，实验环道的出口与双爆破片控制装置相连，且在实验环道上安装有数据采集系统，通过数据采集系统采集实验环道在瞬态失压工况下管道内CO₂流体压力及温度随时间变化过程。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：在所述的实验环道的入口和出口还安装有电磁截止阀、安全阀和泄压放空阀。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：在实验环道的外壁上设有温度控制装置。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的双爆破片控制装置由两片正拱爆破片以及连接两片爆破片的管段组成，其中一个爆破片以夹持器夹持，固定在实验环道出口；另一爆破片夹持在整个实验装置末通向大气环境，在两个爆破片之间的管段开设注入孔以平衡主管内压力。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的注入系统包括CO₂气瓶，在CO₂气瓶的CO₂注入端安装有手自双控阀门组。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的数据采集系统包括多个间隔安装在实验环道上的压力采集装置以及温度采集装置。

7.利用权利要求1所述的实验装置测量CO₂管道减压波传播速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以气态CO₂注入实验环道内，扫气清除管内杂质；关闭实验环道末端泄压放空阀及电磁截止阀；

2)根据实验环道管容及实验参数估算实验用气量充装实验环道，同步监测管内压力及温度，充装至计算用气量时关闭实验环道首端电磁截止阀，封闭实验环道；

3)开启末端电磁截止阀连通爆破片，对实验环道进行加热升温升压，采用双爆破片控制装置控制管内爆破压力，通过注入孔向爆破管段注入CO₂平衡实验环道内压力，使实验环道内CO₂流体绝对压力不变情况下相对压力下降，同时爆破管段内CO₂压力低于外爆破片标定爆破压力，再次调节主管实验压力至内爆破片爆破压力，升温过程结束，再升高爆破管段压力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后将使内爆破片背压为环境压力进而使内爆破片爆破，爆破瞬间形成泄漏瞬态失压工况，根据采集管内参数及时间关系得出减压波传播速度；

4)泄漏至设定压力时，关闭实验环道末端的电磁截止阀，实验结束，更换爆破片进行下一组实验。

8.利用权利要求7所述的实验装置测量CO₂管道减压波传播速度的方法，其特征在于：

利用安装在管路上的2个压力传感器在轴线方向上的间隔距离除以两传感器采集到相同压力之间的滞后时间即得到减压波速度在该实验管段上的实验值，假设实验中产生的减压波仅为单程传播，在实验管路入口端能量完全耗散；减压波速度表示为：

$w=\frac{L}{\mathrm{\Δ}t}$

w表示实验测得的减压波速度，m/s；L表示两个压力传感器间的距离，m；Δt表示两个压力传感器相继左右的时间间隔，s。