CN110207013A - 全程在线实时监测的束管型多管管输液态co2系统与方法 - Google Patents

全程在线实时监测的束管型多管管输液态co2系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统与方法，属于煤矿安全生产技术领域。其包括液态CO2储存单元、液态CO2输送单元、以及泄露监测与报警单元，液态CO2输送单元包括第一输送管路和束管型液态CO2输送管，第一输送管路的另一端与束管型液态CO2输送管连接；第一调节阀设置有若干组，束管型液态CO2输送管的前端面为一圆形体，圆形体的边界处为护套层，圆形体上设置有若干根输送管，在输送管之外的圆形体上设置保温棉。本发明采用小管径束管型多管路输送液态CO2，多根小管径管道输送时，多根管道同时破裂的可能性很小，如果单根管道发生破裂，泄露的液态CO2量很少，能够保障井下巷道中的安全。

Description

全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统与方法
技术领域
本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种束管型多管管输液态CO2系统与方法。
背景技术
煤自燃是煤矿中的主要自然灾害之一。煤自燃主要是由于煤与空气中的氧气发生复合作用产生大量的热量，并且产热速率大于向周围环境的散热速率导致的。向火区灌注CO2会迅速降低火区中的氧气浓度，抑制煤与氧气的复合作用速率，从而实现对煤自燃灾害的防治。另外，火区中的煤堆发生自燃后，由于煤堆及周围的岩石堆的导热系数小，即使在完全无氧的惰性气氛中，高温煤堆的降温速率也会非常的缓慢，一旦重新供氧，会迅速发生复燃。液态CO2具有巨大的相变吸热能力，向火区灌注液态CO2后，由于压力的突变，液态CO2会迅速的气化并吸收大量的热，会促进高温煤堆的快速降温。因此，对于煤矿中的煤自燃灾害，灌注液态CO2是很好的防治技术。
目前，现有技术有关由矿井地面向井下采空区管输液态CO2的系统与方法的研究报道主要有：
CN106247169A公开了一种矿用灭火液态二氧化碳的长距离管道输送装置，其包括气态二氧化碳储罐和液态二氧化碳储罐以及输送管道，输送管道位于矿体外的一端设置稳压阀和压力表，输送管道位于矿体外的一端与气态二氧化碳储罐连通，输送管道上端与液态二氧化碳储罐连通等；CN107218512A公开了一种矿用液态二氧化碳输送装置及其泄漏监测方法，其包括管道装置，管道装置包括外管和内管，外管一端与第一气态二氧化碳储罐相连通，内管一端与第二气态二氧化碳储罐和液态二氧化碳储罐连通，内管一端设置有稳压阀，内管另一端设置有压力控制阀，还包括监测系统，以避免安全事故发生；CN108843369A公开了一种矿用液态CO2地面直注系统与方法，其包括液态CO2储罐、气液分离器、空温器、智能调控单元等，液态CO2储罐布置在井上靠近煤矿立井井口的位置，气液分离器布置在井下靠近立井井底的位置，用于气液两相CO2的分离，解决气液两相流输送困难的问题，同时控制输送管道系统内的压力在合理范围内；空温器，布置在井下采空区附近，实现了在输送管道末端出现冰堵时继续向采空区输送CO2，避免因灭火介质中断而影响灭火效率；智能调控单元，用于采集压力信号并且智能调控节流阀。
上述现有技术虽然在预防煤自燃方面取得了一定的进步，但是，其还存在一定的缺陷：例如在管道泄露监测方面，目前提出的方法主要是基于压力或者流量测试的间接监测，测试结果的影响因素较多；在液态CO2输送管道的管径优选方面，目前提出的方法中还鲜有考虑，管道管径过大(管壁厚度较大)会导致管材成本增加、管道安装工程量大，长距离安设时不适合大管径管道，此外，用一根大管径输送管输送液态CO2时，一旦管壁破裂或者接头断开等意外发生，瞬间会有大量CO2泄露在井下的有限空间和有限通风的巷道内，将会对巷道内人员的生命安全造成重大威胁。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统与方法，其可实现液态CO2由矿井地面向井下更加安全、方便的管道输送。
本发明的任务之一在于提供一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其采用了如下技术方案：
一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其包括液态CO2储存单元、液态CO2输送单元、以及泄露监测与报警单元，所述的液态CO2储存单元包括液态CO2储罐，所述的液态CO2输送单元包括第一输送管路和束管型液态CO2输送管，所述的第一输送管路的一端连接在所述的液态CO2储罐出口，所述的第一输送管路上从前往后依次设置有液态CO2流量阀、液态CO2专用增压泵、液态CO2稳压阀、第一调节阀及压力表，所述的第一输送管路的另一端与所述的束管型液态CO2输送管连接；
所述的第一调节阀设置有若干组，所述的束管型液态CO2输送管的前端面为一圆形体，所述圆形体的边界处为护套层，圆形体上设置有若干根输送管，在输送管之外的圆形体上设置有保温棉，所述的第一调节阀与所述的输送管的数量相同，且每组第一调节阀对应连接一根输送管；在每根输送管的尾端分别连接有与所述的输送管数量相同管道第二调节阀；
所述的压力表设置有若干个，其数量与所述的第一调节阀的数量相同；
所述的泄露监测与报警单元包括感温光纤、数据采集器、显示器及声光报警器，所述的感温光纤的一端与所述的束管型液态CO2输送管的前端连接，所述的数据采集器、显示器及声光报警器从前往后依次设置。
作为本发明的一个优选方案，上述的第一调节阀设置有2～4组。
作为本发明的另一个优选方案，上述的第一调节阀设置有四组，自上往下分别为一号调节阀、二号调节阀、三号调节阀及四号调节阀，上述的输送管对应设置有四根，分别为一号输送管、二号输送管、三号输送管及四号输送管，上述的第二调节阀设置有四组，自上往下分别为五号调节阀、六号调节阀、七号调节阀及八号调节阀；上述的压力表包括一号压力表、二号压力表、三号压力表及四号压力表。
进一步的，上述的一号输送管、二号输送管、三号输送管及四号输送管均是内径为20～30mm、设计压力为10～15MPa的碳钢无缝钢管。
进一步的，上述的感温光纤为防火防爆的线型感温光纤。
进一步的，上述的护套层所采用的材质为聚氯乙烯，上述的保温棉为聚氨酯保温棉。
本发明的另一个任务在于提供一种全程在线的束管型多管管输液态CO2的实时监测方法，其采用上述的全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，该监测方法依次包括以下步骤：
a、确定输送流量，确定每小时需要输送到井下的液态CO2总流量；每一根输送管中液态CO2流量的上限值按照公式(1)计算：
式(1)中，Qair为液态CO2输送管沿程巷道中的最小风量，m3/h；QCO2为每一根液态CO2输送管中液态CO2流量的上限值，m3/h；572.5是CO2由液态变为气态时的体积膨胀倍数；
b、打开液态CO2专用增压泵、液态CO2稳压阀、一号压力表、二号压力表、三号压力表、四号压力表、数据采集器、显示器及声光报警器，根据步骤a中确定的每小时需要输送到井下的液态CO2总流量、以及每一根液态CO2输送管中液态CO2流量的上限值，调节液态CO2流量阀、一号调节阀、二号调节阀、三号调节阀、四号调节阀、五号调节阀、六号调节阀、七号调节阀、八号调节阀，其中液态CO2专用增压泵的出口压力设置为2.5～3Mpa，实现向井下持续输送液态CO2，并采用感温光纤、数据采集器、显示器、声光报警器实时监测管道泄露情况。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)采用小管径束管型多管路输送液态CO2，本发明输送液态CO2的管路的管径为20-30mm，管路的数量可以但不局限于是4根，多根小管径管道输送时，多根管道同时破裂的可能性很小，如果单根管道发生破裂，泄露的液态CO2量也很少，能够保障井下巷道中的安全；采用多管路输送时，某个管路发生泄漏后，其他管道可以继续输送液态CO2，不影响井下灾害的防治工作；小管径管道表面积小，输送液态CO2流量一定时，液态CO2与周围环境的热交换少，液态CO2的温度升高幅度小，有利于保障液态CO2的无冰堵安全输送及其释放后拥有更高的相变吸热性能；另外，在竖直管道部分的输送过程中，沿程压力会迅速升高，相较于大管径管道，小管径管道中压力升高的幅度显著更低，同时小管径管道的极限耐压值更高。因此小管径多管道输送液态CO2具有更高的安全性。
(2)液态CO2输送管路如果发生泄露，泄露位置的温度会显著降低，本发明提出采用线型感温光纤全程在线实时监测液态CO2输送管路外部的温度，能够实现对全程管道泄露事故的迅速报警，同时此种监测方法影响因素少，可靠性高。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1是本发明全程在线实时监测的束管型多管(四组管)管输液态CO2系统的示意图；
图2是图1中输送管的横向截面图；
图3是本发明全程在线实时监测的束管型多管(两组管)管输液态CO2系统的示意图；
图4是图3中输送管的横向截面图；
图中，1、液态CO2储罐，2、液态CO2流量阀，3、液态CO2专用增压泵，4、液态CO2稳压阀，5-1、一号调节阀，5-2、二号调节阀，5-3、三号调节阀，5-4、四号调节阀，6-1、一号压力表，6-2、二号压力表，6-3、三号压力表，6-4、四号压力表，7、束管型液态CO2输送管，7-1、护套层，7-2、保温棉，7-3、感温光纤，7-4-1、一号输送管，7-4-2、二号输送管，7-4-3、三号输送管，7-4-4、四号输送管，8、数据采集器，9、显示器，10、声光报警器，11-1、五号调节阀，11-2、六号调节阀，11-3、七号调节阀，11-4、八号调节阀，12-1、一号耐高压金属软管，12-2、二号耐高压金属软管，13、液态CO2压注管。
具体实施方式
本发明提出了一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统与方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其包括液态CO2储存单元、液态CO2输送单元、以及泄露监测与报警单元，液态CO2储存单元包括液态CO2储罐，液态CO2储罐用于向第一输送管路内提供液态CO2，液态CO2输送单元包括第一输送管路和束管型液态CO2输送管，第一输送管路的一端连接在液态CO2储罐出口，第一输送管路上从前往后依次设置有液态CO2流量阀、液态CO2专用增压泵、液态CO2稳压阀、第一调节阀及压力表，所述的第一输送管路的另一端与束管型液态CO2输送管连接；
所述的第一调节阀设置有若干组，作为本发明的一个主要改进点束管型液态CO2输送管，不同于现有技术的是，其由若干条输送管组成，整体形成一束管型结构，具体的，如图2、图4所示，束管型液态CO2输送管的横截面为一圆形体，圆形体的边界处为护套层，圆形体上设置有若干根输送管，具体数量可根据实际工程需要进行布置，在输送管之外的圆形体上设置有保温棉，第一调节阀与所述的输送管的数量相同，且每组第一调节阀对应连接一根输送管；在每根输送管的尾端分别连接有与所述的输送管数量相同管道第二调节阀；
压力表设置有若干个，其数量与所述的第一调节阀的数量相同；
泄露监测与报警单元包括感温光纤、数据采集器、显示器及声光报警器，感温光纤的一端与束管型液态CO2输送管的前端连接，所述的数据采集器、显示器及声光报警器从前往后依次设置。
实施例1：
结合图3和图4所示，全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，包括液态CO2储存单元、液态CO2输送单元、以及泄露监测与报警单元，液态CO2储存单元主要包括液态CO2储罐1，所述的液态CO2输送单元包括液态CO2流量阀2、液态CO2专用增压泵3、液态CO2稳压阀4、一号调节阀5-1、二号调节阀5-2、一号压力表6-1、二号压力表6-2、束管型液态CO2输送管7、五号调节阀11-1、六号调节阀11-2，泄露监测与报警单元包括感温光纤7-3、数据采集器8、显示器9、声光报警器10，束管型液态CO2输送管7包括护套层7-1、保温棉7-2、感温光纤7-3、一号输送管7-4-1、二号输送管7-4-2；
本实施例中，液态CO2储罐1的出口端通过液态CO2专用耐高压金属软管依次连接液态CO2流量阀2、液态CO2专用增压泵3、液态CO2稳压阀4，液态CO2稳压阀4出口端通过液态CO2专用耐高压金属软管同时连接一号调节阀5-1、二号调节阀5-2，一号调节阀5-1依次连接一号压力表6-1与一号输送管7-4-1，二号调节阀5-2依次连接二号压力表6-2与二号输送管7-4-2，一号输送管7-4-1、二号输送管7-4-2在井下的管道末端分别连接五号调节阀11-1、六号调节阀11-2，感温光纤7-3依次连接数据采集器8、显示器9、声光报警器10；
本实施例中，一号输送管7-4-1、二号输送管7-4-2均为内径是30mm、设计压力是15MPa的碳钢无缝钢管，感温光纤7-3为防火防爆的线型感温光纤，护套层7-1是绝缘的聚氯乙烯护套，保温棉7-2是阻燃的聚氨酯保温棉；
本发明，一种全程在线束管型多管管输液态CO2的实时监测方法，其采用上述束管型多管管输液态CO2系统，包括以下步骤：
a、从煤矿地面至井下采空区铺设束管型液态CO2输送管7，正确连接液态CO2储罐1、液态CO2流量阀2、液态CO2专用增压泵3、液态CO2稳压阀4、一号调节阀5-1、二号调节阀5-2、一号压力表6-1、二号压力表6-2、感温光纤7-3、一号输送管7-4-1、二号输送管7-4-2、数据采集器8、显示器9、声光报警器10、五号调节阀11-1、六号调节阀11-2；
b、分别采用一号耐高压金属软管12-1与二号耐高压金属软管12-2连接输送管7-4-1、7-4-2与液态CO2灌注地点的液态CO2压注管13；
c、确定输送流量，根据井下灾害防治的实际需求，确定每小时需要输送到井下的液态CO2总流量是0.2m3/h；该实施例中，液态CO2输送管沿程巷道中的最小风量是8100m3/h，根据公式(1)，计算得到每一根液态CO2输送管中液态CO2流量的上限值是0.14m3/h；由此确定，本实施例中每一根液态CO2输送管中液态CO2流量是0.1m3/h；
d、打开液态CO2专用增压泵3、液态CO2稳压阀4、一号压力表6-1、二号压力表6-2、数据采集器8、显示器9、声光报警器10，调节液态CO2流量阀2、一号调节阀5-1、二号调节阀5-2、三号调节阀11-1、四号调节阀11-2，使一号输送管7-4-1与二号输送管7-4-2中液态CO2的流量均为0.1m3/h，并设置液态CO2专用增压泵(3)的出口压力为2.5Mpa，实现向井下液态CO2灌注地点持续输送液态CO2，并采用感温光纤7-3、数据采集器8、显示器9、声光报警器10实时监测管道泄露情况。
实施例2：
结合图1和图2所示，第一调节阀包括一号调节阀5-1、二号调节阀5-2、三号调节阀5-3、四号调节阀5-4；对应的压力表包括一号压力表6-1、二号压力表6-2、三号压力表6-3及四号压力表6-4；束管型液态CO2输送管7包括护套层7-1、保温棉7-2、感温光纤7-3、一号输送管7-4-1、二号输送管7-4-2、三号输送管7-4-3、四号输送管7-4-4；第二调节阀包括五号调节阀11-1、六号调节阀11-2、七号调节阀11-3及八号调节阀11-4，其余同实施例1。
采用本发明全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统能够将液态CO2从煤矿地面持续、安全、简便的输送到井下的采空区，具有显著地经济效益与社会效益。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其包括液态CO2储存单元、液态CO2输送单元、以及泄露监测与报警单元，所述的液态CO2储存单元包括液态CO2储罐，其特征在于：
所述的液态CO2输送单元包括第一输送管路和束管型液态CO2输送管，所述的第一输送管路的一端连接在所述的液态CO2储罐出口，所述的第一输送管路上从前往后依次设置有液态CO2流量阀、液态CO2专用增压泵、液态CO2稳压阀、第一调节阀及压力表，所述的第一输送管路的另一端与所述的束管型液态CO2输送管连接；
所述的第一调节阀设置有若干组，所述的束管型液态CO2输送管的前端面为一圆形体，所述圆形体的边界处为护套层，圆形体上设置有若干根输送管，在输送管之外的圆形体上设置有保温棉，所述的第一调节阀与所述的输送管的数量相同，且每组第一调节阀对应连接一根输送管；在每根输送管的尾端分别连接有与所述的输送管数量相同的第二调节阀；
所述的压力表设置有若干个，其数量与所述的第一调节阀的数量相同；
所述的泄露监测与报警单元包括感温光纤、数据采集器、显示器及声光报警器，所述的感温光纤的一端与所述的束管型液态CO2输送管的前端连接，所述的数据采集器、显示器及声光报警器从前往后依次设置。
2.根据权利要求1所述的一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其特征在于：所述的第一调节阀设置有2～4组。
3.根据权利要求2所述的一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其特征在于：所述的第一调节阀设置有四组，自上往下分别为一号调节阀、二号调节阀、三号调节阀及四号调节阀，所述的输送管对应设置有四根，分别为一号输送管、二号输送管、三号输送管及四号输送管，所述的第二调节阀设置有四组，自上往下分别为五号调节阀、六号调节阀、七号调节阀及八号调节阀；所述的压力表包括一号压力表、二号压力表、三号压力表及四号压力表。
4.根据权利要求3所述的一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其特征在于：所述的一号输送管、二号输送管、三号输送管及四号输送管均是内径为20～30mm、设计压力为10～15MPa的碳钢无缝钢管。
5.根据权利要求4所述的一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其特征在于：所述的感温光纤为防火防爆的线型感温光纤。
6.根据权利要求5所述的一种全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，其特征在于：所述的护套层所采用的材质为聚氯乙烯，所述的保温棉为聚氨酯保温棉。
7.一种全程在线的束管型多管管输液态CO2的实时监测方法，其特征在于，其采用权利要求6所述的全程在线实时监测的束管型多管管输液态CO2系统，所述监测方法依次包括以下步骤：
a、确定输送流量，确定每小时需要输送到井下的液态CO2总流量；每一根输送管中液态CO2流量的上限值按照公式(1)计算：
式(1)中，Qair为液态CO2输送管沿程巷道中的最小风量，m3/h；为每一根液态CO2输送管中液态CO2流量的上限值，m3/h；572.5是CO2由液态变为气态时的体积膨胀倍数；
b、打开液态CO2专用增压泵、液态CO2稳压阀、一号压力表、二号压力表、三号压力表、四号压力表、数据采集器、显示器及声光报警器，根据步骤a中确定的每小时需要输送到井下的液态CO2总流量、以及每一根液态CO2输送管中液态CO2流量的上限值，调节液态CO2流量阀、一号调节阀、二号调节阀、三号调节阀、四号调节阀、五号调节阀、六号调节阀、七号调节阀、八号调节阀，其中液态CO2专用增压泵的出口压力设置为2.5～3Mpa，实现向井下持续输送液态CO2，并采用感温光纤、数据采集器、显示器、声光报警器实时监测管道泄露情况。
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