CN105865520A - 一种研究超临界co2管道放空特性的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究超临界CO₂管道放空特性的实验装置及方法，包括主管道及与主管道垂直的节流管段两部分；主管道的入口与CO₂源连通，且在入口安装有控制阀，在主管道上安装有差压传感器及温度传感器，主管道出口安装有出口控制阀，出口控制阀的出口与节流管段相连，所述的节流管段安装有节流调节阀、温度传感器及压力传感器，用以采集节流后温度及压力。

Description

一种研究超临界CO2管道放空特性的实验装置及方法

技术领域

本发明公开了一种研究超临界CO₂管道放空特性的实验装置及方法。

背景技术

由于温室效应的持续现象，加之人们对于环境保护的重视。碳捕集及封存技术(CCS)作为应对全球气候变暖的有效措施之一，正变得越来越受到重视。捕集到的CO₂通常需要通过超临界长距离管道输送到埋存点。因此，CO₂管道的安全性对于CCS的发展有着重要作用。当管道超压是，通常可以通过人为的泄压设施来控制管内压力，这就是气体管道通常采用的放空措施。由于CO₂的特殊性质，在放空过程中会出现急剧的温降效应(Joule-Thomson效应)。低温不仅会破坏管道结构，还可能引起干冰(或冰)堵塞管道，发生危险。因此，需要对超临界CO₂管道的放空特性进行研究。

然后由于超临界CO₂管道放空过程设计到高压、低温、超高速流动以及噪声控制等诸多方面，因此对于其开展实验研究具有一定难度。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术缺陷，本发明基于热力学和气体动力学原理，公开了一套能够准确测量超临界CO₂管道放空过程管内流动参数的装置以及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种研究超临界CO₂管道放空特性的实验装置，包括主管道及与主管道垂直的节流管段两部分；主管道的入口与CO₂源连通，且在入口安装有控制阀，在主管道上设有多个采集截面，每个采集截面上都安装有压差传感器I及温度传感器I，主管道出口安装有出口控制阀，出口控制阀的出口与节流管段相连，所述的节流管段安装有节流调节阀、温度传感器II及压力传感器II，用以采集节流后温度及压力。

进一步的，所述的节流调节阀为多级，且各级节流阀间节流管长1.5m。

进一步的，在节流管出口处设置孔径为10mm管嘴。

进一步的，节流管段的温度、压力传感器设在各级节流阀出口处，三级节流后CO₂通过管嘴将直接泄放至大气环境。

进一步的，所述的主管道及节流管段的外壁设有加热装置及保温层。

进一步的，所述的实验装置安装一个支架上，所述的支架能够平衡实验过程中产生的水平方向瞬态喷射力及对主管道与节流垂直管段连接处产生的力矩。

进一步的，与主管中的温度和压力传感器分布不同；节流管上一共三个节流阀，在节流阀的入口和出口分别安装有压力和温度传感器(各一个)。目的是测量节流阀入口和出口的温度、压力变化情况。

进一步的，每个采集截面上均设有三个温度传感器I和一个压差传感器I，压差传感器I位于其中两个温度传感器的中心位置处。

进一步的，上述装置的实验方法如下：

步骤1在实验准备过程，先以气态CO₂注入主管道扫气，清除管内空气，使气态杂质对实验CO₂产生的组分不确定性影响最小；

步骤2根据实验压力温度及管容估算出该实验用气，扫气过程中先关闭主管道出口控制阀，当估算用气量充装主管道之后关闭进口控制阀；

步骤3采用加热装置对主管道进行升温升压，同步采集加热过程中主管道内压力和温度；

步骤4当管内温度压力达到超临界状态时，全部开启出口控制阀，使超临界态CO₂进入节流管段，同步采集主管道及节流管段压力及温度动态变化数据，直至主管道内CO₂全部放空。

进一步的，多个温度传感器采集的数据平均值作为该截面CO₂的温度。

本发明的有益效果：

本发明为了研究不同节流工况对管内流动参数的影响，设三级节流调节阀，其中为保证各级节流后流体能稳定进入下一级节流，各级节流阀间节流管长1.5m以进行稳流；节流管段末端的流体膨胀压损，在节流管出口处设置孔径为10mm管嘴，因温度、压力传感器设在各级节流阀出口处，三级节流后CO₂将直接泄放至大气环境，通过设置管嘴可以使实验过程中三级节流后传感器采集到的参数维持节流调节阀的调节开度所产生的出口压力及温度，保证准确采集分析三级节流阀出口参数变化规律。

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超临界CO₂管道放空装置；

图2主管道中温度和压力传感器的分布图；

图3 CO₂实验装置节流管集合结构示意图；

图中：1-CO₂源，2-主管道入口球阀，3、4、5、6-采集截面，7-主管道出口球阀，8、9、10-节流阀，p为压力采集点，T为温度采集点。

具体实施方式

如图1-2所示：一种研究超临界CO₂管道放空特性的装置包括主管道及节流管段两部分，主管道同时连接差压传感器及温度传感器，节流管段包括节流调节阀、温度传感器及压力传感器，用以采集节流后温度及压力，实验装置如图1所示。

实验主管道及节流管段均采用304不锈钢建造，其中主管道直径DN250，壁厚12mm，总长为12m，因此管容近600L，外壁设有加热套及保温层，装置图中具体阀门及传感器为：CO₂源1，主管道入口球阀2(25MPa，DN25)，采集截面3、4、5、6，各截面含一个压力采集点及等距分布温度采集点，主管道出口球阀7(25MPa，DN50)，节流阀8、9、10。

水平节流管总长4m，内直径50mm，为了研究不同节流工况对管内流动参数的影响，设三级节流阀，其中为保证各级节流后流体能稳定进入下一级节流，各级节流阀间节流管长1.5m以进行稳流，节流管几何结构简略示意如图3所示，在控制图3中L₄所示处节流管段末端的流体膨胀压损，在节流管出口处设置孔径为10mm管嘴，因温度压力传感器设在各级节流阀出口处，三级节流后CO₂将直接泄放至大气环境，这样设置可以使实验过程中三级节流后传感器采集到的参数维持节流阀调节开度所产生的出口压力及温度，保证准确采集分析三级节流阀出口参数变化规律。

瞬态喷射力及噪声安全防护设计

瞬态喷射力及噪声安全防护以最大实验压力作用于节流管段截面上的总压力为实验的瞬态喷射力，因节流管位于主管道以上1.5m高，对主管道与垂直管段连接处将产生力矩，因此实验装置的外部支架需能够平衡实验过程中产生的水平方向瞬态喷射力及对连接处产生的力矩，并考虑持续喷射过程对节流管段产生的失稳，其力与力矩具体为：

$F=pS=\frac{{\mathrm{p\πD}}^2}{4}=\frac{7.5\×{10}^6\×3.14\×{0.05}^2}{4}=14718.75\left(N\right)$

M＝F×L＝14718.75×1.5＝22078(N·m)

其中，p为最大实验压力，D为节流管段截面直径，L节流管高度。同时根据已有经验，节流放空的CO₂将在孔口处高速喷射产生噪声，根据高速气体喷射噪声公式可知：

$L=80+10log\frac{{(p_1-p_0)}^4}{{(p_1-0.5p_0)}^2{p}_0^2}+20log\frac{D}{D_0}$

其中，L为总噪声级，p₁为喷射压力，p₀为环境压力，D为孔口直径，D₀取1mm。因此，实验装置喷射管嘴处噪声为：

$L=80+10log\frac{{(7.5-0.1)}^4}{{(7.5-0.5\×0.1)}^2\×{0.1}^2}+20log\frac{50}{1}=151.3\left(dB\right)$

实验装置设计除满足实验目的，装置的整体安全及附件在操作过程中的安全可根据以上计算结果参考加工安装。

具体的实验步骤如下：

实验过程中，CO₂流体将通过气源注入封闭主管道，根据实验要求参数计算主管管容下CO₂流体质量，在封闭主管道内对固定质量CO₂流体通过加热装置调节至实验压力温度，该参数下CO₂通过主管道出口阀门进入节流流程，进而放空至大气，实验过程采集主管道及节流管段压力及温度动态变化。如图2所示，在采集截面设有一个压力采集点P，三个温度采集点T，这主要是因为管内压力各向相同，而为了克服环境及加热装置对外壁温度不均匀性影响，以三个采集点采集数据的平均值作为该截面CO₂的温度。

具体实验内容为：对超临界态CO₂进行三级节流，不同等级节流阀采用等开度，采集主管道及节流管段压力及温度动态变化。

(1)在实验准备过程，先以气态CO₂注入实验主管道扫气，清除管内空气，使气态杂质对实验CO₂产生的组分不确定性影响最小；

(2)根据实验压力温度及管容估算出该实验用气，扫气过程中先关闭主管道出口球阀，当估算用气量充装主管道之后关闭进口球阀；

(3)采用电加热对主管道进行升温升压，同步采集加热过程中主管道内压力温度；

(4)当管内温度压力达到超临界状态时，全部开启出口阀，使超临界态CO₂进入节流流程，同步采集主管道及节流管段压力及温度动态变化数据，直至主管道内CO₂全部放空。

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 (9)

1.一种研究超临界CO₂管道放空特性的实验装置，其特征在于，包括主管道及与主管道垂直的节流管段两部分；主管道的入口与CO₂源连通，且在入口安装有控制阀，在主管道上设有多个采集截面，每个采集截面上都安装有压差传感器I及温度传感器I，主管道出口安装有出口控制阀，出口控制阀的出口与节流管段相连，所述的节流管段安装有节流调节阀、温度传感器II及压力传感器II，用以采集节流后温度及压力。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的节流调节阀为多级，且各级节流阀间节流管长1.5m。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，节流管段的温度、压力传感器设在各级节流阀出口处，三级节流后CO₂通过管嘴将直接泄放至大气环境。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，每个采集截面上均设有三个温度传感器I和一个压差传感器I，压差传感器I位于其中两个温度传感器的中心位置处。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，在节流管段出口处设置有管嘴。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的主管道及节流管段的外壁设有加热装置及保温层。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的实验装置安装一个支架上，所述的支架能够平衡实验过程中产生的水平方向瞬态喷射力及对主管道与节流垂直管段连接处产生的力矩。

8.利用权利要求1所述的实验装置研究超临界CO₂管道放空特性的方法，其特征在于：

步骤1实验准备过程，先以气态CO₂注入主管道扫气，清除管内空气，使气态杂质对实验CO₂产生的组分不确定性影响最小；

步骤2根据实验压力温度及管容估算出该实验用气，扫气过程中先关闭主管道出口控制阀，当估算用气量充装主管道之后关闭进口控制阀；

步骤3采用加热装置对主管道进行升温升压，同步采集加热过程中主管道内压力和温度；

步骤4当管内温度压力达到超临界状态时，全部开启出口控制阀，使超临界态CO₂进入节流管段，同步采集主管道及节流管段压力及温度动态变化数据，直至主管道内CO₂全部放空。

9.利用权利要求8所述的实验装置研究超临界CO₂管道放空特性的方法，其特征在于：多个温度传感器采集的数据平均值作为该截面CO₂的温度。