超临界二氧化碳管路裂纹控制装置及方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳管路技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置及方法。
背景技术
超临界流体是指温度及压力均处于临界点以上的流体，具有许多独特的性质。二氧化碳无毒，拥有良好的物理和化学特性，在空气中比例为0.3％，且临界温度较低为31.2℃，临界压力适中为72.9atm。当二氧化碳处于超临界状态下，其兼有气体和液体的双重特性，密度近似液体(约为空气密度200-800倍)，粘度、扩散系数接近于气体(约为液体的100倍)，具有更好的流动性和传输特性。
近年来超临界二氧化碳流体的应用越来越广。将低压的二氧化碳气体通过增压系统增压至临界压力以上并将其升温至临界温度以上，二氧化碳即可处于超临界状态。
超临界二氧化碳的管路压力高达7MPa以上，管路在运输超临界二氧化碳过程中会产生裂纹损伤，现有针对超临界二氧化碳管路裂纹的处理手段大多为裂纹萌生预防和破损后处理，缺乏对管路裂纹扩展控制的手段。
发明内容
本发明实施例提供一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置及方法，用于解决或部分解决现有对超临界二氧化碳管路裂纹损伤的处理缺乏对管路裂纹扩展控制手段的问题。
本发明实施例提供一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置，包括裂纹监测机构和干冰输送线，所述裂纹监测机构用于连接在管路的表面并对管路的裂纹进行实时监测，所述干冰输送线用于与管路连通并在所述裂纹监测机构监测到管路的裂纹扩展超出预设范围时向管路中注入干冰。
在上述方案的基础上，所述裂纹监测机构包括裂纹传感器和处理器，所述裂纹传感器用于连接在管路的表面并对裂纹扩展进行实时监测，所述处理器和所述裂纹传感器电连接、用于根据裂纹传感器的监测结果获得裂纹扩展速率。
在上述方案的基础上，所述干冰输送线上设有电动阀。
在上述方案的基础上，还包括控制器，所述控制器与所述处理器和所述电动阀分别连接。
在上述方案的基础上，所述裂纹监测机构用于连接在管路的弯头部位和/或多通部位。
本发明实施例还提供一种超临界二氧化碳管路裂纹控制方法，包括：对超临界二氧化碳的管路进行注入干冰实验，通过实验预先获知能够使管路的裂纹扩展速率达到最低范围的最优干冰浓度值；对管路的裂纹扩展速率进行实时监测；在管路的裂纹扩展速率大于第一预设值时，根据最优干冰浓度值向管路中注入干冰。
在上述方案的基础上，还包括：在管路的裂纹扩展速率小于第二预设值时，停止向管路中注入干冰；其中，第二预设值小于第一预设值。
在上述方案的基础上，对管路的裂纹扩展速率进行实时监测具体包括：对管路裂纹的尺寸进行实时监测；根据裂纹的尺寸获得裂纹扩展速率。
在上述方案的基础上，对管路的裂纹扩展速率进行实时监测具体包括：对管路中的弯头部位和/或多通部位的裂纹扩展速率进行实时监测。
本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置及方法，通过设置裂纹监测机构可实时获知管路的裂纹扩展情况，设置干冰输送线在裂纹扩展超过允许范围时，通过向管路中注入干冰可降低管路的裂纹扩展速率，从而可有效控制超临界二氧化碳管路的裂纹扩展发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳管路的安全可靠性具有重要意义。
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一简单地介绍，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为本发明实施例的一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置的连接示意图；
图2为本发明实施例中注入管路中的干冰浓度与裂纹扩展速率之间的关系示意图。
附图标记说明：
其中，1、超临界二氧化碳管路；2、裂纹传感器；3、处理器；4、电缆；5、控制器；6、干冰输送线；7、电动阀；8、超临界二氧化碳用户；9、输送泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1，本发明实施例提供一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置，该裂纹控制装置包括裂纹监测机构和干冰输送线6。裂纹监测机构用于连接在管路的表面并对管路的裂纹进行实时监测。干冰输送线6用于与管路连通并在裂纹监测机构监测到管路的裂纹扩展超出预设范围时向管路中注入干冰。
超临界二氧化碳管路1即以超临界二氧化碳作为流动介质的管路系统。超临界二氧化碳在管路内流动。通过管路将超临界二氧化碳输送至需要的位置处。管路在使用时会受到超临界二氧化碳的压力造成裂纹损伤。本实施例提出设置裂纹控制装置对管路的裂纹扩展进行控制。与现有针对裂纹扩展进行预防以及破损后更换管路的处理技术不同，本实施例中的裂纹控制装置是用于对管路的裂纹扩展过程中进行控制。
裂纹控制装置通过裂纹监测机构对管路的裂纹扩展情况进行实时监测，以根据裂纹情况来实时判断管路的裂纹扩展情况。具体的，裂纹监测机构可用于对管路的裂纹扩展速率进行实时监测。可预设裂纹扩展速率的允许范围，在管路的裂纹扩展速率超过允许范围时，裂纹控制装置通过干冰输送线6向管路中输入干冰。根据试验结果表明，在超临界二氧化碳管路1中存在一定浓度的干冰时，管路的裂纹扩展速率会显著降低。从而通过向管路中通入干冰，可有效控制裂纹扩展速率的继续增长，实现对管路裂纹扩展的控制。
本实施例提供的一种超临界二氧化碳管路裂纹控制装置，通过设置裂纹监测机构可实时获知管路的裂纹扩展情况，设置干冰输送线6在裂纹扩展超过允许范围时，通过向管路中注入干冰可降低管路的裂纹扩展速率，从而可有效控制超临界二氧化碳管路1的裂纹扩展发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳管路1的安全可靠性具有重要意义。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，裂纹监测机构包括裂纹传感器2和处理器3，裂纹传感器2用于连接在管路的表面并对裂纹扩展进行实时监测。处理器3和裂纹传感器2电连接、用于根据裂纹传感器2的监测结果获得裂纹扩展速率。具体的，裂纹传感器2用于连接在管路的外表面。
在上述实施例的基础上，进一步地，干冰输送线6上设有电动阀7。电动阀7用于控制干冰输送线6的通断以及开度。
在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例中的超临界二氧化碳管路1裂纹控制装置还包括控制器5，控制器5与处理器3和电动阀7分别连接。
裂纹传感器2在管路裂纹部位对裂纹扩展情况进行实时监测。裂纹传感器2通过电缆4与处理器3电连接，即信号连接。裂纹传感器2安装于管路，具体连接在管路的外表面；处理器3通过电缆4电连接于裂纹传感器2。处理器3通过电缆4电连接于控制器5的输入端，控制器5的输出端通过电缆4电连接于电动阀7，以控制电动阀7的启闭以及开启开度。
在管路的关键结构部位处可以安装裂纹传感器2，以对裂纹扩展进行实时监测，裂纹传感器2检测到的信号实时传输至处理器3进行处理，得到相应部位的裂纹扩展尺寸值，通过裂纹扩展尺寸值对时间求一阶导数可以获得裂纹扩展速率，并将裂纹扩展速率实时发送至控制器5。
当控制器5检测到裂纹扩展速率超过一定数值后，判定管路相应的关键结构部位裂纹扩展加剧，控制器5向电动阀7发出开启指令，通过打开电动阀7向管路中注入干冰，以降低控制管路的裂纹扩展速率。
进一步地，本实施例中裂纹传感器2为导波传感器，处理器3为导波检测仪，导波检测仪用于发出激励信号，并通过导波传感器在管路上激励出超声导波。导波传感器用于采集超声导波在裂纹处反射生成的回波信号，并将回波信号发送至导波检测仪。导波检测仪基于回波信号得到管路上的裂纹扩展尺寸值，并根据裂纹扩展尺寸值获得裂纹扩展速率。
具体地，导波裂纹扩展检测的原理是通过在管路内激励机械振动产生弹性导波，导波在管路内传播的过程中，遇到管路上的裂纹，一部分波会反射回来，反射回来的导波，通过导波传感器时发生磁致伸缩逆效应，使导波传感器中产生电信号，导波检测仪对导波传感器中产生的信号进行采集处理分析，就可以实现对管道裂纹扩展的检测。通过对发送脉冲的特性和回波信号的特性进行对比分析，得到管路上的裂纹扩展尺寸值，进而获得裂纹扩展速率。
进一步地，裂纹传感器2还可为光纤光栅传感器，处理器3可对应为光信号调解器。光信号调解器用于发出光信号，光信号经光纤光栅传感器反射传回光信号调解器，光信号调解器基于反射的光信号得到管路上的裂纹扩展尺寸值，进而获得裂纹扩展速率。
裂纹监测机构可为任何能够监测获取裂纹部位的裂纹扩展速率的结构，具体不做限定。
图2示出了一种具体工况下注入管路中的干冰浓度与裂纹扩展速率之间的关系图，根据试验结果可以看出，通过向管路中注入干冰可以显著地降低管路的裂纹扩展速率，干冰增加到一定浓度后，随着干冰浓度的继续增大裂纹扩展速率会出现反弹增长，但存在能够使管路的裂纹扩展速率达到最低的干冰浓度范围，通过合理控制干冰的注入量可实现了对管路的裂纹扩展的有效抑制。
在上述实施例的基础上，进一步地，裂纹监测机构用于连接在管路的弯头部位和/或多通部位。多通部位即多通连接的接口部位。管路的弯头部位以及多通部位为容易发生裂纹扩展的部位。可在管路的弯头部位和/或多通部位设置裂纹监测机构，以对管路的关键部位进行重点监测，提高控制效率和效果。
进一步地，可在管路的多个部位设置裂纹监测机构，但只在管路的一个部位连接干冰输送线6。此时可在任意一个裂纹监测机构监测到裂纹扩展速率超出允许范围时，即通过干冰输送线6向管路中注入干冰。
也可在管路的一个部位同时设置裂纹监测机构和干冰输送线6。还可在管路的多个部位分别均设置裂纹监测机构和干冰输送线6；即在管路的多个部位中的任意一个部位均分别设有裂纹监测机构和干冰输送线6；每个部位处的干冰输送线6根据同部位的裂纹监测机构的监测结果控制启闭。
在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种超临界二氧化碳管路裂纹控制方法，该裂纹控制方法包括：对超临界二氧化碳的管路进行注入干冰实验，通过实验预先获知能够使管路的裂纹扩展速率达到最低范围的最优干冰浓度值；对管路的裂纹扩展速率进行实时监测；在管路的裂纹扩展速率大于第一预设值时，根据最优干冰浓度值向管路中注入干冰。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种超临界二氧化碳管路裂纹控制方法还包括：在管路的裂纹扩展速率小于第二预设值时，停止向管路中注入干冰。即在管路的裂纹扩展速率大于第一预设值向管路中注入干冰之后，继续对管路的裂纹扩展速率进行监测，在裂纹扩展速率降低至第二预设值以下时，可停止向管路中注入干冰。其中，第二预设值小于第一预设值。
根据试验表明，当超临界二氧化碳管路1中存在某一浓度的干冰时，管路关键部位的裂纹扩展速率会显著降低。超临界二氧化碳管路1的裂纹监测机构监测关键结构部位的裂纹扩展速率并向控制器5输送裂纹扩展速率值，当裂纹扩展速率值突然增大至超过第一预设值，表明超临界二氧化碳管路1裂纹扩展加剧，控制器5向干冰输送线6发出干冰加注指令，一定量的干冰被注入超临界二氧化碳管路1，当超临界二氧化碳管路1关键结构部位的裂纹扩展速率降低至许可的稳定值时，停止干冰加注。
在上述实施例的基础上，进一步地，对管路的裂纹扩展速率进行实时监测具体包括：对管路裂纹的尺寸进行实时监测；根据裂纹的尺寸获得裂纹扩展速率。
在上述实施例的基础上，进一步地，对管路的裂纹扩展速率进行实时监测具体包括：对管路中的弯头部位和/或多通部位的裂纹扩展速率进行实时监测。
在上述实施例的基础上，进一步地，根据最优干冰浓度值向管路中注入干冰具体包括：根据最优干冰浓度值对注入干冰的流量进行控制。干冰浓度即为注入的干冰在管路内超临界二氧化碳流体中的浓度。
由于超临界二氧化碳管路1工况多，系统复杂，实现超临界二氧化碳管路1裂纹扩展速率显著降低的干冰临界浓度会随工作条件发生变化，不为固定值。即随着管路具体运行工况的不同，能够使管路的裂纹扩展速率降到最低范围的最优干冰浓度值也是不同的，即同一浓度的注入干冰对不同工况下管路的裂纹扩展速率降低的效果是不同的，要想使不同工况下的管路裂纹扩展速率降到最低范围，所需要的干冰浓度是不同的。
本实施例提出可通过实验预先对不同工况下管路的裂纹扩展速率受干冰浓度的影响进行研究。获得在不同工况下，管路的裂纹扩展速率达到最低范围时分别对应的最优干冰浓度值。最优干冰浓度值同样可为一个范围。然后在管路实际运行时，根据实际运行工况所对应的最优干冰浓度值，来控制在管路的裂纹扩展速率大于第一预设值时向管路注入干冰的流量。
具体的，在实际运行工况对应的最优干冰浓度值较大时，可增大干冰的注入流量；在实际运行工况对应的最优干冰浓度值较小时，可降低干冰的注入流量。
在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例针对现有超临界二氧化碳动力管路裂纹扩展控制技术和手段的不足，提出一种超临界二氧化碳动力管路结构安全控制装置及方法。该超临界二氧化碳动力管路结构安全控制装置主要包括超临界二氧化碳动力管路裂纹监测机构、控制器5和干冰加注机构；裂纹监测机构包括裂纹传感器2和处理器3，干冰加注机构包括干冰输送线6以及设于干冰输送线6的电动阀7，干冰输送线6可与干冰制造机构相连。
参考图1，本实施例提供一种超临界二氧化碳动力系统，即以超临界二氧化碳为介质的动力系统。该超临界二氧化碳动力系统包括超临界二氧化碳输送泵9、超临界二氧化碳用户8和超临界二氧化碳管路1，其中超临界二氧化碳管路1上设有裂纹控制装置。输送泵9用于输送超临界二氧化碳。超临界二氧化碳管路1流经超临界二氧化碳用户8。超临界二氧化碳用户8可为利用超临界二氧化碳实现冷却的待冷却设备结构或者其他需要超临界二氧化碳的设备结构，具体不做限定。超临界二氧化碳管路1可连接超临界二氧化碳制备设备，超临界二氧化碳制备设备制备的超临界二氧化碳流入超临界二氧化碳管路1中，然后依次流经输送泵9和超临界二氧化碳用户8后排出。裂纹控制装置可设置在输送泵9和超临界二氧化碳用户8之间的超临界二氧化碳管路1上。
管路裂纹监测机构通过电缆4与裂纹传感器2连接，获取超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展尺寸并将超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展尺寸对时间求一阶导数可以得到超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展速率。当超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展速率突然增大，判定超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展加剧，向控制器5输送加注干冰的信号，控制器5向电动阀7发出开启指令，电动阀7开启，干冰被加注入超临界二氧化碳动力管路中。当超临界二氧化碳动力管路关键结构部位裂纹扩展速率降低至许可的稳定值时，裂纹监测机构向控制器5输送停止加注干冰的信号，控制器5向电动阀7发出关闭指令，电动阀7关闭。
管路中加注一定浓度的干冰可以造成超临界二氧化碳动力管路裂纹扩展速率显著降低，实现延长超临界二氧化碳动力管路使用寿命，提高超临界二氧化碳动力管路可靠性的目的。
该超临界二氧化碳动力管路结构安全控制装置及方法结合管路损伤监测技术，通过向管路中加注干冰，可以显著降低超临界二氧化碳动力管路裂纹扩展速率，有效控制超临界二氧化碳动力管路裂纹扩展发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳动力管路安全可靠性具有重要意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
