一种矿用液态二氧化碳输送装置及其泄漏监测方法 |
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| 申请号 | CN201710637280.0 | 申请日 | 2017-07-31 | 公开(公告)号 | CN107218512A | 公开(公告)日 | 2017-09-29 |
| 申请人 | 西安科技大学; | 发明人 | 王凯; 翟小伟; 邓军; 徐宇; 王伟峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种矿用液态二 氧 化 碳 输送装置，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 ，内管另一端设置压 力 控制阀 ，该输送装置还包括监测系统。该输送装置能够提高液态二氧化碳输送的可靠性，避免安全事故发生。本发明还公开了矿用液态二氧化碳输送装置的 泄漏 监测方法，该监测方法通过两个压力变送器来监测外管内部的压力变化，当内管发生泄漏时，两个压力变送器都会监测到压力增大的异常 信号 ， 控制器 获取上述异常信号，并根据获取上述异常信号的时间来计算泄漏点的具体 位置 ，该监测方法简单、方便、有效。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：包括第一气态二氧化碳储罐(1)、第二气态二氧化碳储罐(2)和液态二氧化碳储罐(3)以及用于从立井、平硐或斜井进入矿体内并延伸至井下火区的管道装置(16)，所述管道装置(16)包括外管(16-1)和设置在所述外管(16-1)内部的内管(16-2)，所述外管(16-1)位于矿体外的一端与第一气态二氧化碳储罐(1)相连通，所述外管(16-1)位于矿体内的一端封闭，所述内管(16-2)位于矿体外的一端与第二气态二氧化碳储罐(2)和液态二氧化碳储罐(3)相连通，所述内管(16-2)位于矿体外的一端设置有用于供压力高于1.6MPa～2MPa的气体或液体进入所述内管(16-2)的稳压阀(13)和用于对所述内管(16-2)内的压力进行观测的压力表(12)，所述内管(16-2)位于矿体内的一端设置有用于在内管(16-2)的内部压力大于2MPa～2.5MPa时将其内的气体或液体泄出的压力控制阀(18)，所述内管(16-2)位于矿体内的一端连接有穿过井下火区密闭墙(21)的灭火管(20)，所述灭火管(20)上安装有灭火阀(19)；该输送装置还包括用于监测所述内管(16-2)是否泄漏的监测系统。 |
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| 说明书全文 | 一种矿用液态二氧化碳输送装置及其泄漏监测方法技术领域[0001] 本发明属于矿用液态二氧化碳输送技术领域，具体是涉及一种矿用液态二氧化碳输送装置及其泄漏监测方法。 背景技术[0002] 现有的煤矿防灭火技术方法中，液态二氧化碳方法由于在惰化的基础上能够实现快速降温，液态二氧化碳灌注入火区会瞬间汽化、体积膨胀、流动扩散，吸收大量的热量，使火区温度和氧气浓度快速降低，在矿井火区治理上表现出极大的优势。由于二氧化碳的相态与压力和温度相关，温度过低或者压力过高会形成干冰，在长距离管道输送过程中发生堵管、管路断裂破损导致液态二氧化碳泄漏等现象。目前，中国专利公告号为CN106247169A公开了一种矿用液态二氧化碳长距离管道输送装置及输送方法，在使用时，需要人工操作进行液态二氧化碳的输送，自动化程度低，工作效率不高，且没有完备的监测系统，不能及时反映管路的输送状态。若能及时检测管路状况，在管路发生堵管或泄漏时，及时采取相应措施，可避免管路损坏，增强液态二氧化碳输送的可靠性。同时现有技术中没有针对液态二氧化碳长距离管道输送进行实时监测的系统。 [0003] 因此，需要一个完备的监测系统，对液态二氧化碳长距离输送管路进行有效的监测，在出现泄漏现象时，及时进行发出报警，并控制输送泵停止输送，提高液态二氧化碳输送的可靠性，避免安全事故发生。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种矿用液态二氧化碳输送装置。该输送装置能够实现对液态二氧化碳的直接输送，确保了井下火区灭火时液态二氧化碳的充足供应，同时还能够对输送装置是否泄漏实现的实时监测，提高液态二氧化碳输送的可靠性，避免安全事故发生。 [0005] 为了实现上述目的，本发明矿用液态二氧化碳输送装置采用的技术方案是：一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：包括第一气态二氧化碳储罐、第二气态二氧化碳储罐和液态二氧化碳储罐以及用于从立井、平硐或斜井进入矿体内并延伸至井下火区的管道装置，所述管道装置包括外管和设置在所述外管内部的内管，所述外管位于矿体外的一端与第一气态二氧化碳储罐相连通，所述外管位于矿体内的一端封闭，所述内管位于矿体外的一端与第二气态二氧化碳储罐和液态二氧化碳储罐相连通，所述内管位于矿体外的一端设置有用于供压力高于1.6MPa～2MPa的气体或液体进入所述内管的稳压阀和用于对所述内管内的压力进行观测的压力表，所述内管位于矿体内的一端设置有用于在内管的内部压力大于2MPa～2.5MPa时将其内的气体或液体泄出的压力控制阀，所述内管位于矿体内的一端连接有穿过井下火区密闭墙的灭火管，所述灭火管上安装有灭火阀；该输送装置还包括用于监测所述内管是否泄漏的监测系统。 [0006] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于，所述监测系统包括： [0009] 所述第一压力变送器和第二压力变送器均与所述控制器的输入端相接，所述第一压力变送器设置在所述外管位于矿体外的一端，所述第二压力变送器设置在所述外管位于矿体内的一端。 [0010] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：所述外管由多个外管单元首尾顺次连接构成，相邻两个外管单元通过外法兰连接，所述内管由多个内管单元首尾顺次连接构成，相邻两个内管单元通过内法兰连接，所述外法兰和内法兰之间具有间隙。 [0011] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：所述内管单元的圆周方向设置有用于支撑在所述外管单元内壁的支撑条。 [0012] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：所述稳压阀靠近所述第二气态二氧化碳储罐和液态二氧化碳储罐的一侧设置有用于为气态二氧化碳或液态二氧化碳增压的增压泵，所述增压泵安装在所述内管上。 [0013] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：所述外管位于矿体外的一端通过第一连接管与第一气态二氧化碳储罐相连通，所述内管位于矿体外的一端通过第二连接管与第二气态二氧化碳储罐相连通，所述内管位于矿体外的一端通过第三连接管与液态二氧化碳储罐相连通，所述第一连接管上设置有第一截断阀，所述第二连接管上设置有第二截断阀，所述第三连接管上设置有第三截断阀。 [0014] 上述的一种矿用液态二氧化碳输送装置，其特征在于：所述第一连接管上设置有压力安全阀。 [0015] 为了实现对上述输送装置是否泄漏实现有效监测，以提高液态二氧化碳输送的可靠性，避免安全事故发生。本发明还提供了矿用液态二氧化碳输送装置的泄漏监测方法。该泄漏监测方法采用的技术方案是：一种如上述矿用液态二氧化碳输送装置的泄漏监测方法，其特征在于，包括以下步骤： [0016] 步骤一、控制器获取第一压力变送器和第二压力变送器输出的压力信号； [0017] 步骤二、控制器根据所述压力信号判断内管是否泄漏：当第一压力变送器和第二压力变送器输出的压力信号发生异常时，则说明内管泄漏，如压力信号没有发生异常时，则说明内管没有泄漏； [0018] 步骤三、当内管泄漏时，控制器判断内管的泄漏点位置并同时发出预警信号，所述内管的泄漏点位置根据下列公式进行计算： [0019] [0020] Le为内管泄漏点位置到外管始端距离，L为外管始末端距离，Δt为第一压力变送器监测到异常信号的时间t1与第一压力变送器监测到异常信号的时间t2的时间差，as为压力波的传播速度，其为340m/s。 [0021] 本发明与现有技术相比具有以下优点： [0022] 1、本发明输送装置能够实现对液相二氧化碳的直接输送，确保了井下火区灭火时液态二氧化碳的充足供应，同时通过监测系统，还能够通过外管内的气态二氧化碳压力的变化来监测内管是否发生泄漏。 [0023] 2、本发明输送装置通过设置由外管和内管组成的管道装置，避免单管输送时发生泄漏造成对人员安全造成危害，所述内管输送液相二氧化碳，外管对内管形成保护，所述监测系统通过两个压力变送器监测外管内的气体变化，方便在内管发生泄漏时及时关闭内管。 [0024] 3、本发明管道装置中，通过在内管和外管之间设置支撑条，能够确保内管单元位于外管单元的中部，使外管单元的内壁不会与内管单元的外壁发生接触。 [0025] 4、本发明管道装置第一连接管上设置有压力安全阀，通过设置压力安全阀，能够对外管进行有效的保护，即当内管泄漏时，从内管泄漏到外管气体会造成外内的压力增大，当外管内的压力超过压力安全阀的临界值时，此时压力安全阀自动打开，进行泄压。 [0026] 5、本发明监测方法通过两个压力变送器来监测外管内部的压力变化，当内管发生泄漏时，两个压力变送器都会监测到压力增大的异常信号，控制器获取上述异常信号，并根据获取上述异常信号的时间来计算泄漏点的具体位置，该监测方法简单、方便、有效。 附图说明[0028] 图1为本发明输送装置的整体结构示意图。 [0029] 图2为本发明管道装置的结构示意图。 [0030] 图3为图2中的A-A剖视图。 [0031] 图4为本发明监测系统的原理框图。 [0032] 图5为本发明监测方法的方法流程图。 [0033] 图6为本发明监测方法中内管泄漏点位置的计算公式推导示意图。 [0034] 附图标记说明: [0035] 1—第一气态二氧化碳储罐； 2—第二气态二氧化碳储罐； [0036] 3—液态二氧化碳储罐； 4—第一截断阀； [0037] 5—第二截断阀； 6—第三截断阀； [0038] 7—第一连接管； 8—第二连接管； [0039] 9—第三连接管； 10—压力安全阀； [0040] 11—增压泵； 12—压力表； [0041] 13—稳压阀； 14—第一压力变送器； [0043] 16-1—外管； 16-1-1—外管单元； [0044] 16-2—内管； 16-2-1—内管单元； [0045] 16-3—外法兰； 16-4—内法兰； [0046] 16-5—支撑条； 17—第二压力变送器； [0047] 18—压力控制阀； 19—灭火阀； [0048] 20—灭火管； 21—密闭墙； [0049] 22—控制器。 具体实施方式[0050] 如图1和图2所示的一种矿用液态二氧化碳输送装置，包括第一气态二氧化碳储罐1、第二气态二氧化碳储罐2和液态二氧化碳储罐3以及用于从立井、平硐或斜井进入矿体内并延伸至井下火区的管道装置16，所述管道装置16包括外管16-1和设置在所述外管16-1内部的内管16-2，所述外管16-1位于矿体外的一端与第一气态二氧化碳储罐1相连通，所述外管16-1位于矿体内的一端封闭，所述内管16-2位于矿体外的一端与第二气态二氧化碳储罐 2和液态二氧化碳储罐3相连通，所述内管16-2位于矿体外的一端设置有用于供压力高于 1.6MPa～2MPa的气体或液体进入所述内管16-2的稳压阀13和用于对所述内管16-2内的压力进行观测的压力表12，所述内管16-2位于矿体内的一端设置有用于在内管16-2的内部压力大于2MPa～2.5MPa时将其内的气体或液体泄出的压力控制阀18，所述内管16-2位于矿体内的一端连接有穿过井下火区密闭墙21的灭火管20，所述灭火管20上安装有灭火阀19，该输送装置还包括用于监测所述内管16-2是否泄漏的监测系统。 [0051] 本实施例中，该矿用液态二氧化碳输送装置在使用时，先用第二气态二氧化碳储罐2内的气态二氧化碳对内管16-2进行升压，使所述内管16-2内的压力达到1.6MPa～2MPa，同时，将第一气态二氧化碳储罐1内的二氧化碳填充在外管16-1内,使外管16-1内的气体压力达到0.8MPa～1MPa，此时再给内管16-2内通入液态二氧化碳，进入内管16-2内的液态二氧化碳会保持在液相状态，在内管16-2的管内压力大于2MPa～2.5MPa时，由压力控制阀18对内管16-2内的液相二氧化碳进行泄压，泄压流出的液相二氧化碳再通过灭火管20进入井下火区进行灭火。该输送装置能够实现对液相二氧化碳的直接输送，确保了井下火区灭火时液态二氧化碳的充足供应，同时通过监测系统，还能够通过外管16-1内的气态二氧化碳压力的变化来监测内管16-1是否发生泄漏。 [0052] 结合图1和图4，所述监测系统包括： [0053] 第一压力变送器14和第二压力变送器17，用于获取所述外管16-1管内压力信号； [0054] 以及控制器22，用于获取上述压力变送器输出的压力信号并根据所述压力信号判断内管16-2是否泄漏，当内管16-2泄漏时，判断内管16-2的泄漏点位置并同时发出预警信号； [0055] 所述第一压力变送器14和第二压力变送器17均与所述控制器22的输入端相接，所述第一压力变送器14设置在所述外管16-1位于矿体外的一端，所述第二压力变送器17设置在所述外管16-1位于矿体内的一端。 [0056] 本实施例中，通过设置由外管16-1和内管16-2组成的管道装置16，避免单管输送时发生泄漏造成对人员安全造成危害，所述内管16-2输送液相二氧化碳，外管16-1对内管16-2形成保护，所述监测系统通过两个压力变送器监测外管16-1内的气体变化，方便在内管16-2发生泄漏时及时关闭内管16-2。 [0057] 本实施例中，要使二氧化碳在内管16-2内在液相状态下，需要同时满足温度条件和压力条件，本实施例中，该输送装置通过气态二氧化碳对内管16-2进行升压进而确保了液相二氧化碳输送时的压力条件，对于温度条件来说，由于从液态二氧化碳储罐3输出的液态二氧化碳满足温度条件，随着液态二氧化碳的不断注入，会不断的调整内管16-2的温度，从而使内管16-2也满足二氧化碳液相输送的温度条件。本实施例通过温度传感器15对内管16-2内的温度进行检测。 [0058] 结合图2和图3，所述外管16-1由多个外管单元16-1-1首尾顺次连接构成，相邻两个外管单元16-1-1通过外法兰16-3连接，所述内管16-2由多个内管单元16-2-1首尾顺次连接构成，相邻两个内管单元16-2-1通过内法兰16-4连接，所述外法兰16-3和内法兰16-4之间具有间隙。 [0059] 本实施例中，所述管道装置16在安装时，先用内法兰16-4将多个内管单元16-2-1连接以构成内管16-2，然后在内管16-2上套上多个外管单元16-1-1，多个外管单元16-1-1依次通过外法兰16-3相连接从而构成外管16-1，所述外法兰16-3和内法兰16-4之间具有间隙，这样能够确保多个所述外管单元16-1-1是相互贯通的。 [0060] 如图2和图3所示，所述内管单元16-2-1的圆周方向设置有用于支撑在所述外管单元16-1-1内壁的支撑条16-5。通过设置支撑条16-5，能够确保内管单元16-2-1位于外管单元16-1-1的中部，使外管单元16-1-1的内壁不会与内管单元16-2-1的外壁发生接触。 [0061] 如图1所示，所述稳压阀13靠近所述第二气态二氧化碳储罐2和液态二氧化碳储罐3的一侧设置有用于为气态二氧化碳或液态二氧化碳增压的增压泵11，所述增压泵11安装在所述内管16-2上。 [0062] 本实施例中，当对内管16-2进行升压时，或者向内管16-2注入液态二氧化碳时，当第二气态二氧化碳储罐2或液态二氧化碳储罐3内的压力下降从而低于稳压阀13的预设值时，通过增压泵11对从第二气态二氧化碳储罐2输出的气态二氧化碳或从液态二氧化碳储罐3输出的液态二氧化碳进行有效的增压，以满足稳压阀13的预设值要求，进而能够使气态二氧化碳或液态二氧化碳进入内管16-2的内部。 [0063] 如图1所示，所述外管16-1位于矿体外的一端通过第一连接管7与第一气态二氧化碳储罐1相连通，所述内管16-2位于矿体外的一端通过第二连接管8与第二气态二氧化碳储罐2相连通，所述内管16-2位于矿体外的一端通过第三连接管9与液态二氧化碳储罐3相连通，所述第一连接管7上设置有第一截断阀4，所述第二连接管8上设置有第二截断阀5，所述第三连接管9上设置有第三截断阀6。 [0064] 如图1所示，所述第一连接管7上设置有压力安全阀10。通过设置压力安全阀10，能够对外管16-1进行有效的保护，即当内管16-2泄漏时，从内管16-2泄漏到外管16-1气体会造成外管16-1内的压力增大，当外管16-1内的压力超过压力安全阀10的临界值时，此时压力安全阀10自动打开，进行泄压。 [0065] 本实施例中，所述输送装置的输送距离一般为1000m～3000m。所述稳压阀13采用的是型号为DGMX2-3-PP-CW-B-40的vickers压力控制阀或型号为DA21F-40P液态二氧化碳安全阀；所述压力控制阀18采用的是型号为DGMX2-3-PP-CW-B-40的vickers压力控制阀或型号为DA21F-40P液态二氧化碳安全阀。所述增压泵11采用型号为BPO-15-75/16.5的低温液体工艺泵或型号为DWB100-1200/100的二氧化碳低温液体充装泵。 [0066] 如图5所示的一种矿用液态二氧化碳输送装置的泄漏监测方法，包括以下步骤： [0067] 步骤一、控制器22获取第一压力变送器14和第二压力变送器17输出的压力信号； [0068] 步骤二、控制器22根据所述压力信号判断内管16-2是否泄漏：当第一压力变送器14和第二压力变送器17输出的压力信号发生异常时，则说明内管16-2泄漏，如压力信号没有发生异常时，则说明内管16-2没有泄漏； [0069] 步骤三、当内管16-2泄漏时，控制器22判断内管16-2的泄漏点位置并同时发出预警信号，所述内管16-2的泄漏点位置根据下列公式进行计算： [0070] [0071] Le为内管16-2泄漏点位置到外管16-1始端的长度，L为外管16-1的总长度，Δt为第一压力变送器14监测到异常信号的时间t1与第二压力变送器17监测到异常信号的时间t2的时间差，as为压力波的传播速度，其为340m/s。 [0072] 在本实施例的步骤三中，如图6所示，上述公式的推导过程如下：其中泄漏点位置为c，a点为外管16-1的一端，即为第一压力变送器14的安装位置，b点为外管16-1的另一端，即为第二压力变送器17的安装位置，Lac为所求的Le,泄漏点传播到a点的时间为t1，泄漏点传播到b点的时间为t2，从泄漏点到两端的时间之差对应漏点c到两端的长度之差，泄漏点传播到a点与传播到b点的时间差为Δt＝t1-t2，因此，Lcb-Lac＝-Δt×ds⑴,而Lac+Lcb＝L⑵，将上述公式⑵代入公式⑴，得出 由于Lac＝Le,从而得出； [0073] [0074] 本实施例中，该监测方法通过两个压力变送器来监测外管16-1内部的压力变化，当内管16-2发生泄漏时，两个压力变送器都会监测到压力增大的异常信号，控制器22获取上述异常信号，并根据获取上述异常信号的时间来计算泄漏点的具体位置。 |
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