阅读说明：本技术 超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法 (Supercritical carbon dioxide cooling system and pipeline corrosion damage control method thereof ) 是由 劳星胜 林原胜 赵振兴 柯汉兵 柯志武 戴春辉 张克龙 代路 柳勇 吴君 马灿 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超临界二氧化碳管路技术领域,公开了一种超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法,其中冷却系统包括冷却管路,还包括用于对冷却管路的腐蚀损伤进行控制的腐蚀损伤控制装置,腐蚀损伤控制装置包括干冰输送管路以及用于实时获取冷却管路腐蚀损伤速率的监测装置,监测装置和干冰输送管路分别连接于冷却管路。本发明提供的一种超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法,设置干冰输送管路在腐蚀损伤速率超过允许范围时,通过向冷却管路中注入干冰可降低冷却管路的腐蚀损伤速率,从而可有效控制超临界二氧化碳冷却管路腐蚀损伤发展、延长管路使用寿命,对提高超临界二氧化碳冷却管路可靠性具有重要意义。(The invention relates to the technical field of supercritical carbon dioxide pipelines, and discloses a supercritical carbon dioxide cooling system and a pipeline corrosion damage control method thereof, wherein the cooling system comprises a cooling pipeline and a corrosion damage control device for controlling the corrosion damage of the cooling pipeline, the corrosion damage control device comprises a dry ice conveying pipeline and a monitoring device for acquiring the corrosion damage rate of the cooling pipeline in real time, and the monitoring device and the dry ice conveying pipeline are respectively connected with the cooling pipeline. According to the supercritical carbon dioxide cooling system and the pipeline corrosion damage control method thereof provided by the invention, when the corrosion damage rate of the dry ice conveying pipeline exceeds the allowable range, the corrosion damage rate of the cooling pipeline can be reduced by injecting dry ice into the cooling pipeline, so that the corrosion damage development of the supercritical carbon dioxide cooling pipeline can be effectively controlled, the service life of the pipeline is prolonged, and the method has important significance for improving the reliability of the supercritical carbon dioxide cooling pipeline.)

超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法

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冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法。

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。

近年来采用超临界二氧化碳流体进行冷却获得了关注。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。由于超临界二氧化碳流体的快速压降而瞬间吸热膨胀，从而达到瞬间低温的效果。

超临界二氧化碳冷却系统中的管路在使用过程中会产生腐蚀损伤，现有针对超临界二氧化碳冷却管路腐蚀损伤的处理手段大多为预防腐蚀以及腐蚀损伤后处理，缺乏对冷却管路腐蚀控制的手段。

发明内容

本发明实施例提供一种超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法，用于解决或部分解决现有对超临界二氧化碳冷却管路腐蚀损伤的处理缺乏对冷却管路腐蚀控制手段的问题。

本发明实施例提供一种超临界二氧化碳冷却系统，包括冷却管路，还包括用于对冷却管路的腐蚀损伤进行控制的腐蚀损伤控制装置，所述腐蚀损伤控制装置包括干冰输送管路以及用于实时获取冷却管路腐蚀损伤速率的监测装置，所述监测装置和所述干冰输送管路分别连接于所述冷却管路。

在上述方案的基础上，所述监测装置包括用于对冷却管路的腐蚀损伤进行实时监测的腐蚀损伤传感器以及用于根据腐蚀损伤传感器的监测结果获得腐蚀损伤速率的处理器，所述腐蚀损伤传感器连接于所述冷却管路。

在上述方案的基础上，所述干冰输送管路上设有电动阀。

在上述方案的基础上，所述腐蚀损伤控制装置还包括控制器，所述控制器与所述处理器和所述电动阀分别相连。

在上述方案的基础上，在所述冷却管路的弯头部位和/或多通部位设置所述腐蚀损伤控制装置。

在上述方案的基础上，还包括冷却器和输送泵，所述冷却器和所述输送泵分别设于所述冷却管路，所述冷却管路还用于流经超临界二氧化碳用户。

本发明实施例还提供一种超临界二氧化碳冷却系统管路腐蚀损伤控制方法，其中冷却系统包括冷却管路，该控制方法包括：对冷却管路的腐蚀损伤速率进行实时监测；在冷却管路的腐蚀损伤速率大于第一预设值时，向冷却管路中注入干冰。

在上述方案的基础上，该控制方法还包括：在冷却管路的腐蚀损伤速率小于第二预设值时，停止向冷却管路中注入干冰；其中，第二预设值小于第一预设值。

在上述方案的基础上，对冷却管路的腐蚀损伤速率进行实时监测具体包括：对冷却管路腐蚀损伤的尺寸进行实时监测；根据腐蚀损伤的尺寸获得腐蚀损伤速率。

在上述方案的基础上，对冷却管路的腐蚀损伤速率进行实时监测具体包括：对冷却管路中的弯头部位和/或多通部位的腐蚀损伤速率进行实时监测。

本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳冷却系统及其管路腐蚀损伤控制方法，通过设置监测装置可实时获知冷却管路的腐蚀损伤情况，设置干冰输送管路在腐蚀损伤速率超过允许范围时，通过向冷却管路中注入干冰可降低冷却管路的腐蚀损伤速率，从而可有效控制超临界二氧化碳冷却管路腐蚀损伤发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳冷却管路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冷却系统的示意图；

图2为本发明实施例中注入冷却管路中的干冰浓度与腐蚀损伤速率之间的关系示意图。

附图标记说明：

其中，1、冷却管路；2、腐蚀损伤传感器；3、处理器；4、电缆；5、控制器；6、干冰输送管路；7、电动阀；8、冷却器；9、输送泵；10、超临界二氧化碳用户。

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冷却系统，该冷却系统包括冷却管路1，还包括用于对冷却管路1的腐蚀损伤进行控制的腐蚀损伤控制装置。腐蚀损伤控制装置包括干冰输送管路6以及用于实时获取冷却管路1腐蚀损伤速率的监测装置，监测装置和干冰输送管路6分别连接于冷却管路1。干冰输送管路用于在冷却管路的腐蚀损伤速率超出预设范围时向冷却管路中注入干冰。

超临界二氧化碳冷却系统即以超临界二氧化碳作为冷却介质的冷却系统。该冷却系统包括冷却管路1，超临界二氧化碳在冷却管路1内流动。通过冷却管路1将超临界二氧化碳输送至需要冷却的位置处。冷却管路1在使用时，会受到超临界二氧化碳的腐蚀造成损伤。本实施例提出设置腐蚀损伤控制装置对冷却管路1的腐蚀损伤进行控制。与现有针对腐蚀损伤进行预防以及破损后更换管路的处理技术不同，本实施例中的腐蚀损伤控制装置是用于对冷却管路1的腐蚀损伤过程中进行控制。

具体的，腐蚀损伤控制装置通过监测装置对冷却管路1的腐蚀损伤速率进行实时监测，以根据腐蚀损伤速率来判断冷却管路1的腐蚀损伤情况。在冷却管路1的腐蚀损伤速率增大至超过允许范围时，腐蚀损伤控制装置通过干冰输送管路6向冷却管路1中输入干冰。根据试验结果表明，在超临界二氧化碳管路中存在一定浓度的干冰时，管路的腐蚀速率会显著降低。从而通过向冷却管路1中通入干冰，可有效控制腐蚀损伤速率的继续增长，实现对管路腐蚀损伤的控制。

本实施例提供的一种超临界二氧化碳冷却系统，通过设置监测装置可实时获知冷却管路1的腐蚀损伤情况，设置干冰输送管路6在腐蚀损伤速率超过允许范围时，通过向冷却管路1中注入干冰可降低冷却管路1的腐蚀损伤速率，从而可有效控制超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀损伤发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳冷却管路1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，监测装置包括用于对冷却管路1的腐蚀损伤进行实时监测的腐蚀损伤传感器2以及用于根据腐蚀损伤传感器2的监测结果获得腐蚀损伤速率的处理器3，腐蚀损伤传感器2连接于冷却管路1。

在上述实施例的基础上，进一步地，干冰输送管路6上设有电动阀7。电动阀7用于控制干冰输送管路6的通断以及开度。

在上述实施例的基础上，进一步地，腐蚀损伤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分别相连。

腐蚀损伤传感器2在冷却管路1腐蚀损伤部位对腐蚀损伤进行实时监测。腐蚀损伤传感器2通过电缆4与处理器3电连接，即信号连接。腐蚀损伤传感器2安装于冷却管路1，处理器3通过电缆4电连接于腐蚀损伤传感器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。

在冷却管路1的关键结构部位处可以安装腐蚀损伤传感器2，以对腐蚀损伤进行实时监测，腐蚀损伤传感器2检测到的信号实时传输至处理器3进行处理，得到相应部位的腐蚀损伤尺寸值，通过腐蚀损伤尺寸值对时间求一阶导数可以获得腐蚀损伤速率，并将腐蚀损伤速率实时发送给控制器。腐蚀损伤尺寸值通常由深度0.5mm开始逐渐增大。腐蚀部位的直径在3mm-5mm之间。

当控制器5检测到腐蚀损伤速率超过一定数值后，判定冷却管路1相应的关键结构部位腐蚀损伤扩展加剧，控制器5向电动阀7发出开启指令，通过打开电动阀7向冷却管路1中注入干冰，以降低控制冷却管路1的腐蚀损伤速率。

进一步地，本实施例中腐蚀损伤传感器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冷却管路1上激励出超声导波。导波传感器用于采集超声导波在腐蚀损伤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冷却管路1上的腐蚀损伤尺寸值，并根据腐蚀损伤尺寸值获得腐蚀损伤速率。

具体地，导波腐蚀损伤检测的原理是通过在冷却管路1内激励机械振动产生弹性导波，导波在冷却管路1内传播的过程中，遇到冷却管路1上的腐蚀损伤，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，就可以实现对管道腐蚀损伤的检测。通过对发送脉冲的特性和回波信号的特性进行对比分析，得到冷却管路1上的腐蚀损伤尺寸值，进而获得腐蚀损伤速率。

进一步地，腐蚀损伤传感器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冷却管路1上的腐蚀损伤尺寸值，进而获得腐蚀损伤速率。

监测装置可为任何能够监测获取腐蚀部位的腐蚀损伤速率的结构，具体不做限定。

图2示出了一种具体工况下注入冷却管路1中的干冰浓度与腐蚀损伤速率之间的关系图，根据试验结果可以看出，通过向冷却管路1中注入干冰可以显著地降低冷却管路1的腐蚀损伤速率，且增加到一定浓度后，腐蚀损伤速率不再增加，实现了对冷却管路1的腐蚀损伤的有效抑制。

在上述实施例的基础上，进一步地，在冷却管路1的弯头部位和/或多通部位设置腐蚀损伤控制装置。多通部位即多通连接接口部位。管路的弯头部位以及多通部位为容易发生腐蚀损伤的部位。可在管路的弯头部位和/或多通部位设置腐蚀损伤控制装置，以对冷却管路1的关键部位进行重点监测，提高控制效率和效果。

进一步地，参考图1，本实施例中超临界二氧化碳冷却系统还包括冷却器8和输送泵9。输送泵9用于输送超临界二氧化碳。冷却管路1形成循环回路，冷却器8和输送泵9设置在回路上。且回路流经超临界二氧化碳用户10处。超临界二氧化碳用户10可为待冷却的设备结构以及其他需要与超临界二氧化碳进行换热的位置处。超临界二氧化碳用户10可设置在输送泵9和冷却器8的入口之间。腐蚀损伤控制装置可设于冷却器8的入口之前的冷却管路1上。

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冷却系统管路腐蚀损伤控制方法，其中冷却系统包括冷却管路1，该控制方法包括：对冷却管路1的腐蚀损伤速率进行实时监测；在冷却管路1的腐蚀损伤速率大于第一预设值时，向冷却管路1中注入干冰。

在上述实施例的基础上，进一步地，该控制方法还包括：在冷却管路1的腐蚀损伤速率小于第二预设值时，停止向冷却管路1中注入干冰。即在冷却管路1的腐蚀损伤速率大于第一预设值向冷却管路1中注入干冰之后，继续对冷却管路1的腐蚀损伤速率进行监测，在腐蚀损伤速率降低至第二预设值以下时，可停止向冷却管路1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中存在某一浓度的干冰时，管路关键部位的腐蚀速率会显著降低。超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀损伤速率监测装置监测关键结构部位的损伤速率并向控制器5输送损伤速率值，当损伤速率值突然增大至超过第一预设值，表明超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀损伤加剧，控制器5向干冰输送管路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冷却管路1，当超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位的损伤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，对冷却管路1的腐蚀损伤速率进行实时监测具体包括：对冷却管路1腐蚀损伤的尺寸进行实时监测；根据腐蚀损伤的尺寸获得腐蚀损伤速率。

在上述实施例的基础上，进一步地，对冷却管路1的腐蚀损伤速率进行实时监测具体包括：对冷却管路1中的弯头部位和/或多通部位的腐蚀损伤速率进行实时监测。

在上述实施例的基础上，进一步地，该控制方法还包括：通过实验预先获知能够使冷却管路1的腐蚀损伤速率达到最低范围的最优干冰浓度值；根据最优干冰浓度值对向冷却管路1中注入干冰的流量进行控制。干冰浓度即为注入的干冰在冷却管路1内超临界二氧化碳流体中的浓度。

因为随着冷却管路1具体运行工况的不同，能够使冷却管路1的腐蚀损伤速率降到最低范围的最优干冰浓度值也是不同的，即同一浓度的干冰对不同工况下冷却管路1的腐蚀损伤速率降低的效果是不同的，要想使不同工况下的冷却管路1的腐蚀损伤速率降到最低范围，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冷却管路1的腐蚀损伤速率受干冰浓度的影响进行研究，获得在不同工况下，冷却管路1的腐蚀损伤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。然后在冷却管路1实际运行时，根据实际运行工况所对应的最优干冰浓度值，来控制冷却管路1的腐蚀损伤速率大于第一预设值时向冷却管路1注入干冰的流量。

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冷却管路1腐蚀损伤发展控制技术和手段的不足，提出一种超临界二氧化碳冷却系统管路腐蚀安全控制装置及方法。该超临界二氧化碳冷却系统管路腐蚀安全控制装置主要包括超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀损伤速率监测装置、控制器5和干冰加注机构；监测装置包括腐蚀损伤传感器2和处理器3，干冰加注机构包括干冰输送管路6以及设于干冰输送管路6的电动阀7。

本实施例提供一种超临界二氧化碳冷却系统，包括超临界二氧化碳输送泵9、超临界二氧化碳用户10和超临界二氧化碳冷却管路1，其中超临界二氧化碳冷却管路1上设有腐蚀安全控制装置。

管路腐蚀损伤速率监测装置通过电缆4与腐蚀损伤传感器2连接，获取超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤尺寸并将超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤尺寸对时间求一阶导数可以得到超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤速率。当超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤速率突然增大，判定超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤加剧，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冷却管路1中。当超临界二氧化碳冷却管路1关键结构部位腐蚀损伤速率降低至许可的稳定值时，腐蚀损伤速率监测装置向控制器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。

系统中加注一定浓度的干冰可以造成超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀速率显著降低，实现延长超临界二氧化碳冷却管路1使用寿命，提高超临界二氧化碳冷却管路1可靠性的目的。

该超临界二氧化碳冷却系统管路腐蚀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冷却管路1腐蚀速率，有效控制超临界二氧化碳冷却管路1腐蚀损伤发展、延长管路使用寿命，对提高超临界二氧化碳冷却管路1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。