一种基于超临界二氧化碳高压射流稳压装置及射流方法

本发明属于高压流体喷射控制，尤其涉及一种基于超临界二氧化碳高压射流稳压装置及射流方法。

背景技术：

1、射流从介质上分为气体射流和液体射流。两种射流方式应用都十分普遍，但是由于液体的可压缩性远远低于气体，实际的工程应用中经常出现由于柱塞泵加压波动、高压液体储罐喷射等压力波动大、控制难度高的场景，导致作业效率低、射流切割精度差，工况参数控制困难。因此，高压液体的压力稳定输出是优化高压流体喷射作业工况参数、提高作业效率的前提。

2、为稳定高压流体输出压力，专利号为cn201910801264.x的专利公开了“搭载于tbm上的高压水射流系统的稳压系统及稳压方法”，利用上位机来控制稳压机构调节蓄能器内水的压力值，进行稳压。但该装置控制过程复杂，成本高，推广难度大。本发明通过先在测试阶段进行稳压测试的研究，通过对试样射流喷射后的碎裂状态分析，调整整个系统的射流压力从而可将射流釜移去后将喷管直接置于使用环境对煤层进行射流割缝使用，通过简单可靠、低成本的装置实现流体稳压，同时具备大工作压力范围、不同加-泄压方式，是高压流体喷射精确控制的关键，同时该装置为工程实际应用的研究提供了实质性指导。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于超临界二氧化碳高压射流稳压装置及射流方法，该装置适用于射流领域，可实现射流压力稳定输出。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于超临界二氧化碳高压射流稳压装置，包括二氧化碳储气瓶，与二氧化碳储气瓶出口相连的冷浴箱，冷浴箱出口与液态二氧化碳储罐相连通，储罐出口与增压泵进口相连，增压泵出口与热浴箱相连，热浴箱出口与射流稳压器相连，射流稳压器一端设有氮气进口管线，另一端设有高压超临界二氧化碳出口管路，高压超临界二氧化碳出口管路与射流系统连接，射流系统包括喷管和冲击力特性测试组件；冲击力特性测试组件包括冲击力特性测试釜和射流釜，冲击力特性测试釜和射流釜连用可以判断射流压力对于试样射流喷射后的碎裂状态进行分析，调整整个系统的射流压力从而可将射流釜移去后将喷管直接置于使用环境对煤层进行射流割缝使用。

4、进一步的，所述冷浴箱和热浴箱内部均设有供二氧化碳流通的回形管道，回形管道外为调温介质夹套腔体，冷浴箱的夹套腔体内设有冷却液，冷却液由风冷式压缩机提供冷源，热浴箱调温介质为高温硅油。

5、进一步的，所述射流稳压器包括一个水平放置的t型密封罐，t形密封罐为两个同心联通的圆柱形罐体，左侧罐体内径大于右侧罐体内径，左侧罐体和右侧罐体内均设有一个竖直的密封活塞，两个密封活塞之间由弹簧连接，左侧罐体为氮气储气室与氮气进口管线连接，右侧罐体为高压超临界二氧化碳储气室与高压超临界二氧化碳进口联通，左侧罐体左端设有限位器和电火花发生器，限位器位于左侧罐体内部，电火花发生器嵌于左侧罐体壁面上，通过外接高频电源控制。其通过高频电源与电极产生高频交变电场，形成击穿条件产生等离子体，从而释放出高温高压的电火花。电火花发生器工作可使氮气储气室内氮气快速加热，使氮气压力迅速升高从而达到所需压力。限位器可防止氮气储气室内密封活塞触碰到电火花发生器，以防损坏设备，右侧罐体最左端内壁设有密封活塞阻挡开关。

6、进一步的，所述氮气进口管线由氮气储罐供气，氮气储罐通过气体增压泵和氮气进口管线相连，氮气储罐内设有降温组件、氮气补充管线和自动报警器，降温组件通过冷却液对回收的高温氮气进行降温，氮气补充管线可补充储罐内氮气，自动报警器在储罐内氮气不足时可发出警报，提醒操作人员及时补充氮气，氮气储气室与氮气储罐通过气体增压泵和管线相连，氮气储气室内压力过高时将多余氮气输送至氮气储罐内，压力过低时将储罐内氮气输送至储气室内。

7、进一步的，所述氮气储气室、高压超临界二氧化碳储气室、冷浴箱、热浴箱和氮气储罐上均设有温度计和压力表。

8、进一步的，所述冲击力特性测试釜包括设置于冲击力测试釜顶部中心的喷管以及设置于喷管出口的i-scan压力传感器，i-scan压力传感器通过电信号与i-scan信号接收器和信息处理单元连接，高压超临界二氧化碳通过喷管进行射流冲击靶体，经过i-scan压力传感器将信号传至i-scan信号接收器，射流冲击结束后可进行信息处理，从而得到科学精确的射流冲击压力波动。根据压力波动结果调整射流稳压器的工作频率使其满足压力波动要求。

9、进一步的，所述射流釜内部设有一个圆柱形套筒，套筒用于固定试样，套筒中心正对喷管设置，从而保证射流冲击至试样靶体时的冲击位置不变。超临界二氧化碳冲击至试样，试样的反应、破碎等在射流釜内进行，可保证射流持续平稳进行。

10、一种基于超临界二氧化碳高压射流稳压装置的射流方法，包括以下步骤：

11、(1)计算确定所需流体压力，操作员检查管路和接口的气密性，确认无误后打开管路阀门，关闭射流系统阀门，设定好压力表和温度计目标运行压力和温度；(2)将冲击力特性测试釜连接完成，根据测试要求调节靶体靶距并密封；

12、(3)将试样放入射流釜中的套筒内，根据测试要求调节试样靶距并将射流釜螺栓拧紧使其密封；

13、(4)开启二氧化碳气瓶阀门，使二氧化碳流入冷浴箱，待冷浴箱内温度达到设定温度后使液态二氧化碳储存在储罐中；

14、(5)开启柱塞式增压泵，利用增压泵使液态二氧化碳压力升高至所需压力，高压二氧化碳流入热浴箱，在热浴箱中升温至设定温度，升温后的高压二氧化碳达到超临界态并流入射流稳压器中并储存在射流稳压器；

15、(6)高压超临界二氧化碳注入完成后，打开氮气补充管线向氮气储罐内充入氮气，同时打开气体增压泵，使氮气进入氮气储气室内，至达到氮气储气室压力表设定目标压力后，自动停止高压氮气注入；

16、(7)当储罐压力低于目标值时，自动报警器发出警报，操作员通过氮气补充管线及时补充氮气，防止储罐抽瘪；

17、(8)当储气室压力低于目标值时，通过气体增压泵补充氮气，当储气室压力高于目标值时，通过气体增压泵自动排放储气室内多余氮气，防止储气室超压；

18、(9)设置完成后，操作员打开射流稳压器开关实现射流系统的运行，此时电火花发生器自动开启，对氮气进行加热，使氮气膨胀，压力升高，在流体向外排出过程中两活塞右移使其压力保持平衡；

19、(10)高压超临界二氧化碳流体通过管线到达冲击力特性测试釜冲击靶体进行射流冲击压力分布及波动测试，射流经过i-scan压力传感器将信号传至i-scan信号接收器，并进行信息处理，根据测试结果反馈数据调整电火花发生器工作频率；

20、(11)高压超临界二氧化碳流体通过管线到达射流釜冲击试样并发生反应、破碎等相关作业；

21、(12)打开射流釜，取出射流后试样，完成相关高压超临界二氧化碳射流作业；

22、(13)在射流釜的套筒中放入新的试样，根据要求调节靶距并关闭射流釜，拧紧射流釜上螺栓以密封，重复步骤(2)-(12)即可完成测试；

23、(14)测试完成后，根据测试结果分析后，在工程实际应用时，将该装置中射流釜移去，将喷管直接对准需要割缝的煤层进行工作即可。

24、本发明具有的优点是：

25、1.本发明装置通过先在测试阶段进行稳压测试的研究，通过对试样射流喷射后的碎裂状态分析，调整整个系统的射流压力从而可将射流釜移去后将喷管直接置于使用环境对煤层进行射流割缝使用，通过简单可靠、低成本的装置实现流体稳压，同时具备大工作压力范围、不同加-泄压方式，是高压流体喷射精确控制的关键，同时该装置为工程实际应用的研究提供了实质性指导；

26、2.本装置使用可压缩性强、性质稳定、来源广泛的氮气作为一级压力缓冲介质，使用弹簧作为二级压力缓冲介质，双重稳压结构大大提高了高压-低可压缩性流体输出压力的稳定性；

27、3.本装置采用“t”形密封罐，通过变截面方法增加稳压流体容量的同时减小装置体积，实际使用中可根据压力范围调整密封活塞面积比，对柱塞泵加压引起的压力波动和高压储罐释放导致的压力骤降均有较强的稳定作用，适用范围广泛；

28、4.本装置使用高能电弧迅速加热氮气升压，在柱塞泵初级增压基础上实现射流介质的二级增压，突破了传统高压柱塞泵功率对射流压力的限制，满足特殊条件下超高压射流作业需求，且对设备要求低、工作压力可调范围大，结构简单可靠，具备较强的推广前景。