淺談挪威船級社C O2管道泄漏實驗*

張媛媛 張建 張煜 李清方 劉海麗

（1.中石化石油工程設計有限公司；2.中國石化勝利油田管理局）

淺談挪威船級社C O2管道泄漏實驗*

張媛媛1張建1張煜2李清方1劉海麗1

（1.中石化石油工程設計有限公司；2.中國石化勝利油田管理局）

管道輸送作為所捕集的C O2與利用封存場地的紐帶，在碳捕集、驅(qū)油與封存項目中起著重要的作用。鑒于我國C O2長輸管道的設計標準和規(guī)范處于空白，文章對挪威船級社于2006年和2010年的管道泄漏實驗進行歸納總結，介紹了工業(yè)規(guī)模泄放實驗的研究目的、實驗裝置、恒壓及泄壓釋放的操作流程、管道內(nèi)對壓力和溫度的監(jiān)測布點以及大氣中對C O2濃度監(jiān)測的布點方式等。這為我國研究人員開展C O2管道泄放的實驗設計及研究方法提供了參考借鑒，有助于加快我國C O2管道輸送安全性研究的步伐。

挪威船級社；C O2；管道輸送；泄漏風險

0 引 言

我國是世界上C O2排放大國，需要采取積極有效的C O2減排措施。C O2驅(qū)油技術（C O2-E O R）能同時實現(xiàn)C O2封存與資源化利用，是我國中長期減少C O2排放的重要途徑，在我國發(fā)展勢頭良好［1］。2003年以來，中國石油、中國石化、延長油田先后針對中高滲透高含水油藏開發(fā)后期及低滲透油藏開展了多個C O2驅(qū)先導試驗，目前各油田正在積極部署大規(guī)模示范工程。

C O2的輸送作為C O2源匯匹配的紐帶，是C O2-E O R的中間環(huán)節(jié)。C O2氣源安全輸送至油田的注氣區(qū)塊，是保證原油提高采收率的先決條件?？梢?，C O2管道輸送安全控制與監(jiān)測技術是實現(xiàn)C O2-E O R大規(guī)模工業(yè)化應用的關鍵保障之一，但國際上C O2管道輸送的研究集中在防腐控制，尚無統(tǒng)一的C O2管道輸送行業(yè)標準［2］。美國在C O2管道輸送方面已有豐富的工程經(jīng)驗［3］，管道設計標準主要參考油氣管道輸送標準。加拿大和澳大利亞與美國相似。挪威船級社（D E TN O RS K EV E RIT A S，簡稱D N V）于2010年制定了C O2管道設計規(guī)范D N V-R P-J202。目前C O2捕集、運輸和地質(zhì)封存（C CS）技術委員會正在積極開展C O2管道設計標準的制定工作。在中國，C O2的輸送以低溫槽車輸送為主，沒有真正意義上的長輸管道［2］。石化行業(yè)標準《二氧化碳輸送管道工程設計規(guī)范》的編制工作正在進行中。

為了確保C O2輸送管道的安全可靠性，需要給出安全距離、截止閥的間距、C O2在線監(jiān)測儀的布點、C O2泄漏阻斷以及安全距離的設計原則與計算方法。因此，有必要開展工業(yè)規(guī)模的C O2管道泄漏實驗研究，為標準的制定提供大量的實驗數(shù)據(jù)和理論分析。國內(nèi)大連理工大學正在開展工業(yè)規(guī)模的C O2氣相輸送泄漏實驗［4］。在國外，D N V聯(lián)合BP和Shell公司開展了工業(yè)規(guī)模C O2管道泄漏實驗，系統(tǒng)研究了C O2的泄漏、擴散規(guī)律。本文旨在解讀D N V的管道泄漏實驗，包括實驗的裝置、工況、實驗過程中需要注意的問題等，并結合我國C O2管道輸送的特殊性，提出幾點想法，為我國C O2管道泄漏實驗的開展以及管道輸送標準的制定提供參考信息和意見。

1 實 驗

1.1 目的

為了填補其他國家對C O2高壓密相、超臨界輸送技術的空白，D N V聯(lián)合英國的BP和Shell分別于2006年和2010年開展了工業(yè)規(guī)模C O2管道泄漏實驗（下面對這兩次實驗簡稱為BP實驗、Shell實驗），其目的主要包括：①C O2管道泄漏過程干冰的釋放、在地表的累積和侵蝕；②C O2羽流的溫度、傳熱率；③C O2泄漏的沖擊負荷；④C O2釋放對管道的影響；⑤測量泄漏過程管道內(nèi)C O2狀態(tài)變化和泄漏后的擴散情況，同時驗證泄漏擴散模型的可靠性，準確預測流體發(fā)生泄漏時的釋放速率，擴散的范圍和濃度分布以及緊急隔離區(qū)域的安全范圍。

1.2 裝置

實驗裝置主要分為4部分，分別為：主管、支管、充有氮氣的緩沖管和大氣擴散監(jiān)測單元，該裝置示意見圖1［5］。

圖1 C O2管道泄漏實驗裝置示意

主管：該管段與C O2儲罐相連，長25 m，直徑580 m m；主管放置在磅秤上，其目的是連續(xù)監(jiān)測C O2泄放的質(zhì)量。

支管：該管段是主管的分支，長5.5 m，直徑25 m m，泄放孔安裝在支管的一端，在泄放孔之前安裝了流量計，以監(jiān)測C O2的釋放速率。

緩沖管：當管道模擬恒壓泄放實驗時，充有氮氣的緩沖管與主管相連。該管段長130 m，直徑150 m m。

大氣擴散監(jiān)測單元：沿C O2噴射方向放置100 m ×100 m的底板，并布設扇形的C O2濃度、溫度探頭。

2 實施方案

2.1 釋放源控制單元

BP和Shell的C O2管道泄漏實驗的模擬工況［6］主要有以下幾個特點：

①C O2泄放時的狀態(tài)主要是高壓密相和超臨界兩種相態(tài)；

②C O2噴射的狀態(tài)分為恒壓釋放和泄壓釋放；

③噴射方向分為水平、固定容器內(nèi)垂直向上及垂直向下；

④噴射過程的控制措施：C O2噴射中考慮了向羽流中噴水，考察水簾對減緩C O2擴散的影響。

C O2管道泄漏實驗中，釋放源控制單元的功能是保證泄放孔C O2壓力、溫度達到預期值，C O2釋放源控制單元溫度、壓力的監(jiān)測布點見圖2［5］。

圖2 C O2釋放源控制單元的監(jiān)測示意

在緩沖段、主管、支管的首末兩端各放置溫度和壓力探頭。C O2泄漏孔的溫度監(jiān)測更加詳細，在支管上部距離泄放孔0，0.21，1.12，2.76 m處均安裝了溫度探頭。

恒壓釋放實驗的操作流程包括了C O2清洗、注入、注滿后在緩沖管內(nèi)補充氮氣等步驟。隨著泄放孔C O2的噴射，氮氣不斷進入緩沖管內(nèi)，但始終不能進入C O2主管。泄壓釋放實驗的操作流程包括了液態(tài)C O2注入、管道加熱、泄壓釋放等步驟。當管道加熱使C O2溫度和壓力達到目標值時，泄放孔開始噴射C O2。放空實驗主要是向裝置中通入氮氣完成管道的清洗和C O2的排空。在緩沖管內(nèi)不斷充入氮氣，此時打開泄放孔，主管內(nèi)的C O2開始外排；當?shù)獨獬渲列狗趴滓韵聲r，關閉泄放孔，打開主管底部的閥門，C O2從底部外排。當?shù)撞坑械獨馀懦鰰r，整個管道的C O2放空操作結束［7］。

2.2 大氣擴散監(jiān)測單元

C O2管道一旦泄漏，對周邊的生態(tài)環(huán)境、居民健康、建筑物等產(chǎn)生負面影響。所以大氣擴散監(jiān)測單元除了準確測量大氣中C O2的濃度，還要以此為據(jù)，制定管道泄漏的預警措施，計算安全距離進而增加管道路由選擇的限制條件等。

2.2.1 監(jiān)測裝置

C O2濃度的監(jiān)測主要有三種方法，C O2探頭直接監(jiān)測濃度、O2濃度反算法、溫度反算法［8］。BP和Shell的實驗采用了前兩種方法，且均以O2濃度反算法為主，其原因為氧探頭便宜。Ja m ois等人的研究中提到了溫度反算法，主要考慮在C O2泄放的近場，氣體噴射速度過快。由于C O2和O2探頭的響應時間長，選擇熱電偶監(jiān)測近場溫度，進而反算C O2的濃度［8］。

BP和Shell的實驗中C O2和O2探頭的型號分別為Two ServomexX1440D1和City Technology A02，監(jiān)測濃度范圍分別為0～50%和0～100%。響應時間分別不高于10 s和2 s。熱電偶直徑為1.5 m m、不銹鋼護套、T型。

2.2.2 監(jiān)測布點

C O2大氣擴散監(jiān)測布點示意見圖3［9-10］。

布點方式為扇形，沿噴射中心線分別向兩側各偏20°。監(jiān)測距離分別為泄放孔下風向的1，2，3，4，5，10，15，20，40，60，80 m。在距離泄放孔下風向25 m內(nèi)放置托盤，接收噴射過程的干冰。

圖3 C O2大氣擴散監(jiān)測布點示意

3 結論與建議

BP和Shell兩次實驗的部分數(shù)據(jù)（C O2水平泄放）、相關實驗及模型驗證的報告已在D N V網(wǎng)站（w w w.dnv.co m）上公開。實驗方案、過程操作、監(jiān)測布點等方面的信息分享為我國工業(yè)規(guī)模C O2管道泄放實驗提供了寶貴的經(jīng)驗。我國C O2輸送管網(wǎng)的建設及運行監(jiān)管，由于存在一定的特殊性，在開展管道泄放實驗時還需要注意以下幾點：

①C O2管道附近低洼地帶及人口密集區(qū)：根據(jù)C O2的源匯數(shù)據(jù)［11］，輸送管網(wǎng)預測集中分布在我國的東部沿海和西北部，C O2管網(wǎng)周邊人口密集，且管網(wǎng)分布在不同的地形，如高原、山地、平原、丘陵。這與美國C O2管網(wǎng)的分布特點（管網(wǎng)分布在地廣人稀的地區(qū)）有著明顯的不同。根據(jù)BP和Shell兩次實驗的已有報道，C O2管道泄放裝置放置在距離地面1 m高的臺架上，沒有考慮地形對C O2擴散、聚集的影響。所以，我國在開展工業(yè)規(guī)模C O2管道泄放實驗時，不同地形的C O2泄漏預警措施、安全系數(shù)的選取需要充分考慮。對于預警措施，借鑒天然氣管道檢漏的經(jīng)驗，向C O2管道中添加微量、帶有臭味的乙硫醇是否可以作為一種有效的預警措施，有待論證。建議研究乙硫醇對C O2物性的影響研究；對于不同地形的安全系數(shù)的選取，需要考察惡劣環(huán)境（靜風、低洼地區(qū)）C O2泄漏的大氣擴散規(guī)律。

②工業(yè)規(guī)模的C O2管道泄放實驗需要和擴散模型的開發(fā)同時進行。目前，C O2管道泄漏模擬軟件主要有Phast［9，12］，英國University College London也正在積極的開發(fā)相關軟件［13-14］。我國未來C O2管網(wǎng)具有其特殊性，所以在使用國外開發(fā)的軟件時，還需謹慎。因此，應開展CO2管道泄漏擴散模型的相關研究，為CC US（Carbon Capture，Uti l ization and Storage，碳捕獲、利用與封存）技術大規(guī)模的工業(yè)化應用積累技術儲備。

③C O2輸送管道泄漏時流體溫度場的分布規(guī)律研究非常必要。目前關于管道埋深地下泄漏時流體溫度場的分布規(guī)律尚未報道。根據(jù)已有研究［4］，當C O2管道輸送狀態(tài)為氣相，釋放孔的壓力和溫度分別為5.25 M Pa和21℃時，整個噴射過程管道內(nèi)部流體溫度整體下降，最低可達-23.4℃，增加了管道脆性斷裂的風險。管道一旦發(fā)生脆性斷裂，C O2泄漏量遠大于小孔泄漏，給環(huán)境和公眾帶來的不利影響也更加嚴重。所以，建議開展管道埋深地下泄漏時內(nèi)部流體溫度的變化規(guī)律研究。

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（編輯 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.005

1005-3158（2015）05-0014-04

2014-12-17）

*國家自然科學基金面上項目（41378088）；“十二五”國家科技支撐項目（2012B A C24B05）；中國地質(zhì)調(diào)查項目（12120113006600）；中國博士后基金第55批面上項目（2014 M 550371）；勝利石油管理局博士后基金。

張媛媛，2012年畢業(yè)于清華大學環(huán)境學院，博士，高級工程師，勝利石油管理局在站博士后，主要研究方向：二氧化碳捕集、驅(qū)油與封存的環(huán)境影響評價；固體廢物資源化處理處置。通信地址：山東省東營市濟南路49號中石化石油工程設計有限公司，257026