CO2管道全截面破裂后介質(zhì)射流擴(kuò)散研究*

劉建武，喻健良，閆興清，郭曉璐，陳紹云

(1.中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 2570262.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

CO2管道全截面破裂后介質(zhì)射流擴(kuò)散研究*

劉建武1，喻健良2，閆興清2，郭曉璐2，陳紹云2

(1.中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)2570262.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024)

為了研究CO2輸送管道全截面破裂后介質(zhì)射流形貌和擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域，在260 m工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)管道上開(kāi)展了氣相、超臨界相及密相CO2在全截面破裂工況的泄放試驗(yàn)，視頻記錄了CO2射流形貌，測(cè)量了軸線上距離泄放口不同位置的濃度隨時(shí)間變化情況，分析了軸線方向CO2濃度變化規(guī)律，探討了CO2擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域。研究表明，氣相CO2泄放時(shí)射流呈現(xiàn)圓柱形，密相、超臨界相呈現(xiàn)扇形。密相泄放時(shí)擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域稍高于超臨界相泄放，顯著高于氣相泄放。

CO2長(zhǎng)輸管道 擴(kuò)散 危險(xiǎn)區(qū)域

碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)技術(shù)，被認(rèn)為是降低CO2氣體排放、緩解地球溫室效應(yīng)的最有效方法[1]。隨著全球氣候變化形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)均投入巨大精力開(kāi)展CCS技術(shù)的示范應(yīng)用。CCS技術(shù)的原理是在排放源處將CO2捕集，然后輸運(yùn)至封存場(chǎng)所。常見(jiàn)的CO2輸運(yùn)方式有管道、船舶及陸運(yùn)等。其中，高壓管道是CO2輸運(yùn)最有效方式[2]。可以預(yù)見(jiàn)，隨著CCS技術(shù)的不斷應(yīng)用，越來(lái)越多CO2長(zhǎng)輸管道將投入應(yīng)用。然而，長(zhǎng)輸管道在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用時(shí)不可避免存在損傷[3]。管道一旦發(fā)生破裂，將導(dǎo)致CO2介質(zhì)泄漏。由于CO2為有害氣體，因此將對(duì)周圍人員及環(huán)境帶來(lái)顯著威脅[4,5]。

長(zhǎng)輸管道的破裂方式有兩種：全尺寸破裂和小孔破裂[3]。前者為長(zhǎng)輸管道可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)工況。因此，研究CO2長(zhǎng)輸管道在全尺寸破裂工況下的介質(zhì)擴(kuò)散形貌及濃度危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)建立CO2長(zhǎng)輸管道安全評(píng)估、突發(fā)事故應(yīng)急救援等具有重要意義。雖然目前已經(jīng)開(kāi)展了一些工作，但普遍特點(diǎn)是試驗(yàn)裝置規(guī)模小[6-9]，得到的擴(kuò)散結(jié)果無(wú)法作為工業(yè)應(yīng)用的參考?；诖?，本文在工業(yè)規(guī)模長(zhǎng)輸管道開(kāi)展全截面破裂后CO2介質(zhì)泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)，研究CO2射流形貌及擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域，為管道施工、操作及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

為了研究CO2輸送管道全截面破裂后介質(zhì)射流形貌和擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域，建立了一條長(zhǎng)260 m的工業(yè)規(guī)模CO2長(zhǎng)輸管道泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)裝置[10,11]。本研究在該試驗(yàn)裝置上開(kāi)展。試驗(yàn)裝置流程及實(shí)物如圖1所示。

該試驗(yàn)管道長(zhǎng)260 mm，規(guī)格為DN 250 mm，外徑273 mm，厚度20 mm。管道設(shè)計(jì)壓力為16 MPa。采用槽車將一定質(zhì)量的CO2注入試驗(yàn)管道內(nèi)，通過(guò)溫控裝置升高介質(zhì)溫度，使得CO2初始?jí)毫?、溫度、相態(tài)達(dá)到試驗(yàn)參數(shù)的要求。采用雙?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)管道內(nèi)CO2的安全可控泄放。

本研究模擬管道的全截面破裂工況，即泄放口直徑與管道內(nèi)徑(243 mm)相等。共開(kāi)展3組試驗(yàn)，分別為氣相、超臨界相、密相CO2的泄放試驗(yàn)。3組試驗(yàn)初始參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 工業(yè)規(guī)模CO2泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)管路流程示意

序號(hào)壓力/MPa溫度/℃相態(tài)環(huán)境溫度/℃濕度,%風(fēng)速/(m·s-1)風(fēng)向13.632.7氣相22.782.30029.836.9超臨界相26.186.71.03639.121.6密相26.662.80.8198

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 CO2射流泄放形貌

圖2～圖4分別為氣相、超臨界相、密相CO2管道全口徑斷裂時(shí)不同時(shí)刻的泄放射流形貌。圖中標(biāo)示出了泄放口軸線方向的大致尺度。無(wú)論CO2處于何種相態(tài)，泄放時(shí)，管道內(nèi)臨近泄放口的高壓CO2瞬間降壓膨脹，壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，呈高速射流狀態(tài)向周圍空間泄放。由于CO2介質(zhì)具有較高的焦耳-湯姆遜系數(shù)，膨脹時(shí)溫降可達(dá)-100 ℃，因此空氣中水蒸氣遇冷凝結(jié)能夠液態(tài)水，呈現(xiàn)出白霧狀射流形貌。

由圖2可知，初始時(shí)刻，全口徑氣相CO2泄放時(shí)霧狀射流形貌呈現(xiàn)為較為規(guī)則的圓柱形，在約15 m后，霧狀形貌逐漸稀疏，寬度逐漸增大。這是因?yàn)?，距離泄放口較近的區(qū)域，CO2泄放受高射流速度主導(dǎo)，濃度范圍規(guī)則。15 m以后，速度逐漸趨于0，CO2氣體濃度擴(kuò)散逐漸占主導(dǎo)，形貌逐漸不規(guī)則。

超臨界及密相CO2在全口徑斷裂工況下的霧狀射流形貌與氣相有很大不同，如圖3、圖4所示。在泄放初期，CO2介質(zhì)在高射流速度作用下在軸向長(zhǎng)度及寬度方向幾乎同時(shí)迅速增大，呈現(xiàn)不規(guī)則的扇形。對(duì)超臨界CO2，霧狀射流達(dá)到80 m左右后，開(kāi)始擴(kuò)散傳播，逐漸變得稀疏；而對(duì)密相CO2，霧狀射流超過(guò)100 m才逐漸稀疏。

從射流形貌的角度可以看到，管道全口徑破裂時(shí)密相CO2的泄放形貌尺度最大，一定程度上也說(shuō)明其危險(xiǎn)區(qū)域最大。然而，要定量的描述危險(xiǎn)區(qū)域，則需要通過(guò)測(cè)量CO2濃度實(shí)現(xiàn)。

2.2 CO2擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)

利用布置在泄放口軸線方向的CO2濃度傳感器測(cè)量CO2濃度，得到軸向方向距離泄放口不同位置處大氣中CO2體積濃度隨時(shí)間的變化。圖5為氣相CO2的測(cè)量結(jié)果。由圖5可知，在測(cè)量開(kāi)始的20 s左右，泄放口打開(kāi)，各測(cè)點(diǎn)濃度快速上升，在約38 s時(shí)濃度達(dá)到最大值，隨后泄放強(qiáng)度降低，各測(cè)點(diǎn)濃度逐漸下降。

圖2 氣相CO2全口徑泄放形貌

圖3 超臨界相CO2全口徑泄放形貌

圖4 密相CO2全口徑泄放形貌

從工業(yè)安全的角度考慮，各測(cè)點(diǎn)的最大濃度數(shù)值是評(píng)估介質(zhì)危險(xiǎn)性的依據(jù)。圖6為不同相態(tài)CO2在全口徑破裂時(shí)的各測(cè)點(diǎn)最大濃度隨距離的變化規(guī)律。由圖6可知，當(dāng)L在60 ～85 m范圍內(nèi)時(shí)，隨著距離增加，CO2最大濃度降低。這與理論擴(kuò)散規(guī)律相符。從數(shù)值上看，密相擴(kuò)散時(shí)各測(cè)點(diǎn)濃度稍高于超臨界相泄放，顯著高于氣相泄放，這說(shuō)明密相泄放時(shí)CO2擴(kuò)散引起的風(fēng)險(xiǎn)最大，這與前述射流形貌分析的結(jié)論吻合。

圖5 氣相CO2全截面破裂后不同測(cè)點(diǎn)濃度隨時(shí)間變化

圖6 不同相態(tài)CO2泄放時(shí)軸線不同距離處最大濃度變化

另外，在距離泄放口81.5 m處(最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn))，氣相、超臨界相、密相泄放時(shí)濃度數(shù)值分別為2.78%，6.63%，8.52%。根據(jù)GBZ 2.1-2007《工業(yè)場(chǎng)所工業(yè)有害因素職業(yè)接觸限值第一部分：化學(xué)有害因素》的規(guī)定，CO2的職業(yè)接觸限值為18 000 mg/m3，換算為體積濃度為1%。這說(shuō)明在81.5 m位置，無(wú)論是何種相態(tài)，在全口徑下泄放時(shí)均處于危險(xiǎn)區(qū)域。由于影響因素較多，理論復(fù)雜，因此通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推或者通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)一步獲得危險(xiǎn)區(qū)域的工作目前還未完成。另外，由于影響CO2擴(kuò)散的因素眾多，如風(fēng)速、地形條件、測(cè)試誤差等因素，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要考慮一定的安全裕量。

3 結(jié)語(yǔ)

在260 m長(zhǎng)、DN250(外徑273 mm、厚20 mm)規(guī)格的工業(yè)規(guī)模管道內(nèi)開(kāi)展了氣相、超臨界相、密相CO2的全截面破裂工況泄放試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：氣相CO2泄放時(shí)射流呈現(xiàn)圓柱形，密相、超臨界相呈現(xiàn)扇形；無(wú)論是何種相態(tài)，泄放口軸線方向CO2濃度隨距離衰減；密相泄放時(shí)擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域稍高于超臨界相泄放，顯著高于氣相泄放。

[1] HASZELDINE R S. Carbon Capture and Storage: How green can black be? [J]. Science,2009(325): 1647-1652.

[2] KNOOPE M M J, RAMIREZ A, FAAIJ A P C. A state of the art review of techno-economic models predicting the costs of CO2pipeline transport[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2013(16): 241-270

[3] DUNCAN I J, WANG H.Estimating the likelihood of pipeline failure in CO2transmission pipelines: New insights on risks of carbon capture and storage[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2014(21): 49-60.

[4] XING J, LIU Z, HUANG P, et al., Experimental and numerical study of the dispersion of carbon dioxide plume[J].Journal of Hazardous Materials， 2013(256-257): 40 - 48.

[5] GANT S E, NARASIMHAMURTHY V D, SKJOLD T, et al., Evaluation of multi-phase atmospheric dispersion models for application to carbon capture and storage[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2014(32): 286-298.

[6] 劉振翼, 周軼, 黃平, 等. CO2管線泄漏擴(kuò)散小尺度試驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(50)：1651-1659.

[7] HAN S H, KIM J, CHANG D, An experimental investigation of liquid CO2release through a capillary tube[J]. Energy Procedia， 2013(37): 4724-4730.

[8] WOOLLEY R M, FAIRWEATHER M, WAREING C J, et al. Experimental measurement and Reynolds-averaged Navier-Stokes modelling of the near-field structure of multi-phase CO2jet released[J]. Internal Journal of Greenhouse Gas Control,2013(18): 139-149.

[9] WAREING C J, FAITWEATHER M, FALLE E G, et al. Validation of a model of gas and dense phase CO2jet releases for carbon capture and storage application[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2014(20): 254-271.

[10] 喻健良, 郭曉璐, 陳紹云, 工業(yè)規(guī)模CO2管道泄放裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[C]//第二屆CCPS中國(guó)過(guò)程安全會(huì)議, 中國(guó)青島, 2014: 440-446.

[11] 喻健良, 郭曉璐, 閆興清, 等. 工業(yè)規(guī)模CO2管道泄放過(guò)程中的壓力響應(yīng)及相態(tài)變化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(11): 4327-4334.

ResearchonDiffusionoftheJetMediumafterCO2FullSectionPipelineRupture

Liu Jianwu1，Yu Jianliang2，Yan Xingqing2，Guo Xiaolu2，Chen Shaoyun2

(1.SINOPEC Petroleum Engineering Design CO., LTD., Shandong, Dongying 257026 2.Dalian University of Technology, Liaoning , Dalian 116024)

Release experiments of CO2in gas phase, supercritical phase, and dense phase from an full bore rupture industrial scale pipeline of 260 m were performed. Jet appearances of CO2 were recorded. CO2concentrations at different locations with time were measured. Changes of CO2concentrations along release axis were analyzed. Dangerous regions of CO2dispersion were discussed. Results indicate that the jet appearance of gas CO2was cylindrical, corresponding to the fan-shaped of super critical and dense phases. The dangerous region of dense CO2release was a little larger than that of supercritical CO2release, and significantly larger than that of dense CO2release.

CO2; long distance pipeline; dispersion; dangerous region

2016-03-28

劉建武，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)管道工程的設(shè)計(jì)工作。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模燃煤電廠煙氣CO2捕集”，2012BAC24B00