工業(yè)規(guī)模CO2管道大孔泄漏過程中的射流膨脹及擴(kuò)散規(guī)律

喻健良，鄭陽光，閆興清，郭曉璐，曹琦，朱海龍，劉少榮

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工業(yè)規(guī)模CO2管道大孔泄漏過程中的射流膨脹及擴(kuò)散規(guī)律

喻健良，鄭陽光，閆興清，郭曉璐，曹琦，朱海龍，劉少榮

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連 116024）

通過氣相和超臨界狀態(tài)的兩組工業(yè)規(guī)模CO2管道（長258 m、內(nèi)徑233 mm、泄放孔徑100 mm）泄放實(shí)驗(yàn)，分析了近場動壓、可見云以及擴(kuò)散區(qū)域溫度和濃度變化。研究表明：在大口徑氣相和超臨界CO2泄放中，泄漏口處會形成高度欠膨脹射流，在射流結(jié)構(gòu)中會生成大量干冰顆粒；后者形成的欠膨脹射流結(jié)構(gòu)范圍較大，但馬赫盤的位置都在0.4 m內(nèi)。可見云在快速膨脹后，在一定時(shí)間內(nèi)維持在亞穩(wěn)定狀態(tài)，隨后緩慢衰減?？梢娫茢y帶干冰顆粒和水霧快速擴(kuò)散，干冰顆粒在降至地面前已全部升華，未形成干冰床。氣相與超臨界泄放中的擴(kuò)散區(qū)域溫度在迅速下降后緩慢上升，且超臨界泄放中溫降更大；CO2濃度均升高后緩慢下降，預(yù)測二者5%濃度在泄漏方向上的危險(xiǎn)距離至少為30和50 m。

二氧化碳；管道泄放；擴(kuò)散；相變；欠膨脹射流

引 言

CO2是全球溫室氣體減排的首要目標(biāo)[1]。近年來，作為CO2減排的主要方法及國際社會應(yīng)對氣候變化的重要策略，CO2的捕集和封存技術(shù)[2-3]（carbon capture and storage，CCS）成為各國研究的熱點(diǎn)。高壓管道作為CCS鏈的中間環(huán)節(jié)，在輸運(yùn)CO2過程中易發(fā)生泄漏事故，其安全問題備受關(guān)注[4-5]。當(dāng)CO2長輸管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏口附近會形成高速射流，并生成大量干冰顆粒，在CO2擴(kuò)散和干冰升華過程中形成的高濃度CO2危及附近居民健康和設(shè)備安全[6-8]。因此，研究CO2管道泄漏近場的射流流場結(jié)構(gòu)、干冰的生成和升華以及遠(yuǎn)場CO2擴(kuò)散規(guī)律，是開展CO2長輸管道安全技術(shù)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容[9]。

由于CO2較高的焦耳-湯姆遜系數(shù)，在CO2泄漏口近場的溫度會急劇降低，進(jìn)而會形成干冰顆粒；干冰顆粒隨著氣體擴(kuò)散會發(fā)生沉降和升華，該過程可能是兩相流或三相流[10-12]。由于CO2復(fù)雜的擴(kuò)散過程，目前對其泄漏危險(xiǎn)性認(rèn)識不足[13]，因此CO2擴(kuò)散規(guī)律的研究對于CO2管道安全評估尤為重要。CO2管道的泄漏實(shí)驗(yàn)研究近年來開始興起。Woolley等[14-16]通過2 m3的CO2球罐實(shí)現(xiàn)泄放，研究了CO2管道泄漏擴(kuò)散的過程，發(fā)現(xiàn)密相CO2高壓泄放中會產(chǎn)生大量干冰，但干冰顆粒大小并不確定。劉振翼等[17-19]通過使用CO2氣瓶外接導(dǎo)氣管，做了縮比例規(guī)模CO2氣體泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從和SST-模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為一致。Xie等[20-23]建立了矩形環(huán)路CO2管道泄放裝置（長度23 m，內(nèi)徑30 mm），通過在管道表面增加噴嘴研究了超臨界CO2的垂直泄放特征，發(fā)現(xiàn)泄漏口處形成高度欠膨脹射流結(jié)構(gòu)和干冰床。Ahmad等[24]介紹了一次大規(guī)模全孔徑密相CO2埋地管道斷裂實(shí)驗(yàn)，回路管道規(guī)格219.1 mm×12.7 mm，總長226.8 m，研究了泄放區(qū)域的濃度和溫度，發(fā)現(xiàn)近場區(qū)域的CO2濃度值達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，而在遠(yuǎn)場區(qū)域的CO2濃度未達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。Liu等[25-26]采用兩階段的CFD模擬方法，結(jié)合PR方程模擬超臨界CO2泄放，發(fā)現(xiàn)SST-模型在近場流速方面預(yù)測更為接近。CO2管道泄漏的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)量有限，且主要限制于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，對CO2泄漏擴(kuò)散規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

本研究實(shí)驗(yàn)管道規(guī)格為273 mm×20 mm，管長258 m[27-28]，該工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)相較于中小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與實(shí)際CO2輸運(yùn)管道更加接近?；诖?，對CO2擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)射流流場、干冰生成以及溫度和濃度變化進(jìn)行測量和分析，為CO2管道泄漏擴(kuò)散安全距離劃分提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 CO2管道實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置包括主管道、雙膜爆破裝置、加熱裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等（圖1）。主管道規(guī)格273 mm×20 mm，管長258 m，材料為16MnR。在管道下方間隔10 m放置支柱并標(biāo)高，以保證整條管道處于相同高度。管道末端采用雙膜爆破裝置，通過控制兩個(gè)爆破片之間壓力差實(shí)現(xiàn)可控泄放[29-30]；利用加熱裝置為管道升溫以達(dá)到不同的初始溫度和壓力；實(shí)驗(yàn)過程中管道壓力和溫度、擴(kuò)散區(qū)域溫度和濃度采用分布式同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量記錄。

1.2 泄放區(qū)域測量點(diǎn)分布

圖2為泄放口動壓測量示意圖，基于皮托管原理，通過差壓變送器測量兩個(gè)輸入端的壓力差來計(jì)算該處的氣流速度。高壓端采用8×2的鋼管，低壓端采用硅膠軟管并連接至大氣壓，DP1和DP2為兩個(gè)差壓變送器在泄放口的測量位置。差壓變送器型號為PPM-T3051HP，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，精確度為0.5%。

在與管道軸線等高平面布置18個(gè)溫度傳感器和19個(gè)濃度傳感器（根據(jù)泄放孔徑大小而排定位置）。傳感器測量布置為4行9列，標(biāo)號按照先行后列，以和表示。溫度測量點(diǎn)T和濃度測量點(diǎn)C詳細(xì)分布如圖3所示。溫度傳感器使用K型熱電偶，測量范圍?200～400℃，響應(yīng)時(shí)間為100 ms，精度±1℃；CO2濃度測定采用COZIR-W CO2濃度傳感器，響應(yīng)時(shí)間為4 s，測量范圍0～100%，精度±3%。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

開展了初始相態(tài)為氣相、超臨界相CO2在泄放口徑100 mm的泄放實(shí)驗(yàn)。表1和表2分別為實(shí)驗(yàn)初始條件和大氣條件。

表1 實(shí)驗(yàn)初始條件

表2 大氣條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 欠膨脹射流和近場動壓變化

圖4為欠膨脹射流的理論結(jié)構(gòu)，由初始段、過渡段和基本段組成。在初始段，泄漏口附近會形成一道有限延伸長度的攔截激波，攔截激波相交于一點(diǎn)形成馬赫盤。在過渡段，湍流傳輸影響顯著，其第1階段保持一個(gè)等速核心區(qū)，但橫截面上的最大速度點(diǎn)位置不在射流的軸線上；第2階段已不存在等速核心區(qū)，軸線上的速度沿噴流方向增大。在基本段中，射流橫截面上的最大速度點(diǎn)已移動到軸線上，此后轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赏牧鳌?/p>

圖5是氣相CO2泄放中管道內(nèi)流體壓力、泄放口處的動壓變化以及射流形態(tài)。泄放開始后，減壓波的傳播導(dǎo)致管道內(nèi)壓力斷崖式下跌，同時(shí)氣相CO2快速膨脹排出使泄放口動壓急劇上升。從泄放開始到12.6 s之間，DP2均大于DP1，即DP2處的流速大于DP1處的流速，說明此階段在距離泄放口0.4 m的截面上等速核心區(qū)可能較小或不存在，處于第1～第2過渡段的轉(zhuǎn)變期間。12.6 s后DP1均大于DP2，射流截面的最大速度已移到軸線上，說明該處已轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赏牧?。在欠膨脹射流中，由于焦湯效?yīng)溫度急劇下降，導(dǎo)致固相CO2顆粒形成，并在泄放口形成可見的白色射流。由圖5中可以看出，在射流形態(tài)中可以觀察到明顯的筒鼓型波形；筒鼓型波形即為攔截激波，前端為馬赫盤。馬赫盤直徑從泄放開始1 s后即達(dá)到最大值0.5 m，后緩慢減小，21 s已不能保持形狀。在欠膨脹射流中射流邊緣的白色可見云逐漸消失，表明干冰顆粒在擴(kuò)散過程中逐漸升華。

在泄放初期，生成的干冰進(jìn)入導(dǎo)氣管中并積聚，使差壓變送器受壓面積減小，導(dǎo)致測量的動壓數(shù)值可能偏小，但隨著后期干冰生成量變小，后期對測量影響不大。射流速度可采用式（1）計(jì)算。

式中，?為測量點(diǎn)的動壓，Pa；為大氣壓下溫度約為?60℃時(shí)的密度（2.5745 kg·m?3）?；谑剑?）可以得到DP1和DP2分別在17.6 s和5.2 s的平均速度分別為45.7和63.6 m·s?1。

圖6是超臨界CO2泄放中的管道內(nèi)部流體壓力、泄放口處的動壓變化以及可見云形態(tài)。由于該實(shí)驗(yàn)中流速過大，使軟管DP1在實(shí)驗(yàn)中被吹斷，未能測到數(shù)據(jù)。泄放開始時(shí)管道內(nèi)部壓力斷崖式下跌，同時(shí)泄放口動壓DP2垂直上升，但0.4～6.4 s動壓變化不大，維持在15 kPa左右，此時(shí)在距離泄放口0.4 m的截面上為等速核心區(qū)，處于第1過渡段。此后開始急速上升，在21.8 s時(shí)DP2達(dá)到一個(gè)極值164.2 kPa，此時(shí)流速為357.15 m·s?1，同時(shí)管道內(nèi)部壓力下降到3.05 MPa，在此時(shí)間段內(nèi)該截面處于第2過渡段。在泄放32 s時(shí)，可以清晰地看到馬赫盤，直徑約為0.3 m。由以上分析可知，在超臨界CO2泄放中的泄漏口附近形成的欠膨脹射流結(jié)構(gòu)較氣相CO2泄放中的范圍大，但在泄漏口徑100 mm下兩次實(shí)驗(yàn)中形成馬赫盤的位置都在0.4 m內(nèi)。

2.2 擴(kuò)散區(qū)域可見云變化

通過對實(shí)驗(yàn)中可見云的觀察，可以將可見云形態(tài)變化過程分為3個(gè)階段：第Ⅰ階段為射流快速發(fā)展至完全膨脹；第Ⅱ階段為可見云形態(tài)維持在亞穩(wěn)定狀態(tài)；第Ⅲ階段為緩慢衰減階段。氣相與超臨界泄放中，第Ⅰ階段持續(xù)時(shí)間分別為0.55和1.25 s；第Ⅱ階段分別為0.6和2.7 s；第Ⅲ階段分別為21和44.6 s。

圖7為氣相CO2泄放中的可見云變化。在快速膨脹階段，可見云前沿膨脹速度在0.1 s達(dá)到92 m·s?1，后逐漸減小?？梢娫圃?.55 s達(dá)到最大擴(kuò)散距離約25 m，最大高度約為2.8 m；在亞穩(wěn)定階段可見云長度保持不變；緩慢衰減階段可見云長度和擴(kuò)散速度逐漸減小到零。擴(kuò)散過程中，可見云帶的白色干冰顆粒和冷凝水在快速擴(kuò)張階段迅速擴(kuò)大，可見云呈蘑菇狀。在緩慢衰減階段，白色可見云和氣態(tài)CO2、空氣和揚(yáng)起的塵埃混合物開始分離；當(dāng)可見云速度為0時(shí)，后者依靠動能、風(fēng)速繼續(xù)傳播。

根據(jù)以上分析可知：泄放開始后，在泄放口近場形成的白色流體是由干冰顆粒和氣相CO2組成的氣固兩相流，并隨著高速氣流運(yùn)動至遠(yuǎn)場區(qū)域。由于氣流膨脹和CO2升華造成溫度下降，使得空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水霧，形成可見云。近場產(chǎn)生的干冰顆粒在與周圍空氣的混合過程中不斷升華，在降至地面前已全部升華，未形成干冰床。

2.3 擴(kuò)散區(qū)域溫度變化

圖9為氣相泄放100 mm擴(kuò)散區(qū)域溫度分布。可以看出，擴(kuò)散區(qū)域溫度隨著泄放時(shí)間的進(jìn)行，可以大致分為3個(gè)階段：極速下降階段（I）、快速上升階段（Ⅱ）和緩慢上升階段（Ⅲ）。測量區(qū)域內(nèi)所有測點(diǎn)溫度泄放開始后均極速下降，然后快速上升直到與環(huán)境溫度相同。圖9（a）中軸線=0 m上最低溫度11（5.56℃）<12<13<14<15<16（21.32℃），11和16溫降分別為18.8和4.3℃，說明隨著擴(kuò)散距離增加，最低溫度緩慢升高，溫降緩慢減小。圖9(b)與(c)中22與36的最低溫度分別為17.82和21.1℃，溫降分別為6.18和2.1℃。=1 m中各測點(diǎn)溫度變化較小，說明CO2擴(kuò)散對偏離軸線=1 m的有效影響較小。

圖10為超臨界泄放100 mm擴(kuò)散區(qū)域溫度分布。在極速下降階段，測量點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，軸線上處最低溫度111213141516，說明距離泄放口越近，測量點(diǎn)溫度下降越明顯。在溫度快速上升階段和緩慢上升階段，距離泄放口越近，溫度回升越快，最后在泄放進(jìn)行80 s時(shí)上升至環(huán)境溫度附近。

圖10(b)為偏離軸線=0.5 m各測點(diǎn)溫度分布。泄放開始后溫度快速下降，后緩慢上升到與環(huán)境溫度相同?？梢钥闯鲎畹忘c(diǎn)溫度：21（1.07℃）>22（?1.47℃）<23（1.44℃）<25（6.01℃）<26（10.76℃），溫降分別為29.8、32.3、29.4、24.8、20℃。說明21處于22處溫度等值線外側(cè)。31到36的最低點(diǎn)溫度：36<35<34<33<32<31，說明擴(kuò)散場從31到36有效影響逐漸下降；31測點(diǎn)溫度基本沒有變化，說明擴(kuò)散區(qū)域基本不經(jīng)過31測點(diǎn)。

2.4 擴(kuò)散區(qū)域濃度變化

圖11為氣相泄放100 mm擴(kuò)散區(qū)域濃度分布。各測點(diǎn)濃度均增大到極值后開始減小，一段時(shí)間后濃度下降到與環(huán)境濃度相同。在整個(gè)泄放過程中11>14>15>16>17>18>19，說明軸線上距離泄放口越遠(yuǎn)，濃度越小。=0.5 m軸線測點(diǎn)泄放過程中始終保持22>23>21，說明22、23、21濃度等值線依次向外。=1 m中各測點(diǎn)始終保持36>35>34>33>32，說明36到32的等值輪廓線依次向外。以體積分?jǐn)?shù)5%為危險(xiǎn)下限濃度，氣相泄放=0 m與=0.5 m危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)間約為60 s，=1 m為11.5 s，危險(xiǎn)區(qū)域最大長度預(yù)測至少為30 m，寬度至少為3 m。

圖12為超臨界泄放100 mm擴(kuò)散區(qū)域濃度分布。從圖12(a)可以看出，軸線=0 m各測點(diǎn)濃度迅速增加至最大值，各測點(diǎn)最大值12>13>14>15>16>17>18>19，說明=0 m線上濃度分布趨勢為距離泄放口越遠(yuǎn)，濃度越低。偏離軸線=0.5 m各測點(diǎn)濃度最大值22>23>21，說明22、23、21濃度等值線位置依次向外。在0～72 s內(nèi)，=1 m各測點(diǎn)濃度36>35>34>33>32，說明各測點(diǎn)等值線位置依次向外延伸。=0 m和=0.5 m危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)間約為82 s，=1 m危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)間為58 s，危險(xiǎn)區(qū)域長度預(yù)測至少為50 m，寬度至少為5 m。

女友沒有動，只是把臉撲在我的胸膛。我扳過女友的臉，就吻……吻著，吻著，我突然一愣，推開她一看，是秀姐。

3 結(jié) 論

（1）氣相和超臨界100 mm泄放時(shí)，在泄漏口處會形成高度欠膨脹射流，并形成馬赫盤，但后者形成的馬赫盤直徑更大、距離泄放口更遠(yuǎn)。由于節(jié)流膨脹效應(yīng)的溫降，在射流結(jié)構(gòu)中會形成大量干冰顆粒。

（2）可見云快速膨脹至亞穩(wěn)定狀態(tài)，隨后緩慢衰減?？梢娫茢U(kuò)散時(shí)攜帶的干冰顆粒和凝結(jié)的水霧，隨高速氣流運(yùn)動至遠(yuǎn)場區(qū)域，近場產(chǎn)生的干冰顆粒在降至地面前全部升華，未形成干冰床。

（3）氣相與超臨界泄放擴(kuò)散區(qū)域溫度均快速減小，后慢慢上升至環(huán)境溫度；擴(kuò)散區(qū)域濃度先快速增大至極值，后慢慢下降至與環(huán)境相同；超臨界泄放低溫區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域面積更大，持續(xù)時(shí)間更長，預(yù)測二者5%濃度在泄漏方向上的危險(xiǎn)距離至少為30和50 m。

4 討 論

基于工業(yè)規(guī)模CO2泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，通過泄放過程中典型現(xiàn)象，分析了近場動壓、可見云以及擴(kuò)散區(qū)域溫度和濃度變化，得出了一些對實(shí)際工程有用的結(jié)果。高壓CO2管道泄漏時(shí)由于內(nèi)外巨大的壓力差，泄放口產(chǎn)生高度欠膨脹射流，并生成大量干冰顆粒，該過程蘊(yùn)含龐雜的相變，泄放口產(chǎn)生的膨脹波和激波交替出現(xiàn)并影響近場射流流場結(jié)構(gòu)的演變和隨后的遠(yuǎn)場CO2擴(kuò)散；并且CO2擴(kuò)散過程受風(fēng)力風(fēng)速和地形等環(huán)境條件的影響很大，該過程涉及氣體動力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)等理論，極其復(fù)雜。當(dāng)環(huán)境條件不變時(shí)，對CO2擴(kuò)散影響主要有兩個(gè)因素：CO2充裝量和泄放孔徑。同一孔徑下，不同相態(tài)所需的CO2裝載量不同，裝載量越大則擴(kuò)散時(shí)間越長，對擴(kuò)散區(qū)域影響越大；同一相態(tài)下，泄放孔徑的增大會導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)域更大的溫降幅度和更高的CO2濃度值[29-30]。本研究對擴(kuò)散區(qū)域安全范圍定量研究仍存在一定的局限性，因此將使用理論分析和數(shù)值模擬結(jié)合進(jìn)行下一步研究。

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Under-expanded jets and dispersion during big hole leakage of high pressure CO2pipeline in industrial scale

YU Jianliang, ZHENG Yangguang, YAN Xingqing, GUO Xiaolu, CAO Qi, ZHU Hailong, LIU Shaorong

(School of Chemical Machinery and Safety, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Based on two groups of gaseous and supercritical CO2release experiments using an industrial scale CO2pipeline (258 m long, 233 mm i.d.) through a 100 mm diameter orifice, the dynamic pressure and visible cloud in the near field, and the temperature and concentration changes in the diffusion region were analyzed. The results show that the sharp drop in inventory pressure near the orifice produced a highly under-expanded jet and induced a sharp drop in temperature as a result of Joule-Thomson cooling. This effect led to the formation of solid CO2particles inside the under-expanded jet. The visible cloud remained a metastable state after the rapid expansion, and followed by a slow attenuation stage. The visible white cloud entraining the dry ice particles and condensed water rapidly expanded in the rapid expansion stage and dry ice particles have been sublimated into the ground before and did not form the ice bed. At the moment of the rupture, the temperature in the discharge area of gaseous and supercritical CO2releases dropped rapidly and then increased slowly, while the CO2concentrations increased quickly and then decreased. The dangerous distance of the 5% concentration of gaseous and supercritical CO2releases were at least 30 m and 50 m respectively.

carbon dioxide; pipeline release; diffusion; phase change; under-expanded jets

10.11949/j.issn.0438-1157.20161614

X 937

A

0438—1157（2017）06—2298—08

喻健良（1963—），男，博士，教授。

歐盟第七框架（FP7-ENERGY-2009-1，協(xié)議號241346；FP7-ENERGY-2012-1-2STAGE，協(xié)議號309102）。

2016-11-15收到初稿，2017-02-21收到修改稿。

2016-11-15.

YU Jianliang, yujianliang@dlut.edu.cn

supported by the European Union 7th Framework Programme (FP7-ENERGY-2009-1 under grant agreement number 241346, FP7-ENERGY-2012-1-2STAGE under grant agreement number 309102).