含雜質(zhì)CO2管道泄漏擴散模擬分析

陳兵 郭煥煥 崔維剛 肖紅亮

西安石油大學

對CO2的捕集、利用和封存(CCUS)技術是目前減少CO2排放最經(jīng)濟有效的辦法,其主要分為CO2的捕集、運輸、封存和利用4個部分，而CO2的運輸是CCUS技術中最為重要的一環(huán)[1-3]。對于長距離大規(guī)模CO2輸送，管道輸送有其獨特的優(yōu)勢,即:輸送量大、耗能低、經(jīng)濟性好，因此成為運輸CO2最可行的方式[4-6]。CO2可以以液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)、超臨界/密相4種相態(tài)進行輸送。超臨界相態(tài)輸送時，流體的密度和它的液態(tài)密度相近，黏度和氣態(tài)黏度相近[7-8]，因此超臨界相態(tài)是CO2管道運輸最有效的狀態(tài)。在CO2管道輸送過程中，不可避免地會出現(xiàn)管道腐蝕、地表下陷、材料失效、第三方破壞等事故。管道破裂事故是極其危險的，其泄放的大量CO2及雜質(zhì)會對周邊動植物安全構成嚴重威脅[9-13]。因此，對管道氣體泄漏擴散規(guī)律進行研究，對事故發(fā)生后的應急處理以及環(huán)境分析都有重要意義。

當CO2管道發(fā)生泄漏擴散時，雜質(zhì)的潛在危害不可忽視，無論是天然氣管道輸送，還是CO2管道輸送，雜質(zhì)H2S作為一種劇毒酸性氣體均普遍存在。因此，本研究取加拿大韋本地區(qū)CO2管道中的CO2氣流，以H2S雜質(zhì)為研究對象，進行泄漏擴散模擬計算，其氣流組成見表1。

1 模型建立

PHAST(process hazard analysis software tool)是一種工藝危險源分析軟件工具，是由DNV公司開發(fā)的一款專門用于天然氣領域和石油石化危險分析和安全計算預測的軟件。該軟件對于氣體的泄漏、放空擴散后果計算的針對性較強，其內(nèi)部數(shù)據(jù)基于大量現(xiàn)場實驗，尤其最新版專門對CO2泄漏、擴散模塊進行了較大改善，可輸出與氣體濃度、范圍等參數(shù)相關的曲線圖，視覺效果和可讀性較強[14-19]。通常情況下，在泄漏或放空過程中截止閥是工作的，泄放流體屬于無源狀態(tài)，本研究采用PHAST建立含雜質(zhì)CO2管道泄漏擴散模型，選用軟件中的短管(short pipeline)模型，假設管道發(fā)生全口徑破裂，泄漏口將管道分成了上游分支和下游分支兩個部分，如圖1所示。

2 控制方程

CO2在泄漏或放空過程中，其流體流動仍遵循三大守恒定律：動量、能量、質(zhì)量守恒定律，由此推導出CO2氣體適用的最基本的連續(xù)方程、運動方程和能量方程。

(1)連續(xù)方程

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3;t為時間，s；u、v、w分別為x、y、z軸的分量，該方程本身守恒。

(2)運動方程

(2)

(3)能量方程

(3)

式中：e為單位質(zhì)量的內(nèi)能，J;V為速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3;為拉普拉斯算子；為x軸的壓力分量；為x軸的速度分量；γ為二階單位張量；T為溫度，K；qk為輻射加熱，J。

(4)狀態(tài)方程

本研究在計算CO2流體物性參數(shù)和CO2流體擴散過程中均選用P-R方程：

(4)

式中：μ、ω為常數(shù)，μ=2，ω=-1；a、b為物質(zhì)特有常數(shù)，與臨界參數(shù)有關，關系式如下：

(5)

(6)

式中：Tc為臨界溫度，K；Pc為臨界壓力，MPa；R為常數(shù)；T為溫度,K；V為摩爾體積,L/mol。

3 模擬結果驗證

大連理工大學與歐盟聯(lián)合設計和搭建了世界上首套工業(yè)規(guī)模的CO2管道泄放裝置，該裝置開展了氣相和超臨界兩種相態(tài)的純CO2水平泄放實驗，管道規(guī)格273 mm×20 mm，長258 m，主要實驗條件見表2。

表2 實驗條件Table 2 Experimental conditions條件初始溫度/℃輸送壓力/MPa孔徑/mm質(zhì)量/t大氣溫度/℃濕度/%風速/(m·s-1)氣相34.541001.528.00.9003.5超臨界36.081004.031.80.5541.0

實驗主要結論：對CO2濃度進行分析時，在氣相下，CO2擴散長度至少為30 m，寬度至少3 m；在超臨界相態(tài)下，長度至少50 m，寬度至少5 m。

本研究利用PHAST軟件進行驗證，選擇短管和UDM模型，設置相同的實驗條件，得出模擬結果，將實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比(見表3)。

表3 實驗、模擬結果對比mTable 3 Comparison of experiment and simulation results相態(tài)氣相超臨界長度寬度長度寬度實驗30.03.050.05.0模擬31.02.259.04.2

由表3可以看出，用PHAST軟件模擬的結果為：氣相相態(tài)下CO2擴散的最大長度為31 m，最大寬度為2.2 m；超臨界相態(tài)下最大長度為59 m，最大寬度4.2 m。總體上，模擬值略大于其實驗值。但因為該實驗屬于工業(yè)級別，現(xiàn)場操作較復雜，而且實驗所采用的雙爆破裝置會使管線壓力具有不均勻性，因此實驗值與模擬值存在一定誤差。但該模擬結果符合喻健良等[14]的實驗值預測范圍，證明該模擬方法可行。

4 模擬結果與分析

本研究根據(jù)韋本氣源組成進行模擬分析，其中CO2和H2S純度分別為96%(摩爾分數(shù))、0.9%(摩爾分數(shù))。美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)認為，CO2濃度職業(yè)接觸標準為5000×10-6(摩爾分數(shù)，下同)，危及健康的標準為20 000×10-6(最低危險濃度值)，一旦超過40 000×10-6，就會立即危及生命和健康。在較高的濃度下，雜質(zhì)H2S也會對身體造成嚴重傷害，其職業(yè)接觸標準值也即最低危險濃度值在10×10-6以下。因此，這里設置的CO2追蹤濃度為20 000×10-6、40 000×10-6、60 000×10-6；H2S的追蹤濃度為10×10-6、20×10-6、50×10-6。風速為1 m/s 時為無風狀態(tài)。在不同孔徑、不同風速、不同輸送壓力下，對管道泄漏擴散進行模擬分析，模擬結果見表4～表5，以及圖2～圖8。

表4 CO2泄漏擴散模擬結果Table 4 Simulation results of impurity CO2 leakage diffusion項目CO2擴散范圍/m高度下風高度下風高度下風孔徑/mm25024.94.417.31.913.31.130030.95.521.22.316.41.335037.06.625.22.719.51.640043.37.529.53.122.61.845049.88.233.93.525.72.1風速/(m·s-1)1107.111.769.54.552.32.6370.613.051.05.640.93.4555.314.841.76.234.53.9746.715.936.17.030.14.01038.616.630.47.325.84.5壓力/MPa121.86.216.02.612.81.5230.56.321.32.616.61.5337.06.625.22.719.51.6442.76.728.92.822.01.7548.07.332.32.924.51.7

表5 H2S泄漏擴散模擬結果Table 5 Simulation results of impurity H2S leakage diffusion項目H2S擴散范圍/m高度下風高度下風高度下風孔徑/mm25062.1141.553.154.239.117.230077.2187.266.571.648.619.635092.1226.380.285.360.225.4400107.2285.794.6103.670.630.7450121.8327.6109.5119.880.734.2風速/(m·s-1)101 456.80295.6111.865.9301 225.20469.5103.975.8525.0705.773.8306.680.370.6750.8546.574.1251.266.264.91076.5463.362.4217.453.670.5壓力/MPa144.1201.541.080.932.524.4272.7210.964.184.247.325.1392.5219.280.785.960.325.44108.9225.393.888.370.527.65121.3230.1107.692.580.629.3

經(jīng)調(diào)研可知，CO2和H2S的管道泄漏濃度是對周圍動植物造成嚴重威脅的最低濃度。因此，本研究選用最低濃度對危險范圍進行分析。

4.1 孔徑對泄漏擴散的影響

由圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在風速穩(wěn)定時，隨著孔徑的增加，H2S和CO2擴散高度和順風擴散距離顯著增加，且兩者都近似正比增加，孔徑越大，擴散范圍越大，但H2S的擴散高度約為CO2的兩倍以上，H2S的擴散距離遠遠大于CO2的擴散距離。所以，同等濃度下，H2S擴散得更高、更遠。因此，當CO2氣流中含有較高濃度的H2S時，H2S擴散危險范圍更大，安全范圍的劃定應以H2S為依據(jù)。

由圖4可知，風速穩(wěn)定時，隨著孔徑的增加，擴散到一定濃度時擴散的距離和擴散高度隨著孔徑的增加而增加，但增幅都較小，常用孔徑300 mm到達濃度的時間為1.3 s，相鄰孔徑時間差均小于0.5 s。因此，孔徑的變化對達到某一濃度的時間影響可忽略不計。

4.2 風速對泄漏擴散的影響

(1)由圖5可知，在H2S、CO2擴散濃度下，風速越大，擴散高度的變化越小，這是由于風速越大，大氣湍流強度越強，同時擴散初始動能被逐漸弱化。由圖6可知，風速為1 m/s時，H2S的順風距離達到了1500 m左右。顯然，在相同的工況下，與CO2擴散的最低危險濃度相比，H2S擴散的職業(yè)接觸濃度的范圍更大。因此，在控制好危險范圍的同時，更要做好氣源地的除雜工作，嚴格限制H2S雜質(zhì)的含量。

(2)同一條件下，風速越大，H2S最低危險濃度范圍越小，隨著風速的變化，低濃度變化范圍要遠大于高濃度，如風速為1～10 m/s，H2S下風向擴散距離的變化量為993.5 m，CO2對應的變化量為4.6 m。顯然，較大的風速是有利于氣體擴散的。

4.3 壓力對泄漏擴散的影響

由圖7和圖8可以看出，輸送壓力對H2S擴散高度的影響與對CO2類似，輸送壓力沿射流方向的影響更顯著。同等條件下，以3 MPa為例，考察最低危險濃度，H2S、CO2的擴散高度分別為93 m、37 m，下風向距離為219 m、6.6 m，顯然H2S擴散范圍更廣。

同一擴散濃度下，隨著輸送壓力的增加，CO2擴散高度和順風擴散距離逐漸增加，但高度增加量明顯更大，1～5 MPa過程增量為26.2 m，而下風向距離的增量僅為1.1 m，幾乎不變，說明壓力主要影響射流方向，射流方向與主擴散方向越趨近，擴散距離就越遠。

5 不同截止閥間距結果分析

通過模擬計算分析可知，影響氣體擴散的主要因素有風速、孔徑大小、出口壓力。通過分析三大因素對擴散范圍的影響，并結合我國多數(shù)地區(qū)人口密度較高，以最大危險范圍為計算目標，選取最常見的大氣環(huán)境，采用韋本CO2長輸管道常用的超臨界/密相為模擬對象，將截止閥安裝距離設置為8 km、10 km、12 km、15 km。

本研究關注的CO2最低濃度值為職業(yè)接觸最大濃度值5000×10-6，H2S最低檢測濃度為10×10-6，因此，5000×10-6為CO2職業(yè)接觸濃度值，10×10-6為H2S最低危險濃度值。不同截止閥間距下CO2、H2S擴散持續(xù)到最低檢測濃度的數(shù)據(jù)列于表6。

表6 不同截止閥間距擴散數(shù)據(jù)Table 6 Diffusion data at different stop valve spacing截止閥間距/kmCO2擴散H2S擴散最大距離/m云團寬度/m持續(xù)時間/s最大距離/m云團寬度/m持續(xù)時間/s8635.262.6976.61 100.1201.21 144.210662.466.51 302.51 156.4211.91 463.312691.370.01 666.41 208.4225.71 820.715728.173.92 274.81 277.4240.52 418.8

(1)由圖9和圖10可知，CO2和H2S擴散至最大距離和云團高度具有相同的變化趨勢，持續(xù)時間隨著閥間距增加呈線性增加，且增加幅度較大。間距為15 km時，最長CO2持續(xù)時間2 274.8 s，增量為(2 278.4 s-976.6 s)/(15 km-8 km)=185.5 s/km，最長H2S持續(xù)時間為2 418.8 s，增量為(2 418.8 s-1 144.2 s)/(15 km-8 km)=182.1 s/km，兩者每千米時間增量相近，均在3 min左右。因此，閥間距越大，對人、動物和環(huán)境的影響越大，故在設置閥間距時持續(xù)時間是主要考慮對象?？紤]到閥室安裝成本及現(xiàn)場施工時間，可將職業(yè)接觸濃度的持續(xù)時間降低至30 min，而閥間距為10 km時，CO2擴散距離為662 m，持續(xù)時間為1302 s，H2S擴散距離為1156 m，持續(xù)時間為1463 s，兩相指標均不太高，因此可選擇閥間距10 km作為參考標準。

(2)閥室間距的安裝需要考慮當?shù)氐娜丝诿芏?、?jīng)濟性、放空安全范圍、擴散至職業(yè)接觸濃度值的持續(xù)時間等。綜合前面的分析，我國不同地區(qū)人口密度變化較大，閥間距的安裝可“因地制宜”，一般閥間距的安裝以10 km為主。

6 結論

利用PHAST軟件對地面架空管道泄漏擴散進行了模擬，研究了不同泄漏孔徑、不同風速以及不同輸送壓力對泄漏擴散的危險范圍影響。結果表明：

(1)隨著孔徑的增加，H2S和CO2擴散高度和順風擴散距離顯著增加，且兩者都近似正比增加，但不同泄放孔徑對管道泄漏擴散的影響不是很大。

(2)在相同的工況下，與CO2擴散的最低危險濃度相比，H2S擴散的職業(yè)接觸濃度的范圍更大。因此，在控制好危險范圍的同時，更要做好氣源地的除雜工作，同時隨著風速的變化，CO2、H2S在低濃度情況下變化范圍要遠大于高濃度情況。

(3)同等條件下，輸送壓力對H2S擴散高度的影響與CO2類似，輸送壓力沿射流方向的影響更顯著，壓力主要影響射流方向，射流方向與主擴散方向越趨近，擴散距離越遠。

(4)我國不同地區(qū)人口密度變化較大，CO2管道閥間距的安裝可“因地制宜”，一般閥間距的安裝以10 km為主。