超臨界CO2管道泄漏特性研究進(jìn)展

郭曉璐，喻健良，閆興清，徐鵬，徐雙慶

（1 合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥230031； 2 大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連116024）

引 言

超臨界CO2在循環(huán)發(fā)電、石油開采、碳捕集及封存等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。超臨界CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是未來核能、太陽能、火電等能源綜合利用的重要發(fā)展方向[1]。超臨界CO2驅(qū)油技術(shù)及鉆井技術(shù)在石油開采領(lǐng)域中可實(shí)現(xiàn)提高石油采收率、射流破巖效率及鉆井速度[2]。作為碳捕及封存技術(shù)鏈的中間環(huán)節(jié)，CO2管道將從電廠、化工廠等源頭分離的CO2輸送至封存點(diǎn)[3]。在各領(lǐng)域的壓力管道運(yùn)輸過程中，CO2管道輸送工藝可分為氣相、液/密相和超臨界相等，其中具有強(qiáng)溶解性、低黏度、高密度等特性的超臨界CO2在管道運(yùn)輸中的經(jīng)濟(jì)性最佳[4-5]。

當(dāng)管道本身存在缺陷問題，長距離或長時間管道運(yùn)輸難免發(fā)生泄漏[6]。由于CO2具有較高焦耳-湯姆遜系數(shù)，泄漏中溫度大幅下降會造成管線韌性下降，且超臨界CO2管道泄漏中的減壓波速度異于其他介質(zhì)，這極可能造成長程管道脆性斷裂擴(kuò)展[7]。由泄漏釋放的具有重氣特征的低溫CO2易在低洼處形成高濃度區(qū)，對人體造成窒息、昏迷甚至死亡[8-9]。例如，在2002—2008 年期間，美國的CO2運(yùn)輸管道大約發(fā)生31 次泄漏事故，由于大多位于無人區(qū)，而未發(fā)生傷亡；但隨著各個領(lǐng)域的管道輸運(yùn)規(guī)模發(fā)展，CO2管道會靠近人口密集區(qū)[10]。2014 年，中石化華東分公司采油廠輸送液態(tài)二氧化碳的管道(設(shè)計壓力9.0 MPa、設(shè)計溫度50℃)發(fā)生泄漏爆炸事故，未造成人員傷亡，管道破壞約60 m[11]。2019 年，福建省海運(yùn)集團(tuán)“金海翔”貨輪的CO2儲氣及管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏，造成10人死亡、19人受傷[12]。

超臨界CO2管道泄漏過程可分為管道內(nèi)減壓過程、近場射流膨脹過程和遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程三部分。對于管內(nèi)減壓過程，泄漏瞬間產(chǎn)生減壓波并沿管道傳播，使熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生突變；浮力效應(yīng)和環(huán)境溫度對管內(nèi)介質(zhì)溫度、相態(tài)分?jǐn)?shù)等參數(shù)分布會造成影響，目前這些泄漏特征并不明確。對于近場射流膨脹過程，射流攜帶來自管內(nèi)和泄漏口附近產(chǎn)生的干冰，使射流流場相當(dāng)復(fù)雜。對于遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程，由于受射流和干冰流場以及地形地貌和風(fēng)速風(fēng)向的影響，CO2濃度及溫度分布規(guī)律需要進(jìn)一步明確。圖1為CO2管道泄漏擴(kuò)散過程示意圖。

本文綜述了國內(nèi)外CO2管道泄漏中管內(nèi)減壓、近場射流膨脹和遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程的實(shí)驗(yàn)和模擬研究現(xiàn)狀，針對目前超臨界CO2管道泄漏特性研究存在的不足，提出了開展下一步研究工作的建議，對于建立完整的超臨界CO2管道安全輸運(yùn)技術(shù)、管道泄漏安全評估具有重要參考和應(yīng)用意義。

1 管道內(nèi)減壓過程研究

在CO2管道減壓過程中，泄漏瞬間產(chǎn)生減壓波傳播并造成壓力突變；在整體壓降中，介質(zhì)溫度下降同時管內(nèi)可能產(chǎn)生干冰。國外對CO2管道泄漏時流動參數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)和模擬研究已逐步開展[13]。

在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方面：Cosham 等[14]介紹了三次長度分別為16.16 m、16.97 m、22.71 m 的全尺寸密相CO2埋地管道(φ914.0 mm×25.4 mm)斷裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Battelle 雙曲線方法研究發(fā)現(xiàn)泄漏瞬間形成的減壓波以介質(zhì)音速傳播，同時壓力快速下降至略低于初始溫度對應(yīng)的飽和壓力處并保持亞穩(wěn)定狀態(tài)(圖2)。Ahmad 等[15]介紹了來自COSHER 項(xiàng)目的一次大規(guī)模CO2管道斷裂實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)裝入的136 t 密相CO2在204 s全部泄放完畢；泄漏時管內(nèi)壓力快速下降至飽和區(qū)，同時密相轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡拖?；最低溫度達(dá)到-78℃。在中小規(guī)模實(shí)驗(yàn)方面：Drescher 等[16]通過長139 m 的CO2管道(φ12 mm×1 mm)泄放實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)過冷液相CO2減壓中很快轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上?，最后轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?；?yàn)證了采用PR 方程的一維均相模型但存在誤差。Cosham 等[17]基于長144 m 的管道(φ 168.3 mm×10.97 mm)泄放實(shí)驗(yàn)，結(jié)合采用了SW 和GERG-2008 狀態(tài)方程的一維等熵均相DECOM 模型，研究發(fā)現(xiàn)相較于氣相，液相CO2減壓曲線平臺更長。Vree 等[18]通過長30 m、高1.3 m、內(nèi)徑5.08 cm 螺旋管液態(tài)CO2減壓實(shí)驗(yàn)，采用無量綱參數(shù)化方法，研究發(fā)現(xiàn)泄放速率較大時減壓過程可假設(shè)為等熵膨脹，管內(nèi)介質(zhì)與外界環(huán)境換熱量小；泄放速率較小時則受環(huán)境影響較大。Huh 等[19]利用長51.96 m、內(nèi)徑3.86 mm 管道泄放裝置研究帶N2的CO2減壓過程，驗(yàn)證了OLGA 模型，發(fā)現(xiàn)二者后期壓降、溫降過程存在較大偏差；隨N2含量增加而吻合度提高。Clausen 等[20]介紹了一次超臨界CO2埋地管道放空過程。主管道長50 km、內(nèi)徑60.96 cm，兩端各連接2.5 m 長和內(nèi)徑20.32 cm 豎直放空管道。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于SW方程的一維OLGA模型、發(fā)現(xiàn)壓力和溫度變化整體上較吻合，而兩相泄放期間有偏離。Han 等[21-22]建立了高壓CO2氣瓶外接細(xì)管道的液態(tài)CO2泄放裝置，實(shí)驗(yàn)測得壓力-溫度曲線與理論飽和線較為接近；并從無量綱長度分析得到，壓力梯度值越大，則越有可能發(fā)生核化沸騰。

圖1 CO2管道泄漏擴(kuò)散過程Fig.1 Leakage and dispersion process of CO2 pipeline

除上述實(shí)驗(yàn)研究中采用的相關(guān)模型驗(yàn)證外，在數(shù)值模擬方面具有代表性的成果：Elshahomi 等[23]建立了基于狀態(tài)方程GERG-2008 的二維CFD 全口徑瞬間爆破的減壓模型，研究發(fā)現(xiàn)在CO2混合氣泄壓過程中，壓力變化與減壓波速度對應(yīng)的曲線存在平臺；初始溫度與減壓波速度的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。Mahgerefteh 等[24-25]基于自主設(shè)計的管道泄漏模擬軟件PipeTech，并建立了CO2管道斷裂的流固耦合模型，研究了氣相、密相和超臨界CO2管道泄壓減壓行為，并可實(shí)現(xiàn)斷裂擴(kuò)展預(yù)測；該模型采用了修正的PR 方程可更好預(yù)測CO2性質(zhì)的變化，但該軟件仍需通過真實(shí)條件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Witlox 等[26]利用危險分析及安全計算軟件PHASH 軟件，對CO2持續(xù)泄漏中干冰的產(chǎn)生和升華過程對CO2濃度的分布情況影響進(jìn)行分析評估。

近年來，國內(nèi)單位在CO2管道泄漏方面開展了很多工作，研究成果取得國際認(rèn)可。中國石油大學(xué)李玉星等[27-30]基于長14.85 m、規(guī)格φ21 mm×3 mm 主管道組成的實(shí)驗(yàn)裝置，開展超臨界CO2泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)合特征線法的一維管道減壓模型研究減壓波傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姜羲等[31-33]建立了長23 m 的循環(huán)管道(φ40 mm×5 mm)實(shí)驗(yàn)裝置，并在管道垂直方向安裝氣動閥和噴嘴實(shí)現(xiàn)CO2泄放(圖3)。研究認(rèn)為由于阻塞流效應(yīng)，在相同壓降范圍內(nèi)，更高的初始壓力將導(dǎo)致更慢的壓降速率。

清華大學(xué)劉鋒[34]基于25 L儲罐接長度2 m、內(nèi)徑4 mm 管道的超臨界CO2泄放實(shí)驗(yàn)裝置，研究認(rèn)為泄漏瞬間可看作等焓過程，管內(nèi)介質(zhì)發(fā)生相態(tài)變化時存在熱力學(xué)不平衡；結(jié)合了等熵阻塞流泄漏速率模型，與BP 公司公開的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]比較，吻合較好。西安石油大學(xué)任科[35]建立了基于PR 方程的一維減壓模型對超臨界CO2管道泄漏中減壓波傳播特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)初始溫度降低時減壓波曲線出現(xiàn)壓力平臺；初始壓力增大時壓力平臺下降更快。北京工業(yè)大學(xué)王會粉[36]建立了三維CO2管道小孔泄漏標(biāo)準(zhǔn)k-ε 數(shù)值模型，采用理想氣體方程，研究發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑和初始壓力對泄漏參數(shù)影響較大，是否絕熱對溫度影響較大而對壓力影響較小。西南石油大學(xué)劉麗艷等[37]基于建立的管道裂紋擴(kuò)展Battelle 雙曲線模型，分析認(rèn)為密相CO2泄漏時汽化產(chǎn)生的飽和蒸氣壓是管道斷裂擴(kuò)展的主要推動力。石家莊鐵道大學(xué)劉斌等[38]建立了一維CFD管道破裂減壓預(yù)測模型，采用PR 和GERG 狀態(tài)方程，并通過引入質(zhì)量和能量項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)變模擬，基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證認(rèn)為該模型適用于單相和氣液兩相減壓流動。大連理工大學(xué)喻健良等[39-44]基于歐盟第七框架CO2PipeHaz 和CO2QUEST 合作項(xiàng)目，通過長258 m 工業(yè)規(guī)模CO2管道(φ273 mm×20 mm)泄放實(shí)驗(yàn)，結(jié)合熱力學(xué)定律、氣泡成核理論、傳熱理論分析，研究發(fā)現(xiàn)超臨界條件下突變壓力穿過臨界值時，壓變速率降低并趨于零；CO2由超臨界轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上?、氣相或固相。圖4為大連理工大學(xué)建立的工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2 三次全尺寸CO2管道斷裂實(shí)驗(yàn)[14]Fig.2 Three full-scale CO2 pipelines fracture experiments(1 bar=0.1 MPa)[14]

圖3 循環(huán)管道實(shí)驗(yàn)裝置[31-33]Fig.3 Circulation pipeline experimental equipment[31-33]

目前CO2管道泄漏特性實(shí)驗(yàn)和模擬研究數(shù)量不斷增多，但大部分實(shí)驗(yàn)研究為中小規(guī)模且超臨界條件較少，較實(shí)際工況仍有偏差，同時測量方法需優(yōu)化；而模擬研究中涉及的相態(tài)變化，尤其是干冰生成和流動規(guī)律，相對研究較少，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究[45-46]；目前研究成果對實(shí)際管道安全運(yùn)行的指導(dǎo)意義有限，還需要深入研究。表1 和表2 為國內(nèi)外CO2管道減壓過程實(shí)驗(yàn)和模擬研究情況。

2 近場射流膨脹過程研究

圖4 大連理工大學(xué)建立的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置[39-44]Fig.4 Large scale experimental equipment established by Dalian University of Technology[39-44]

表1 國內(nèi)外CO2管道減壓過程實(shí)驗(yàn)研究情況Table 1 Experimental study on the decompression process of CO2 pipeline at home and abroad

CO2管道泄漏近場射流膨脹過程涉及到復(fù)雜的激波、壓力和溫度的急劇變化以及干冰生成過程；目前對CO2管道泄漏口射流流場實(shí)驗(yàn)和模擬研究數(shù)量較少。

Woolley等[47-48]基于外接長9 m、內(nèi)徑50 mm管路的2 m3球罐泄放實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬方法研究了CO2泄漏近場射流流場結(jié)構(gòu)(圖5)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用了PR 和SW 兩種狀態(tài)方程并應(yīng)用了拉格朗日粒子追蹤法的雷諾湍流模型(RANS)模擬結(jié)果進(jìn)行對比，認(rèn)為二者結(jié)果較為符合；但對三相點(diǎn)以下的模擬結(jié)果存在不足。 Wareing 等[49-50]基于英國COOLTRANS研究項(xiàng)目，對密相CO2管道泄漏中近場射流流場和溫度分布進(jìn)行了垂直泄放實(shí)驗(yàn)和二維雷諾湍流CFD 模擬研究；研究發(fā)現(xiàn)射流膨脹過程中形成包含馬赫盤的欠膨脹結(jié)構(gòu)；介質(zhì)溫度沿著膨脹路徑在馬赫盤處下降至最低值。Ahmad 等[51]基于高壓0.5 m3容器泄放裝置，通過設(shè)置不同的初始壓力和溫度以及泄放口徑，實(shí)驗(yàn)測得噴嘴附近最低溫度約-83℃；隨后氣流溫度逐漸上升。Liu 等[52]建立了不同初始壓力CO2管道泄漏射流擴(kuò)散過程的兩階段CFD 模型(第Ⅰ階段為源強(qiáng)度計算，其計算結(jié)果作為第Ⅱ階段輸入條件)。狀態(tài)方程選用PR 方程，湍流方程選用SST k-ω 模型，獲得各初始壓力對應(yīng)的射流膨脹結(jié)構(gòu)。Wareing 等[53-54]應(yīng)用拉格朗日粒子追蹤技術(shù)的二維雷諾湍流模型，結(jié)合PR 和SW 狀態(tài)方程，研究了設(shè)定深坑尺寸的埋地密相CO2管道近場泄漏流場，發(fā)現(xiàn)泄漏口附近形成激波結(jié)構(gòu)，膨脹壓力在馬赫盤后升至大氣壓，最低溫度低于大氣壓下CO2氣固轉(zhuǎn)變溫度。

表2 國內(nèi)外CO2管道減壓過程模擬研究情況Table 2 Simulation study on the decompression process of CO2 pipeline at home and abroad

圖5 2 m3球罐泄放實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬[47-48]Fig.5 Discharge test and simulation of 2 m3 spherical tank[47-48]

國內(nèi)對CO2管道泄漏口近場射流也開展了部分工作。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姜羲等[55-57]通過矩形回路管道垂直泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)合兩步L-W 算法的二維CFD模型，研究了超臨界CO2垂直泄放中管內(nèi)壓力和泄漏口徑對射流結(jié)構(gòu)、形態(tài)及尺寸的影響；研究發(fā)現(xiàn)，隨孔徑變大，典型欠膨脹射流結(jié)構(gòu)消失；孔口附近出現(xiàn)干冰床。清華大學(xué)劉鋒[34]利用建立的實(shí)驗(yàn)裝置對泄漏口流場進(jìn)行測量，并采用SST k-ω 二維CFD模擬方法，發(fā)現(xiàn)馬赫盤前后溫度梯度很大，最低溫度約-80℃。當(dāng)泄漏初期近場產(chǎn)生干冰較多時，射流結(jié)構(gòu)整體上成圓錐形；當(dāng)近場無干冰或產(chǎn)生干冰很少時，激波結(jié)構(gòu)較為清晰。大連理工大學(xué)郭曉璐等[58-60]基于工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)開展了近場射流膨脹過程研究，發(fā)現(xiàn)在欠膨脹射流中形成了大量干冰顆粒；在泄漏瞬間的管內(nèi)壓力快速下降同時射流膨脹角度達(dá)到最大，膨脹壓力隨著射流結(jié)構(gòu)變化出現(xiàn)較大波動，同時欠膨脹結(jié)構(gòu)在泄漏后期逐漸清晰；并驗(yàn)證了采用PR 方程的Realizable k-ω 二維CFD 模型，認(rèn)為未考慮干冰生成而存在誤差。圖6 為超臨界CO2管內(nèi)壓力與泄漏口附近動壓變化過程。

圖6 超臨界CO2管內(nèi)壓力與泄漏口附近動壓變化[59]Fig.6 Change process of the pressure inside of the pipeline and the dynamic pressure near the orifice of supercritical CO2[59]

表3 國內(nèi)外CO2管道近場射流膨脹過程實(shí)驗(yàn)研究情況Table 3 Experimental study of near-field jet expansion in CO2 pipeline at home and abroad

表4 國內(nèi)外CO2管道近場射流膨脹過程模擬研究情況Table 4 Simulation study of near-field jet expansion in CO2 pipeline at home and abroad

對于CO2管道泄漏射流流場，由于高流速和高沖擊力，在實(shí)驗(yàn)測量中采用的方法有限且容易存在誤差；由于射流中伴隨著干冰顆粒生成和升華以及來自管道內(nèi)部產(chǎn)生的干冰，在模擬研究中也存在一定難度。表3 和表4 為國內(nèi)外CO2管道近場射流膨脹過程實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究情況。

3 遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程研究

在泄漏遠(yuǎn)場擴(kuò)散中，由近場射流攜帶的大量干冰、氣相CO2及卷吸的空氣等介質(zhì)進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū)域持續(xù)擴(kuò)散；同時干冰顆粒、低溫氣體及凝結(jié)水霧發(fā)生沉降，當(dāng)遇到低洼處形成高濃度區(qū)域。

Witlox 等[61-62]介紹了英國石油公司BP 和英荷殼牌石油公司Shell 聯(lián)合開展的CO2PIPETRANS 項(xiàng)目系列CO2水平管道泄放實(shí)驗(yàn)，初始相態(tài)為液相和超臨界CO2；將統(tǒng)一擴(kuò)散模型UDM 及高斯擴(kuò)散模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果仍存在誤差。Proust等[63]同樣利用Woolley 介紹的CO2球罐裝置，在擴(kuò)散區(qū)域安裝了熱電偶和O2濃度傳感器來測量密相CO2遠(yuǎn)場擴(kuò)散情況。結(jié)合修正的高斯擴(kuò)散模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)近場附近測量溫度值低于三相點(diǎn)而產(chǎn)生干冰，但較難預(yù)測干冰數(shù)量，且較難評估干冰升華對擴(kuò)散的影響。Ahmad 等[15]介紹的全口徑泄放實(shí)驗(yàn)中，同時測量了可見云形態(tài)、CO2濃度和溫度變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)釋放CO2形成的毯狀云層最大高度約60 m，云層邊緣最遠(yuǎn)為400 m。由于當(dāng)天風(fēng)速較低，近場附近CO2濃度值為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)；距離50 m處最低溫度約-30℃。

對于擴(kuò)散數(shù)值模擬，應(yīng)用于天然氣等管道泄漏的如唯象模型、箱模型、淺層模型等模型研究較多但不能直接應(yīng)用于CO2擴(kuò)散模擬[64]。近年來，部分兩相流商業(yè)模擬軟件，如危險分析及安全計算軟件PHASH 和事故后果模擬軟件ALOHA，可用來評估CO2管道泄漏危險區(qū)域。PHASH 軟件[26,65]基于PR 方程模擬了CO2管道泄漏擴(kuò)散過程，在穩(wěn)態(tài)泄漏率情形下，該模擬結(jié)果具有較好魯棒性；但對于瞬態(tài)泄漏，仍需改進(jìn)。Mazzoldi 等[66]利用ALOHA 軟件建立了干冰堆升華的擴(kuò)散模型，發(fā)現(xiàn)無風(fēng)條件下，重力作用和地貌形態(tài)決定了CO2的擴(kuò)散過程；當(dāng)風(fēng)速較大時，風(fēng)力風(fēng)向在擴(kuò)散中起到主導(dǎo)作用；在埋地條件下，由于CO2不易于擴(kuò)散，干冰顆粒會擠壓為干冰塊導(dǎo)致情形更為復(fù)雜。

為了研究不同天氣條件和復(fù)雜地形下CO2管道泄漏擴(kuò)散，采用更為精確的CFD 模擬是可行的方法。Liu 等[67]建立兩階段CFD 模型，結(jié)合GERG-2008 狀態(tài)方程的DPM 模型和全氣相模型對CO2管道泄漏遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬。分析表明，采用不同的干冰粒徑對DPM 模型擴(kuò)散結(jié)果的影響較?。粸闇p小干冰影響，采用全氣相模型作為對比。Woolley等[68]采用了CFX 和FLACS 軟件對設(shè)想的長217 km埋地管道泄漏進(jìn)行模擬(圖7)。該模型假設(shè)泄漏時射流已將覆蓋的土壤完全推開。FLACS 模擬的CO2擴(kuò)散范圍相比CFX 模擬結(jié)果較小。研究指出兩個模型需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7 CFX軟件中的模擬結(jié)果（CO2體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、4%）[68]Fig.7 Simulation results in CFX software[68]

國內(nèi)對CO2管道泄漏擴(kuò)散也開展了很多工作。北京理工大學(xué)劉振翼等[69-70]開展了基于相似準(zhǔn)則的氣相CO2泄漏擴(kuò)散小尺寸縮比例實(shí)驗(yàn)，研究認(rèn)為相較于RNG k-ε、SST k-ε 和k-ε 湍流模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為吻合。中國石油大學(xué)李玉星等[71-72]設(shè)計了包括主管道和節(jié)流管段的節(jié)流泄放實(shí)驗(yàn)裝置，研究節(jié)流效應(yīng)及可見云擴(kuò)散過程。研究發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2泄放中的穩(wěn)定節(jié)流出口壓力下，錐狀氣云保持準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)壓力逐漸下降時氣云尺度緩慢變小。中石化石油工程設(shè)計有限公司的陳霖[73]基于大連理工大學(xué)建立的實(shí)驗(yàn)裝置開展了氣相、密相和超臨界CO2泄漏擴(kuò)散區(qū)域的CO2體積分?jǐn)?shù)分布研究，認(rèn)為在工程應(yīng)用中應(yīng)考慮風(fēng)速、地形及測量誤差等因素影響。大連理工大學(xué)郭曉璐等[58-59,74-76]基于工業(yè)規(guī)模泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究和基于PR 方程的Realizable k-ε二維CFD 模型，認(rèn)為遠(yuǎn)場擴(kuò)散的可見云主要由氣態(tài)CO2、空氣、凝結(jié)水霧及揚(yáng)塵等組成(圖8)。相對氣相和密相，超臨界CO2的擴(kuò)散速度更快，其可見云最遠(yuǎn)距離超過150 m。以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為依據(jù)，建立了氣相CO2泄漏擴(kuò)散模型；并對密相、超臨界工況下泄漏擴(kuò)散距離的工程適用性進(jìn)行了分析。

對于遠(yuǎn)場擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究，尤其大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，由于擴(kuò)散范圍和氣流流速很大，能反映擴(kuò)散規(guī)律的測量點(diǎn)數(shù)量、準(zhǔn)確度及布置方式對實(shí)驗(yàn)成本和技術(shù)要求都很高；而小尺度實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工況不同，獲得的擴(kuò)散規(guī)律仍需驗(yàn)證。對于CO2管道遠(yuǎn)場擴(kuò)散模擬研究，由于受高速射流、重氣效應(yīng)、復(fù)雜環(huán)境和地形條件的影響，目前較難建立完整模擬CO2管道泄漏擴(kuò)散的全過程數(shù)值模型[77-78]。表5 和表6 為國內(nèi)外CO2管道遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程實(shí)驗(yàn)和模擬研究情況。

4 結(jié)論與展望

圖8 可見云形態(tài)變化[59]Fig.8 Visible cloud shape changes[59]

表5 國內(nèi)外CO2管道遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程實(shí)驗(yàn)研究情況Table 5 Experimental study on far-field diffusion process of CO2 pipeline at home and abroad

本文綜述了國內(nèi)外CO2管道減壓過程、近場射流膨脹及遠(yuǎn)場擴(kuò)散規(guī)律實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬方面的研究現(xiàn)狀；并歸納了初始壓力和溫度、泄漏口徑及開啟方式等實(shí)驗(yàn)條件以及初始相態(tài)、狀態(tài)方程等邊界和輸入條件，并對建立的模型進(jìn)行了適用性評價。對于管道內(nèi)減壓過程研究，減壓波傳播涉及到的臨界區(qū)域相變的特殊性以及壓力降至三相點(diǎn)時干冰顆粒的生成使管道內(nèi)的流場更為復(fù)雜，該過程的研究存在較大難度。對于近場射流膨脹過程研究，泄漏口高壓差產(chǎn)生的高度欠膨脹射流結(jié)構(gòu)隨著管內(nèi)壓力降低而不斷發(fā)生變化，并伴隨著干冰的生成和升華，該過程仍未得到準(zhǔn)確描述。對于遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程研究，近場形成的干冰被氣流攜帶至遠(yuǎn)場，對遠(yuǎn)場流場分布造成的影響程度仍未有定量分析。綜合上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，對于超臨界CO2管道泄漏特性及擴(kuò)散規(guī)律的研究數(shù)量并不多，研究不足主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）關(guān)于管道內(nèi)CO2熱物性研究，盡管目前實(shí)驗(yàn)和模擬研究數(shù)量都在不斷增多，但大部分實(shí)驗(yàn)及模擬條件與實(shí)際工況仍存在差異，實(shí)驗(yàn)測量條件需要優(yōu)化，而模擬方法也需改進(jìn)。

（2）CO2管道泄漏模擬大多基于均相流模型,不能準(zhǔn)確預(yù)測相間存在滑移的流體物理形態(tài)；而采用非均相流假設(shè)的模型仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。在模擬研究中，對于干冰在管道內(nèi)及泄漏區(qū)域的產(chǎn)生及流動規(guī)律尤顯不足。

表6 國內(nèi)外CO2管道遠(yuǎn)場擴(kuò)散過程模擬研究情況Table 6 Simulation study of far-field diffusion process of CO2 pipeline at home and abroad

（3）由于CO2臨界條件附近的性質(zhì)(如密度、黏度和聲速等)存在突變情況，因此減壓過程中壓力穿過臨界值時CO2泄漏特性也會發(fā)生突變，目前實(shí)驗(yàn)和模擬研究在該區(qū)域的預(yù)測精度均需提高。

針對超臨界CO2管道泄漏特性及擴(kuò)散規(guī)律研究現(xiàn)狀，在超臨界CO2管道泄漏特性實(shí)驗(yàn)、模擬及理論研究仍需要進(jìn)一步開展。建議深入開展以下幾個方面的研究。

（1）實(shí)際工況下超臨界CO2管道泄漏過程中不同口徑下減壓波傳播和強(qiáng)度衰減規(guī)律，以及多維角度下壓力、溫度、密度和相態(tài)分?jǐn)?shù)等狀態(tài)參量變化過程和分布特征；浮力效應(yīng)和周向管壁溫度對介質(zhì)傳熱過程、溫度以及氣液相分布等的影響、管內(nèi)干冰顆粒的產(chǎn)生條件和流動規(guī)律。

（2）泄漏口徑和方向?qū)ΤR界CO2管道泄漏近場激波結(jié)構(gòu)變化、干冰生成數(shù)量及范圍的影響；近場干冰顆粒生成和流動、射流結(jié)構(gòu)變化以及可見云形成和擴(kuò)散規(guī)律。

（3）近場射流流場、干冰沉降和升華，以及地形、障礙物和風(fēng)速風(fēng)向?qū)ΤR界CO2管道泄漏遠(yuǎn)場擴(kuò)散區(qū)域中CO2濃度和溫度擴(kuò)散規(guī)律的影響；各種影響因素下CO2濃度閾值及低溫區(qū)域的安全距離劃分。

（4）埋地條件下超臨界CO2管道小孔泄漏中，土壤特性、埋地深度、泄漏方向等對減壓過程、干冰生成范圍及數(shù)量的影響；干冰在管道和土壤內(nèi)的存在時間及干冰升華溢出土壤至地面的擴(kuò)散過程。