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(shù)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(shù)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(gòu)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(yīng)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(lǐng)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(guān)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(shè)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(guān)，關(guān)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(jié)果驗證

大連理工大學與歐盟聯(lián)合設(shè)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(jié)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(shè)置相同的實驗條件，得出模擬結(jié)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(jié)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(jié)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?？傮w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(jié)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(jié)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(shè)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(jié)果見表4～表5，以及圖2～圖8。

表4 CO2泄漏擴散模擬結(jié)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)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(shè)置為8 km、10 km、12 km、15 km。

本研究關(guān)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(shè)置閥間距時持續(xù)時間是主要考慮對象。考慮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)氐娜丝诿芏取⒔?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(jié)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(jié)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。