齊飛龍，王文芳，鄧 想

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001）

1 概述

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Sequestration，CCUS）技術(shù)是將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過程中。通過將CO2循環(huán)再利用的方式降低碳排放量，從而減緩“溫室效應(yīng)”對地球環(huán)境所造成的影響。隨著CCUS 技術(shù)的發(fā)展，大量的高壓CO2管線正在投入使用。美國和加拿大已有超過6 000km 的CO2長輸管道，管道直徑在0.3～0.7m，運(yùn)輸壓力在10～20MPa，但都建設(shè)在遠(yuǎn)離人群的陸上區(qū)域。荷蘭建設(shè)了一條85km 的靠近人群的長輸管道，管道直徑為0.65m，運(yùn)行壓力為1～2.2MPa。挪威建設(shè)了世界上第一根CO2的海底管道，長約245km，管道直徑為0.32m，運(yùn)行壓力為20MPa。我國尚未開發(fā)CO2管道建設(shè)，只有部分的試驗(yàn)管道。CO2管道運(yùn)輸作為碳捕集技術(shù)中不可缺失的一部分，一旦失效，將會造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此研究其泄漏規(guī)律對事故的預(yù)測和控制具有重要的指導(dǎo)和參考意義。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

本實(shí)驗(yàn)針對室內(nèi)低壓CO2輸氣管道泄漏事件進(jìn)行分析，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)盡可能與實(shí)際情況相符合。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)參照國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后期進(jìn)行模擬仿真提供參考依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)為針對小尺度室內(nèi)CO2泄漏事件的模擬實(shí)驗(yàn)，可采用模擬自然通風(fēng)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)艙尺寸為3m*1.8m*2.5m（長*寬*高），通風(fēng)開口面積采用尺寸為0.7m*1.0m 的通風(fēng)口來模擬自然通風(fēng)的室內(nèi)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)置4個CO2濃度檢測點(diǎn)，傳感器采用COZIR-WX-20%。實(shí)驗(yàn)艙監(jiān)測點(diǎn)位置如圖1所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)采用模擬CO2輸氣管道破裂泄漏的方式進(jìn)行，選取不同的管道內(nèi)壓強(qiáng)作為初始條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)CO2濃度場變化規(guī)律。選取管道內(nèi)壓力0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa及1.0MPa 為初始條件，直徑2mm 圓形泄漏口為初始實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)分4組進(jìn)行。各實(shí)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 傳感器布置示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)流量

3 不同壓力下數(shù)據(jù)對比

3.1 不同壓力下不同水平面數(shù)據(jù)對比

由圖2至圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)CO2氣體由于所受重力作用大于浮力作用而出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，處于下層的1、3測點(diǎn)的CO2濃度始終大于處于上層的2、4測點(diǎn)。由于泄漏口處氣流流速較大，產(chǎn)生的氣流對實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)混合氣體進(jìn)行攪拌，因此實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)濃度存在分層現(xiàn)象但濃度梯度并不明顯。

圖2 實(shí)驗(yàn)1，泄漏壓力0.2MPa

圖3 實(shí)驗(yàn)2，泄漏壓力0.4MPa

圖4 實(shí)驗(yàn)3，泄漏壓力0.6MPa

圖5 實(shí)驗(yàn)4，泄漏壓力1.0MPa

將1、3測點(diǎn)與2、4測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)相減后，得到的數(shù)據(jù)分別與測點(diǎn)3、4的數(shù)據(jù)相除，得到上層CO2濃度與下層CO2濃度的差值比率，將4組實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)1、3所得差值比率與2、4所得差值比率分開比較，得到圖6、7。

圖6 1、2差率

圖7 3、4差率

從圖6與圖7可以發(fā)現(xiàn)，不同水平面上同一位置的CO2濃度差率隨實(shí)驗(yàn)時間的推進(jìn)，逐步趨向穩(wěn)定。在差值率大致穩(wěn)定后，泄漏壓力越高，不同水平面上同一點(diǎn)的CO2濃度差值率分布越靠下，但是在實(shí)驗(yàn)開始后的前100s 內(nèi)，差值率存在較大的波動，因此選取圖形穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)（100s 后）求平均值，可計(jì)算得從實(shí)驗(yàn)1到實(shí)驗(yàn)4，1、2點(diǎn)差值率分別為0.149、0.148、0.119、0.091，3、4點(diǎn)差值率分別為0.284、0.268、0.239、0.217。差值率與泄放壓力呈負(fù)相關(guān)。差值率隨泄放壓力變化曲線如圖8所示。

圖8 差值率趨勢

已知壓縮氣體速度與壓力關(guān)系公式為：

式中p0為管道內(nèi)壓力，Pa

p為大氣壓力，Pa

γ為氣體常數(shù)

M為馬赫數(shù)

由公式（1）可知，壓縮氣體的M與管道內(nèi)壓力P0呈正相關(guān)，當(dāng)P0增大時，M也隨之增大。因此，當(dāng)泄漏氣體速度越高時，不同水平面上同一點(diǎn)的CO2濃度差值率越低，CO2濃度分層現(xiàn)象越弱。

3.2 不同壓力下同測點(diǎn)數(shù)據(jù)對比

將每一個測點(diǎn)在4組實(shí)驗(yàn)中所測得數(shù)據(jù)相組合，得到圖9～12。由圖9-12可以看出，同一水平面上的測點(diǎn)濃度變化趨勢相同，每個測點(diǎn)隨著時間的增加濃度不斷增加，前150s 內(nèi)4組實(shí)驗(yàn)中每個測點(diǎn)濃度呈現(xiàn)平穩(wěn)上升，而后150s 內(nèi)則出現(xiàn)波動，這主要是由于后期擴(kuò)散作用更加明顯。并且在前300s內(nèi)同一測點(diǎn)位置入口壓力越大，則該測點(diǎn)濃度越高，但超過300s 則四測點(diǎn)濃度開始接近，并且增加的速度開始減小。

圖9 測點(diǎn)1

圖10 測點(diǎn)2

圖11 測點(diǎn)3

圖12 測點(diǎn)4

為了保證從事相關(guān)生產(chǎn)工作的工作人員的人身安全，在CO2泄漏事件發(fā)生后，泄漏點(diǎn)周圍環(huán)境中CO2濃度數(shù)據(jù)及達(dá)到相應(yīng)的濃度的時間數(shù)據(jù)尤為重要。

每個測點(diǎn)在不同泄放壓力的實(shí)驗(yàn)中，到達(dá)不同CO2濃度的時間不同。隨著泄放壓力越來越高，每個測點(diǎn)到達(dá)危險(xiǎn)濃度的時間也相應(yīng)減少，其中測點(diǎn)1在不同實(shí)驗(yàn)中到達(dá)0.5%濃度的時間為78s、64s、50s、37s，與測點(diǎn)3 的82s、68s、50s、40s 相接近，1.5m 高水平面上的測點(diǎn)2與測點(diǎn)4在不同實(shí)驗(yàn)中到達(dá)0.5%的時間為100s、76s、61s、47s，和99s、83s、61s、49s。當(dāng)濃度逐漸上升，靠近通風(fēng)口的4號測點(diǎn)濃度增加速率明顯降低。在泄漏事件發(fā)生時，位于0.3m 高的水平面上的點(diǎn)在37～82s 的時間內(nèi)會到達(dá)危險(xiǎn)濃度。而位于1.5m 水平面上的點(diǎn)在47～100s 內(nèi)則會達(dá)到危險(xiǎn)濃度。

4 結(jié)論

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察及分析，可得到在CO2泄漏事件發(fā)生時，不同水平面上同一點(diǎn)在泄漏壓力逐步增加時，由于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)混合氣體受到高速CO2氣流的影響，濃度差率會隨著泄漏壓力的增大而減小。同水平面上不同位置的CO2濃度達(dá)到危險(xiǎn)值的時間數(shù)據(jù)同樣與泄漏壓力相關(guān)，當(dāng)泄漏壓力增大時，各個測點(diǎn)到達(dá)危險(xiǎn)濃度的時間隨之減小。上述結(jié)論為室內(nèi)小尺度空間CO2泄漏事件發(fā)生后的安全操作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時整個實(shí)驗(yàn)也為對于室內(nèi)小尺度空間CO2泄漏的Fluent仿真提供了理論依據(jù)。