超臨界CO2管道多級(jí)放空裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

李玉星, 滕 霖, 胡其會(huì), 趙 青

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580; 3. 中國(guó)石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

超臨界CO2管道多級(jí)放空裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

李玉星1,2, 滕 霖1,2, 胡其會(huì)1,2, 趙 青1,3

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580; 3. 中國(guó)石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

放空流程設(shè)計(jì)是高壓管道設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，基于Joule-Thomson效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了用于放空過(guò)程研究的撬裝實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了超臨界CO2多級(jí)放空實(shí)驗(yàn)研究。綜合考慮了管道強(qiáng)度、節(jié)流管末段穩(wěn)壓、瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護(hù)等因素，確保實(shí)驗(yàn)安全可靠。實(shí)驗(yàn)研究了多級(jí)放空過(guò)程中管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律及管外氣云噴射擴(kuò)散規(guī)律，為超臨界CO2管道放空設(shè)計(jì)提供的新思路。

碳捕集及埋存； 超臨界CO2管道； 多級(jí)放空裝置

碳捕集及埋存技術(shù)(carbon dioxide capture,storage,簡(jiǎn)稱CCS)是實(shí)現(xiàn)全球二氧化碳減排的有效方式[1]。CO2管道輸送是CCS技術(shù)的重要一環(huán)[2]。研究表明,超臨界態(tài)輸送是最經(jīng)濟(jì)的輸送方式[3]。為防止管道出現(xiàn)超壓事故,通常需要對(duì)CO2管道進(jìn)行人為放空。由于管輸?shù)膲毫νǔＴ?0 MPa以上,直接放空到大氣壓時(shí)產(chǎn)生巨大壓差，由于節(jié)流效應(yīng)的作用會(huì)在放空口處產(chǎn)生巨大溫降[4],CO2的溫度會(huì)低于三相點(diǎn)溫度(-56 ℃),從而形成干冰,堵塞管道,造成一系列危害[5-7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)CO2管道放空的研究尚不多見。

近年來(lái)歐盟第七框架協(xié)議資助的CO2PipeHaz項(xiàng)目[2]進(jìn)行了大量CO2管道失效泄壓方面的研究。大連理工大學(xué)搭建了管徑×壁厚為273 mm×20 mm,長(zhǎng)256 m的工業(yè)規(guī)模級(jí)別的實(shí)驗(yàn)管道,研究了不同相態(tài)CO2管道泄放過(guò)程中管內(nèi)的壓力響應(yīng)及相態(tài)變化[8]。英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)Mahgerefteh教授的課題組基于CO2PipeHaz項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了大量瞬變模型研究,分別建立了均相和非均相兩相流動(dòng)模型來(lái)描述CO2管道泄壓過(guò)程管內(nèi)的瞬變流動(dòng)[9-11]。但目前還缺乏針對(duì)大規(guī)模CO2輸送管道人為放空過(guò)程的研究,尤其是在復(fù)雜流道下超臨界CO2放空過(guò)程中管內(nèi)壓力溫度變化規(guī)律并不明確。本文基于Joule-Thomson效應(yīng)原理,設(shè)計(jì)了用于放空過(guò)程研究的撬裝實(shí)驗(yàn)裝置(規(guī)格DN250 mm×12 mm,總長(zhǎng)為12 m的主管配合內(nèi)徑50 mm、長(zhǎng)4 m的放空管)進(jìn)行了不同相態(tài)CO2多級(jí)節(jié)流放空實(shí)驗(yàn),采集分析節(jié)流過(guò)程中節(jié)流管及主管內(nèi)主要參數(shù)變化規(guī)律,以期為大規(guī)模CO2輸送管道放空過(guò)程的安全控制技術(shù)研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/h2>

通?？蓪O2管道的放空過(guò)程看作是節(jié)流過(guò)程,節(jié)流過(guò)程的快速大壓降會(huì)使管內(nèi)溫度發(fā)生較大變化。在溫度壓力綜合變化下,管內(nèi)CO2流體的相態(tài)及密度也會(huì)發(fā)生較大變化。圖1給出了二氧化碳?jí)毫?焓關(guān)系曲線,Joule-Thomson系數(shù)即節(jié)流系數(shù)用μJT來(lái)表示有

(1)

上式表示等焓H膨脹時(shí)溫度T隨壓力p的變化率。純CO2節(jié)流系數(shù)見表1[12],當(dāng)μJT符號(hào)轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)溫度為轉(zhuǎn)變溫度,可知CO2的轉(zhuǎn)變溫度低于0 ℃。

圖1 純CO2壓力-焓關(guān)系曲線

超臨界條件下CO2節(jié)流系數(shù)均為正數(shù),這表示管輸參數(shù)范圍內(nèi)CO2的溫度隨著壓力同向變化。在管道放空過(guò)程時(shí),在節(jié)流閥處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)節(jié)流效應(yīng),壓力的急劇下降使CO2溫度急劇下降，進(jìn)而發(fā)生相變并產(chǎn)生固體CO2,更易對(duì)管路安全產(chǎn)生影響。

表1 CO2的部分節(jié)流系數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置(見圖2)包括主管道及節(jié)流管段兩部分,主管道連接著差壓傳感器及溫度傳感器,節(jié)流管段包括節(jié)流調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器及壓力傳感器,用以采集節(jié)流后溫度及壓力。

實(shí)驗(yàn)主管道及節(jié)流管段均采用304不銹鋼建造,其中主管道直徑250 mm,壁厚12 mm,總長(zhǎng)為12 m,管道容積近600 L,外壁設(shè)有加熱套及保溫層。水平節(jié)流管總長(zhǎng)4 m,內(nèi)徑50 mm,設(shè)三級(jí)節(jié)流閥,為保證各級(jí)節(jié)流后流體能穩(wěn)定進(jìn)入下一級(jí)節(jié)流,各級(jí)節(jié)流閥間節(jié)流管長(zhǎng)1.5 m進(jìn)行穩(wěn)流。各級(jí)節(jié)流閥具體參數(shù)見表2。

圖2 節(jié)流放空實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表2 節(jié)流閥參數(shù)

在采集截面設(shè)有1個(gè)壓力采集點(diǎn),3個(gè)溫度采集點(diǎn),這主要是因?yàn)楣軆?nèi)壓力各向相同,為了克服環(huán)境及加熱裝置對(duì)外壁溫度不均勻性的影響,以3個(gè)采集點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的平均值作為該截面CO2溫度。采集系統(tǒng)頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖見圖3。

為保證實(shí)驗(yàn)安全順利進(jìn)行,需要綜合考慮管道強(qiáng)度，節(jié)流管末段穩(wěn)壓、瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護(hù)等。

(1) 主管道安全強(qiáng)度驗(yàn)算。在驗(yàn)算最大安全實(shí)驗(yàn)壓力時(shí),根據(jù)我國(guó)輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[13]中直管壁厚計(jì)算公式(見式(2))反算設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的允許實(shí)驗(yàn)壓力,當(dāng)實(shí)際操作壓力小于該裝置許用壓力時(shí)可安全進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)

式中：δ為管段計(jì)算壁厚,cm；p為設(shè)計(jì)承壓,MPa；D為管段外徑,cm；σs為管段材料屈服強(qiáng)度,MPa；F為設(shè)計(jì)系數(shù),根據(jù)地區(qū)取0.72；t為鋼管溫度折減系數(shù)；φ為焊縫系數(shù),無(wú)縫鋼管取1.0。

因此,該管段許用實(shí)驗(yàn)壓力為

(2) 節(jié)流管段及末級(jí)穩(wěn)壓設(shè)置。水平節(jié)流管總長(zhǎng)4m,內(nèi)直徑50mm,設(shè)三級(jí)節(jié)流閥,其中為保證各級(jí)節(jié)流后流體能穩(wěn)定進(jìn)入下一級(jí)節(jié)流,各級(jí)節(jié)流閥間節(jié)流管長(zhǎng)1.5m以進(jìn)行穩(wěn)流,節(jié)流管幾何結(jié)構(gòu)見圖2(b)。

為控制圖2(b)中L4處節(jié)流管段末端的流體膨脹壓損,在節(jié)流管出口處設(shè)置孔徑為10 mm管嘴,因溫度壓力傳感器設(shè)在各級(jí)節(jié)流閥出口處,三級(jí)節(jié)流后CO2將直接泄放至大氣環(huán)境,這樣設(shè)置可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中三級(jí)節(jié)流后傳感器采集到的參數(shù)維持節(jié)流閥調(diào)節(jié)開度所產(chǎn)生的出口壓力及溫度,保證準(zhǔn)確采集分析三級(jí)節(jié)流閥出口參數(shù)變化規(guī)律。

(3) 瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護(hù)。以最大實(shí)驗(yàn)壓力作用于節(jié)流管段截面上的總壓力為實(shí)驗(yàn)的瞬態(tài)噴射力,因節(jié)流管位于主管道上方1.5 m處,對(duì)主管道與垂直管段連接處將產(chǎn)生力矩,因此實(shí)驗(yàn)裝置的外部支架需要能夠平衡實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的水平方向瞬態(tài)噴射力及對(duì)連接處產(chǎn)生的力矩,并考慮持續(xù)噴射過(guò)程對(duì)節(jié)流管段產(chǎn)生的失穩(wěn),其力F與力矩M分別為：

(3)

M=F×L=14 718.75×1.5=22 078 N·m

(4)

其中,p為最大實(shí)驗(yàn)壓力,D為節(jié)流管段截面直徑,L為節(jié)流管高度。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),節(jié)流放空的CO2將在孔口處高速噴射產(chǎn)生噪聲,根據(jù)高速氣體噴射噪聲公式[14]有

(5)

其中,L為總噪聲級(jí),p1為噴射壓力,p0為環(huán)境壓力,D為孔口直徑,D0取1 mm。

實(shí)驗(yàn)裝置噴射管嘴處噪聲為

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)氣源將CO2流體注入封閉主管道,在封閉主管道內(nèi)通過(guò)加熱裝置調(diào)節(jié)一定質(zhì)量CO2流體的壓力溫度。該參數(shù)下CO2通過(guò)主管道出口閥門進(jìn)入節(jié)流流程,進(jìn)而放空至大氣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集主管道和節(jié)流管段壓力及溫度動(dòng)態(tài)的變化。

(1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程,先以氣態(tài)CO2注入實(shí)驗(yàn)主管道掃氣,清除管內(nèi)空氣,使氣態(tài)雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)CO2產(chǎn)生的組分不確定性影響最小。

(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)壓力溫度及管容估算實(shí)驗(yàn)用氣,掃氣過(guò)程中先關(guān)閉主管道出口球閥,當(dāng)估算用氣量充裝主管道之后關(guān)閉進(jìn)口球閥。

(3) 在封閉主管道內(nèi)通過(guò)加熱裝置調(diào)節(jié)固定質(zhì)量CO2流體至實(shí)驗(yàn)所需的壓力溫度,并同時(shí)開啟全部的出口閥,使超臨界態(tài)CO2進(jìn)入節(jié)流流程。同步采集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù),直至主管道內(nèi)CO2壓力為環(huán)境壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)要關(guān)閉主管道出口閥。

在實(shí)驗(yàn)的不確定性方面,溫度傳感器為探針探入式,對(duì)管內(nèi)CO2節(jié)流高速流動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),產(chǎn)生測(cè)量誤差；在節(jié)流過(guò)程中,隨著壓力和溫度下降,管內(nèi)CO2會(huì)出現(xiàn)兩相共存,但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程較快,因而兩相流動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大。

4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,以驗(yàn)證多級(jí)節(jié)流對(duì)安全放空的作用,并分析節(jié)流過(guò)程中節(jié)流管及主管內(nèi)主要參數(shù)變化規(guī)律,以期為大規(guī)模CO2輸送管道放空過(guò)程的安全控制技術(shù)研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)工況見表3。

表3 管輸CO2不同相態(tài)節(jié)流實(shí)驗(yàn)工況

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為超臨界態(tài)泄放過(guò)程中三級(jí)節(jié)流管內(nèi)的壓力和溫度響應(yīng)曲線?？傮w上,節(jié)流入口壓力隨時(shí)間變化連續(xù)降低，各級(jí)節(jié)流出口壓力在實(shí)驗(yàn)開始的較短時(shí)間內(nèi)由環(huán)境壓力上升至閥門調(diào)節(jié)的固定出口壓力,穩(wěn)定至各級(jí)節(jié)流入口壓力,并不再高于調(diào)節(jié)的出口壓力，此時(shí)閥門全開,出口壓力的變化規(guī)律與上游來(lái)流參數(shù)基本一致。節(jié)流入口溫度隨時(shí)間變化降低,而各級(jí)節(jié)流出口溫度在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)由環(huán)境溫度迅速降至較低溫度，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,節(jié)流后溫度基本表現(xiàn)為先上升而后隨上游溫度共同下降得規(guī)律,不同節(jié)流出口溫度隨時(shí)間變化速率不同。

圖4 超臨界態(tài)CO2泄放壓力溫度響應(yīng)曲線

以圖2中采集截面6所示參數(shù),即一級(jí)節(jié)流入口參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)。分析主管道不同界面的溫度和壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。觀測(cè)節(jié)流管下游由管嘴噴射至大氣環(huán)境中的CO2氣云,氣云的形成受三級(jí)節(jié)流后的參數(shù)影響,相關(guān)分析可以輔助驗(yàn)證節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律研究。主管內(nèi)壓力及溫度變化曲線如圖5所示,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中管外各時(shí)刻氣云變化見圖6。

圖6 超臨界態(tài)CO2管外噴射擴(kuò)散各時(shí)刻云圖

由圖5可見,主管內(nèi)壓力及溫度逐漸降低,同時(shí)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,主管沿程各截面相對(duì)于主管末端節(jié)流入口處的基準(zhǔn)截面會(huì)產(chǎn)生正向的壓差及溫差,且距離主管入口越近,相應(yīng)的壓差及溫差越大。也就是說(shuō),在相同時(shí)刻下,主管內(nèi)各截面的壓力和溫度不相同,主管入口的截面壓力及溫度相對(duì)較高,主管末端相應(yīng)參數(shù)較低,且隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,這些壓差及溫差的絕對(duì)數(shù)值將逐漸變大。

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí),主管內(nèi)超臨界態(tài)CO2經(jīng)過(guò)三級(jí)節(jié)流閥門及出口管嘴后形成低溫CO2并在大氣環(huán)境中自由膨脹,在噴射動(dòng)量的帶動(dòng)下形成擴(kuò)散狀氣云；隨著主管球閥在20 s內(nèi)完全開啟,各級(jí)節(jié)流閥門使下游CO2流動(dòng)穩(wěn)定,在管嘴之前形成相態(tài)參數(shù)穩(wěn)定的CO2,使得噴射氣云在自由擴(kuò)散狀中逐漸收縮形成錐狀氣云；在穩(wěn)定的三級(jí)節(jié)流出口壓力及較低溫度下,錐狀氣云將在管嘴持續(xù)存在；由節(jié)流管內(nèi)溫度變化規(guī)律可知,隨著各級(jí)節(jié)流入口溫度逐漸與主管內(nèi)溫度平衡,三級(jí)節(jié)流出口溫度逐漸升高,在觀測(cè)現(xiàn)象方面可見“氣錐”長(zhǎng)度變短,顏色由純白色向透明減弱；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至400 s以后,主管內(nèi)的低壓CO2經(jīng)節(jié)流流程通過(guò)管嘴噴射至大氣環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套用于超臨界CO2管道節(jié)流放空過(guò)程研究的撬裝化實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)管道強(qiáng)度的核算，并考慮了節(jié)流管末段穩(wěn)壓、瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護(hù)等因素,確定了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多級(jí)放空裝置能夠有效控制管道內(nèi)溫降幅度,同時(shí)影響管外CO2噴射擴(kuò)散形態(tài),能有效防止干冰在放空管內(nèi)形成。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)超臨界CO2管道放空過(guò)程的安全防護(hù)。

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象與像

·字義辨析·

象指自然界、人或物的形態(tài)、樣子，如：印象、表象、形象、現(xiàn)象、景象、函數(shù)圖象等。

像指用模仿、比較等方法制成的人或物的形象，包括由光線形成的與原物相同或相似的圖景，如：人像、攝像、畫像、肖像、影像、圖像、透鏡成像等。

《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》編輯部 編錄

Design and experimental research on multistage venting device of supercritical CO2pipeline

Li Yuxing1,2, Teng Lin1,2, Hu Qihui1,2, Zhao Qing1,3

(1. College of Storage and Transportation and Architectural Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China ; 2. Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety, Qingdao 266580, China; 3. China Petroleum Pipeline Science and Technology Research Center, Langfang 065000, China)

The design of venting process is a necessary part of the design for the high pressure pipeline. Based on the principle of Joule-Thomson effect, a skid-mounted experimental device is designed for the research on venting process and carrying out the supercritical CO2multistage venting experiment. The factors including the strength of the pipeline, the throttle pipe terminal voltage, the transient jet force, the noise safety protection, etc., are comprehensively considered in order to ensure the safe and reliable experiment. The experimental research is conducted on the changing laws of the inside-pipe flow parameters in the multistage venting process and the diffusion laws of gas cloud spraying outside the pipeline, which provides a new idea for the design of the supercritical CO2pipeline venting design.

carbon capture and storage; supercritical CO2pipeline; multistage venting device

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.017

2016-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“含雜質(zhì)超臨界 CO2管道輸送安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究”(51374231)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模燃煤電廠煙氣 CO2捕集純化、輸送及安全控制技術(shù)研究”(2012BAC24B01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“超臨界CO2管道泄漏擴(kuò)散機(jī)理及安全評(píng)價(jià)研究”(16CX06005A)

李玉星(1971—)，男，山東萊蕪，博士，教授，主要從事油氣安全方面的研究和教學(xué).

E-mail：liyx@upc.edu.cn

TQ022.115

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1002-4956(2017)4-0064-06