50萬t/aCO2輸送管道泄漏仿真模擬研究

陸詩建，趙東亞，劉建武，喻健良，李 琦

(1.中石化節能環保工程科技有限公司，湖北 武漢 430200；2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580；3.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026；4.大連理工大學，遼寧 大連 116024；5.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

在利用CO2提高采收率(CO2-EOR)工程項目中，CO2安全輸送作為CO2源匯匹配的紐帶，是保證原油增采的先決條件[1-3]。謝尚賢等[4]在大慶油田首次進行非混相CO2驅油試驗以來，CO2管道輸送安全控制與監測技術作為實現CO2-EOR大規模工業化應用的關鍵保障之一成為研究熱點，但國際上尚無統一的CO2管道輸送行業標準[5-6]。美國擁有世界最長的CO2輸送管道和豐富的工程經驗[7]，其也沒有具體規范準則，我國在這方面還處于空白，而隨著CO2輸送管道規模增大，各種安全事故頻發，帶來大量人員傷亡和經濟損失，所以CO2管道的安全問題不容忽視[8]。

為了確保CO2輸送管道的安全可靠，國內外學者做了大量研究工作，國內多數的研究集中在管道防腐領域，李玉星等[9]、左甜等[10]從氣體雜質帶來管道腐蝕角度進行了分析；張早校等[11]、魯岑等[12]從超臨界二氧化碳物理特性對管道影響方面做了相關研究；Xie等[13]利用自建實驗平臺，第一次從實驗角度對CO2輸送管道小孔泄漏特征進行實驗研究，有一定局限性，還需更進一步實驗研究；劉恩斌等[14]對超臨界CO2管道泄漏擴散情況進行數值模擬，首次同時研究了不同外界風速、不同大氣穩定度和不同泄漏角對 CO2泄漏擴散的影響，有一定實際指導意義；Mazzoldi等[15]對利用CFD軟件進行CO2管道安全距離進行仿真研究，但所取數據和仿真模型均有一定局限性。

因此，有必要開展工業規模的CO2管道泄漏理論分析。基于此，依托齊魯二化煤制氣尾氣50萬t/a CO2輸送工程項目數據，針對超臨界輸送和氣相輸送，對CO2管道的截斷閥室間距、CO2管道泄放安全距離等進行了仿真計算研究。

1 基礎參數

本研究的基礎數據依托齊魯二化煤制氣尾氣50萬t/a CO2輸送工程，輸送參數如下表所示：

表2 輸送基礎參數

注：表中所有壓力均為表壓。

氣源為齊魯二化煤制氣尾氣，其中超臨界輸送模式的輸送介質為提純后的CO2，組份如下表所示。

表3 產品組成表(方案一的輸送介質)

氣相輸送的介質為沒有經過提純的煤氣化氣體，組份如下表所示。

表4 低壓氣體組成表(方案三的輸送介質)

表5 截斷閥完全關閉所需時間

2 研究方法

本模擬研究采用HYSPLIT4.8污染物遷移軟件完成，考慮到齊魯二化煤制氣裝置50萬t/a CO2外輸管道位于平原，且當地以南風為主，研究方法如下：

(1)建立典型氣象模型，特征風速分別為0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s，特征風向分別為南風。

(2)利用污染物遷移軟件對發生在管道典型位置處、典型氣象模型下的斷裂泄漏過程進行模擬計算，給出CO2濃度限分別為1%、2%、5%和10%的影響區域的最大尺寸及其動態遷移規律，從而給出危險、危害最大的典型氣象模型(以下簡稱典型危害氣象模型)。

(3)在典型危害氣象模型下對兩種輸送模式、不同閥室間距情況下的斷裂泄漏過程進行模擬計算，給出給出CO2濃度限分別為1%、2%、5%和10%的影響區域的最大尺寸及其動態遷移規律。

3 仿真與分析

3.1 氣相輸送模式的研究

3.1.1 斷裂泄露模式

研究了CO2氣相輸送時管道發生斷裂泄漏后在5中典型氣象場、5個不同截斷閥間距情況下CO2濃度限分別為10%、5%、2%和1%的影響區域最大尺寸Lmax及其所持續的時間。表6給出了風速及截斷閥室間距對擴散影響區域的影響及影響時間。

表6 氣相輸送管道完全斷裂泄漏影響特征參數

表6(續)

3.1.1．1 風速的影響

圖1給出了不同濃度限影響區域最大尺寸隨風速的變化情況。

圖1 風速對不同濃度限影響

圖2 閥室間距對不同濃度限影響區域尺寸的影響(典型氣象場A，0.5m/s)

從上圖中可以清楚地看出，影響區域的最大尺寸隨著風速的增大迅速減小。在結合表6，更進一步清楚看出，隨著風速的增大，各種濃度限的影響范圍和持續時間都迅速減小；以截斷閥間距為8000m的情況為例，風速為0.5m/s(一級風風速下限，0.3～1.5m/s為一級風)時濃度限為10%的影響區域的最大尺寸為235m，而風速為1.5m/s時這一影響區域的最大尺寸減小到145m，相應的持續時間也從0.5m/s的16分鐘縮短到4分鐘；而當風速增大到5m/s時(相當于三級風，接近于風速上限)則各種高濃度(>1%)區域持續時間均小于1分鐘。

3.1.1.2 截斷閥間距的影響

在不考慮截斷閥動作滯后時間的前提下，以特征風速為0.5m/s情況下發生的泄漏為例，研究截斷閥室間距對泄漏擴散影響區的影響。

從圖2中可以清楚看出，閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截斷閥間距的增大，其影響相對變小。在不考慮截斷閥動作滯后時間的前提下，減小截斷閥間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍，當截斷閥間距從8000m減小到500m時，10%濃度限影響區域的最大尺寸從235m減小到92m，而且，持續時間也從8000m的16分鐘縮短為4分鐘。因此，減小截斷閥間距是控制影響區域最為有效的手段之一。

截斷閥間距為8000m、假定截斷閥在泄漏發生時能夠在第一時間啟動并完全關閉，那么各種濃度限的最大影響區域的尺寸和持續時間為：CO2濃度大于10%的區域，235m，16min；CO2濃度大于5%的區域，300m，22min；CO2濃度大于2%的區域，430m，31min；CO2濃度大于1%的區域，567m，40min。

3.1.2 小孔泄露模式

以泄漏口直徑分別為40mm和80mm、氣相輸送截斷閥間距為8000m為例，研究影響管道小孔泄漏的特征參數。

表7 氣相輸送截斷閥間距為8000m時管道小孔泄漏影響特征參數

表7(續)

從表7中可以清楚看出，隨著泄漏口尺寸的增大，泄漏所產生的危害加大。例如，當泄漏口尺寸為40mm時，5%及以上濃度區域的影響區域均很小，持續的時間也相對較短(<10min)，而80mm時，10%濃度限影響區域的最大尺寸為58m，5%濃度限影響區域的最大尺寸為139m。不僅如此，從表中還可以看出，除了風速(0.5m/s)非常低的典型氣象場A所發生的泄漏外，其它風速較大氣象場中發生的小孔泄漏，均只能產生非常有限的危險危害。由此可以得出結論：爆管泄漏是危害最大的情形。

3.2 超臨界輸送模式的研究

3.2.1 斷裂泄露模式

研究CO2超臨界輸送時管道發生斷裂泄漏后在5中典型氣象場、5個不同截斷閥間距情況下CO2濃度限分別為10%、5%、2%和1%的影響區域最大尺寸Lmax及其所持續的時間。表8給出了風速及截斷閥室間距對擴散影響區域及影響時間的影響。

表8 超臨界輸送管道完全斷裂泄漏影響特征參數

3.2.1.1 風速的影響

圖3給出了在典型氣象場A(特征風速為0.5/s)發生泄漏、截斷閥閥室間距為8000m時不同濃度限影響區域最大尺寸隨風速的變化情況。

圖3 超臨界輸送時風速對不同濃度限影

從圖3中可以清楚地看出，影響區域的最大尺寸隨著風速的增大迅速減小。隨著風速的增大，各種濃度限的影響范圍和持續時間都迅速減小；以截斷閥間距為8000m的情況為例，風速為0.5m/s(一級風風速下限，0.3～1.5m/s為一級風)時濃度限為10%的影響區域的最大尺寸為243m，而風速為1.5m/s時這一影響區域的最大尺寸減小到152m，相應的持續時間也從0.5m/s的17分鐘縮短到4分鐘；而當風速增大到5m/s時(相當于三級風，接近于風速上限)則各種高濃度(>1%)區域持續時間均小于1分鐘。

3.2.1.2 截斷閥間距的影響

圖4給出了超臨界輸送模式在典型氣象場A發生泄漏時截斷閥閥室間距對各濃度限區域最大尺寸的影響。從圖中可以清楚看出，閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截斷閥間距的增大，其影響相對變小。在不考慮截斷閥動作滯后時間的前提下，減小截斷閥間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍，以特征風速為0.5m/s情況下發生的泄漏為例，當截斷閥間距從8000m減小到500m時，10%濃度限影響區域的最大尺寸從243m減小到117m，而且，持續時間也從8000m的17分鐘縮短為5分鐘。因此，減小截斷閥間距是控制影響區域最為有效的手段之一。

圖4 閥室間距對不同濃度限影響區

截斷閥間距為8000m、假定截斷閥在泄漏發生時能夠在第一時間啟動并完全關閉，那么各種濃度限的最大影響區域的尺寸和持續時間為：CO2濃度大于10%的區域，243m，17分鐘；CO2濃度大于5%的區域，314m，22min2濃度大于2%的區域，4448m，32min2濃度大于1%的區域，591m，42min

3.2.2 小孔裂泄露模式

以泄漏口直徑分別為40mm和80mm、超臨界輸送截斷閥間距為8000m為例，研究影響管道小孔泄漏的特征參數。

從表9中可以清楚看出，隨著泄漏口尺寸的的增大，泄漏所產生的危險危害加大。例如，當泄漏口尺寸為40mm時，5%及以上濃度區域的影響區域均很小，持續的時間也相對較短(<10min)，而80mm時，10%濃度限影響區域的最大尺寸為69m，5%濃度限影響區域的最大尺寸為150m。不僅如此，從表中還可以看出，除了風速(0.5m/s)非常低的典型氣象場A所發生的泄漏外，其它風速較大氣象場中發生的小孔泄漏，均只能產生非常有限的危險危害。由此可以得出結論，爆管泄漏仍然是危害最大的情形。

表9 超臨界輸送截斷閥間距為8000m時管道小孔泄漏影響特征參數

表9(續)

4 結論

針對50萬t/a CO2輸送工程，對管道斷裂和小孔泄漏(氣相和超臨界輸送時)，在不同風速(0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s)下、不同關斷閥間距(8000m、4000m、2000m、1000m和500m)情況下發生泄漏時，研究了CO2擴散遷移影響區域的動態變化規律，并給出不同濃度(1%、2%、5%和10%)影響區域的最大尺寸和動態遷移距離。研究結果表明：對氣相輸送和超臨界輸送，輸送管道出現斷裂時，影響區域的最大尺寸隨著風速的增大迅速減小，風速增大到5m/s時，各種高濃度(>1%)區域持續時間均小于1分鐘；閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截斷閥間距的增大，其影響相對變小；在不考慮截斷閥動作滯后時間的前提下，減小截斷閥間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍；對小孔泄露，除了風速(0.5m/s)非常低的典型氣象場所發生的泄漏外，隨著泄漏口尺寸的增大，泄漏所產生的危害加大，爆管泄漏是危害最大的情形。