小尺度室內二氧化碳泄漏濃度場的實驗研究

齊飛龍，王文芳，鄧 想

（安徽理工大學，安徽淮南 232001）

1 概述

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Sequestration，CCUS）技術是將生產過程中產生的CO2進行提純，繼而投入到新的生產過程中。通過將CO2循環再利用的方式降低碳排放量，從而減緩“溫室效應”對地球環境所造成的影響。隨著CCUS 技術的發展，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，運輸壓力在10～20MPa，但都建設在遠離人群的陸上區域。荷蘭建設了一條85km 的靠近人群的長輸管道，管道直徑為0.65m，運行壓力為1～2.2MPa。挪威建設了世界上第一根CO2的海底管道，長約245km，管道直徑為0.32m，運行壓力為20MPa。我國尚未開發CO2管道建設，只有部分的試驗管道。CO2管道運輸作為碳捕集技術中不可缺失的一部分，一旦失效，將會造成巨大的生命和財產損失。因此研究其泄漏規律對事故的預測和控制具有重要的指導和參考意義。

2 實驗方案設計

2.1 實驗設計原則

本實驗針對室內低壓CO2輸氣管道泄漏事件進行分析，各項實驗條件應盡可能與實際情況相符合。各項參數設計應參照國家標準及相關行業標準進行，以確保實驗數據的準確性，為后期進行模擬仿真提供參考依據。

2.2 實驗系統

本實驗為針對小尺度室內CO2泄漏事件的模擬實驗，可采用模擬自然通風室內環境的實驗艙進行實驗。實驗艙尺寸為3m*1.8m*2.5m（長*寬*高），通風開口面積采用尺寸為0.7m*1.0m 的通風口來模擬自然通風的室內環境。實驗艙內設置4個CO2濃度檢測點，傳感器采用COZIR-WX-20%。實驗艙監測點位置如圖1所示。

2.3 實驗參數設定

本實驗采用模擬CO2輸氣管道破裂泄漏的方式進行，選取不同的管道內壓強作為初始條件進行實驗，觀察實驗艙內CO2濃度場變化規律。選取管道內壓力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驗條件，實驗分4組進行。各實驗流量數據如表1所示。

圖1 傳感器布置示意圖

表1 實驗流量

3 不同壓力下數據對比

3.1 不同壓力下不同水平面數據對比

由圖2至圖5可以看出，實驗艙內CO2氣體由于所受重力作用大于浮力作用而出現了分層現象，處于下層的1、3測點的CO2濃度始終大于處于上層的2、4測點。由于泄漏口處氣流流速較大，產生的氣流對實驗艙內混合氣體進行攪拌，因此實驗艙內濃度存在分層現象但濃度梯度并不明顯。

圖2 實驗1，泄漏壓力0.2MPa

圖3 實驗2，泄漏壓力0.4MPa

圖4 實驗3，泄漏壓力0.6MPa

圖5 實驗4，泄漏壓力1.0MPa

將1、3測點與2、4測點所測得數據相減后，得到的數據分別與測點3、4的數據相除，得到上層CO2濃度與下層CO2濃度的差值比率，將4組實驗測點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可以發現，不同水平面上同一位置的CO2濃度差率隨實驗時間的推進，逐步趨向穩定。在差值率大致穩定后，泄漏壓力越高，不同水平面上同一點的CO2濃度差值率分布越靠下，但是在實驗開始后的前100s 內，差值率存在較大的波動，因此選取圖形穩定后的數據（100s 后）求平均值，可計算得從實驗1到實驗4，1、2點差值率分別為0.149、0.148、0.119、0.091，3、4點差值率分別為0.284、0.268、0.239、0.217。差值率與泄放壓力呈負相關。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系公式為：

式中p0為管道內壓力，Pa

p為大氣壓力，Pa

γ為氣體常數

M為馬赫數

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

3.2 不同壓力下同測點數據對比

將每一個測點在4組實驗中所測得數據相組合，得到圖9～12。由圖9-12可以看出，同一水平面上的測點濃度變化趨勢相同，每個測點隨著時間的增加濃度不斷增加，前150s 內4組實驗中每個測點濃度呈現平穩上升，而后150s 內則出現波動，這主要是由于后期擴散作用更加明顯。并且在前300s內同一測點位置入口壓力越大，則該測點濃度越高，但超過300s 則四測點濃度開始接近，并且增加的速度開始減小。

圖9 測點1

圖10 測點2

圖11 測點3

圖12 測點4

為了保證從事相關生產工作的工作人員的人身安全，在CO2泄漏事件發生后，泄漏點周圍環境中CO2濃度數據及達到相應的濃度的時間數據尤為重要。

每個測點在不同泄放壓力的實驗中，到達不同CO2濃度的時間不同。隨著泄放壓力越來越高，每個測點到達危險濃度的時間也相應減少，其中測點1在不同實驗中到達0.5%濃度的時間為78s、64s、50s、37s，與測點3 的82s、68s、50s、40s 相接近，1.5m 高水平面上的測點2與測點4在不同實驗中到達0.5%的時間為100s、76s、61s、47s，和99s、83s、61s、49s。當濃度逐漸上升，靠近通風口的4號測點濃度增加速率明顯降低。在泄漏事件發生時，位于0.3m 高的水平面上的點在37～82s 的時間內會到達危險濃度。而位于1.5m 水平面上的點在47～100s 內則會達到危險濃度。

4 結論

通過對實驗結果的觀察及分析，可得到在CO2泄漏事件發生時，不同水平面上同一點在泄漏壓力逐步增加時，由于實驗艙內混合氣體受到高速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濃度達到危險值的時間數據同樣與泄漏壓力相關，當泄漏壓力增大時，各個測點到達危險濃度的時間隨之減小。上述結論為室內小尺度空間CO2泄漏事件發生后的安全操作提供了數據基礎，同時整個實驗也為對于室內小尺度空間CO2泄漏的Fluent仿真提供了理論依據。