工业规模CO2管道大孔泄漏过程中的射流膨胀及扩散规律

喻健良，郑阳光，闫兴清，郭晓璐，曹琦，朱海龙，刘少荣



工业规模CO2管道大孔泄漏过程中的射流膨胀及扩散规律

喻健良，郑阳光，闫兴清，郭晓璐，曹琦，朱海龙，刘少荣

（大连理工大学化工机械与安全学院，辽宁大连 116024）

通过气相和超临界状态的两组工业规模CO2管道（长258 m、内径233 mm、泄放孔径100 mm）泄放实验，分析了近场动压、可见云以及扩散区域温度和浓度变化。研究表明：在大口径气相和超临界CO2泄放中，泄漏口处会形成高度欠膨胀射流，在射流结构中会生成大量干冰颗粒；后者形成的欠膨胀射流结构范围较大，但马赫盘的位置都在0.4 m内。可见云在快速膨胀后，在一定时间内维持在亚稳定状态，随后缓慢衰减。可见云携带干冰颗粒和水雾快速扩散，干冰颗粒在降至地面前已全部升华，未形成干冰床。气相与超临界泄放中的扩散区域温度在迅速下降后缓慢上升，且超临界泄放中温降更大；CO2浓度均升高后缓慢下降，预测二者5%浓度在泄漏方向上的危险距离至少为30和50 m。

二氧化碳；管道泄放；扩散；相变；欠膨胀射流

引 言

CO2是全球温室气体减排的首要目标[1]。近年来，作为CO2减排的主要方法及国际社会应对气候变化的重要策略，CO2的捕集和封存技术[2-3]（carbon capture and storage，CCS）成为各国研究的热点。高压管道作为CCS链的中间环节，在输运CO2过程中易发生泄漏事故，其安全问题备受关注[4-5]。当CO2长输管道发生泄漏时，在泄漏口附近会形成高速射流，并生成大量干冰颗粒，在CO2扩散和干冰升华过程中形成的高浓度CO2危及附近居民健康和设备安全[6-8]。因此，研究CO2管道泄漏近场的射流流场结构、干冰的生成和升华以及远场CO2扩散规律，是开展CO2长输管道安全技术研究的一项重要内容[9]。

由于CO2较高的焦耳-汤姆逊系数，在CO2泄漏口近场的温度会急剧降低，进而会形成干冰颗粒；干冰颗粒随着气体扩散会发生沉降和升华，该过程可能是两相流或三相流[10-12]。由于CO2复杂的扩散过程，目前对其泄漏危险性认识不足[13]，因此CO2扩散规律的研究对于CO2管道安全评估尤为重要。CO2管道的泄漏实验研究近年来开始兴起。Woolley等[14-16]通过2 m3的CO2球罐实现泄放，研究了CO2管道泄漏扩散的过程，发现密相CO2高压泄放中会产生大量干冰，但干冰颗粒大小并不确定。刘振翼等[17-19]通过使用CO2气瓶外接导气管，做了缩比例规模CO2气体泄漏扩散实验，发现从和SST-模型得到的结果与实验数据较为一致。Xie等[20-23]建立了矩形环路CO2管道泄放装置（长度23 m，内径30 mm），通过在管道表面增加喷嘴研究了超临界CO2的垂直泄放特征，发现泄漏口处形成高度欠膨胀射流结构和干冰床。Ahmad等[24]介绍了一次大规模全孔径密相CO2埋地管道断裂实验，回路管道规格219.1 mm×12.7 mm，总长226.8 m，研究了泄放区域的浓度和温度，发现近场区域的CO2浓度值达到了准稳态，而在远场区域的CO2浓度未达到准稳态。Liu等[25-26]采用两阶段的CFD模拟方法，结合PR方程模拟超临界CO2泄放，发现SST-模型在近场流速方面预测更为接近。CO2管道泄漏的实验研究数量有限，且主要限制于小规模实验，对CO2泄漏扩散规律还需要进一步研究。

本研究实验管道规格为273 mm×20 mm，管长258 m[27-28]，该工业规模实验相较于中小规模实验，结果与实际CO2输运管道更加接近。基于此，对CO2扩散区域内射流流场、干冰生成以及温度和浓度变化进行测量和分析，为CO2管道泄漏扩散安全距离划分提供实验依据。

1 CO2管道实验装置及方案

1.1 实验装置

实验装置包括主管道、双膜爆破装置、加热装置和数据采集系统等（图1）。主管道规格273 mm×20 mm，管长258 m，材料为16MnR。在管道下方间隔10 m放置支柱并标高，以保证整条管道处于相同高度。管道末端采用双膜爆破装置，通过控制两个爆破片之间压力差实现可控泄放[29-30]；利用加热装置为管道升温以达到不同的初始温度和压力；实验过程中管道压力和温度、扩散区域温度和浓度采用分布式同步数据采集系统测量记录。

1.2 泄放区域测量点分布

图2为泄放口动压测量示意图，基于皮托管原理，通过差压变送器测量两个输入端的压力差来计算该处的气流速度。高压端采用8×2的钢管，低压端采用硅胶软管并连接至大气压，DP1和DP2为两个差压变送器在泄放口的测量位置。差压变送器型号为PPM-T3051HP，响应时间为5 ms，精确度为0.5%。

在与管道轴线等高平面布置18个温度传感器和19个浓度传感器（根据泄放孔径大小而排定位置）。传感器测量布置为4行9列，标号按照先行后列，以和表示。温度测量点T和浓度测量点C详细分布如图3所示。温度传感器使用K型热电偶，测量范围−200～400℃，响应时间为100 ms，精度±1℃；CO2浓度测定采用COZIR-W CO2浓度传感器，响应时间为4 s，测量范围0～100%，精度±3%。

1.3 实验条件

开展了初始相态为气相、超临界相CO2在泄放口径100 mm的泄放实验。表1和表2分别为实验初始条件和大气条件。

表1 实验初始条件

表2 大气条件

2 实验结果和讨论

2.1 欠膨胀射流和近场动压变化

图4为欠膨胀射流的理论结构，由初始段、过渡段和基本段组成。在初始段，泄漏口附近会形成一道有限延伸长度的拦截激波，拦截激波相交于一点形成马赫盘。在过渡段，湍流传输影响显著，其第1阶段保持一个等速核心区，但横截面上的最大速度点位置不在射流的轴线上；第2阶段已不存在等速核心区，轴线上的速度沿喷流方向增大。在基本段中，射流横截面上的最大速度点已移动到轴线上，此后转变为自由湍流。

图5是气相CO2泄放中管道内流体压力、泄放口处的动压变化以及射流形态。泄放开始后，减压波的传播导致管道内压力断崖式下跌，同时气相CO2快速膨胀排出使泄放口动压急剧上升。从泄放开始到12.6 s之间，DP2均大于DP1，即DP2处的流速大于DP1处的流速，说明此阶段在距离泄放口0.4 m的截面上等速核心区可能较小或不存在，处于第1～第2过渡段的转变期间。12.6 s后DP1均大于DP2，射流截面的最大速度已移到轴线上，说明该处已转变为自由湍流。在欠膨胀射流中，由于焦汤效应温度急剧下降，导致固相CO2颗粒形成，并在泄放口形成可见的白色射流。由图5中可以看出，在射流形态中可以观察到明显的筒鼓型波形；筒鼓型波形即为拦截激波，前端为马赫盘。马赫盘直径从泄放开始1 s后即达到最大值0.5 m，后缓慢减小，21 s已不能保持形状。在欠膨胀射流中射流边缘的白色可见云逐渐消失，表明干冰颗粒在扩散过程中逐渐升华。

在泄放初期，生成的干冰进入导气管中并积聚，使差压变送器受压面积减小，导致测量的动压数值可能偏小，但随着后期干冰生成量变小，后期对测量影响不大。射流速度可采用式（1）计算。

式中，∆为测量点的动压，Pa；为大气压下温度约为−60℃时的密度（2.5745 kg·m−3）。基于式（1）可以得到DP1和DP2分别在17.6 s和5.2 s的平均速度分别为45.7和63.6 m·s−1。

图6是超临界CO2泄放中的管道内部流体压力、泄放口处的动压变化以及可见云形态。由于该实验中流速过大，使软管DP1在实验中被吹断，未能测到数据。泄放开始时管道内部压力断崖式下跌，同时泄放口动压DP2垂直上升，但0.4～6.4 s动压变化不大，维持在15 kPa左右，此时在距离泄放口0.4 m的截面上为等速核心区，处于第1过渡段。此后开始急速上升，在21.8 s时DP2达到一个极值164.2 kPa，此时流速为357.15 m·s−1，同时管道内部压力下降到3.05 MPa，在此时间段内该截面处于第2过渡段。在泄放32 s时，可以清晰地看到马赫盘，直径约为0.3 m。由以上分析可知，在超临界CO2泄放中的泄漏口附近形成的欠膨胀射流结构较气相CO2泄放中的范围大，但在泄漏口径100 mm下两次实验中形成马赫盘的位置都在0.4 m内。

2.2 扩散区域可见云变化

通过对实验中可见云的观察，可以将可见云形态变化过程分为3个阶段：第Ⅰ阶段为射流快速发展至完全膨胀；第Ⅱ阶段为可见云形态维持在亚稳定状态；第Ⅲ阶段为缓慢衰减阶段。气相与超临界泄放中，第Ⅰ阶段持续时间分别为0.55和1.25 s；第Ⅱ阶段分别为0.6和2.7 s；第Ⅲ阶段分别为21和44.6 s。

图7为气相CO2泄放中的可见云变化。在快速膨胀阶段，可见云前沿膨胀速度在0.1 s达到92 m·s−1，后逐渐减小。可见云在0.55 s达到最大扩散距离约25 m，最大高度约为2.8 m；在亚稳定阶段可见云长度保持不变；缓慢衰减阶段可见云长度和扩散速度逐渐减小到零。扩散过程中，可见云带的白色干冰颗粒和冷凝水在快速扩张阶段迅速扩大，可见云呈蘑菇状。在缓慢衰减阶段，白色可见云和气态CO2、空气和扬起的尘埃混合物开始分离；当可见云速度为0时，后者依靠动能、风速继续传播。

根据以上分析可知：泄放开始后，在泄放口近场形成的白色流体是由干冰颗粒和气相CO2组成的气固两相流，并随着高速气流运动至远场区域。由于气流膨胀和CO2升华造成温度下降，使得空气中的水蒸气凝结成水雾，形成可见云。近场产生的干冰颗粒在与周围空气的混合过程中不断升华，在降至地面前已全部升华，未形成干冰床。

2.3 扩散区域温度变化

图9为气相泄放100 mm扩散区域温度分布。可以看出，扩散区域温度随着泄放时间的进行，可以大致分为3个阶段：极速下降阶段（I）、快速上升阶段（Ⅱ）和缓慢上升阶段（Ⅲ）。测量区域内所有测点温度泄放开始后均极速下降，然后快速上升直到与环境温度相同。图9（a）中轴线=0 m上最低温度11（5.56℃）<12<13<14<15<16（21.32℃），11和16温降分别为18.8和4.3℃，说明随着扩散距离增加，最低温度缓慢升高，温降缓慢减小。图9(b)与(c)中22与36的最低温度分别为17.82和21.1℃，温降分别为6.18和2.1℃。=1 m中各测点温度变化较小，说明CO2扩散对偏离轴线=1 m的有效影响较小。

图10为超临界泄放100 mm扩散区域温度分布。在极速下降阶段，测量点温度几乎同时到达最低点，轴线上处最低温度111213141516，说明距离泄放口越近，测量点温度下降越明显。在温度快速上升阶段和缓慢上升阶段，距离泄放口越近，温度回升越快，最后在泄放进行80 s时上升至环境温度附近。

图10(b)为偏离轴线=0.5 m各测点温度分布。泄放开始后温度快速下降，后缓慢上升到与环境温度相同。可以看出最低点温度：21（1.07℃）>22（−1.47℃）<23（1.44℃）<25（6.01℃）<26（10.76℃），温降分别为29.8、32.3、29.4、24.8、20℃。说明21处于22处温度等值线外侧。31到36的最低点温度：36<35<34<33<32<31，说明扩散场从31到36有效影响逐渐下降；31测点温度基本没有变化，说明扩散区域基本不经过31测点。

2.4 扩散区域浓度变化

图11为气相泄放100 mm扩散区域浓度分布。各测点浓度均增大到极值后开始减小，一段时间后浓度下降到与环境浓度相同。在整个泄放过程中11>14>15>16>17>18>19，说明轴线上距离泄放口越远，浓度越小。=0.5 m轴线测点泄放过程中始终保持22>23>21，说明22、23、21浓度等值线依次向外。=1 m中各测点始终保持36>35>34>33>32，说明36到32的等值轮廓线依次向外。以体积分数5%为危险下限浓度，气相泄放=0 m与=0.5 m危险区域时间约为60 s，=1 m为11.5 s，危险区域最大长度预测至少为30 m，宽度至少为3 m。

图12为超临界泄放100 mm扩散区域浓度分布。从图12(a)可以看出，轴线=0 m各测点浓度迅速增加至最大值，各测点最大值12>13>14>15>16>17>18>19，说明=0 m线上浓度分布趋势为距离泄放口越远，浓度越低。偏离轴线=0.5 m各测点浓度最大值22>23>21，说明22、23、21浓度等值线位置依次向外。在0～72 s内，=1 m各测点浓度36>35>34>33>32，说明各测点等值线位置依次向外延伸。=0 m和=0.5 m危险区域时间约为82 s，=1 m危险区域时间为58 s，危险区域长度预测至少为50 m，宽度至少为5 m。

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3 结 论

（1）气相和超临界100 mm泄放时，在泄漏口处会形成高度欠膨胀射流，并形成马赫盘，但后者形成的马赫盘直径更大、距离泄放口更远。由于节流膨胀效应的温降，在射流结构中会形成大量干冰颗粒。

（2）可见云快速膨胀至亚稳定状态，随后缓慢衰减。可见云扩散时携带的干冰颗粒和凝结的水雾，随高速气流运动至远场区域，近场产生的干冰颗粒在降至地面前全部升华，未形成干冰床。

（3）气相与超临界泄放扩散区域温度均快速减小，后慢慢上升至环境温度；扩散区域浓度先快速增大至极值，后慢慢下降至与环境相同；超临界泄放低温区域、危险区域面积更大，持续时间更长，预测二者5%浓度在泄漏方向上的危险距离至少为30和50 m。

4 讨 论

基于工业规模CO2泄漏扩散实验，通过泄放过程中典型现象，分析了近场动压、可见云以及扩散区域温度和浓度变化，得出了一些对实际工程有用的结果。高压CO2管道泄漏时由于内外巨大的压力差，泄放口产生高度欠膨胀射流，并生成大量干冰颗粒，该过程蕴含庞杂的相变，泄放口产生的膨胀波和激波交替出现并影响近场射流流场结构的演变和随后的远场CO2扩散；并且CO2扩散过程受风力风速和地形等环境条件的影响很大，该过程涉及气体动力学、传热学和流体力学等理论，极其复杂。当环境条件不变时，对CO2扩散影响主要有两个因素：CO2充装量和泄放孔径。同一孔径下，不同相态所需的CO2装载量不同，装载量越大则扩散时间越长，对扩散区域影响越大；同一相态下，泄放孔径的增大会导致扩散区域更大的温降幅度和更高的CO2浓度值[29-30]。本研究对扩散区域安全范围定量研究仍存在一定的局限性，因此将使用理论分析和数值模拟结合进行下一步研究。

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Under-expanded jets and dispersion during big hole leakage of high pressure CO2pipeline in industrial scale

YU Jianliang, ZHENG Yangguang, YAN Xingqing, GUO Xiaolu, CAO Qi, ZHU Hailong, LIU Shaorong

(School of Chemical Machinery and Safety, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Based on two groups of gaseous and supercritical CO2release experiments using an industrial scale CO2pipeline (258 m long, 233 mm i.d.) through a 100 mm diameter orifice, the dynamic pressure and visible cloud in the near field, and the temperature and concentration changes in the diffusion region were analyzed. The results show that the sharp drop in inventory pressure near the orifice produced a highly under-expanded jet and induced a sharp drop in temperature as a result of Joule-Thomson cooling. This effect led to the formation of solid CO2particles inside the under-expanded jet. The visible cloud remained a metastable state after the rapid expansion, and followed by a slow attenuation stage. The visible white cloud entraining the dry ice particles and condensed water rapidly expanded in the rapid expansion stage and dry ice particles have been sublimated into the ground before and did not form the ice bed. At the moment of the rupture, the temperature in the discharge area of gaseous and supercritical CO2releases dropped rapidly and then increased slowly, while the CO2concentrations increased quickly and then decreased. The dangerous distance of the 5% concentration of gaseous and supercritical CO2releases were at least 30 m and 50 m respectively.

carbon dioxide; pipeline release; diffusion; phase change; under-expanded jets

10.11949/j.issn.0438-1157.20161614

X 937

A

0438—1157（2017）06—2298—08

喻健良（1963—），男，博士，教授。

欧盟第七框架（FP7-ENERGY-2009-1，协议号241346；FP7-ENERGY-2012-1-2STAGE，协议号309102）。

2016-11-15收到初稿，2017-02-21收到修改稿。

2016-11-15.

YU Jianliang, yujianliang@dlut.edu.cn

supported by the European Union 7th Framework Programme (FP7-ENERGY-2009-1 under grant agreement number 241346, FP7-ENERGY-2012-1-2STAGE under grant agreement number 309102).