50万t/aCO2输送管道泄漏仿真模拟研究

陆诗建，赵东亚，刘建武，喻健良，李 琦

(1.中石化节能环保工程科技有限公司，湖北 武汉 430200；2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；3.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026；4.大连理工大学，辽宁 大连 116024；5.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

在利用CO2提高采收率(CO2-EOR)工程项目中，CO2安全输送作为CO2源汇匹配的纽带，是保证原油增采的先决条件[1-3]。谢尚贤等[4]在大庆油田首次进行非混相CO2驱油试验以来，CO2管道输送安全控制与监测技术作为实现CO2-EOR大规模工业化应用的关键保障之一成为研究热点，但国际上尚无统一的CO2管道输送行业标准[5-6]。美国拥有世界最长的CO2输送管道和丰富的工程经验[7]，其也没有具体规范准则，我国在这方面还处于空白，而随着CO2输送管道规模增大，各种安全事故频发，带来大量人员伤亡和经济损失，所以CO2管道的安全问题不容忽视[8]。

为了确保CO2输送管道的安全可靠，国内外学者做了大量研究工作，国内多数的研究集中在管道防腐领域，李玉星等[9]、左甜等[10]从气体杂质带来管道腐蚀角度进行了分析；张早校等[11]、鲁岑等[12]从超临界二氧化碳物理特性对管道影响方面做了相关研究；Xie等[13]利用自建实验平台，第一次从实验角度对CO2输送管道小孔泄漏特征进行实验研究，有一定局限性，还需更进一步实验研究；刘恩斌等[14]对超临界CO2管道泄漏扩散情况进行数值模拟，首次同时研究了不同外界风速、不同大气稳定度和不同泄漏角对 CO2泄漏扩散的影响，有一定实际指导意义；Mazzoldi等[15]对利用CFD软件进行CO2管道安全距离进行仿真研究，但所取数据和仿真模型均有一定局限性。

因此，有必要开展工业规模的CO2管道泄漏理论分析。基于此，依托齐鲁二化煤制气尾气50万t/a CO2输送工程项目数据，针对超临界输送和气相输送，对CO2管道的截断阀室间距、CO2管道泄放安全距离等进行了仿真计算研究。

1 基础参数

本研究的基础数据依托齐鲁二化煤制气尾气50万t/a CO2输送工程，输送参数如下表所示：

表2 输送基础参数

注：表中所有压力均为表压。

气源为齐鲁二化煤制气尾气，其中超临界输送模式的输送介质为提纯后的CO2，组份如下表所示。

表3 产品组成表(方案一的输送介质)

气相输送的介质为没有经过提纯的煤气化气体，组份如下表所示。

表4 低压气体组成表(方案三的输送介质)

表5 截断阀完全关闭所需时间

2 研究方法

本模拟研究采用HYSPLIT4.8污染物迁移软件完成，考虑到齐鲁二化煤制气装置50万t/a CO2外输管道位于平原，且当地以南风为主，研究方法如下：

(1)建立典型气象模型，特征风速分别为0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s，特征风向分别为南风。

(2)利用污染物迁移软件对发生在管道典型位置处、典型气象模型下的断裂泄漏过程进行模拟计算，给出CO2浓度限分别为1%、2%、5%和10%的影响区域的最大尺寸及其动态迁移规律，从而给出危险、危害最大的典型气象模型(以下简称典型危害气象模型)。

(3)在典型危害气象模型下对两种输送模式、不同阀室间距情况下的断裂泄漏过程进行模拟计算，给出给出CO2浓度限分别为1%、2%、5%和10%的影响区域的最大尺寸及其动态迁移规律。

3 仿真与分析

3.1 气相输送模式的研究

3.1.1 断裂泄露模式

研究了CO2气相输送时管道发生断裂泄漏后在5中典型气象场、5个不同截断阀间距情况下CO2浓度限分别为10%、5%、2%和1%的影响区域最大尺寸Lmax及其所持续的时间。表6给出了风速及截断阀室间距对扩散影响区域的影响及影响时间。

表6 气相输送管道完全断裂泄漏影响特征参数

表6(续)

3.1.1．1 风速的影响

图1给出了不同浓度限影响区域最大尺寸随风速的变化情况。

图1 风速对不同浓度限影响

图2 阀室间距对不同浓度限影响区域尺寸的影响(典型气象场A，0.5m/s)

从上图中可以清楚地看出，影响区域的最大尺寸随着风速的增大迅速减小。在结合表6，更进一步清楚看出，随着风速的增大，各种浓度限的影响范围和持续时间都迅速减小；以截断阀间距为8000m的情况为例，风速为0.5m/s(一级风风速下限，0.3～1.5m/s为一级风)时浓度限为10%的影响区域的最大尺寸为235m，而风速为1.5m/s时这一影响区域的最大尺寸减小到145m，相应的持续时间也从0.5m/s的16分钟缩短到4分钟；而当风速增大到5m/s时(相当于三级风，接近于风速上限)则各种高浓度(>1%)区域持续时间均小于1分钟。

3.1.1.2 截断阀间距的影响

在不考虑截断阀动作滞后时间的前提下，以特征风速为0.5m/s情况下发生的泄漏为例，研究截断阀室间距对泄漏扩散影响区的影响。

从图2中可以清楚看出，阀室间距的影响并不是完全线性的，随着截断阀间距的增大，其影响相对变小。在不考虑截断阀动作滞后时间的前提下，减小截断阀间距，可以有效减少各种浓度限的影响范围，当截断阀间距从8000m减小到500m时，10%浓度限影响区域的最大尺寸从235m减小到92m，而且，持续时间也从8000m的16分钟缩短为4分钟。因此，减小截断阀间距是控制影响区域最为有效的手段之一。

截断阀间距为8000m、假定截断阀在泄漏发生时能够在第一时间启动并完全关闭，那么各种浓度限的最大影响区域的尺寸和持续时间为：CO2浓度大于10%的区域，235m，16min；CO2浓度大于5%的区域，300m，22min；CO2浓度大于2%的区域，430m，31min；CO2浓度大于1%的区域，567m，40min。

3.1.2 小孔泄露模式

以泄漏口直径分别为40mm和80mm、气相输送截断阀间距为8000m为例，研究影响管道小孔泄漏的特征参数。

表7 气相输送截断阀间距为8000m时管道小孔泄漏影响特征参数

表7(续)

从表7中可以清楚看出，随着泄漏口尺寸的增大，泄漏所产生的危害加大。例如，当泄漏口尺寸为40mm时，5%及以上浓度区域的影响区域均很小，持续的时间也相对较短(<10min)，而80mm时，10%浓度限影响区域的最大尺寸为58m，5%浓度限影响区域的最大尺寸为139m。不仅如此，从表中还可以看出，除了风速(0.5m/s)非常低的典型气象场A所发生的泄漏外，其它风速较大气象场中发生的小孔泄漏，均只能产生非常有限的危险危害。由此可以得出结论：爆管泄漏是危害最大的情形。

3.2 超临界输送模式的研究

3.2.1 断裂泄露模式

研究CO2超临界输送时管道发生断裂泄漏后在5中典型气象场、5个不同截断阀间距情况下CO2浓度限分别为10%、5%、2%和1%的影响区域最大尺寸Lmax及其所持续的时间。表8给出了风速及截断阀室间距对扩散影响区域及影响时间的影响。

表8 超临界输送管道完全断裂泄漏影响特征参数

3.2.1.1 风速的影响

图3给出了在典型气象场A(特征风速为0.5/s)发生泄漏、截断阀阀室间距为8000m时不同浓度限影响区域最大尺寸随风速的变化情况。

图3 超临界输送时风速对不同浓度限影

从图3中可以清楚地看出，影响区域的最大尺寸随着风速的增大迅速减小。随着风速的增大，各种浓度限的影响范围和持续时间都迅速减小；以截断阀间距为8000m的情况为例，风速为0.5m/s(一级风风速下限，0.3～1.5m/s为一级风)时浓度限为10%的影响区域的最大尺寸为243m，而风速为1.5m/s时这一影响区域的最大尺寸减小到152m，相应的持续时间也从0.5m/s的17分钟缩短到4分钟；而当风速增大到5m/s时(相当于三级风，接近于风速上限)则各种高浓度(>1%)区域持续时间均小于1分钟。

3.2.1.2 截断阀间距的影响

图4给出了超临界输送模式在典型气象场A发生泄漏时截断阀阀室间距对各浓度限区域最大尺寸的影响。从图中可以清楚看出，阀室间距的影响并不是完全线性的，随着截断阀间距的增大，其影响相对变小。在不考虑截断阀动作滞后时间的前提下，减小截断阀间距，可以有效减少各种浓度限的影响范围，以特征风速为0.5m/s情况下发生的泄漏为例，当截断阀间距从8000m减小到500m时，10%浓度限影响区域的最大尺寸从243m减小到117m，而且，持续时间也从8000m的17分钟缩短为5分钟。因此，减小截断阀间距是控制影响区域最为有效的手段之一。

图4 阀室间距对不同浓度限影响区

截断阀间距为8000m、假定截断阀在泄漏发生时能够在第一时间启动并完全关闭，那么各种浓度限的最大影响区域的尺寸和持续时间为：CO2浓度大于10%的区域，243m，17分钟；CO2浓度大于5%的区域，314m，22min2浓度大于2%的区域，4448m，32min2浓度大于1%的区域，591m，42min

3.2.2 小孔裂泄露模式

以泄漏口直径分别为40mm和80mm、超临界输送截断阀间距为8000m为例，研究影响管道小孔泄漏的特征参数。

从表9中可以清楚看出，随着泄漏口尺寸的的增大，泄漏所产生的危险危害加大。例如，当泄漏口尺寸为40mm时，5%及以上浓度区域的影响区域均很小，持续的时间也相对较短(<10min)，而80mm时，10%浓度限影响区域的最大尺寸为69m，5%浓度限影响区域的最大尺寸为150m。不仅如此，从表中还可以看出，除了风速(0.5m/s)非常低的典型气象场A所发生的泄漏外，其它风速较大气象场中发生的小孔泄漏，均只能产生非常有限的危险危害。由此可以得出结论，爆管泄漏仍然是危害最大的情形。

表9 超临界输送截断阀间距为8000m时管道小孔泄漏影响特征参数

表9(续)

4 结论

针对50万t/a CO2输送工程，对管道断裂和小孔泄漏(气相和超临界输送时)，在不同风速(0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s)下、不同关断阀间距(8000m、4000m、2000m、1000m和500m)情况下发生泄漏时，研究了CO2扩散迁移影响区域的动态变化规律，并给出不同浓度(1%、2%、5%和10%)影响区域的最大尺寸和动态迁移距离。研究结果表明：对气相输送和超临界输送，输送管道出现断裂时，影响区域的最大尺寸随着风速的增大迅速减小，风速增大到5m/s时，各种高浓度(>1%)区域持续时间均小于1分钟；阀室间距的影响并不是完全线性的，随着截断阀间距的增大，其影响相对变小；在不考虑截断阀动作滞后时间的前提下，减小截断阀间距，可以有效减少各种浓度限的影响范围；对小孔泄露，除了风速(0.5m/s)非常低的典型气象场所发生的泄漏外，随着泄漏口尺寸的增大，泄漏所产生的危害加大，爆管泄漏是危害最大的情形。