超临界CO2管道泄漏特性研究进展

郭晓璐，喻健良，闫兴清，徐鹏，徐双庆

（1 合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥230031； 2 大连理工大学化工学院，辽宁大连116024）

引 言

超临界CO2在循环发电、石油开采、碳捕集及封存等领域具有重要应用。超临界CO2循环发电系统是未来核能、太阳能、火电等能源综合利用的重要发展方向[1]。超临界CO2驱油技术及钻井技术在石油开采领域中可实现提高石油采收率、射流破岩效率及钻井速度[2]。作为碳捕及封存技术链的中间环节，CO2管道将从电厂、化工厂等源头分离的CO2输送至封存点[3]。在各领域的压力管道运输过程中，CO2管道输送工艺可分为气相、液/密相和超临界相等，其中具有强溶解性、低黏度、高密度等特性的超临界CO2在管道运输中的经济性最佳[4-5]。

当管道本身存在缺陷问题，长距离或长时间管道运输难免发生泄漏[6]。由于CO2具有较高焦耳-汤姆逊系数，泄漏中温度大幅下降会造成管线韧性下降，且超临界CO2管道泄漏中的减压波速度异于其他介质，这极可能造成长程管道脆性断裂扩展[7]。由泄漏释放的具有重气特征的低温CO2易在低洼处形成高浓度区，对人体造成窒息、昏迷甚至死亡[8-9]。例如，在2002—2008 年期间，美国的CO2运输管道大约发生31 次泄漏事故，由于大多位于无人区，而未发生伤亡；但随着各个领域的管道输运规模发展，CO2管道会靠近人口密集区[10]。2014 年，中石化华东分公司采油厂输送液态二氧化碳的管道(设计压力9.0 MPa、设计温度50℃)发生泄漏爆炸事故，未造成人员伤亡，管道破坏约60 m[11]。2019 年，福建省海运集团“金海翔”货轮的CO2储气及管道系统发生泄漏，造成10人死亡、19人受伤[12]。

超临界CO2管道泄漏过程可分为管道内减压过程、近场射流膨胀过程和远场扩散过程三部分。对于管内减压过程，泄漏瞬间产生减压波并沿管道传播，使热力学参数发生突变；浮力效应和环境温度对管内介质温度、相态分数等参数分布会造成影响，目前这些泄漏特征并不明确。对于近场射流膨胀过程，射流携带来自管内和泄漏口附近产生的干冰，使射流流场相当复杂。对于远场扩散过程，由于受射流和干冰流场以及地形地貌和风速风向的影响，CO2浓度及温度分布规律需要进一步明确。图1为CO2管道泄漏扩散过程示意图。

本文综述了国内外CO2管道泄漏中管内减压、近场射流膨胀和远场扩散过程的实验和模拟研究现状，针对目前超临界CO2管道泄漏特性研究存在的不足，提出了开展下一步研究工作的建议，对于建立完整的超临界CO2管道安全输运技术、管道泄漏安全评估具有重要参考和应用意义。

1 管道内减压过程研究

在CO2管道减压过程中，泄漏瞬间产生减压波传播并造成压力突变；在整体压降中，介质温度下降同时管内可能产生干冰。国外对CO2管道泄漏时流动参数变化的实验和模拟研究已逐步开展[13]。

在大规模实验方面：Cosham 等[14]介绍了三次长度分别为16.16 m、16.97 m、22.71 m 的全尺寸密相CO2埋地管道(φ914.0 mm×25.4 mm)断裂实验，结合Battelle 双曲线方法研究发现泄漏瞬间形成的减压波以介质音速传播，同时压力快速下降至略低于初始温度对应的饱和压力处并保持亚稳定状态(图2)。Ahmad 等[15]介绍了来自COSHER 项目的一次大规模CO2管道断裂实验，研究发现装入的136 t 密相CO2在204 s全部泄放完毕；泄漏时管内压力快速下降至饱和区，同时密相转变为饱和相；最低温度达到-78℃。在中小规模实验方面：Drescher 等[16]通过长139 m 的CO2管道(φ12 mm×1 mm)泄放实验，研究发现过冷液相CO2减压中很快转变为气液两相，最后转变为气相；验证了采用PR 方程的一维均相模型但存在误差。Cosham 等[17]基于长144 m 的管道(φ 168.3 mm×10.97 mm)泄放实验，结合采用了SW 和GERG-2008 状态方程的一维等熵均相DECOM 模型，研究发现相较于气相，液相CO2减压曲线平台更长。Vree 等[18]通过长30 m、高1.3 m、内径5.08 cm 螺旋管液态CO2减压实验，采用无量纲参数化方法，研究发现泄放速率较大时减压过程可假设为等熵膨胀，管内介质与外界环境换热量小；泄放速率较小时则受环境影响较大。Huh 等[19]利用长51.96 m、内径3.86 mm 管道泄放装置研究带N2的CO2减压过程，验证了OLGA 模型，发现二者后期压降、温降过程存在较大偏差；随N2含量增加而吻合度提高。Clausen 等[20]介绍了一次超临界CO2埋地管道放空过程。主管道长50 km、内径60.96 cm，两端各连接2.5 m 长和内径20.32 cm 竖直放空管道。利用实验验证了基于SW方程的一维OLGA模型、发现压力和温度变化整体上较吻合，而两相泄放期间有偏离。Han 等[21-22]建立了高压CO2气瓶外接细管道的液态CO2泄放装置，实验测得压力-温度曲线与理论饱和线较为接近；并从无量纲长度分析得到，压力梯度值越大，则越有可能发生核化沸腾。

图1 CO2管道泄漏扩散过程Fig.1 Leakage and dispersion process of CO2 pipeline

除上述实验研究中采用的相关模型验证外，在数值模拟方面具有代表性的成果：Elshahomi 等[23]建立了基于状态方程GERG-2008 的二维CFD 全口径瞬间爆破的减压模型，研究发现在CO2混合气泄压过程中，压力变化与减压波速度对应的曲线存在平台；初始温度与减压波速度的关系为负相关。Mahgerefteh 等[24-25]基于自主设计的管道泄漏模拟软件PipeTech，并建立了CO2管道断裂的流固耦合模型，研究了气相、密相和超临界CO2管道泄压减压行为，并可实现断裂扩展预测；该模型采用了修正的PR 方程可更好预测CO2性质的变化，但该软件仍需通过真实条件的实验验证。Witlox 等[26]利用危险分析及安全计算软件PHASH 软件，对CO2持续泄漏中干冰的产生和升华过程对CO2浓度的分布情况影响进行分析评估。

近年来，国内单位在CO2管道泄漏方面开展了很多工作，研究成果取得国际认可。中国石油大学李玉星等[27-30]基于长14.85 m、规格φ21 mm×3 mm 主管道组成的实验装置，开展超临界CO2泄漏实验，结合特征线法的一维管道减压模型研究减压波传播规律，发现二者吻合较好。中国科学技术大学姜羲等[31-33]建立了长23 m 的循环管道(φ40 mm×5 mm)实验装置，并在管道垂直方向安装气动阀和喷嘴实现CO2泄放(图3)。研究认为由于阻塞流效应，在相同压降范围内，更高的初始压力将导致更慢的压降速率。

清华大学刘锋[34]基于25 L储罐接长度2 m、内径4 mm 管道的超临界CO2泄放实验装置，研究认为泄漏瞬间可看作等焓过程，管内介质发生相态变化时存在热力学不平衡；结合了等熵阻塞流泄漏速率模型，与BP 公司公开的实验数据[17]比较，吻合较好。西安石油大学任科[35]建立了基于PR 方程的一维减压模型对超临界CO2管道泄漏中减压波传播特性进行研究，发现初始温度降低时减压波曲线出现压力平台；初始压力增大时压力平台下降更快。北京工业大学王会粉[36]建立了三维CO2管道小孔泄漏标准k-ε 数值模型，采用理想气体方程，研究发现泄漏孔径和初始压力对泄漏参数影响较大，是否绝热对温度影响较大而对压力影响较小。西南石油大学刘丽艳等[37]基于建立的管道裂纹扩展Battelle 双曲线模型，分析认为密相CO2泄漏时汽化产生的饱和蒸气压是管道断裂扩展的主要推动力。石家庄铁道大学刘斌等[38]建立了一维CFD管道破裂减压预测模型，采用PR 和GERG 状态方程，并通过引入质量和能量项来实现气液转变模拟，基于实验验证认为该模型适用于单相和气液两相减压流动。大连理工大学喻健良等[39-44]基于欧盟第七框架CO2PipeHaz 和CO2QUEST 合作项目，通过长258 m 工业规模CO2管道(φ273 mm×20 mm)泄放实验，结合热力学定律、气泡成核理论、传热理论分析，研究发现超临界条件下突变压力穿过临界值时，压变速率降低并趋于零；CO2由超临界转变为气液两相、气相或固相。图4为大连理工大学建立的工业规模实验装置。

图2 三次全尺寸CO2管道断裂实验[14]Fig.2 Three full-scale CO2 pipelines fracture experiments(1 bar=0.1 MPa)[14]

图3 循环管道实验装置[31-33]Fig.3 Circulation pipeline experimental equipment[31-33]

目前CO2管道泄漏特性实验和模拟研究数量不断增多，但大部分实验研究为中小规模且超临界条件较少，较实际工况仍有偏差，同时测量方法需优化；而模拟研究中涉及的相态变化，尤其是干冰生成和流动规律，相对研究较少，需结合实验进一步研究[45-46]；目前研究成果对实际管道安全运行的指导意义有限，还需要深入研究。表1 和表2 为国内外CO2管道减压过程实验和模拟研究情况。

2 近场射流膨胀过程研究

图4 大连理工大学建立的大规模实验装置[39-44]Fig.4 Large scale experimental equipment established by Dalian University of Technology[39-44]

表1 国内外CO2管道减压过程实验研究情况Table 1 Experimental study on the decompression process of CO2 pipeline at home and abroad

CO2管道泄漏近场射流膨胀过程涉及到复杂的激波、压力和温度的急剧变化以及干冰生成过程；目前对CO2管道泄漏口射流流场实验和模拟研究数量较少。

Woolley等[47-48]基于外接长9 m、内径50 mm管路的2 m3球罐泄放实验，结合数值模拟方法研究了CO2泄漏近场射流流场结构(图5)。将实验结果与采用了PR 和SW 两种状态方程并应用了拉格朗日粒子追踪法的雷诺湍流模型(RANS)模拟结果进行对比，认为二者结果较为符合；但对三相点以下的模拟结果存在不足。 Wareing 等[49-50]基于英国COOLTRANS研究项目，对密相CO2管道泄漏中近场射流流场和温度分布进行了垂直泄放实验和二维雷诺湍流CFD 模拟研究；研究发现射流膨胀过程中形成包含马赫盘的欠膨胀结构；介质温度沿着膨胀路径在马赫盘处下降至最低值。Ahmad 等[51]基于高压0.5 m3容器泄放装置，通过设置不同的初始压力和温度以及泄放口径，实验测得喷嘴附近最低温度约-83℃；随后气流温度逐渐上升。Liu 等[52]建立了不同初始压力CO2管道泄漏射流扩散过程的两阶段CFD 模型(第Ⅰ阶段为源强度计算，其计算结果作为第Ⅱ阶段输入条件)。状态方程选用PR 方程，湍流方程选用SST k-ω 模型，获得各初始压力对应的射流膨胀结构。Wareing 等[53-54]应用拉格朗日粒子追踪技术的二维雷诺湍流模型，结合PR 和SW 状态方程，研究了设定深坑尺寸的埋地密相CO2管道近场泄漏流场，发现泄漏口附近形成激波结构，膨胀压力在马赫盘后升至大气压，最低温度低于大气压下CO2气固转变温度。

表2 国内外CO2管道减压过程模拟研究情况Table 2 Simulation study on the decompression process of CO2 pipeline at home and abroad

图5 2 m3球罐泄放实验及数值模拟[47-48]Fig.5 Discharge test and simulation of 2 m3 spherical tank[47-48]

国内对CO2管道泄漏口近场射流也开展了部分工作。中国科学技术大学姜羲等[55-57]通过矩形回路管道垂直泄漏实验，结合两步L-W 算法的二维CFD模型，研究了超临界CO2垂直泄放中管内压力和泄漏口径对射流结构、形态及尺寸的影响；研究发现，随孔径变大，典型欠膨胀射流结构消失；孔口附近出现干冰床。清华大学刘锋[34]利用建立的实验装置对泄漏口流场进行测量，并采用SST k-ω 二维CFD模拟方法，发现马赫盘前后温度梯度很大，最低温度约-80℃。当泄漏初期近场产生干冰较多时，射流结构整体上成圆锥形；当近场无干冰或产生干冰很少时，激波结构较为清晰。大连理工大学郭晓璐等[58-60]基于工业规模实验开展了近场射流膨胀过程研究，发现在欠膨胀射流中形成了大量干冰颗粒；在泄漏瞬间的管内压力快速下降同时射流膨胀角度达到最大，膨胀压力随着射流结构变化出现较大波动，同时欠膨胀结构在泄漏后期逐渐清晰；并验证了采用PR 方程的Realizable k-ω 二维CFD 模型，认为未考虑干冰生成而存在误差。图6 为超临界CO2管内压力与泄漏口附近动压变化过程。

图6 超临界CO2管内压力与泄漏口附近动压变化[59]Fig.6 Change process of the pressure inside of the pipeline and the dynamic pressure near the orifice of supercritical CO2[59]

表3 国内外CO2管道近场射流膨胀过程实验研究情况Table 3 Experimental study of near-field jet expansion in CO2 pipeline at home and abroad

表4 国内外CO2管道近场射流膨胀过程模拟研究情况Table 4 Simulation study of near-field jet expansion in CO2 pipeline at home and abroad

对于CO2管道泄漏射流流场，由于高流速和高冲击力，在实验测量中采用的方法有限且容易存在误差；由于射流中伴随着干冰颗粒生成和升华以及来自管道内部产生的干冰，在模拟研究中也存在一定难度。表3 和表4 为国内外CO2管道近场射流膨胀过程实验和数值模拟研究情况。

3 远场扩散过程研究

在泄漏远场扩散中，由近场射流携带的大量干冰、气相CO2及卷吸的空气等介质进入远场区域持续扩散；同时干冰颗粒、低温气体及凝结水雾发生沉降，当遇到低洼处形成高浓度区域。

Witlox 等[61-62]介绍了英国石油公司BP 和英荷壳牌石油公司Shell 联合开展的CO2PIPETRANS 项目系列CO2水平管道泄放实验，初始相态为液相和超临界CO2；将统一扩散模型UDM 及高斯扩散模型与实验数据进行对比，结果仍存在误差。Proust等[63]同样利用Woolley 介绍的CO2球罐装置，在扩散区域安装了热电偶和O2浓度传感器来测量密相CO2远场扩散情况。结合修正的高斯扩散模型，结果发现近场附近测量温度值低于三相点而产生干冰，但较难预测干冰数量，且较难评估干冰升华对扩散的影响。Ahmad 等[15]介绍的全口径泄放实验中，同时测量了可见云形态、CO2浓度和温度变化。实验发现释放CO2形成的毯状云层最大高度约60 m，云层边缘最远为400 m。由于当天风速较低，近场附近CO2浓度值为准稳态；距离50 m处最低温度约-30℃。

对于扩散数值模拟，应用于天然气等管道泄漏的如唯象模型、箱模型、浅层模型等模型研究较多但不能直接应用于CO2扩散模拟[64]。近年来，部分两相流商业模拟软件，如危险分析及安全计算软件PHASH 和事故后果模拟软件ALOHA，可用来评估CO2管道泄漏危险区域。PHASH 软件[26,65]基于PR 方程模拟了CO2管道泄漏扩散过程，在稳态泄漏率情形下，该模拟结果具有较好鲁棒性；但对于瞬态泄漏，仍需改进。Mazzoldi 等[66]利用ALOHA 软件建立了干冰堆升华的扩散模型，发现无风条件下，重力作用和地貌形态决定了CO2的扩散过程；当风速较大时，风力风向在扩散中起到主导作用；在埋地条件下，由于CO2不易于扩散，干冰颗粒会挤压为干冰块导致情形更为复杂。

为了研究不同天气条件和复杂地形下CO2管道泄漏扩散，采用更为精确的CFD 模拟是可行的方法。Liu 等[67]建立两阶段CFD 模型，结合GERG-2008 状态方程的DPM 模型和全气相模型对CO2管道泄漏远场扩散过程进行模拟。分析表明，采用不同的干冰粒径对DPM 模型扩散结果的影响较小；为减小干冰影响，采用全气相模型作为对比。Woolley等[68]采用了CFX 和FLACS 软件对设想的长217 km埋地管道泄漏进行模拟(图7)。该模型假设泄漏时射流已将覆盖的土壤完全推开。FLACS 模拟的CO2扩散范围相比CFX 模拟结果较小。研究指出两个模型需要实验数据进一步验证。

图7 CFX软件中的模拟结果（CO2体积分数分别为1%、2%、4%）[68]Fig.7 Simulation results in CFX software[68]

国内对CO2管道泄漏扩散也开展了很多工作。北京理工大学刘振翼等[69-70]开展了基于相似准则的气相CO2泄漏扩散小尺寸缩比例实验，研究认为相较于RNG k-ε、SST k-ε 和k-ε 湍流模型与实验结果更为吻合。中国石油大学李玉星等[71-72]设计了包括主管道和节流管段的节流泄放实验装置，研究节流效应及可见云扩散过程。研究发现，超临界CO2泄放中的稳定节流出口压力下，锥状气云保持准稳定状态；当压力逐渐下降时气云尺度缓慢变小。中石化石油工程设计有限公司的陈霖[73]基于大连理工大学建立的实验装置开展了气相、密相和超临界CO2泄漏扩散区域的CO2体积分数分布研究，认为在工程应用中应考虑风速、地形及测量误差等因素影响。大连理工大学郭晓璐等[58-59,74-76]基于工业规模泄漏扩散实验研究和基于PR 方程的Realizable k-ε二维CFD 模型，认为远场扩散的可见云主要由气态CO2、空气、凝结水雾及扬尘等组成(图8)。相对气相和密相，超临界CO2的扩散速度更快，其可见云最远距离超过150 m。以实验验证为依据，建立了气相CO2泄漏扩散模型；并对密相、超临界工况下泄漏扩散距离的工程适用性进行了分析。

对于远场扩散实验研究，尤其大规模实验，由于扩散范围和气流流速很大，能反映扩散规律的测量点数量、准确度及布置方式对实验成本和技术要求都很高；而小尺度实验条件与实际工况不同，获得的扩散规律仍需验证。对于CO2管道远场扩散模拟研究，由于受高速射流、重气效应、复杂环境和地形条件的影响，目前较难建立完整模拟CO2管道泄漏扩散的全过程数值模型[77-78]。表5 和表6 为国内外CO2管道远场扩散过程实验和模拟研究情况。

4 结论与展望

图8 可见云形态变化[59]Fig.8 Visible cloud shape changes[59]

表5 国内外CO2管道远场扩散过程实验研究情况Table 5 Experimental study on far-field diffusion process of CO2 pipeline at home and abroad

本文综述了国内外CO2管道减压过程、近场射流膨胀及远场扩散规律实验、理论分析和数值模拟方面的研究现状；并归纳了初始压力和温度、泄漏口径及开启方式等实验条件以及初始相态、状态方程等边界和输入条件，并对建立的模型进行了适用性评价。对于管道内减压过程研究，减压波传播涉及到的临界区域相变的特殊性以及压力降至三相点时干冰颗粒的生成使管道内的流场更为复杂，该过程的研究存在较大难度。对于近场射流膨胀过程研究，泄漏口高压差产生的高度欠膨胀射流结构随着管内压力降低而不断发生变化，并伴随着干冰的生成和升华，该过程仍未得到准确描述。对于远场扩散过程研究，近场形成的干冰被气流携带至远场，对远场流场分布造成的影响程度仍未有定量分析。综合上述国内外研究现状表明，对于超临界CO2管道泄漏特性及扩散规律的研究数量并不多，研究不足主要体现在以下方面。

（1）关于管道内CO2热物性研究，尽管目前实验和模拟研究数量都在不断增多，但大部分实验及模拟条件与实际工况仍存在差异，实验测量条件需要优化，而模拟方法也需改进。

（2）CO2管道泄漏模拟大多基于均相流模型,不能准确预测相间存在滑移的流体物理形态；而采用非均相流假设的模型仍需要进一步验证和优化。在模拟研究中，对于干冰在管道内及泄漏区域的产生及流动规律尤显不足。

表6 国内外CO2管道远场扩散过程模拟研究情况Table 6 Simulation study of far-field diffusion process of CO2 pipeline at home and abroad

（3）由于CO2临界条件附近的性质(如密度、黏度和声速等)存在突变情况，因此减压过程中压力穿过临界值时CO2泄漏特性也会发生突变，目前实验和模拟研究在该区域的预测精度均需提高。

针对超临界CO2管道泄漏特性及扩散规律研究现状，在超临界CO2管道泄漏特性实验、模拟及理论研究仍需要进一步开展。建议深入开展以下几个方面的研究。

（1）实际工况下超临界CO2管道泄漏过程中不同口径下减压波传播和强度衰减规律，以及多维角度下压力、温度、密度和相态分数等状态参量变化过程和分布特征；浮力效应和周向管壁温度对介质传热过程、温度以及气液相分布等的影响、管内干冰颗粒的产生条件和流动规律。

（2）泄漏口径和方向对超临界CO2管道泄漏近场激波结构变化、干冰生成数量及范围的影响；近场干冰颗粒生成和流动、射流结构变化以及可见云形成和扩散规律。

（3）近场射流流场、干冰沉降和升华，以及地形、障碍物和风速风向对超临界CO2管道泄漏远场扩散区域中CO2浓度和温度扩散规律的影响；各种影响因素下CO2浓度阈值及低温区域的安全距离划分。

（4）埋地条件下超临界CO2管道小孔泄漏中，土壤特性、埋地深度、泄漏方向等对减压过程、干冰生成范围及数量的影响；干冰在管道和土壤内的存在时间及干冰升华溢出土壤至地面的扩散过程。