石油与天然气化工  2019, Vol. 48 Issue (3): 104-109
含杂质CO2管道泄漏扩散模拟分析
陈兵 , 郭焕焕 , 崔维刚 , 肖红亮     
西安石油大学
收稿日期：2018-11-29
基金项目：西安石油大学横向科研项目“延长油田液态管道输送可行性研究”(ycsy2015ky-B-02)
作者简介：陈兵(1969-), 女, 教授, 硕士研究生导师, 研究方向为油气田地面工程建设, 石油石化装备腐蚀与防护.
通信作者：郭焕焕(1995-), 女, 硕士研究生, 研究方向为设备性能与压力容器管道安全。E-mail:2294774907@qq.com.
摘要：管道输送是CCUS技术中最为重要的一环, CO2泄漏扩散的高浓度窒息性和少量毒性气体杂质是最重要的潜在危害, 安全性是其重要指标。利用PHAST软件对CO2及其杂质H2S在多因素耦合作用下对管道泄漏扩散进行了模拟计算分析, 得出最危险工况。并对CO2管道输送的危险工况进行模拟计算分析, 得出CO2及H2S气体扩散的最大安全距离, 选定合适的截止阀间距。定量分析评价了CO2管道输送的安全性, 对CO2输送管线标准的制定具有借鉴意义。
关键词：CO2泄漏    危险范围    扩散    安全    
Simulation analysis of leakage and diffusion of carbon dioxide with impurities
Chen Bing , Guo Huanhuan , Cui Weigang , Xiao Hongliang     
Xi'an Shiyou University, Xi'an, Shaanxi, China
Abstract: Pipeline transportation is the most important part of CCUS technology while the high concentration of suffocating carbon dioxide leakage and a small amount of toxic gas impurities are the most important potential hazards, so safety is an important consideration. In this paper, the leakage and diffusion of carbon dioxide and its impurity hydrogen sulfide were simulated and analyzed by using the PHAST software, leading to the simulation of the most dangerous conditions. And through the simulation and analysis of the dangerous conditions on the carbon dioxide pipeline transportation, the maximum safety distance of carbon dioxide and hydrogen sulfide gas diffusion were determined, and the appropriate stop valve spacing was selected. Quantitative analysis and evaluation of the safety of carbon dioxide pipeline transportation was conducted, which can be used as reference for the future development of carbon dioxide pipeline standards.
Key words: carbon dioxide leakage    hazard range    diffusion    safety    

对CO2的捕集、利用和封存(CCUS)技术是目前减少CO2排放最经济有效的办法, 其主要分为CO2的捕集、运输、封存和利用4个部分, 而CO2的运输是CCUS技术中最为重要的一环[1-3]。对于长距离大规模CO2输送, 管道输送有其独特的优势, 即:输送量大、耗能低、经济性好, 因此成为运输CO2最可行的方式[4-6]。CO2可以以液态、固态、气态、超临界/密相4种相态进行输送。超临界相态输送时, 流体的密度和它的液态密度相近, 黏度和气态黏度相近[7-8], 因此超临界相态是CO2管道运输最有效的状态。在CO2管道输送过程中, 不可避免地会出现管道腐蚀、地表下陷、材料失效、第三方破坏等事故。管道破裂事故是极其危险的, 其泄放的大量CO2及杂质会对周边动植物安全构成严重威胁[9-13]。因此, 对管道气体泄漏扩散规律进行研究, 对事故发生后的应急处理以及环境分析都有重要意义。

当CO2管道发生泄漏扩散时, 杂质的潜在危害不可忽视, 无论是天然气管道输送, 还是CO2管道输送, 杂质H2S作为一种剧毒酸性气体均普遍存在。因此, 本研究取加拿大韦本地区CO2管道中的CO2气流, 以H2S杂质为研究对象, 进行泄漏扩散模拟计算, 其气流组成见表 1。

表 1    韦本CO2管道气流组成 Table 1    Component of the CO2 pipeline airflow in Weyburn, Canada

1 模型建立

PHAST(process hazard analysis software tool)是一种工艺危险源分析软件工具, 是由DNV公司开发的一款专门用于天然气领域和石油石化危险分析和安全计算预测的软件。该软件对于气体的泄漏、放空扩散后果计算的针对性较强, 其内部数据基于大量现场实验, 尤其最新版专门对CO2泄漏、扩散模块进行了较大改善, 可输出与气体浓度、范围等参数相关的曲线图, 视觉效果和可读性较强[14-19]。通常情况下, 在泄漏或放空过程中截止阀是工作的, 泄放流体属于无源状态, 本研究采用PHAST建立含杂质CO2管道泄漏扩散模型, 选用软件中的短管(short pipeline)模型, 假设管道发生全口径破裂, 泄漏口将管道分成了上游分支和下游分支两个部分, 如图 1所示。

图 1     全径泄漏示意图 Figure 1     Schematic diagram of full diameter leakage

2 控制方程

CO2在泄漏或放空过程中, 其流体流动仍遵循三大守恒定律：动量、能量、质量守恒定律, 由此推导出CO2气体适用的最基本的连续方程、运动方程和能量方程。

(1) 连续方程

$ \frac{\partial \rho}{\partial t}+\frac{\partial \rho u}{\partial t}+\frac{\partial \rho v}{\partial t}+\frac{\partial \rho w}{\partial t}=0 $ (1)

式中：ρ为流体密度, kg/m3; t为时间, s；u、v、w分别为x、y、z轴的分量, 该方程本身守恒。

(2) 运动方程

$ \rho \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t}=\rho F_{i}+\frac{\partial p_{i j}}{\partial x_{j}} $ (2)

式中：$\rho \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} $为单位体积的惯性力, N;ρFi为单位体积在x轴上的质量力, N, 一般对于气体流动而言, 质量力ρFi可以忽略, 即认为ρFi=0; $ \frac{\partial p_{i j}}{\partial x_{j}}$表示单位体积在x轴上应力张量的散度。

(3) 能量方程

$ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} t}\left(e+\frac{V^{2}}{2}\right)=-\frac{1}{\rho} \nabla(\vec{P} \cdot \vec{V})+\frac{1}{\rho} \nabla(\gamma T)+q_{k} $ (3)

式中：e为单位质量的内能, J; V为速度, m/s；ρ为流体密度, kg/m3; $\nabla $为拉普拉斯算子；$ \vec P = \left[ { - p + \left( {{\mu ^\prime } - } \right.} \right.\frac{2}{3}\mu )\nabla \cdot \vec V]\delta + 2\mu {\rm{D}};\vec P$为x轴的压力分量；$ {\vec V}$为x轴的速度分量；γ为二阶单位张量；T为温度, K；qk为辐射加热, J。

(4) 状态方程

本研究在计算CO2流体物性参数和CO2流体扩散过程中均选用P-R方程：

$ P=\frac{R T}{V-b}-\frac{a}{\left(V^{2}+\mu b V+\omega b^{2}\right)} $ (4)

式中：μ、ω为常数, μ=2, ω=-1；a、b为物质特有常数, 与临界参数有关, 关系式如下：

$ \begin{array}{c}{a=0.45724 \frac{R^{2} T_{\mathrm{c}}^{2}}{P_{\mathrm{c}}}[1+(0.37464+1.54226 \omega-} \\ {0.26992 \omega^{2} )\left(1-\sqrt{\frac{T}{T_{\mathrm{c}}}}\right) ]^{2}}\end{array} $ (5)
$ b=0.07780 \frac{R T_{\mathrm{c}}}{P_{\mathrm{c}}} $ (6)

式中：Tc为临界温度, K；Pc为临界压力, MPa；R为常数；T为温度, K；V为摩尔体积, L/mol。

3 模拟结果验证

大连理工大学与欧盟联合设计和搭建了世界上首套工业规模的CO2管道泄放装置, 该装置开展了气相和超临界两种相态的纯CO2水平泄放实验, 管道规格273 mm×20 mm, 长258 m, 主要实验条件见表 2。

表 2    实验条件 Table 2    Experimental conditions

实验主要结论：对CO2浓度进行分析时, 在气相下, CO2扩散长度至少为30 m, 宽度至少3 m；在超临界相态下, 长度至少50 m, 宽度至少5 m。

本研究利用PHAST软件进行验证, 选择短管和UDM模型, 设置相同的实验条件, 得出模拟结果, 将实验数据与模拟数据进行对比(见表 3)。

表 3    实验、模拟结果对比  m Table 3    Comparison of experiment and simulation results

由表 3可以看出, 用PHAST软件模拟的结果为：气相相态下CO2扩散的最大长度为31 m, 最大宽度为2.2 m；超临界相态下最大长度为59 m, 最大宽度4.2 m。总体上, 模拟值略大于其实验值。但因为该实验属于工业级别, 现场操作较复杂, 而且实验所采用的双爆破装置会使管线压力具有不均匀性, 因此实验值与模拟值存在一定误差。但该模拟结果符合喻健良等[14]的实验值预测范围, 证明该模拟方法可行。

4 模拟结果与分析

本研究根据韦本气源组成进行模拟分析, 其中CO2和H2S纯度分别为96%(摩尔分数)、0.9%(摩尔分数)。美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)认为, CO2浓度职业接触标准为5000×10-6(摩尔分数, 下同), 危及健康的标准为20 000×10-6(最低危险浓度值), 一旦超过40 000×10-6, 就会立即危及生命和健康。在较高的浓度下, 杂质H2S也会对身体造成严重伤害, 其职业接触标准值也即最低危险浓度值在10×10-6以下。因此, 这里设置的CO2追踪浓度为20 000×10-6、40 000×10-6、60 000×10-6；H2S的追踪浓度为10×10-6、20×10-6、50×10-6。风速为1 m/s时为无风状态。在不同孔径、不同风速、不同输送压力下, 对管道泄漏扩散进行模拟分析, 模拟结果见表 4~表 5, 以及图 2~图 8。

表 4    CO2泄漏扩散模拟结果 Table 4    Simulation results of impurity CO2 leakage diffusion

表 5    H2S泄漏扩散模拟结果 Table 5    Simulation results of impurity H2S leakage diffusion

图 2     H2S、CO2扩散高度与孔径的关系 Figure 2     Relationship between diffusion height of H2S and CO2 and aperture

图 3     H2S、CO2扩散距离与孔径的关系 Figure 3     Relationship between difusion distance of H2S and CO2 aperture

图 4     CO2扩散时间和下风向位置与孔径的关系 Figure 4     Relationship between diffusion time of CO2 and downwind position and aperture

图 5     H2S、CO2扩散高度与风速的关系 Figure 5     Relationship between difusion height of H2S and CO2 and wind speed

图 6     H2S、CO2扩散距离与风速的关系 Figure 6     Relationship between diffusion distance of H2S and CO2 and wind speed

图 7     H2S、CO2扩散高度与输送压力的关系 Figure 7     Relationship between diffusion height of H2S and CO2 and delivery pressure

图 8     H2S、CO2扩散距离与输送压力的关系 Figure 8     Relationship between diffusion distance of H2S and CO2 and delivery pressure

经调研可知, CO2和H2S的管道泄漏浓度是对周围动植物造成严重威胁的最低浓度。因此, 本研究选用最低浓度对危险范围进行分析。

4.1 孔径对泄漏扩散的影响

由图 2和图 3可以发现, 在风速稳定时, 随着孔径的增加, H2S和CO2扩散高度和顺风扩散距离显著增加, 且两者都近似正比增加, 孔径越大, 扩散范围越大, 但H2S的扩散高度约为CO2的两倍以上, H2S的扩散距离远远大于CO2的扩散距离。所以, 同等浓度下, H2S扩散得更高、更远。因此, 当CO2气流中含有较高浓度的H2S时, H2S扩散危险范围更大, 安全范围的划定应以H2S为依据。

由图 4可知, 风速稳定时, 随着孔径的增加, 扩散到一定浓度时扩散的距离和扩散高度随着孔径的增加而增加, 但增幅都较小, 常用孔径300 mm到达浓度的时间为1.3 s, 相邻孔径时间差均小于0.5 s。因此, 孔径的变化对达到某一浓度的时间影响可忽略不计。

4.2 风速对泄漏扩散的影响

(1) 由图 5可知, 在H2S、CO2扩散浓度下, 风速越大, 扩散高度的变化越小, 这是由于风速越大, 大气湍流强度越强, 同时扩散初始动能被逐渐弱化。由图 6可知, 风速为1 m/s时, H2S的顺风距离达到了1500 m左右。显然, 在相同的工况下, 与CO2扩散的最低危险浓度相比, H2S扩散的职业接触浓度的范围更大。因此, 在控制好危险范围的同时, 更要做好气源地的除杂工作, 严格限制H2S杂质的含量。

(2) 同一条件下, 风速越大, H2S最低危险浓度范围越小, 随着风速的变化, 低浓度变化范围要远大于高浓度, 如风速为1~10 m/s, H2S下风向扩散距离的变化量为993.5 m, CO2对应的变化量为4.6 m。显然, 较大的风速是有利于气体扩散的。

4.3 压力对泄漏扩散的影响

由图 7和图 8可以看出, 输送压力对H2S扩散高度的影响与对CO2类似, 输送压力沿射流方向的影响更显著。同等条件下, 以3 MPa为例, 考察最低危险浓度, H2S、CO2的扩散高度分别为93 m、37 m, 下风向距离为219 m、6.6 m, 显然H2S扩散范围更广。

同一扩散浓度下, 随着输送压力的增加, CO2扩散高度和顺风扩散距离逐渐增加, 但高度增加量明显更大, 1~5 MPa过程增量为26.2 m, 而下风向距离的增量仅为1.1 m, 几乎不变, 说明压力主要影响射流方向, 射流方向与主扩散方向越趋近, 扩散距离就越远。

5 不同截止阀间距结果分析

通过模拟计算分析可知, 影响气体扩散的主要因素有风速、孔径大小、出口压力。通过分析三大因素对扩散范围的影响, 并结合我国多数地区人口密度较高, 以最大危险范围为计算目标, 选取最常见的大气环境, 采用韦本CO2长输管道常用的超临界/密相为模拟对象, 将截止阀安装距离设置为8 km、10 km、12 km、15 km。

本研究关注的CO2最低浓度值为职业接触最大浓度值5000×10-6, H2S最低检测浓度为10×10-6, 因此, 5000×10-6为CO2职业接触浓度值, 10×10-6为H2S最低危险浓度值。不同截止阀间距下CO2、H2S扩散持续到最低检测浓度的数据列于表 6。

表 6    不同截止阀间距扩散数据 Table 6    Diffusion data at different stop valve spacing

(1) 由图 9和图 10可知, CO2和H2S扩散至最大距离和云团高度具有相同的变化趋势, 持续时间随着阀间距增加呈线性增加, 且增加幅度较大。间距为15 km时, 最长CO2持续时间2 274.8 s, 增量为(2 278.4 s-976.6 s)/(15 km-8 km)=185.5 s/km, 最长H2S持续时间为2 418.8 s, 增量为(2 418.8 s-1 144.2 s)/(15 km-8 km)=182.1 s/km, 两者每千米时间增量相近, 均在3 min左右。因此, 阀间距越大, 对人、动物和环境的影响越大, 故在设置阀间距时持续时间是主要考虑对象。考虑到阀室安装成本及现场施工时间, 可将职业接触浓度的持续时间降低至30 min, 而阀间距为10 km时, CO2扩散距离为662 m, 持续时间为1302 s, H2S扩散距离为1156 m, 持续时间为1463 s, 两相指标均不太高, 因此可选择阀间距10 km作为参考标准。

图 9     不同阀间距下CO2扩散至最低检测浓度的持续时间、最大距离和云团高度 Figure 9     Duration, maximum distance and cloud height of CO2 diffusion to the lowest detection concentration at different valve spacing

图 10     不同阀间距下H2S扩散至最低检测浓度的持续时间、最大距离和云团高度 Figure 10     Duration, maximum distance and cloud height of H2S diffusion to the lowest detection concentration at different valve spacing

(2) 阀室间距的安装需要考虑当地的人口密度、经济性、放空安全范围、扩散至职业接触浓度值的持续时间等。综合前面的分析, 我国不同地区人口密度变化较大, 阀间距的安装可“因地制宜”, 一般阀间距的安装以10 km为主。

6 结论

利用PHAST软件对地面架空管道泄漏扩散进行了模拟, 研究了不同泄漏孔径、不同风速以及不同输送压力对泄漏扩散的危险范围影响。结果表明：

(1) 随着孔径的增加, H2S和CO2扩散高度和顺风扩散距离显著增加, 且两者都近似正比增加, 但不同泄放孔径对管道泄漏扩散的影响不是很大。

(2) 在相同的工况下, 与CO2扩散的最低危险浓度相比, H2S扩散的职业接触浓度的范围更大。因此, 在控制好危险范围的同时, 更要做好气源地的除杂工作, 同时随着风速的变化, CO2、H2S在低浓度情况下变化范围要远大于高浓度情况。

(3) 同等条件下, 输送压力对H2S扩散高度的影响与CO2类似, 输送压力沿射流方向的影响更显著, 压力主要影响射流方向, 射流方向与主扩散方向越趋近, 扩散距离越远。

(4) 我国不同地区人口密度变化较大, CO2管道阀间距的安装可“因地制宜”, 一般阀间距的安装以10 km为主。

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