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(huán)再利用的方式降低碳排放量，從而減緩“溫室效應”對地球環(huán)境所造成的影響。隨著CCUS 技術的發(fā)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(qū)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(fā)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(guī)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(yè)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(tǒng)

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(huán)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(huán)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(jiān)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(guī)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(fā)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(wěn)定。在差值率大致穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(fā)生后，泄漏點周圍環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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。