陸詩建，趙東亞，劉建武，喻健良，李 琦

(1.中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，湖北 武漢 430200；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026；4.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；5.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

在利用CO2提高采收率(CO2-EOR)工程項(xiàng)目中，CO2安全輸送作為CO2源匯匹配的紐帶，是保證原油增采的先決條件[1-3]。謝尚賢等[4]在大慶油田首次進(jìn)行非混相CO2驅(qū)油試驗(yàn)以來，CO2管道輸送安全控制與監(jiān)測技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)CO2-EOR大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵保障之一成為研究熱點(diǎn)，但國際上尚無統(tǒng)一的CO2管道輸送行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。美國擁有世界最長的CO2輸送管道和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[7]，其也沒有具體規(guī)范準(zhǔn)則，我國在這方面還處于空白，而隨著CO2輸送管道規(guī)模增大，各種安全事故頻發(fā)，帶來大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，所以CO2管道的安全問題不容忽視[8]。

為了確保CO2輸送管道的安全可靠，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，國內(nèi)多數(shù)的研究集中在管道防腐領(lǐng)域，李玉星等[9]、左甜等[10]從氣體雜質(zhì)帶來管道腐蝕角度進(jìn)行了分析；張?jiān)缧５萚11]、魯岑等[12]從超臨界二氧化碳物理特性對(duì)管道影響方面做了相關(guān)研究；Xie等[13]利用自建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，第一次從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)CO2輸送管道小孔泄漏特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，有一定局限性，還需更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究；劉恩斌等[14]對(duì)超臨界CO2管道泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值模擬，首次同時(shí)研究了不同外界風(fēng)速、不同大氣穩(wěn)定度和不同泄漏角對(duì) CO2泄漏擴(kuò)散的影響，有一定實(shí)際指導(dǎo)意義；Mazzoldi等[15]對(duì)利用CFD軟件進(jìn)行CO2管道安全距離進(jìn)行仿真研究，但所取數(shù)據(jù)和仿真模型均有一定局限性。

因此，有必要開展工業(yè)規(guī)模的CO2管道泄漏理論分析?；诖耍劳旋R魯二化煤制氣尾氣50萬t/a CO2輸送工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，針對(duì)超臨界輸送和氣相輸送，對(duì)CO2管道的截?cái)嚅y室間距、CO2管道泄放安全距離等進(jìn)行了仿真計(jì)算研究。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依托齊魯二化煤制氣尾氣50萬t/a CO2輸送工程，輸送參數(shù)如下表所示：

表2 輸送基礎(chǔ)參數(shù)

注：表中所有壓力均為表壓。

氣源為齊魯二化煤制氣尾氣，其中超臨界輸送模式的輸送介質(zhì)為提純后的CO2，組份如下表所示。

表3 產(chǎn)品組成表(方案一的輸送介質(zhì))

氣相輸送的介質(zhì)為沒有經(jīng)過提純的煤氣化氣體，組份如下表所示。

表4 低壓氣體組成表(方案三的輸送介質(zhì))

表5 截?cái)嚅y完全關(guān)閉所需時(shí)間

2 研究方法

本模擬研究采用HYSPLIT4.8污染物遷移軟件完成，考慮到齊魯二化煤制氣裝置50萬t/a CO2外輸管道位于平原，且當(dāng)?shù)匾阅巷L(fēng)為主，研究方法如下：

(1)建立典型氣象模型，特征風(fēng)速分別為0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s，特征風(fēng)向分別為南風(fēng)。

(2)利用污染物遷移軟件對(duì)發(fā)生在管道典型位置處、典型氣象模型下的斷裂泄漏過程進(jìn)行模擬計(jì)算，給出CO2濃度限分別為1%、2%、5%和10%的影響區(qū)域的最大尺寸及其動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律，從而給出危險(xiǎn)、危害最大的典型氣象模型(以下簡稱典型危害氣象模型)。

(3)在典型危害氣象模型下對(duì)兩種輸送模式、不同閥室間距情況下的斷裂泄漏過程進(jìn)行模擬計(jì)算，給出給出CO2濃度限分別為1%、2%、5%和10%的影響區(qū)域的最大尺寸及其動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律。

3 仿真與分析

3.1 氣相輸送模式的研究

3.1.1 斷裂泄露模式

研究了CO2氣相輸送時(shí)管道發(fā)生斷裂泄漏后在5中典型氣象場、5個(gè)不同截?cái)嚅y間距情況下CO2濃度限分別為10%、5%、2%和1%的影響區(qū)域最大尺寸Lmax及其所持續(xù)的時(shí)間。表6給出了風(fēng)速及截?cái)嚅y室間距對(duì)擴(kuò)散影響區(qū)域的影響及影響時(shí)間。

表6 氣相輸送管道完全斷裂泄漏影響特征參數(shù)

表6(續(xù))

3.1.1．1 風(fēng)速的影響

圖1給出了不同濃度限影響區(qū)域最大尺寸隨風(fēng)速的變化情況。

圖1 風(fēng)速對(duì)不同濃度限影響

圖2 閥室間距對(duì)不同濃度限影響區(qū)域尺寸的影響(典型氣象場A，0.5m/s)

從上圖中可以清楚地看出，影響區(qū)域的最大尺寸隨著風(fēng)速的增大迅速減小。在結(jié)合表6，更進(jìn)一步清楚看出，隨著風(fēng)速的增大，各種濃度限的影響范圍和持續(xù)時(shí)間都迅速減?。灰越?cái)嚅y間距為8000m的情況為例，風(fēng)速為0.5m/s(一級(jí)風(fēng)風(fēng)速下限，0.3～1.5m/s為一級(jí)風(fēng))時(shí)濃度限為10%的影響區(qū)域的最大尺寸為235m，而風(fēng)速為1.5m/s時(shí)這一影響區(qū)域的最大尺寸減小到145m，相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間也從0.5m/s的16分鐘縮短到4分鐘；而當(dāng)風(fēng)速增大到5m/s時(shí)(相當(dāng)于三級(jí)風(fēng)，接近于風(fēng)速上限)則各種高濃度(>1%)區(qū)域持續(xù)時(shí)間均小于1分鐘。

3.1.1.2 截?cái)嚅y間距的影響

在不考慮截?cái)嚅y動(dòng)作滯后時(shí)間的前提下，以特征風(fēng)速為0.5m/s情況下發(fā)生的泄漏為例，研究截?cái)嚅y室間距對(duì)泄漏擴(kuò)散影響區(qū)的影響。

從圖2中可以清楚看出，閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截?cái)嚅y間距的增大，其影響相對(duì)變小。在不考慮截?cái)嚅y動(dòng)作滯后時(shí)間的前提下，減小截?cái)嚅y間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍，當(dāng)截?cái)嚅y間距從8000m減小到500m時(shí)，10%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸從235m減小到92m，而且，持續(xù)時(shí)間也從8000m的16分鐘縮短為4分鐘。因此，減小截?cái)嚅y間距是控制影響區(qū)域最為有效的手段之一。

截?cái)嚅y間距為8000m、假定截?cái)嚅y在泄漏發(fā)生時(shí)能夠在第一時(shí)間啟動(dòng)并完全關(guān)閉，那么各種濃度限的最大影響區(qū)域的尺寸和持續(xù)時(shí)間為：CO2濃度大于10%的區(qū)域，235m，16min；CO2濃度大于5%的區(qū)域，300m，22min；CO2濃度大于2%的區(qū)域，430m，31min；CO2濃度大于1%的區(qū)域，567m，40min。

3.1.2 小孔泄露模式

以泄漏口直徑分別為40mm和80mm、氣相輸送截?cái)嚅y間距為8000m為例，研究影響管道小孔泄漏的特征參數(shù)。

表7 氣相輸送截?cái)嚅y間距為8000m時(shí)管道小孔泄漏影響特征參數(shù)

表7(續(xù))

從表7中可以清楚看出，隨著泄漏口尺寸的增大，泄漏所產(chǎn)生的危害加大。例如，當(dāng)泄漏口尺寸為40mm時(shí)，5%及以上濃度區(qū)域的影響區(qū)域均很小，持續(xù)的時(shí)間也相對(duì)較短(<10min)，而80mm時(shí)，10%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸為58m，5%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸為139m。不僅如此，從表中還可以看出，除了風(fēng)速(0.5m/s)非常低的典型氣象場A所發(fā)生的泄漏外，其它風(fēng)速較大氣象場中發(fā)生的小孔泄漏，均只能產(chǎn)生非常有限的危險(xiǎn)危害。由此可以得出結(jié)論：爆管泄漏是危害最大的情形。

3.2 超臨界輸送模式的研究

3.2.1 斷裂泄露模式

研究CO2超臨界輸送時(shí)管道發(fā)生斷裂泄漏后在5中典型氣象場、5個(gè)不同截?cái)嚅y間距情況下CO2濃度限分別為10%、5%、2%和1%的影響區(qū)域最大尺寸Lmax及其所持續(xù)的時(shí)間。表8給出了風(fēng)速及截?cái)嚅y室間距對(duì)擴(kuò)散影響區(qū)域及影響時(shí)間的影響。

表8 超臨界輸送管道完全斷裂泄漏影響特征參數(shù)

3.2.1.1 風(fēng)速的影響

圖3給出了在典型氣象場A(特征風(fēng)速為0.5/s)發(fā)生泄漏、截?cái)嚅y閥室間距為8000m時(shí)不同濃度限影響區(qū)域最大尺寸隨風(fēng)速的變化情況。

圖3 超臨界輸送時(shí)風(fēng)速對(duì)不同濃度限影

從圖3中可以清楚地看出，影響區(qū)域的最大尺寸隨著風(fēng)速的增大迅速減小。隨著風(fēng)速的增大，各種濃度限的影響范圍和持續(xù)時(shí)間都迅速減小；以截?cái)嚅y間距為8000m的情況為例，風(fēng)速為0.5m/s(一級(jí)風(fēng)風(fēng)速下限，0.3～1.5m/s為一級(jí)風(fēng))時(shí)濃度限為10%的影響區(qū)域的最大尺寸為243m，而風(fēng)速為1.5m/s時(shí)這一影響區(qū)域的最大尺寸減小到152m，相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間也從0.5m/s的17分鐘縮短到4分鐘；而當(dāng)風(fēng)速增大到5m/s時(shí)(相當(dāng)于三級(jí)風(fēng)，接近于風(fēng)速上限)則各種高濃度(>1%)區(qū)域持續(xù)時(shí)間均小于1分鐘。

3.2.1.2 截?cái)嚅y間距的影響

圖4給出了超臨界輸送模式在典型氣象場A發(fā)生泄漏時(shí)截?cái)嚅y閥室間距對(duì)各濃度限區(qū)域最大尺寸的影響。從圖中可以清楚看出，閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截?cái)嚅y間距的增大，其影響相對(duì)變小。在不考慮截?cái)嚅y動(dòng)作滯后時(shí)間的前提下，減小截?cái)嚅y間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍，以特征風(fēng)速為0.5m/s情況下發(fā)生的泄漏為例，當(dāng)截?cái)嚅y間距從8000m減小到500m時(shí)，10%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸從243m減小到117m，而且，持續(xù)時(shí)間也從8000m的17分鐘縮短為5分鐘。因此，減小截?cái)嚅y間距是控制影響區(qū)域最為有效的手段之一。

圖4 閥室間距對(duì)不同濃度限影響區(qū)

截?cái)嚅y間距為8000m、假定截?cái)嚅y在泄漏發(fā)生時(shí)能夠在第一時(shí)間啟動(dòng)并完全關(guān)閉，那么各種濃度限的最大影響區(qū)域的尺寸和持續(xù)時(shí)間為：CO2濃度大于10%的區(qū)域，243m，17分鐘；CO2濃度大于5%的區(qū)域，314m，22min2濃度大于2%的區(qū)域，4448m，32min2濃度大于1%的區(qū)域，591m，42min

3.2.2 小孔裂泄露模式

以泄漏口直徑分別為40mm和80mm、超臨界輸送截?cái)嚅y間距為8000m為例，研究影響管道小孔泄漏的特征參數(shù)。

從表9中可以清楚看出，隨著泄漏口尺寸的的增大，泄漏所產(chǎn)生的危險(xiǎn)危害加大。例如，當(dāng)泄漏口尺寸為40mm時(shí)，5%及以上濃度區(qū)域的影響區(qū)域均很小，持續(xù)的時(shí)間也相對(duì)較短(<10min)，而80mm時(shí)，10%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸為69m，5%濃度限影響區(qū)域的最大尺寸為150m。不僅如此，從表中還可以看出，除了風(fēng)速(0.5m/s)非常低的典型氣象場A所發(fā)生的泄漏外，其它風(fēng)速較大氣象場中發(fā)生的小孔泄漏，均只能產(chǎn)生非常有限的危險(xiǎn)危害。由此可以得出結(jié)論，爆管泄漏仍然是危害最大的情形。

表9 超臨界輸送截?cái)嚅y間距為8000m時(shí)管道小孔泄漏影響特征參數(shù)

表9(續(xù))

4 結(jié)論

針對(duì)50萬t/a CO2輸送工程，對(duì)管道斷裂和小孔泄漏(氣相和超臨界輸送時(shí))，在不同風(fēng)速(0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和5m/s)下、不同關(guān)斷閥間距(8000m、4000m、2000m、1000m和500m)情況下發(fā)生泄漏時(shí)，研究了CO2擴(kuò)散遷移影響區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并給出不同濃度(1%、2%、5%和10%)影響區(qū)域的最大尺寸和動(dòng)態(tài)遷移距離。研究結(jié)果表明：對(duì)氣相輸送和超臨界輸送，輸送管道出現(xiàn)斷裂時(shí)，影響區(qū)域的最大尺寸隨著風(fēng)速的增大迅速減小，風(fēng)速增大到5m/s時(shí)，各種高濃度(>1%)區(qū)域持續(xù)時(shí)間均小于1分鐘；閥室間距的影響并不是完全線性的，隨著截?cái)嚅y間距的增大，其影響相對(duì)變小；在不考慮截?cái)嚅y動(dòng)作滯后時(shí)間的前提下，減小截?cái)嚅y間距，可以有效減少各種濃度限的影響范圍；對(duì)小孔泄露，除了風(fēng)速(0.5m/s)非常低的典型氣象場所發(fā)生的泄漏外，隨著泄漏口尺寸的增大，泄漏所產(chǎn)生的危害加大，爆管泄漏是危害最大的情形。