工业规模CO2管道泄放过程中的压力响应及相态变化

喻健良，郭晓璐，闫兴清，张永春，陈绍云

（1大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连 116024；2大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116024）

引言

CO2捕集和封存技术（carbon capture and storage，CCS）是实现全球二氧化碳减排的最有效方式[1]。管道运输是其重要环节，也是较安全、环保和经济的运输方式[2]。大量CO2管道的应用使其安全运行问题备受关注[3-4]。当CO2长输管道发生泄漏时，由于焦耳-汤姆逊效应产生的低温容易导致管道脆性断裂扩展，同时泄漏的CO2扩散后会在附近形成高浓度区，危及区域内人员健康和安全[5-7]。

CO2管道泄漏过程包括管内压力和温度变化、射流膨胀、干冰生成和升华、重气扩散等[8]。而管内压力和温度变化是研究低温脆断以及泄放区域内CO2扩散过程的关键[9-12]。国内外对CO2管道泄漏时压力响应及相变的实验研究数量不多。Ahmad等[13]介绍了一次大规模全口径密相CO2埋地管道断裂实验，回路管道规格φ219.1 mm×12.7 mm，总长226.8 m，发现管内压力经历快速下降、准静态水平、后期泄放3个阶段。Cosham等[14]介绍了3次全尺寸CO2管道断裂实验，管道规格φ914.0 mm×25.4 mm，长度分别为16.16、16.97、22.71 m，发现减压过程都出现了压力平台，且带杂质CO2压力平台更高。Koeijera等[15-16]通过规格φ 12 mm×1 mm、长140 m管道装置研究了过冷液相CO2减压过程，发现液相CO2很快转变为两相泄放，最后转变为气相泄放。Cosham等[17]采用规格φ168.3 mm×10.97 mm、长144 m实验管道，研究了气相、液相CO2及含杂质CO2减压行为，发现液相较气相CO2的减压曲线平台更长，而含杂质CO2减压曲线平台则又高又短。Han等[18-19]利用细长管的圆柱形容器装置，研究发现细长管内的液态CO2转变为气固两相流可能发生在CO2进入大气之前。Xie等[20]利用规格φ40 mm×5 mm、长23 m回路管道装置进行了CO2垂直泄放实验，认为超临界CO2比气相CO2压降速率大得多。总之，目前对CO2管道泄漏时压力响应及相变研究的文献报道并不一致，还需要进一步研究。

本文采用的管道规格为φ273 mm×20 mm，长256 m，属于工业规模级别，相对于文献报道中的管道尺寸，更加适合和接近于模拟实际CO2运输管道。基于此，对CO2管道泄放时的管内压力和温度变化进行了测量和分析，研究了管道内压力响应情况以及相态变化规律，以期为CO2管道断裂扩展和泄漏扩散研究提供实验依据。

1 CO2管道实验装置及方案

1.1 实验装置

图1为实验装置和现场图，该装置由主管道、双膜爆破装置、加热装置以及数据采集系统等组成。主管道规格φ273 mm×20 mm，长度256 m，材质16Mn。

该装置采用双膜爆破装置实现可控泄放，并采用不同口径孔板实现不同口径泄放；利用加热装置为管道升温以达到不同的初始温度和压力；实验过程中管道压力和温度采用分布式同步数据采集系统测量记录。图2是双膜爆破装置原理。该装置由两个爆破片及夹持器、法兰及管道组成。通过在两个爆破片（A和B）之间的空腔注入高压气体来控制爆破。该装置长度约0.9 m，相对于整条管道来说很短，对压力和温度等测量数据的影响可忽略。该方法可达到快速泄压的目的，泄压速率范围为1×104～4×104MPa·s-1[21]。

1.2 实验方案

为测量管道压力和温度，在管道上分布了12个压力传感器、18个管顶热电偶、6个管底热电偶以及12个管外壁热电偶。本文涉及的CO2减压波速度为100～300 m·s-1，而管道长度256 m足够长，因此压力传感器采集频率1 kHz，精度0.06%FS～0.6%FS，可以支持本文研究内容；热电偶响应时间200 ms，误差±1℃，均满足高压低温的环境条件。采用美国NI公司的CompactRIO实时控制器进行数据采集，包括1个NI cRIO-9025嵌入式实时控制器和5个NI 9144以太网扩展机箱，各机箱内包括13个NI 9219通用模块和3个NI 9213热电偶输入模块。数据采集系统采用美国NI公司的LabVIEW软件进行编程。

1.3 实验条件

本文选取了3组初始相态分别为气相、气液两相、超临界相态实验进行分析。图3是CO2相态图。图中R是三相点，C是临界点，临界压力Pc为7.38 MPa。RC、RB、RA分别为气液、气固、液固平衡线。图示了3组泄放实验Test 1、Test 2和Test 3的初始相态所在的位置。表1是实验初始条件，表2为实验所取测量点位置。

图1 实验装置和现场图 Fig.1 Schematic and scene graph of experimental apparatus

图2 双膜爆破装置原理 Fig.2 Schematic diagram of dual-disc blasting device

图3 CO2相态图 Fig.3 CO2phase graph

2 实验结果和讨论

2.1 气相CO2管道泄放中压力响应及相态变化

图4为Test 1实验压力响应曲线。由图可知，1.48 t CO2且泄放口径100 mm的泄放时间约55.4 s，平均压降速率约95.7 kPa·s-1；管道减压曲线变化过程整体上差别很小，而实际在泄放初始时有明显不同[22]。图4局部放大图是管道上5个测点（P2、P3、P5、P6、P8）在泄放初始时的压力响应过程。本次实验的减压波传播分为2个时间段，每个时间段为1.1 s（1.1 s是减压波以238.2 m·s-1介质声速自P2点传播至管道末端的时间）。在第1个1.1 s内，当减压波传播至P2时，该处压力快速下降至4.63 MPa，降幅0.67 MPa；此时该处短暂穿过相包络线进入两相区，压力略有反弹后缓慢下降[23]。减压波到达P3、P5、P6、P8时，压力依次开始突降，降幅依次减小，分别为0.62、0.41、0.37、0.01 MPa。在第2个1.1 s内，减压波自管道末端传播至泄放端，并依次导致P8、P6、P5、P3、P2再次大幅度降低，降幅依次减小，分别为0.72、0.49、0.37、0.23、0.09 MPa。经过此次减压波反射，管道泄放端和末端压力差逐渐缩小，对数压力与时间呈线性关系下降。

图5为Test 1实验压力-温度对应曲线。泄放开始后，距离泄放端较近的T1、T2处压力-温度曲线向右偏离了CO2饱和线，始终处于气相状态；而处 于管道末端附近T3-top和T3-bot的压力和温度分别降至3.22 MPa和-2.9℃、3.62 MPa和1.5℃时，开始贴着气液饱和线下降，说明该处底部和顶部CO2先后进入了两相区。T3-top最低温度降至-43℃，T3-bot最低温度降至-64℃，说明距离泄放端越远，温降幅度越大，且底部较顶部降幅大，处于两相区时间越长。

表1 实验初始条件 Table 1 Experimental conditions

表2 实验取测量点位置 Table 2 Experimental measurement point locations

图4 压力响应曲线 Fig.4 Pressure response curve

图5 压力-温度对应曲线 Fig.5 Corresponding curve of pressure-temperature

通过以上分析，对于气相CO2泄放，泄放端气相CO2快速膨胀排出，使该处发生压力突降，形成的减压波向管道末端传播，所经之处压力依次发生突降。压力突降导致的气体膨胀作用，使压降停滞或减慢。随着管内压力和温度下降，泄放端附近CO2相态始终为气态，而管道末端附近温度的大幅下降使该处出现气液均相CO2，且管道底部较顶部的气液均相CO2维持时间更长。图6为气相CO2泄放相态变化过程。

2.2 气液两相CO2管道泄放中压力响应及相态变化

图6 气相CO2泄放相态变化 Fig.6 Phase transition in process of gas CO2discharge

图7 压力响应曲线 Fig.7 Pressure response curve

Test 2实验的CO2初始状态为气液分层，泄放口径50 mm，气液界面处于泄放口之下，其中液相CO2体积为2.25 m3，气相CO2体积为8.56 m3。图7是Test 2实验压力响应曲线。由图可知，3.32 t CO2充装量的泄放时间约777.2 s，平均压降速率约7.2 kPa·s-1。图7局部放大图是P2、P3、P5、P7、P8测点在泄放初始时的压力响应过程。图中“→”代表减压波自管道泄放端向末端传播，“←”则代表减压波自管道末端向泄放端传播。本次实验减压波传播过程分为8个时间段，每个时间段为1.2 s（1.2 s是减压波以198.5 m·s-1介质声速自P2处传播至管道末端的时间）。表3是P2、P3、P5、P7、P8测量点的压力响应参量。表中包含3种压力响应参量：压力突降幅度ΔPf、压力反弹幅度ΔPr和准静态压力水平Pqs。在第1个1.2 s内，当减压波依次传播至P2、P3、P5、P7、P8时，各处发生第1次压力突降和反弹，达到第1个准静态压力水平Pqs1。ΔPf1和ΔPr1随距离增大而逐次减小，Pqs1随距离增大而逐次降低。在第2个1.2 s内，减压波在管道末端发生反射，向泄放端开始传播，所经各处导致第2次压力突降和反弹后达到第2个准静态压力水平Pqs2。ΔPf2和ΔPr1随距离增大而逐次增大，Pqs2随距离增大而逐次升高。第3次时间段1.2 s的减压波传播过程与第1次情况相同。从表中数据看出，ΔPf和ΔPr随传播次数增加整体不断减小，各个测点准静态压力水平逐渐接近。当减压波开始第4次传播时，由于管道泄放速率已大于气泡生成率，各处压力不再发生反弹；并且随着减压波传播次数增加，各处压力越来越接近。

图8为Test 2实验压力-温度对应曲线。泄放开始时，经过减压波多次反射，所有测点处CO2由气液分层转变为气液均相；当T1-top、T2-top、T3-top、T1-bot、T2-bot、T3-bot依次降至对应压力和温度4.7 MPa和14℃、4.7 MPa和14℃、4.2 MPa和9℃、2.9 MPa和-4℃、2.2 MPa和-15℃、1.1 MPa和-38℃时，依次脱离气液饱和线，即由气液均相变为气相。气液两相与气相CO2泄放管内温度变化具有相似规律。

通过分析得知此次气液两相CO2泄放，管道泄放端上层气相CO2首先快速膨胀排出，使管道上层压力突降，形成的减压波向管道末端传播，同时向管道底部液相CO2传播。当减压波进入液相CO2时，饱和液态CO2过热汽化，使压力突降停滞并发生反弹。减压波沿管道的多次传播使整条管道底部液相CO2变为过热液体而沸腾汽化为气液均相。随着CO2流出和压力下降，气液均相向气相CO2的转变从管道泄放端顶部开始，向管道末端顶部传播，而后向管道底部传播，直到整条管道转变为气相泄放。图9为气液两相CO2泄放相态变化过程。

2.3 超临界CO2管道泄放中压力响应及相态变化

图10是Test 3实验的压力响应曲线。由图可知，5.87 t CO2且泄放口径50 mm的泄放时间约312.4 s，平均压降速率约25.3 kPa·s-1。图10局部放大图是泄放开始时管道上P1、P2、P3、P4、P5、P6测点的压力响应过程。本次实验减压波传播过程分为2个时间段，每个时间段为1.3 s（1.3s是减压波以198.5 m·s-1介质声速自P1传播至管道末端的时间）。在第一个1.3 s内，P1处压力突降至临界压力Pc（7.38 MPa）时发生气泡成核使压降停滞或减慢，停滞时间约0.015 s；压力继续突降至7.035 MPa时快速反弹；反弹压力超过Pc时，压升速率减慢。减压波传播至P2时的压降过程与P1处相似，但到达Pc时压降停滞时间较长，约0.025 s。当减压波传播至P3和P4时，该两处压力都是在Pc处开始反弹，而P5和P6处的压力反弹点则要高于Pc，故不会发生气泡成核；该处压力突降和反弹是由前端传播来的减压波和压力反弹波决定的。减压波经过P1、P2、P3、P4、P5、P6时导致的压降幅度依次减小，分别为0.875、0.859、0.535、0.535、0.517、0.432 MPa；在压力反弹之后，所有测点压力几乎达到同一个准静态压力水平7.62 MPa，这个压力水平是由泄放端的压力反弹决定的。在第2个1.3 s内，减压波自管道末端向泄放端传播，并依次导致P6、P5、P3、P3、P2、P1再次大幅度降低，且经过Pc时，压降出现停滞或减缓。经过此次减压波反射，管内压力逐渐低于Pc，CO2相态由超临界相态转变为气液均相，不再发生压力突降和反弹。

表3 压力响应参量 Table 3 Pressure response parameters/MPa

图8 压力-温度对应曲线 Fig.8 Corresponding curve of pressure-temperature

图9 管道内气液两相CO2泄放相态变化 Fig.9 Phase transition in process of gas-liquid CO2discharge

图10 压力响应曲线 Fig.10 Pressure response curve

图11 第1个时间段1.3 s内的压降速率 Fig.11 Pressure drop rate of first 1.3 s

图12 压力-温度对应曲线 Fig.12 Corresponding curve of pressure-temperature

图11是第1个时间段1.3 s内压变速率曲线。从图中得知，P1处压变速率降至-51.358 MPa·s-1时，由于压力穿过Pc，压变速率发生突变，回复至零附近，这时压降停滞；由于泄压速率高于气泡生成率，导致该处压变速率再次降低至-68.536 MPa·s-1，这时气泡生成率已高于泄压速率，压力以指数增长；压变速率增长至26.40 MPa·s-1时，压力再次穿过Pc，使该处压变速率减小至3.340 MPa·s-1附近，而后增长至7.758 MPa·s-1。P2处压变速率变化和P1处相似，但两次压变速率降幅更小，分别为44.568 MPa·s-1和44.071 MPa·s-1；两次压变速率增幅也更小，分别为16.187 MPa·s-1和9.397 MPa·s-1。P3、P4、P5、P6处压力突降没有穿过Pc，因此在压变速率突降和增长中都只有一个降幅和一个增幅；压变速率降幅随距离增长依次变小，分别为9.245、5.586、5.346、3.741 MPa·s-1；压变速率增幅随距离增长依次变小，分别为8.946、7.955、7.720、6.5462 MPa·s-1。由分析可知，泄压速率和气泡生成率是影响减压波传播过程的重要因素。

图12为Test 3实验压力-温度对应曲线。泄放开始的CO2仍处于超临界状态，当压力低于Pc时，所有测点压力和温度沿着饱和线下降，说明超临界CO2很快转变为气液均相。T1-top、T2-top、T3-top、T1-bot、T2-bot、T3-bot依次脱离气液饱和线，即由气液两相转变为气相所对应的压力和温度点分别为5 MPa和15.4℃、4.7 MPa和13℃、3.7 MPa和-4.4℃、3 MPa和-4.2℃、2.9 MPa和-6℃、0.5 MPa和-39℃。由此可知，超临界CO2在压力降至Pc时转变为气液均相，随着管内压力和温度下降，气液均相向气相CO2的转变先从管道顶部开始，而后向管道底部传播。超临界CO2与气液两相以及气相CO2管道泄放中的管内温度变化具有相似规律。

通过以上分析，将超临界CO2管道泄放过程分为超临界CO2泄放、气液均相CO2泄放和气相CO2泄放3个过程。在Pc之上时进行的是超临界CO2泄放，发生了压力突降和反弹、准静态压力水平以及再次压降和反弹等过程。当压力普遍低于Pc，超临界CO2全部转变为气液均相CO2。随着管内压力和温度下降，气液均相CO2向气相CO2的转变，从管道顶部开始，而后从管道底部传播。图13为超临界CO2泄放相态变化过程。

图13 管道内超临界CO2泄放相态变化 Fig.13 Phase transition in process of supercritical CO2discharge

3 结论

（1）气相CO2管道泄放中，减压波前沿所经之处，各点压力立即开始下降，压降之后，由于气体膨胀作用，使压降发生停滞或减慢。减压波传播使管道压力和温度不断下降，泄放端附近CO2相态始终为气态；而管道末端附近则出现气液均相CO2，且底部较顶部气液均相CO2维持时间更长。

（2）泄放口位于气液界面之上的气液两相CO2管道泄放中，减压波传播发生多次反射并导致多次压力突降和反弹。减压波自管道上层向底部传播使管底液相CO2变为过热液体而汽化，使压降停滞并反弹；减压波自泄放端向管道末端传播使整条管道的气液分层CO2转变为气液均相。气液均相CO2向气相的转变由管道顶部开始，而后传播至底部。

（3）超临界CO2管道泄放中，压力突降和反弹以及准静态压力水平发生在临界区域附近，且压力穿过Pc时，压变速率会停滞和减慢。管道压力高于Pc时进行的是超临界CO2泄放；当管道压力普遍低于Pc时，超临界CO2全部转变为气液均相CO2进行泄放。气液均相CO2向气相的转变由管道顶部开始，而后传播至底部。

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