浅谈挪威船级社C O2管道泄漏实验*

张媛媛 张建 张煜 李清方 刘海丽

（1.中石化石油工程设计有限公司；2.中国石化胜利油田管理局）

浅谈挪威船级社C O2管道泄漏实验*

张媛媛1张建1张煜2李清方1刘海丽1

（1.中石化石油工程设计有限公司；2.中国石化胜利油田管理局）

管道输送作为所捕集的C O2与利用封存场地的纽带，在碳捕集、驱油与封存项目中起着重要的作用。鉴于我国C O2长输管道的设计标准和规范处于空白，文章对挪威船级社于2006年和2010年的管道泄漏实验进行归纳总结，介绍了工业规模泄放实验的研究目的、实验装置、恒压及泄压释放的操作流程、管道内对压力和温度的监测布点以及大气中对C O2浓度监测的布点方式等。这为我国研究人员开展C O2管道泄放的实验设计及研究方法提供了参考借鉴，有助于加快我国C O2管道输送安全性研究的步伐。

挪威船级社；C O2；管道输送；泄漏风险

0 引 言

我国是世界上C O2排放大国，需要采取积极有效的C O2减排措施。C O2驱油技术（C O2-E O R）能同时实现C O2封存与资源化利用，是我国中长期减少C O2排放的重要途径，在我国发展势头良好［1］。2003年以来，中国石油、中国石化、延长油田先后针对中高渗透高含水油藏开发后期及低渗透油藏开展了多个C O2驱先导试验，目前各油田正在积极部署大规模示范工程。

C O2的输送作为C O2源汇匹配的纽带，是C O2-E O R的中间环节。C O2气源安全输送至油田的注气区块，是保证原油提高采收率的先决条件。可见，C O2管道输送安全控制与监测技术是实现C O2-E O R大规模工业化应用的关键保障之一，但国际上C O2管道输送的研究集中在防腐控制，尚无统一的C O2管道输送行业标准［2］。美国在C O2管道输送方面已有丰富的工程经验［3］，管道设计标准主要参考油气管道输送标准。加拿大和澳大利亚与美国相似。挪威船级社（D E TN O RS K EV E RIT A S，简称D N V）于2010年制定了C O2管道设计规范D N V-R P-J202。目前C O2捕集、运输和地质封存（C CS）技术委员会正在积极开展C O2管道设计标准的制定工作。在中国，C O2的输送以低温槽车输送为主，没有真正意义上的长输管道［2］。石化行业标准《二氧化碳输送管道工程设计规范》的编制工作正在进行中。

为了确保C O2输送管道的安全可靠性，需要给出安全距离、截止阀的间距、C O2在线监测仪的布点、C O2泄漏阻断以及安全距离的设计原则与计算方法。因此，有必要开展工业规模的C O2管道泄漏实验研究，为标准的制定提供大量的实验数据和理论分析。国内大连理工大学正在开展工业规模的C O2气相输送泄漏实验［4］。在国外，D N V联合BP和Shell公司开展了工业规模C O2管道泄漏实验，系统研究了C O2的泄漏、扩散规律。本文旨在解读D N V的管道泄漏实验，包括实验的装置、工况、实验过程中需要注意的问题等，并结合我国C O2管道输送的特殊性，提出几点想法，为我国C O2管道泄漏实验的开展以及管道输送标准的制定提供参考信息和意见。

1 实 验

1.1 目的

为了填补其他国家对C O2高压密相、超临界输送技术的空白，D N V联合英国的BP和Shell分别于2006年和2010年开展了工业规模C O2管道泄漏实验（下面对这两次实验简称为BP实验、Shell实验），其目的主要包括：①C O2管道泄漏过程干冰的释放、在地表的累积和侵蚀；②C O2羽流的温度、传热率；③C O2泄漏的冲击负荷；④C O2释放对管道的影响；⑤测量泄漏过程管道内C O2状态变化和泄漏后的扩散情况，同时验证泄漏扩散模型的可靠性，准确预测流体发生泄漏时的释放速率，扩散的范围和浓度分布以及紧急隔离区域的安全范围。

1.2 装置

实验装置主要分为4部分，分别为：主管、支管、充有氮气的缓冲管和大气扩散监测单元，该装置示意见图1［5］。

图1 C O2管道泄漏实验装置示意

主管：该管段与C O2储罐相连，长25 m，直径580 m m；主管放置在磅秤上，其目的是连续监测C O2泄放的质量。

支管：该管段是主管的分支，长5.5 m，直径25 m m，泄放孔安装在支管的一端，在泄放孔之前安装了流量计，以监测C O2的释放速率。

缓冲管：当管道模拟恒压泄放实验时，充有氮气的缓冲管与主管相连。该管段长130 m，直径150 m m。

大气扩散监测单元：沿C O2喷射方向放置100 m ×100 m的底板，并布设扇形的C O2浓度、温度探头。

2 实施方案

2.1 释放源控制单元

BP和Shell的C O2管道泄漏实验的模拟工况［6］主要有以下几个特点：

①C O2泄放时的状态主要是高压密相和超临界两种相态；

②C O2喷射的状态分为恒压释放和泄压释放；

③喷射方向分为水平、固定容器内垂直向上及垂直向下；

④喷射过程的控制措施：C O2喷射中考虑了向羽流中喷水，考察水帘对减缓C O2扩散的影响。

C O2管道泄漏实验中，释放源控制单元的功能是保证泄放孔C O2压力、温度达到预期值，C O2释放源控制单元温度、压力的监测布点见图2［5］。

图2 C O2释放源控制单元的监测示意

在缓冲段、主管、支管的首末两端各放置温度和压力探头。C O2泄漏孔的温度监测更加详细，在支管上部距离泄放孔0，0.21，1.12，2.76 m处均安装了温度探头。

恒压释放实验的操作流程包括了C O2清洗、注入、注满后在缓冲管内补充氮气等步骤。随着泄放孔C O2的喷射，氮气不断进入缓冲管内，但始终不能进入C O2主管。泄压释放实验的操作流程包括了液态C O2注入、管道加热、泄压释放等步骤。当管道加热使C O2温度和压力达到目标值时，泄放孔开始喷射C O2。放空实验主要是向装置中通入氮气完成管道的清洗和C O2的排空。在缓冲管内不断充入氮气，此时打开泄放孔，主管内的C O2开始外排；当氮气充至泄放孔以下时，关闭泄放孔，打开主管底部的阀门，C O2从底部外排。当底部有氮气排出时，整个管道的C O2放空操作结束［7］。

2.2 大气扩散监测单元

C O2管道一旦泄漏，对周边的生态环境、居民健康、建筑物等产生负面影响。所以大气扩散监测单元除了准确测量大气中C O2的浓度，还要以此为据，制定管道泄漏的预警措施，计算安全距离进而增加管道路由选择的限制条件等。

2.2.1 监测装置

C O2浓度的监测主要有三种方法，C O2探头直接监测浓度、O2浓度反算法、温度反算法［8］。BP和Shell的实验采用了前两种方法，且均以O2浓度反算法为主，其原因为氧探头便宜。Ja m ois等人的研究中提到了温度反算法，主要考虑在C O2泄放的近场，气体喷射速度过快。由于C O2和O2探头的响应时间长，选择热电偶监测近场温度，进而反算C O2的浓度［8］。

BP和Shell的实验中C O2和O2探头的型号分别为Two ServomexX1440D1和City Technology A02，监测浓度范围分别为0～50%和0～100%。响应时间分别不高于10 s和2 s。热电偶直径为1.5 m m、不锈钢护套、T型。

2.2.2 监测布点

C O2大气扩散监测布点示意见图3［9-10］。

布点方式为扇形，沿喷射中心线分别向两侧各偏20°。监测距离分别为泄放孔下风向的1，2，3，4，5，10，15，20，40，60，80 m。在距离泄放孔下风向25 m内放置托盘，接收喷射过程的干冰。

图3 C O2大气扩散监测布点示意

3 结论与建议

BP和Shell两次实验的部分数据（C O2水平泄放）、相关实验及模型验证的报告已在D N V网站（w w w.dnv.co m）上公开。实验方案、过程操作、监测布点等方面的信息分享为我国工业规模C O2管道泄放实验提供了宝贵的经验。我国C O2输送管网的建设及运行监管，由于存在一定的特殊性，在开展管道泄放实验时还需要注意以下几点：

①C O2管道附近低洼地带及人口密集区：根据C O2的源汇数据［11］，输送管网预测集中分布在我国的东部沿海和西北部，C O2管网周边人口密集，且管网分布在不同的地形，如高原、山地、平原、丘陵。这与美国C O2管网的分布特点（管网分布在地广人稀的地区）有着明显的不同。根据BP和Shell两次实验的已有报道，C O2管道泄放装置放置在距离地面1 m高的台架上，没有考虑地形对C O2扩散、聚集的影响。所以，我国在开展工业规模C O2管道泄放实验时，不同地形的C O2泄漏预警措施、安全系数的选取需要充分考虑。对于预警措施，借鉴天然气管道检漏的经验，向C O2管道中添加微量、带有臭味的乙硫醇是否可以作为一种有效的预警措施，有待论证。建议研究乙硫醇对C O2物性的影响研究；对于不同地形的安全系数的选取，需要考察恶劣环境（静风、低洼地区）C O2泄漏的大气扩散规律。

②工业规模的C O2管道泄放实验需要和扩散模型的开发同时进行。目前，C O2管道泄漏模拟软件主要有Phast［9，12］，英国University College London也正在积极的开发相关软件［13-14］。我国未来C O2管网具有其特殊性，所以在使用国外开发的软件时，还需谨慎。因此，应开展CO2管道泄漏扩散模型的相关研究，为CC US（Carbon Capture，Uti l ization and Storage，碳捕获、利用与封存）技术大规模的工业化应用积累技术储备。

③C O2输送管道泄漏时流体温度场的分布规律研究非常必要。目前关于管道埋深地下泄漏时流体温度场的分布规律尚未报道。根据已有研究［4］，当C O2管道输送状态为气相，释放孔的压力和温度分别为5.25 M Pa和21℃时，整个喷射过程管道内部流体温度整体下降，最低可达-23.4℃，增加了管道脆性断裂的风险。管道一旦发生脆性断裂，C O2泄漏量远大于小孔泄漏，给环境和公众带来的不利影响也更加严重。所以，建议开展管道埋深地下泄漏时内部流体温度的变化规律研究。

［1］ Li L，Zhao N，Wei W，et al.A Review of Research Progress on C O2Capture，Storage and Utilization in Chinese Academy of Sciences［J］.Fuel，2013（108）：112-130.

［2］ 刘建武.二氧化碳输送管道工程设计的关键问题［J］.油气储运，2014，33（4）：369-373.

［3］ 杜磊，湛哲，徐发龙，等.大规模管道长输C O2技术发展现状［J］.油气储运，2010，29（2）：86-92.

［4］ 张建.工业规模C O2管道泄漏实验装置设计与安装［D］.大连：大连理工大学，2013.

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（编辑 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.005

1005-3158（2015）05-0014-04

2014-12-17）

*国家自然科学基金面上项目（41378088）；“十二五”国家科技支撑项目（2012B A C24B05）；中国地质调查项目（12120113006600）；中国博士后基金第55批面上项目（2014 M 550371）；胜利石油管理局博士后基金。

张媛媛，2012年毕业于清华大学环境学院，博士，高级工程师，胜利石油管理局在站博士后，主要研究方向：二氧化碳捕集、驱油与封存的环境影响评价；固体废物资源化处理处置。通信地址：山东省东营市济南路49号中石化石油工程设计有限公司，257026