基于PHAST的CO2露空管道大规模泄漏与放空模拟

2024-01-03殷布泽闫锋聂超飞芦澍胡其会李玉星

油气与新能源 2023年6期

殷布泽，闫锋，聂超飞，芦澍，胡其会，李玉星

1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院；2.山东省油气储运安全重点实验室；3.国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司；4.中国石油管道局

0 引言

2020年，中国宣布“双碳”目标，力争于2030年前达到CO2排放峰值，力争2060年前实现碳中和。《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）——中国CCUS 路径研究》［1］提出，CCUS 是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择，是碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段，是钢铁、水泥等难以减排行业低碳转型的可行技术选择，其与新能源耦合的负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障［2-3］。

CO2运输是CCUS 技术链条中的重要环节。CO2运输方式有多种，其中管道运输因运输量大、成本低、连续性强已被大规模采用［4-5］，适用于未来系统性的CCUS 技术部署。不同于一般的油气运输管道，CO2运输管道具有输送压力高的特点，尤其是在以超临界或者密相输送时，输送压力可达10 MPa 以上。在部署CO2管道时，保证运行安全至关重要［6-7］。虽然CO2不是可燃气体，但CO2管道一旦发生事故可能是灾难性的，这是因为气体CO2是一种窒息剂，在一定的浓度下会导致人员昏迷甚至死亡［8］。此外，在标准状态（0℃，1 个大气压）下，CO2的密度约为空气的1.5 倍，而高压运输过程中发生泄漏事故时，由于节流效应（焦耳-汤姆逊效应）会使CO2温度大幅下降［9］，导致CO2密度大大增加，从而使其靠近地面的趋势增强，加大了其对人类和环境的风险［10］。因此有必要对CO2管道泄漏和放空（以下简称泄放）过程进行研究，确定不同工况下泄放的安全范围，以确保人员生命安全。

1 基于PHAST 的CO2 管道泄漏模型及验证

针对CO2泄放模拟可采用的计算流体力学数值仿真软件大致分为两类：一类是流场仿真模拟软件，如FLUENT、CFX 和OpenFOAM 等，将流场变量在时间和空间上进行离散化处理，根据给定的初始条件和边界条件，不断进行迭代求解方程，得到不同时刻、不同位置的流场变量值。此类软件可细致准确地模拟出管道、设备等流场内的CO2泄放发生的相变和节流过程［11-13］。但是对于使用者来说，软件的操作难度高，对硬件要求高，最重要的是耗时长，并不适合短期工程的计算需求。另一类是基于不同泄漏后果模型开发的工程仿真计算软件，如PHAST、SAFETI 和ALOHA 等。此类软件一般将管道流动做一元化处理，仅考虑流动方向的变化规律，使得迭代计算速度大大加快。其中，PHAST 是由挪威船级社（DET NORSKE VERITAS，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。PHAST 对于气体的泄放扩散后果计算的针对性较强，其内部数据来自于大量现场实验，尤其专门对CO2泄放模块作出较大改善，可输出与气体浓度、范围等参数相关的曲线图，得到的计算结果、视觉效果和可读性较强［14-15］。PHAST 软件中的联合扩散模型（Unified Dispersion Model，UDM）是用于泄放结果分析的模型，该模型根据Kit Fox 和BPDF1 CO2泄漏扩散的实验数据建立了半经验模型，计算结果更加可靠［16］。

采用朱国承等［17］开展的纯CO2泄漏扩散实验数据来验证PHAST 软件在浓度扩散方面预测的准确性。实验管道内径为233 mm，壁厚为20 mm，长为258 m，总容积11 m3。用于验证的实验数据具体参数见表1，实验数据和模拟数据对比误差分析见表2和图1。

图1 实验数据与PHAST 浓度峰值随距离变化的对比

表1 朱国承等［17］的浓度扩散实验数据参数

表2 朱国承等［17］的浓度扩散实验数据与PHAST 模拟数据误差对比

由图1 可以看出，PHAST 模拟计算得到的泄漏扩散后不同位置的浓度峰值与实验测量得到的数据吻合良好，15 mm 孔径的误差主要分布在±20%以内，50 mm 孔径的误差主要在±30%以内。PHAST 模拟结果具有较高的可信度，可以为工程提供参考建议。

出于对计算速度、灵活性和准确性的综合考虑，利用PHAST 软件对不同条件下的CO2管道泄放工况进行研究。对CO2地面架空管道大规模泄放进行数值模拟计算，分析不同环境条件（风速、大气稳定度）、运行工况泄漏/放空和泄放条件（泄放尺度、角度）下CO2扩散的影响范围，为CO2管道安全风险评价提供一定的理论支持。

2 实际工程管道泄漏模拟参数设置

2.1 管道基本参数

以某拟建CO2输送管道项目为研究背景。该项目管道地处平原地带，按人口密度划分，周边地区属于三级地区。根据SH/T 3202—2018《二氧化碳输送管道工程设计标准》，以三级地区为主的管段截断阀间距不宜超过15 km。但该项目管道经过水力热力计算、泵站设计和经济比选，又考虑到管道全长，最终设定阀间距为15.75 km。管道外径457 mm，壁厚13.8 mm，管壁粗糙度0.045 mm。

2.2 计算工况设置

在CO2管道工程中，通常采用高温高压的超临界态进行输送。但随着管道长度的增加，管道内的温度和压力都会随之降低，在管道末端的小范围内CO2可能会转变成密相状态。所以分别模拟超临界态（14.7 MPa，40 ℃）和密相状态（14.7 MPa，-2 ℃）两种极端工况下的泄漏后果。

工程中通常将事故段两端的阀室进行截断，对该段管道进行放空后再进行维修和抢修。或者鉴于下游用户的需求，管道全线需要长时间计划停输，同时为避免超压，对管道进行放空。由于CO2密度比空气重，放空后容易在低洼地区聚集，给人或牲畜带来窒息危险，所以探究CO2放空后的影响范围对划分危险警示区域具有重要意义。放空管道的参数拟定为：放空管高度15 m，放空管内径98 mm，阀门开度分别为20%、30%和50%。

此外，对地面露空CO2管道全尺寸破裂导致的泄漏扩散进行了模拟计算，讨论了超临界态和密相状态两种相态下的泄漏扩散情况，同时考虑了泄放角度对泄漏扩散的影响，分别设置为0°（水平）、10°、30°、60°和90°（垂直）进行模拟计算。

关于天气条件，在PHAST 中采用帕斯奎尔-特纳大气稳定度分类法将大气稳定度划分为A（非常不稳定）、B（不稳定）、C（中度不稳定）、D（中性）、F（稳定）、G（非常稳定）6 个等级，选取B、D 和F 3 种常见情况进行模拟；风速选取1.5 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、10 m/s 和12 m/s，分别代表1～6 级风。

1986年8月21日，喀麦隆西北部地区的尼奥斯湖发生了自然灾害，造成灾难性的CO2气体泄漏，导致至少1 700 人窒息死亡［18］。随后CO2的窒息问题引起了全世界的高度重视。英国健康与安全执行局（Health and Safety Executive，HSE）对CO2进行了危险有毒负载（Dangerous Toxic Load，DTL）评估，得出在特定浓度和持续暴露时间的条件下对人体的危害程度，并分别定义了2 个评估标准：规定毒性水平（Specified Level of Toxicity，SLOT）和显著死亡概率（Significant Likelihood of Death，SLOD）［19］。SLOT 指对人体造成不同程度的伤害，致死率在1%～5%；SLOD 是指对人体致死率达50%。不同暴露时间下SLOT 与SLOD 对应的CO2在空气中的浓度见表3。

表3 CO2 浓度标准

根据表3，考虑到SLOT 影响范围更大，且会对人员或地面生物造成中毒伤害甚至致死，考虑留出一定的安全余量，将5%的范围作为危险浓度。此外，中华人民共和国国家职业卫生标准GBZ 2.1—2019《工作场所有害因素职业接触限值第1 部分：化学有害因素》规定了CO2的加权平均容许浓度（Permissible Concentration-Time Weighted Average，PC-TWA）为9 000 mg/m3（即0.5%），所以将0.5%作为安全浓度。

3 结果分析与讨论

3.1 放空工况

在实际工程中通过放空管进行有计划的泄放，通过改变放空阀门的开度控制放空时间。对该管道在不同天气条件、不同阀门开度情况下进行放空时CO2的扩散情况进行模拟。图2 和图3 分别为密相状态和超临界态两种工况下开度为50%时的0.5%和5%的CO2浓度侧视图。可以看出，随着风速增加，CO2的垂直扩散高度降低，下风向扩散距离增加。

图2 密相CO2 管道放空开度为50%时的浓度范围侧视图

图3 超临界CO2 管道放空开度为50%时的浓度范围侧视图

图4 是不同阀门开度下0.5%和5%最大扩散距离的变化曲线。可以看出，不同放空阀门开度下0.5%和5%浓度的顺风最大扩散距离有较大差距，且CO2浓度最大扩散距离与阀门开度均成比例关系。超临界态输送和密相输送在大气稳定度为D 的条件下，不同风速的顺风最大扩散距离不同。由图5 可以看出，风速越大，5%浓度的扩散距离越大。但0.5%的浓度范围随着风速的变化，并未呈现明显规律。对于两种浓度，均表现出密相状态泄放的扩散距离明显大于超临界态。所以在实际工程中制定泄放方案时，对于密相状态的CO2的泄放方案应更为保守。在各天气条件下密相输送管道和超临界输送管道计划放空过程中，0.5%和5%两种浓度范围始终在放空管道之上，对地面人员安全无影响。所以在计划放空时，只要满足放空管的高度高于工作人员的正常活动高度即可。

图4 不同条件下CO2 下风扩散变化曲线

图5 不同相态下放空开度为50%时的最大扩散距离随风速的变化曲线

3.2 泄漏工况

在CO2管道长时间运行过程中，管道难免会出现由第三方破坏、腐蚀、焊接质量等因素导致的泄漏甚至断裂［20-22］。意外事故造成管道破裂从而产生的泄漏往往会造成严重的后果［23］。针对事故危害最大的全尺寸破裂导致的泄漏进行了模拟计算，研究不同相态、不同天气条件以及不同泄漏角对泄漏扩散范围的影响，从而确定不同条件下的危险浓度范围。

3.2.1 相态影响

由于射流的影响，出口附近的扩散范围比较集中，随着距离的增大，射流作用逐渐减弱，扩散范围逐渐增大。由图6 和图7 可以看出，在水平泄漏且天气条件为D（风速12 m/s）的情况下，密相状态和超临界态泄漏时0.5%和5%浓度的最远范围分别是2 628 m 与2 531 m 和1 185 m 与987 m。无论是0.5%和5%浓度范围，均表现出超临界态CO2管道全尺寸泄漏的最大扩散距离和扩散宽度都小于密相状态CO2管道全尺寸泄漏。所以下文针对密相状态泄漏研究其他因素的影响规律。

图6 密相CO2 管道全尺寸水平泄漏浓度范围侧视图

图7 超临界CO2 管道全尺寸水平泄漏浓度范围侧视图

3.2.2 天气条件的影响

保持风速为3 m/s 不变，对大气稳定度为B、D、F 3 种条件下的超临界CO2全尺寸水平泄漏进行模拟。结果如图6 和图7所示，顺风和横风条件下的最大扩散距离依次为B、D、F，表明大气越不稳定，泄漏扩散范围越大。由图8 和图9 可知，当泄漏角度为30°以下时，0.5%浓度范围随着风速的增加而增加。当泄漏角度为30°以上时，0.5%浓度范围随着风速的增加呈现出先增加后降低然后稳定的趋势。对于5%浓度范围，除了水平泄漏时浓度范围随着风速增加而增加，其他泄漏角度均表现为浓度范围随着风速的增加而减小。

图8 不同泄漏角度0.5%浓度范围随风速的变化曲线

图9 不同泄漏角度5%浓度范围随风速的变化曲线

3.2.3 泄漏角度影响

综合考虑动能、重力势能以及风速的影响可以得出，以较小的角度泄漏时，由于释放压力而产生的向上的动能较小，CO2在经过较短的时间后便有下沉的趋势，风速越大，CO2与空气掺混越快（见图10—图12）。而随着泄漏角度增大，向上的动能增大，使得CO2释放高度增大，来不及产生下沉趋势或者达不到监测高度便被空气稀释。由图13 可以看出随着泄漏角度增大，0.5%和5%浓度的最大扩散距离都逐渐变小，最后趋于稳定。其中泄漏角度为10°时0.5% 浓度范围距离最远，为2 803 m。