基于PHAST的CO2露空管道大規模泄漏與放空模擬

殷布澤，閆鋒，聶超飛，蘆澍，胡其會，李玉星

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院；2.山東省油氣儲運安全重點實驗室；3.國家石油天然氣管網集團有限公司科學技術研究總院分公司；4.中國石油管道局

0 引言

2020年，中國宣布“雙碳”目標，力爭于2030年前達到CO2排放峰值，力爭2060年前實現碳中和?！吨袊趸疾都门c封存（CCUS）年度報告（2021）——中國CCUS 路徑研究》［1］提出，CCUS 是目前實現化石能源低碳化利用的唯一技術選擇，是碳中和目標下保持電力系統靈活性的主要技術手段，是鋼鐵、水泥等難以減排行業低碳轉型的可行技術選擇，其與新能源耦合的負排放技術是實現碳中和目標的重要技術保障［2-3］。

CO2運輸是CCUS 技術鏈條中的重要環節。CO2運輸方式有多種，其中管道運輸因運輸量大、成本低、連續性強已被大規模采用［4-5］，適用于未來系統性的CCUS 技術部署。不同于一般的油氣運輸管道，CO2運輸管道具有輸送壓力高的特點，尤其是在以超臨界或者密相輸送時，輸送壓力可達10 MPa 以上。在部署CO2管道時，保證運行安全至關重要［6-7］。雖然CO2不是可燃氣體，但CO2管道一旦發生事故可能是災難性的，這是因為氣體CO2是一種窒息劑，在一定的濃度下會導致人員昏迷甚至死亡［8］。此外，在標準狀態（0℃，1 個大氣壓）下，CO2的密度約為空氣的1.5 倍，而高壓運輸過程中發生泄漏事故時，由于節流效應（焦耳-湯姆遜效應）會使CO2溫度大幅下降［9］，導致CO2密度大大增加，從而使其靠近地面的趨勢增強，加大了其對人類和環境的風險［10］。因此有必要對CO2管道泄漏和放空（以下簡稱泄放）過程進行研究，確定不同工況下泄放的安全范圍，以確保人員生命安全。

1 基于PHAST 的CO2 管道泄漏模型及驗證

針對CO2泄放模擬可采用的計算流體力學數值仿真軟件大致分為兩類：一類是流場仿真模擬軟件，如FLUENT、CFX 和OpenFOAM 等，將流場變量在時間和空間上進行離散化處理，根據給定的初始條件和邊界條件，不斷進行迭代求解方程，得到不同時刻、不同位置的流場變量值。此類軟件可細致準確地模擬出管道、設備等流場內的CO2泄放發生的相變和節流過程［11-13］。但是對于使用者來說，軟件的操作難度高，對硬件要求高，最重要的是耗時長，并不適合短期工程的計算需求。另一類是基于不同泄漏后果模型開發的工程仿真計算軟件，如PHAST、SAFETI 和ALOHA 等。此類軟件一般將管道流動做一元化處理，僅考慮流動方向的變化規律，使得迭代計算速度大大加快。其中，PHAST 是由挪威船級社（DET NORSKE VERITAS，DNV）公司開發的一款專門用于天然氣領域和石油石化危險分析和安全計算預測的軟件。PHAST 對于氣體的泄放擴散后果計算的針對性較強，其內部數據來自于大量現場實驗，尤其專門對CO2泄放模塊作出較大改善，可輸出與氣體濃度、范圍等參數相關的曲線圖，得到的計算結果、視覺效果和可讀性較強［14-15］。PHAST 軟件中的聯合擴散模型（Unified Dispersion Model，UDM）是用于泄放結果分析的模型，該模型根據Kit Fox 和BPDF1 CO2泄漏擴散的實驗數據建立了半經驗模型，計算結果更加可靠［16］。

采用朱國承等［17］開展的純CO2泄漏擴散實驗數據來驗證PHAST 軟件在濃度擴散方面預測的準確性。實驗管道內徑為233 mm，壁厚為20 mm，長為258 m，總容積11 m3。用于驗證的實驗數據具體參數見表1，實驗數據和模擬數據對比誤差分析見表2和圖1。

圖1 實驗數據與PHAST 濃度峰值隨距離變化的對比

表1 朱國承等［17］的濃度擴散實驗數據參數

表2 朱國承等［17］的濃度擴散實驗數據與PHAST 模擬數據誤差對比

由圖1 可以看出，PHAST 模擬計算得到的泄漏擴散后不同位置的濃度峰值與實驗測量得到的數據吻合良好，15 mm 孔徑的誤差主要分布在±20%以內，50 mm 孔徑的誤差主要在±30%以內。PHAST 模擬結果具有較高的可信度，可以為工程提供參考建議。

出于對計算速度、靈活性和準確性的綜合考慮，利用PHAST 軟件對不同條件下的CO2管道泄放工況進行研究。對CO2地面架空管道大規模泄放進行數值模擬計算，分析不同環境條件（風速、大氣穩定度）、運行工況泄漏/放空和泄放條件（泄放尺度、角度）下CO2擴散的影響范圍，為CO2管道安全風險評價提供一定的理論支持。

2 實際工程管道泄漏模擬參數設置

2.1 管道基本參數

以某擬建CO2輸送管道項目為研究背景。該項目管道地處平原地帶，按人口密度劃分，周邊地區屬于三級地區。根據SH/T 3202—2018《二氧化碳輸送管道工程設計標準》，以三級地區為主的管段截斷閥間距不宜超過15 km。但該項目管道經過水力熱力計算、泵站設計和經濟比選，又考慮到管道全長，最終設定閥間距為15.75 km。管道外徑457 mm，壁厚13.8 mm，管壁粗糙度0.045 mm。

2.2 計算工況設置

在CO2管道工程中，通常采用高溫高壓的超臨界態進行輸送。但隨著管道長度的增加，管道內的溫度和壓力都會隨之降低，在管道末端的小范圍內CO2可能會轉變成密相狀態。所以分別模擬超臨界態（14.7 MPa，40 ℃）和密相狀態（14.7 MPa，-2 ℃）兩種極端工況下的泄漏后果。

工程中通常將事故段兩端的閥室進行截斷，對該段管道進行放空后再進行維修和搶修?；蛘哞b于下游用戶的需求，管道全線需要長時間計劃停輸，同時為避免超壓，對管道進行放空。由于CO2密度比空氣重，放空后容易在低洼地區聚集，給人或牲畜帶來窒息危險，所以探究CO2放空后的影響范圍對劃分危險警示區域具有重要意義。放空管道的參數擬定為：放空管高度15 m，放空管內徑98 mm，閥門開度分別為20%、30%和50%。

此外，對地面露空CO2管道全尺寸破裂導致的泄漏擴散進行了模擬計算，討論了超臨界態和密相狀態兩種相態下的泄漏擴散情況，同時考慮了泄放角度對泄漏擴散的影響，分別設置為0°（水平）、10°、30°、60°和90°（垂直）進行模擬計算。

關于天氣條件，在PHAST 中采用帕斯奎爾-特納大氣穩定度分類法將大氣穩定度劃分為A（非常不穩定）、B（不穩定）、C（中度不穩定）、D（中性）、F（穩定）、G（非常穩定）6 個等級，選取B、D 和F 3 種常見情況進行模擬；風速選取1.5 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、10 m/s 和12 m/s，分別代表1～6 級風。

1986年8月21日，喀麥隆西北部地區的尼奧斯湖發生了自然災害，造成災難性的CO2氣體泄漏，導致至少1 700 人窒息死亡［18］。隨后CO2的窒息問題引起了全世界的高度重視。英國健康與安全執行局（Health and Safety Executive，HSE）對CO2進行了危險有毒負載（Dangerous Toxic Load，DTL）評估，得出在特定濃度和持續暴露時間的條件下對人體的危害程度，并分別定義了2 個評估標準：規定毒性水平（Specified Level of Toxicity，SLOT）和顯著死亡概率（Significant Likelihood of Death，SLOD）［19］。SLOT 指對人體造成不同程度的傷害，致死率在1%～5%；SLOD 是指對人體致死率達50%。不同暴露時間下SLOT 與SLOD 對應的CO2在空氣中的濃度見表3。

表3 CO2 濃度標準

根據表3，考慮到SLOT 影響范圍更大，且會對人員或地面生物造成中毒傷害甚至致死，考慮留出一定的安全余量，將5%的范圍作為危險濃度。此外，中華人民共和國國家職業衛生標準GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限值 第1 部分：化學有害因素》規定了CO2的加權平均容許濃度（Permissible Concentration-Time Weighted Average，PC-TWA）為9 000 mg/m3（即0.5%），所以將0.5%作為安全濃度。

3 結果分析與討論

3.1 放空工況

在實際工程中通過放空管進行有計劃的泄放，通過改變放空閥門的開度控制放空時間。對該管道在不同天氣條件、不同閥門開度情況下進行放空時CO2的擴散情況進行模擬。圖2 和圖3 分別為密相狀態和超臨界態兩種工況下開度為50%時的0.5%和5%的CO2濃度側視圖?？梢钥闯?，隨著風速增加，CO2的垂直擴散高度降低，下風向擴散距離增加。

圖2 密相CO2 管道放空開度為50%時的濃度范圍側視圖

圖3 超臨界CO2 管道放空開度為50%時的濃度范圍側視圖

圖4 是不同閥門開度下0.5%和5%最大擴散距離的變化曲線?？梢钥闯?，不同放空閥門開度下0.5%和5%濃度的順風最大擴散距離有較大差距，且CO2濃度最大擴散距離與閥門開度均成比例關系。超臨界態輸送和密相輸送在大氣穩定度為D 的條件下，不同風速的順風最大擴散距離不同。由圖5 可以看出，風速越大，5%濃度的擴散距離越大。但0.5%的濃度范圍隨著風速的變化，并未呈現明顯規律。對于兩種濃度，均表現出密相狀態泄放的擴散距離明顯大于超臨界態。所以在實際工程中制定泄放方案時，對于密相狀態的CO2的泄放方案應更為保守。在各天氣條件下密相輸送管道和超臨界輸送管道計劃放空過程中，0.5%和5%兩種濃度范圍始終在放空管道之上，對地面人員安全無影響。所以在計劃放空時，只要滿足放空管的高度高于工作人員的正?；顒痈叨燃纯?。

圖4 不同條件下CO2 下風擴散變化曲線

圖5 不同相態下放空開度為50%時的最大擴散距離隨風速的變化曲線

3.2 泄漏工況

在CO2管道長時間運行過程中，管道難免會出現由第三方破壞、腐蝕、焊接質量等因素導致的泄漏甚至斷裂［20-22］。意外事故造成管道破裂從而產生的泄漏往往會造成嚴重的后果［23］。針對事故危害最大的全尺寸破裂導致的泄漏進行了模擬計算，研究不同相態、不同天氣條件以及不同泄漏角對泄漏擴散范圍的影響，從而確定不同條件下的危險濃度范圍。

3.2.1 相態影響

由于射流的影響，出口附近的擴散范圍比較集中，隨著距離的增大，射流作用逐漸減弱，擴散范圍逐漸增大。由圖6 和圖7 可以看出，在水平泄漏且天氣條件為D（風速12 m/s）的情況下，密相狀態和超臨界態泄漏時0.5%和5%濃度的最遠范圍分別是2 628 m 與2 531 m 和1 185 m 與987 m。無論是0.5%和5%濃度范圍，均表現出超臨界態CO2管道全尺寸泄漏的最大擴散距離和擴散寬度都小于密相狀態CO2管道全尺寸泄漏。所以下文針對密相狀態泄漏研究其他因素的影響規律。

圖6 密相CO2 管道全尺寸水平泄漏濃度范圍側視圖

圖7 超臨界CO2 管道全尺寸水平泄漏濃度范圍側視圖

3.2.2 天氣條件的影響

保持風速為3 m/s 不變，對大氣穩定度為B、D、F 3 種條件下的超臨界CO2全尺寸水平泄漏進行模擬。結果如圖6 和圖7所示，順風和橫風條件下的最大擴散距離依次為B、D、F，表明大氣越不穩定，泄漏擴散范圍越大。由圖8 和圖9 可知，當泄漏角度為30°以下時，0.5%濃度范圍隨著風速的增加而增加。當泄漏角度為30°以上時，0.5%濃度范圍隨著風速的增加呈現出先增加后降低然后穩定的趨勢。對于5%濃度范圍，除了水平泄漏時濃度范圍隨著風速增加而增加，其他泄漏角度均表現為濃度范圍隨著風速的增加而減小。

圖8 不同泄漏角度0.5%濃度范圍隨風速的變化曲線

圖9 不同泄漏角度5%濃度范圍隨風速的變化曲線

3.2.3 泄漏角度影響

綜合考慮動能、重力勢能以及風速的影響可以得出，以較小的角度泄漏時，由于釋放壓力而產生的向上的動能較小，CO2在經過較短的時間后便有下沉的趨勢，風速越大，CO2與空氣摻混越快（見圖10—圖12）。而隨著泄漏角度增大，向上的動能增大，使得CO2釋放高度增大，來不及產生下沉趨勢或者達不到監測高度便被空氣稀釋。由圖13 可以看出隨著泄漏角度增大，0.5%和5%濃度的最大擴散距離都逐漸變小，最后趨于穩定。其中泄漏角度為10°時0.5% 濃度范圍距離最遠，為2 803 m。

圖10 泄漏角度為0°時濃度范圍側視圖

圖11 泄漏角度為10°時濃度范圍側視圖

圖12 泄漏角度為30°時濃度范圍側視圖

圖13 天氣條件為D（風速12 m/s）時不同濃度范圍隨泄漏角度變化曲線

4 結論

以某擬建CO2管道項目為背景，考慮了不同泄放工況，參照相關標準確定5%為危險濃度、0.5%為安全濃度，利用PHAST 軟件模擬計算CO2露空管道泄漏擴散危險濃度范圍，得到如下結論：

在CO2管道放空過程中，通過放空管進行垂直放空，可以通過調節閥門開度控制泄放速度，閥門開度越大泄放速率越快。只需保證放空管高度高于工作人員正?；顒臃秶?，該過程就不會對地面人員安全造成威脅。

全尺寸泄漏過程中，相同天氣和泄漏條件下，在密相泄漏和超臨界泄漏時0.5%濃度的最遠范圍是2 628 m 和2 531 m，5%濃度的最遠范圍是與1 185 m與987 m，均表現為密相狀態CO2的擴散最遠范圍大于超臨界態CO2。

天氣條件和泄漏角度會同時影響CO2的擴散距離。一般隨著風速增加，濃度范圍的距離會隨之增加；隨著泄漏角度的增加，濃度范圍的距離會隨之減小。