工業規模CO2管道泄放過程中的壓力響應及相態變化

喻健良，郭曉璐，閆興清，張永春，陳紹云

（1大連理工大學化工機械學院，遼寧 大連 116024；2大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024）

引言

CO2捕集和封存技術（carbon capture and storage，CCS）是實現全球二氧化碳減排的最有效方式[1]。管道運輸是其重要環節，也是較安全、環保和經濟的運輸方式[2]。大量CO2管道的應用使其安全運行問題備受關注[3-4]。當CO2長輸管道發生泄漏時，由于焦耳-湯姆遜效應產生的低溫容易導致管道脆性斷裂擴展，同時泄漏的CO2擴散后會在附近形成高濃度區，危及區域內人員健康和安全[5-7]。

CO2管道泄漏過程包括管內壓力和溫度變化、射流膨脹、干冰生成和升華、重氣擴散等[8]。而管內壓力和溫度變化是研究低溫脆斷以及泄放區域內CO2擴散過程的關鍵[9-12]。國內外對CO2管道泄漏時壓力響應及相變的實驗研究數量不多。Ahmad等[13]介紹了一次大規模全口徑密相CO2埋地管道斷裂實驗，回路管道規格φ219.1 mm×12.7 mm，總長226.8 m，發現管內壓力經歷快速下降、準靜態水平、后期泄放3個階段。Cosham等[14]介紹了3次全尺寸CO2管道斷裂實驗，管道規格φ914.0 mm×25.4 mm，長度分別為16.16、16.97、22.71 m，發現減壓過程都出現了壓力平臺，且帶雜質CO2壓力平臺更高。Koeijera等[15-16]通過規格φ 12 mm×1 mm、長140 m管道裝置研究了過冷液相CO2減壓過程，發現液相CO2很快轉變為兩相泄放，最后轉變為氣相泄放。Cosham等[17]采用規格φ168.3 mm×10.97 mm、長144 m實驗管道，研究了氣相、液相CO2及含雜質CO2減壓行為，發現液相較氣相CO2的減壓曲線平臺更長，而含雜質CO2減壓曲線平臺則又高又短。Han等[18-19]利用細長管的圓柱形容器裝置，研究發現細長管內的液態CO2轉變為氣固兩相流可能發生在CO2進入大氣之前。Xie等[20]利用規格φ40 mm×5 mm、長23 m回路管道裝置進行了CO2垂直泄放實驗，認為超臨界CO2比氣相CO2壓降速率大得多。總之，目前對CO2管道泄漏時壓力響應及相變研究的文獻報道并不一致，還需要進一步研究。

本文采用的管道規格為φ273 mm×20 mm，長256 m，屬于工業規模級別，相對于文獻報道中的管道尺寸，更加適合和接近于模擬實際CO2運輸管道。基于此，對CO2管道泄放時的管內壓力和溫度變化進行了測量和分析，研究了管道內壓力響應情況以及相態變化規律，以期為CO2管道斷裂擴展和泄漏擴散研究提供實驗依據。

1 CO2管道實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

圖1為實驗裝置和現場圖，該裝置由主管道、雙膜爆破裝置、加熱裝置以及數據采集系統等組成。主管道規格φ273 mm×20 mm，長度256 m，材質16Mn。

該裝置采用雙膜爆破裝置實現可控泄放，并采用不同口徑孔板實現不同口徑泄放；利用加熱裝置為管道升溫以達到不同的初始溫度和壓力；實驗過程中管道壓力和溫度采用分布式同步數據采集系統測量記錄。圖2是雙膜爆破裝置原理。該裝置由兩個爆破片及夾持器、法蘭及管道組成。通過在兩個爆破片（A和B）之間的空腔注入高壓氣體來控制爆破。該裝置長度約0.9 m，相對于整條管道來說很短，對壓力和溫度等測量數據的影響可忽略。該方法可達到快速泄壓的目的，泄壓速率范圍為1×104～4×104MPa·s-1[21]。

1.2 實驗方案

為測量管道壓力和溫度，在管道上分布了12個壓力傳感器、18個管頂熱電偶、6個管底熱電偶以及12個管外壁熱電偶。本文涉及的CO2減壓波速度為100～300 m·s-1，而管道長度256 m足夠長，因此壓力傳感器采集頻率1 kHz，精度0.06%FS～0.6%FS，可以支持本文研究內容；熱電偶響應時間200 ms，誤差±1℃，均滿足高壓低溫的環境條件。采用美國NI公司的CompactRIO實時控制器進行數據采集，包括1個NI cRIO-9025嵌入式實時控制器和5個NI 9144以太網擴展機箱，各機箱內包括13個NI 9219通用模塊和3個NI 9213熱電偶輸入模塊。數據采集系統采用美國NI公司的LabVIEW軟件進行編程。

1.3 實驗條件

本文選取了3組初始相態分別為氣相、氣液兩相、超臨界相態實驗進行分析。圖3是CO2相態圖。圖中R是三相點，C是臨界點，臨界壓力Pc為7.38 MPa。RC、RB、RA分別為氣液、氣固、液固平衡線。圖示了3組泄放實驗Test 1、Test 2和Test 3的初始相態所在的位置。表1是實驗初始條件，表2為實驗所取測量點位置。

圖1 實驗裝置和現場圖 Fig.1 Schematic and scene graph of experimental apparatus

圖2 雙膜爆破裝置原理 Fig.2 Schematic diagram of dual-disc blasting device

圖3 CO2相態圖 Fig.3 CO2phase graph

2 實驗結果和討論

2.1 氣相CO2管道泄放中壓力響應及相態變化

圖4為Test 1實驗壓力響應曲線。由圖可知，1.48 t CO2且泄放口徑100 mm的泄放時間約55.4 s，平均壓降速率約95.7 kPa·s-1；管道減壓曲線變化過程整體上差別很小，而實際在泄放初始時有明顯不同[22]。圖4局部放大圖是管道上5個測點（P2、P3、P5、P6、P8）在泄放初始時的壓力響應過程。本次實驗的減壓波傳播分為2個時間段，每個時間段為1.1 s（1.1 s是減壓波以238.2 m·s-1介質聲速自P2點傳播至管道末端的時間）。在第1個1.1 s內，當減壓波傳播至P2時，該處壓力快速下降至4.63 MPa，降幅0.67 MPa；此時該處短暫穿過相包絡線進入兩相區，壓力略有反彈后緩慢下降[23]。減壓波到達P3、P5、P6、P8時，壓力依次開始突降，降幅依次減小，分別為0.62、0.41、0.37、0.01 MPa。在第2個1.1 s內，減壓波自管道末端傳播至泄放端，并依次導致P8、P6、P5、P3、P2再次大幅度降低，降幅依次減小，分別為0.72、0.49、0.37、0.23、0.09 MPa。經過此次減壓波反射，管道泄放端和末端壓力差逐漸縮小，對數壓力與時間呈線性關系下降。

圖5為Test 1實驗壓力-溫度對應曲線。泄放開始后，距離泄放端較近的T1、T2處壓力-溫度曲線向右偏離了CO2飽和線，始終處于氣相狀態；而處 于管道末端附近T3-top和T3-bot的壓力和溫度分別降至3.22 MPa和-2.9℃、3.62 MPa和1.5℃時，開始貼著氣液飽和線下降，說明該處底部和頂部CO2先后進入了兩相區。T3-top最低溫度降至-43℃，T3-bot最低溫度降至-64℃，說明距離泄放端越遠，溫降幅度越大，且底部較頂部降幅大，處于兩相區時間越長。

表1 實驗初始條件 Table 1 Experimental conditions

表2 實驗取測量點位置 Table 2 Experimental measurement point locations

圖4 壓力響應曲線 Fig.4 Pressure response curve

圖5 壓力-溫度對應曲線 Fig.5 Corresponding curve of pressure-temperature

通過以上分析，對于氣相CO2泄放，泄放端氣相CO2快速膨脹排出，使該處發生壓力突降，形成的減壓波向管道末端傳播，所經之處壓力依次發生突降。壓力突降導致的氣體膨脹作用，使壓降停滯或減慢。隨著管內壓力和溫度下降，泄放端附近CO2相態始終為氣態，而管道末端附近溫度的大幅下降使該處出現氣液均相CO2，且管道底部較頂部的氣液均相CO2維持時間更長。圖6為氣相CO2泄放相態變化過程。

2.2 氣液兩相CO2管道泄放中壓力響應及相態變化

圖6 氣相CO2泄放相態變化 Fig.6 Phase transition in process of gas CO2discharge

圖7 壓力響應曲線 Fig.7 Pressure response curve

Test 2實驗的CO2初始狀態為氣液分層，泄放口徑50 mm，氣液界面處于泄放口之下，其中液相CO2體積為2.25 m3，氣相CO2體積為8.56 m3。圖7是Test 2實驗壓力響應曲線。由圖可知，3.32 t CO2充裝量的泄放時間約777.2 s，平均壓降速率約7.2 kPa·s-1。圖7局部放大圖是P2、P3、P5、P7、P8測點在泄放初始時的壓力響應過程。圖中“→”代表減壓波自管道泄放端向末端傳播，“←”則代表減壓波自管道末端向泄放端傳播。本次實驗減壓波傳播過程分為8個時間段，每個時間段為1.2 s（1.2 s是減壓波以198.5 m·s-1介質聲速自P2處傳播至管道末端的時間）。表3是P2、P3、P5、P7、P8測量點的壓力響應參量。表中包含3種壓力響應參量：壓力突降幅度ΔPf、壓力反彈幅度ΔPr和準靜態壓力水平Pqs。在第1個1.2 s內，當減壓波依次傳播至P2、P3、P5、P7、P8時，各處發生第1次壓力突降和反彈，達到第1個準靜態壓力水平Pqs1。ΔPf1和ΔPr1隨距離增大而逐次減小，Pqs1隨距離增大而逐次降低。在第2個1.2 s內，減壓波在管道末端發生反射，向泄放端開始傳播，所經各處導致第2次壓力突降和反彈后達到第2個準靜態壓力水平Pqs2。ΔPf2和ΔPr1隨距離增大而逐次增大，Pqs2隨距離增大而逐次升高。第3次時間段1.2 s的減壓波傳播過程與第1次情況相同。從表中數據看出，ΔPf和ΔPr隨傳播次數增加整體不斷減小，各個測點準靜態壓力水平逐漸接近。當減壓波開始第4次傳播時，由于管道泄放速率已大于氣泡生成率，各處壓力不再發生反彈；并且隨著減壓波傳播次數增加，各處壓力越來越接近。

圖8為Test 2實驗壓力-溫度對應曲線。泄放開始時，經過減壓波多次反射，所有測點處CO2由氣液分層轉變為氣液均相；當T1-top、T2-top、T3-top、T1-bot、T2-bot、T3-bot依次降至對應壓力和溫度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℃時，依次脫離氣液飽和線，即由氣液均相變為氣相。氣液兩相與氣相CO2泄放管內溫度變化具有相似規律。

通過分析得知此次氣液兩相CO2泄放，管道泄放端上層氣相CO2首先快速膨脹排出，使管道上層壓力突降，形成的減壓波向管道末端傳播，同時向管道底部液相CO2傳播。當減壓波進入液相CO2時，飽和液態CO2過熱汽化，使壓力突降停滯并發生反彈。減壓波沿管道的多次傳播使整條管道底部液相CO2變為過熱液體而沸騰汽化為氣液均相。隨著CO2流出和壓力下降，氣液均相向氣相CO2的轉變從管道泄放端頂部開始，向管道末端頂部傳播，而后向管道底部傳播，直到整條管道轉變為氣相泄放。圖9為氣液兩相CO2泄放相態變化過程。

2.3 超臨界CO2管道泄放中壓力響應及相態變化

圖10是Test 3實驗的壓力響應曲線。由圖可知，5.87 t CO2且泄放口徑50 mm的泄放時間約312.4 s，平均壓降速率約25.3 kPa·s-1。圖10局部放大圖是泄放開始時管道上P1、P2、P3、P4、P5、P6測點的壓力響應過程。本次實驗減壓波傳播過程分為2個時間段，每個時間段為1.3 s（1.3s是減壓波以198.5 m·s-1介質聲速自P1傳播至管道末端的時間）。在第一個1.3 s內，P1處壓力突降至臨界壓力Pc（7.38 MPa）時發生氣泡成核使壓降停滯或減慢，停滯時間約0.015 s；壓力繼續突降至7.035 MPa時快速反彈；反彈壓力超過Pc時，壓升速率減慢。減壓波傳播至P2時的壓降過程與P1處相似，但到達Pc時壓降停滯時間較長，約0.025 s。當減壓波傳播至P3和P4時，該兩處壓力都是在Pc處開始反彈，而P5和P6處的壓力反彈點則要高于Pc，故不會發生氣泡成核；該處壓力突降和反彈是由前端傳播來的減壓波和壓力反彈波決定的。減壓波經過P1、P2、P3、P4、P5、P6時導致的壓降幅度依次減小，分別為0.875、0.859、0.535、0.535、0.517、0.432 MPa；在壓力反彈之后，所有測點壓力幾乎達到同一個準靜態壓力水平7.62 MPa，這個壓力水平是由泄放端的壓力反彈決定的。在第2個1.3 s內，減壓波自管道末端向泄放端傳播，并依次導致P6、P5、P3、P3、P2、P1再次大幅度降低，且經過Pc時，壓降出現停滯或減緩。經過此次減壓波反射，管內壓力逐漸低于Pc，CO2相態由超臨界相態轉變為氣液均相，不再發生壓力突降和反彈。

表3 壓力響應參量 Table 3 Pressure response parameters/MPa

圖8 壓力-溫度對應曲線 Fig.8 Corresponding curve of pressure-temperature

圖9 管道內氣液兩相CO2泄放相態變化 Fig.9 Phase transition in process of gas-liquid CO2discharge

圖10 壓力響應曲線 Fig.10 Pressure response curve

圖11 第1個時間段1.3 s內的壓降速率 Fig.11 Pressure drop rate of first 1.3 s

圖12 壓力-溫度對應曲線 Fig.12 Corresponding curve of pressure-temperature

圖11是第1個時間段1.3 s內壓變速率曲線。從圖中得知，P1處壓變速率降至-51.358 MPa·s-1時，由于壓力穿過Pc，壓變速率發生突變，回復至零附近，這時壓降停滯；由于泄壓速率高于氣泡生成率，導致該處壓變速率再次降低至-68.536 MPa·s-1，這時氣泡生成率已高于泄壓速率，壓力以指數增長；壓變速率增長至26.40 MPa·s-1時，壓力再次穿過Pc，使該處壓變速率減小至3.340 MPa·s-1附近，而后增長至7.758 MPa·s-1。P2處壓變速率變化和P1處相似，但兩次壓變速率降幅更小，分別為44.568 MPa·s-1和44.071 MPa·s-1；兩次壓變速率增幅也更小，分別為16.187 MPa·s-1和9.397 MPa·s-1。P3、P4、P5、P6處壓力突降沒有穿過Pc，因此在壓變速率突降和增長中都只有一個降幅和一個增幅；壓變速率降幅隨距離增長依次變小，分別為9.245、5.586、5.346、3.741 MPa·s-1；壓變速率增幅隨距離增長依次變小，分別為8.946、7.955、7.720、6.5462 MPa·s-1。由分析可知，泄壓速率和氣泡生成率是影響減壓波傳播過程的重要因素。

圖12為Test 3實驗壓力-溫度對應曲線。泄放開始的CO2仍處于超臨界狀態，當壓力低于Pc時，所有測點壓力和溫度沿著飽和線下降，說明超臨界CO2很快轉變為氣液均相。T1-top、T2-top、T3-top、T1-bot、T2-bot、T3-bot依次脫離氣液飽和線，即由氣液兩相轉變為氣相所對應的壓力和溫度點分別為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，超臨界CO2在壓力降至Pc時轉變為氣液均相，隨著管內壓力和溫度下降，氣液均相向氣相CO2的轉變先從管道頂部開始，而后向管道底部傳播。超臨界CO2與氣液兩相以及氣相CO2管道泄放中的管內溫度變化具有相似規律。

通過以上分析，將超臨界CO2管道泄放過程分為超臨界CO2泄放、氣液均相CO2泄放和氣相CO2泄放3個過程。在Pc之上時進行的是超臨界CO2泄放，發生了壓力突降和反彈、準靜態壓力水平以及再次壓降和反彈等過程。當壓力普遍低于Pc，超臨界CO2全部轉變為氣液均相CO2。隨著管內壓力和溫度下降，氣液均相CO2向氣相CO2的轉變，從管道頂部開始，而后從管道底部傳播。圖13為超臨界CO2泄放相態變化過程。

圖13 管道內超臨界CO2泄放相態變化 Fig.13 Phase transition in process of supercritical CO2discharge

3 結論

（1）氣相CO2管道泄放中，減壓波前沿所經之處，各點壓力立即開始下降，壓降之后，由于氣體膨脹作用，使壓降發生停滯或減慢。減壓波傳播使管道壓力和溫度不斷下降，泄放端附近CO2相態始終為氣態；而管道末端附近則出現氣液均相CO2，且底部較頂部氣液均相CO2維持時間更長。

（2）泄放口位于氣液界面之上的氣液兩相CO2管道泄放中，減壓波傳播發生多次反射并導致多次壓力突降和反彈。減壓波自管道上層向底部傳播使管底液相CO2變為過熱液體而汽化，使壓降停滯并反彈；減壓波自泄放端向管道末端傳播使整條管道的氣液分層CO2轉變為氣液均相。氣液均相CO2向氣相的轉變由管道頂部開始，而后傳播至底部。

（3）超臨界CO2管道泄放中，壓力突降和反彈以及準靜態壓力水平發生在臨界區域附近，且壓力穿過Pc時，壓變速率會停滯和減慢。管道壓力高于Pc時進行的是超臨界CO2泄放；當管道壓力普遍低于Pc時，超臨界CO2全部轉變為氣液均相CO2進行泄放。氣液均相CO2向氣相的轉變由管道頂部開始，而后傳播至底部。

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