室內CO2泄漏擴散實驗系統設計

鄧 想，齊飛龍，王文芳

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

由于CO2大量排放導致大氣中CO2濃度逐年升高而引起的“溫室效應”極大地影響了地球環(huán)境，為了應對氣候變化而研發(fā)推廣了CO2的捕捉、利用和封存技術，即CCUS(Carbon Capture, Utilization and Sequestration,).把生產過程中產生的CO2進行提純，繼而投入到新的生產過程中，可以循環(huán)再利用[1-4].作為CCUS的中間環(huán)節(jié)，在CO2的陸上運輸方式中，壓力管道運輸是最實際和經濟的方式.由于CO2管線一般是在較高的壓力下運行的，如果管道上存在缺陷，CO2在長距離管道運輸中不可避免地會發(fā)生泄漏事故[5].當空氣中CO2濃度達到一定的濃度范圍時(0.5%～20%)，處于該環(huán)境下的人員將會出現頭疼、心悸、昏厥甚至在幾秒之內出現神經中樞麻痹致死等狀況.因此，CO2泄露事件的模擬實驗對于相關從業(yè)人員的人身安全保障有著積極的作用.針對上述問題，設計并建造一套小尺度CO2泄漏擴散實驗裝置，并且進行不同條件下的實驗來研究氣相CO2泄漏時的擴散特性為CO2管道技術及管道運輸安全性評估的發(fā)展提供科學依據.

1 實驗系統設計

CO2泄漏實驗系統由實驗艙、CO2氣源及管線、數據采集及存儲系統等設備組成.實驗系統性能由實驗要求決定，實驗要求為最高可進行壓力1.0 MPa的小孔CO2泄漏實驗，在此基礎上對實驗系統裝置進行設計.

1.1 實驗密封艙設計及搭建

由于本實驗存在一定風險，若CO2擴散至實驗區(qū)域以外的地方，會對擴散區(qū)域內人員的人身安全造成危害.為了降低實驗風險，保證實驗人員及其他人員的人身安全，本實驗選擇模擬真實的自然通風室內環(huán)境，需要搭建實驗用密封艙，并將密封艙位置設計在遠離人員密集場所.密封艙采用鋼結構鋪設木板以增加抗風性及可靠性，內層壁面及地面鋪設地板革以增加密閉性及壁面光滑度，實驗艙外及頂部加裝一層彩鋼瓦，可防止雨天淋濕木板，艙頂彩鋼瓦的倒“V”設計還能防止雨水堆積，從而延長實驗艙的使用壽命.艙整體尺寸為3 m*1.8 m*2.5 m(長*寬*高)，通風面積參考國標《住宅建筑設計規(guī)范GB 50096-1999》進行設計，通風口尺寸選取0.7 m*1.0 m來模擬自然通風的室內環(huán)境[6]，通風口尺寸可調節(jié).設計示意圖如圖1所示.最終完成密封艙效果如圖2.

圖1 密封艙設計

圖2 實驗用密封艙

1.2 CO2泄放裝置結構

CO2鋼瓶通過減壓閥與TPU管道向緩沖罐(購于申江壓力容器有限公司)充氣，緩沖罐經減壓閥向泄漏管道充氣，可起到穩(wěn)壓作用.同時可避免造成實驗裝置凍結甚至結霜現象.緩沖罐和泄漏管道之間連接流量計用以測定氣體流量數據，實驗中所使用的流量計為雙環(huán)轉子流量計(型號為DK800-4/6),量程為430～4 300 L·h-1.所有的接口處在安裝完成后應用肥皂水測試接口處是否漏氣，確保所有裝置的氣密性良好后方可使用.CO2泄放裝置結構如圖3所示.

圖3 泄漏裝置設計圖

1.3 監(jiān)測系統結構

實驗用監(jiān)測系統傳感器布置方案[7]如圖4所示，圖中1、2、3、4分別對應4個測點，每個測點包含CO2濃度傳感器及溫度傳感器各1只.溫度傳感器與CO2濃度傳感器固定在同一底座上，通過8芯信號電纜向傳感器供電及與監(jiān)控臺建立通信電路.

圖4 傳感器布置示意圖

2 CO2氣路設計

2.1 供氣裝置

本實驗主要進行氣相CO2的泄漏擴散特性分析，CO2氣源可選CO2罐車、杜瓦瓶裝CO2以及普通鋼瓶裝CO2.綜合考慮成本及操作的復雜程度等因素，最終選取40 L標準無縫CO2鋼氣瓶作為實驗用CO2的氣源，充裝容量為16 kg，冬季壓力可達4 MPa，標準充裝的CO2足以進行一次完整的實驗.

電加熱減壓閥可有效避免因長時間大量輸出壓縮氣體而導致閥體出現凍結失效現象，因此為確保氣路系統能夠長時間穩(wěn)定工作，鋼氣瓶輸出口采用電加熱減壓閥.同時為了進一步穩(wěn)定泄漏端供氣壓力，提高系統安全性，在電加熱減壓閥下游設計一只緩沖設備與電加熱減壓閥配合使用.緩沖罐容積30 L，最大承受壓力1.25 MPa.

2.2 泄放管道及泄漏口

泄放管道選取DN100鍍鋅鋼管用以模擬輸氣管道.在管道中間焊接泄放口連接管，泄放口連接管通過螺紋與泄放口進行連接，管道一端安裝球閥，另一端安裝壓力表，以便觀察管道內部壓力，控制實驗條件.泄漏口定制加工成不同尺寸和形狀的泄漏模塊，通過螺紋與泄放口連接管相連接，更換泄放口以達到研究不同的泄漏口對CO2泄漏擴散特性的影響.

3 實驗監(jiān)測系統設計

本實驗主要監(jiān)測實驗艙內CO2濃度及溫度，在倉內布置CO2濃度傳感器及溫度傳感器，傳感器將濃度及溫度數據采集及上傳至監(jiān)控臺(筆記本電腦)中.利用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控界面.

3.1 CO2濃度傳感器

當CO2泄漏速率較大時，實驗艙內CO2濃度變化相對較快，為了能準確采集到CO2濃度數據，濃度傳感器采用COZIR-WX-20%，該傳感器生產廠家為英國GSS公司.量程為0～20%，上電穩(wěn)定時間小于10 s，在數據流模式下每秒采集并上傳2次數據，精度為±7‰，輸出模式為TTL電平輸出，各項參數均能滿足實驗要求.將COZIR-WX-20%傳感器工作模式設置為數據流模式，傳感器將以最高采樣率進行工作，適合CO2濃度變化較快的場景.溫度傳感器采用DS18b20，配套采集設備及數據監(jiān)控軟件使用.

3.2 監(jiān)控系統軟件設計

組態(tài)王具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點[8-9]，利用組態(tài)王對簡單的監(jiān)控系統進行開發(fā)可大大降低工作量，提升工作效率.利用組態(tài)王自帶的SQL函數實現組態(tài)王與數據庫的連接及存儲數據.同時將實時數據以柱狀儀表及指針儀表的形式投放至監(jiān)測畫面，以便實時觀察實驗艙內數據及監(jiān)控臺數據，確保實驗期間監(jiān)控臺周圍環(huán)境安全，監(jiān)控界面如圖5所示.

圖5 CO2濃度監(jiān)測系統

4 實驗系統測試

實驗系統組裝完成后，對系統整體功能進行測試.選取實驗要求中最高壓力及最低壓力分別進行實驗，觀察實驗系統能否正常使用.

選取0.2 MPa及1.0 MPa兩種泄漏壓力進行測試，持續(xù)時間為5分鐘，最終測試結果如圖6、圖7所示.

觀察圖6、圖7實驗結果可得，在不同的泄漏壓力下，由于CO2受重力作用大于浮力作用而出現沉降現象，下方測點1、3的位置所測濃度高于上方測點2、4位置.由于泄放渦流的影響，艙內氣體被混合攪拌，在渦流、重力和浮力的耦合作用下，實驗艙內濃度梯度[10]雖存在但并不明顯，但實驗結果在預期效果之內.

圖6 0.2 MPa壓力實驗數據

在實驗過程中整套實驗系統的表現比較理想，泄漏端氣壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程中未出現氣壓下降等現象.監(jiān)控系統運行正常，監(jiān)控臺附近CO2濃度未出現異常增高，實驗人員自身安全可得到保障.整套系統可以滿足實驗所要求的條件.

圖7 1.0 MPa壓力實驗數據

5 結論

經過測試，此實驗系統可滿足模擬自然通風室內低壓力CO2泄漏實驗的要求.但在最大泄漏壓力測試實驗結束后，CO2鋼瓶瓶身出現了結霜現象，并且鋼瓶壓力開始降低，在缺乏恒溫裝置及長時間大量泄放CO2的情況下，普通CO2鋼瓶將難以繼續(xù)正常供壓，為了應對此現象，目前采用多個鋼瓶輪流供氣的方法進行連續(xù)實驗.此方法效率較低，且容易造成浪費現象，若后期出現需要長時間、大流量的CO2泄漏實驗時，應更換氣源或增加恒溫裝置.而對于目前所進行的實驗，普通CO2鋼瓶可以勝任.