CO2管道泄漏擴散實驗及數(shù)值模擬研究.pdf

1、高壓管道作為碳捕集和封存技術(shù)鏈的中間環(huán)節(jié)，在輸運過程中容易發(fā)生泄漏，其安全問題備受關(guān)注。當長輸CO2管道發(fā)生泄漏時，在泄漏口處會形成高速射流，并生成大量干冰顆粒，在CO2擴散和干冰升華過程中形成的高濃度CO2危及附近居民健康和設(shè)備安全。然而，目前還沒有較為符合的理論模型能夠準確而又完整的描述高壓CO2泄漏擴散特性，相關(guān)工業(yè)規(guī)模實驗亦未曾大量開展。針對如今研究現(xiàn)狀，本文將工業(yè)規(guī)模和小規(guī)模CO2泄漏擴散實驗相結(jié)合，輔之以數(shù)值模擬研究和理論分

2、析，探索高壓CO2泄漏擴散規(guī)律。本文主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）設(shè)計并建立了小規(guī)模和工業(yè)規(guī)模CO2泄漏擴散實驗裝置，并基于此裝置開展了多種泄漏孔徑、不同相態(tài)CO2的泄漏實驗。分析了泄漏孔徑和相態(tài)對泄漏過程中泄漏口處溫度、射流云演變、干冰層生成與消失以及擴散區(qū)域遠場溫度與濃度變化規(guī)律及其影響。
　　（2）開展了小規(guī)模CO2泄漏擴散實驗。研究結(jié)果表明：同種相態(tài)，泄漏孔徑越大，泄漏口處溫降幅度越大；同種泄漏孔徑，超臨界相實驗較

3、氣相溫降幅度更大。隨著泄漏孔徑的增大，筒鼓形盤最大直徑逐漸增大，但增大幅度逐漸變緩，最大約150mm，而膨脹角變化的幅度并不是很明顯。氣相實驗泄漏孔徑小于1.6mm時，沒有干冰顆粒生成，孔徑大于5.4mm時未能有穩(wěn)定的干冰層生成；超臨界實驗中，泄漏孔徑為1.6mm時有穩(wěn)定的干冰層，孔徑大于5.4mm時，干冰顆粒無法持續(xù)積累形成穩(wěn)定的干冰層。
　?。?）開展了工業(yè)規(guī)模CO2泄漏擴散實驗。研究結(jié)果表明：射流云的演變可以分為三個階段；射

4、流云擴散時攜帶的干冰顆粒和凝結(jié)的水霧，隨高速氣流運動至遠場區(qū)域，近場產(chǎn)生的干冰顆粒在降至地面前全部升華，未形成干冰床。泄漏后，擴散區(qū)域溫度均快速減小，后上升至環(huán)境溫度；擴散區(qū)域濃度先快速增大至極值，后慢慢下降至與環(huán)境相同；密相泄漏實驗低溫區(qū)域、危險區(qū)域面積更大，持續(xù)時間更長。泄漏孔徑為50mm時，密相、超臨界和氣相實驗在軸線上危險區(qū)域長度估計為45m、35m和25m。
　?。?）以實際管道泄漏為基礎(chǔ)建立氣相CO2泄漏擴散的數(shù)值模型

5、。研究表明：擴散區(qū)域速度場整體呈現(xiàn)為一個不規(guī)則的橢圓形。距離泄漏口越近，速度梯度越大。泄漏壓力相同時，CO2的水平擴散范圍增大趨勢隨著孔徑的增加而增加，而垂直擴散范圍與孔徑呈線性增加趨勢；泄漏孔徑相同時，水平擴散距離和垂直擴散距離與壓力均呈現(xiàn)線性增加的趨勢。隨著擴散距離的增加，軸線溫度迅速下降。泄漏壓力和泄漏孔徑均對溫降幅度、低溫范圍有促進作用。
　?。?）對本文擴散模型在超臨界、密相CO2泄漏擴散的適用性進行了工程評估。發(fā)現(xiàn)該模