CO2管道泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)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(yùn)過程中容易發(fā)生泄漏，其安全問題備受關(guān)注。當(dāng)長輸CO2管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏口處會(huì)形成高速射流，并生成大量干冰顆粒，在CO2擴(kuò)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(zhǔn)確而又完整的描述高壓CO2泄漏擴(kuò)散特性，相關(guān)工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)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(kuò)散實(shí)驗(yàn)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(kuò)散規(guī)律。本文主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）設(shè)計(jì)并建立了小規(guī)模和工業(yè)規(guī)模CO2泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(kuò)散區(qū)域遠(yuǎn)場溫度與濃度變化規(guī)律及其影響。
　?。?）開展了小規(guī)模CO2泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)泄漏孔徑小于1.6mm時(shí)，沒有干冰顆粒生成，孔徑大于5.4mm時(shí)未能有穩(wěn)定的干冰層生成；超臨界實(shí)驗(yàn)中，泄漏孔徑為1.6mm時(shí)有穩(wěn)定的干冰層，孔徑大于5.4mm時(shí)，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(kuò)散實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：射流云的演變可以分為三個(gè)階段；射

4、流云擴(kuò)散時(shí)攜帶的干冰顆粒和凝結(jié)的水霧，隨高速氣流運(yùn)動(dòng)至遠(yuǎn)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(kuò)散區(qū)域溫度均快速減小，后上升至環(huán)境溫度；擴(kuò)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(shí)驗(yàn)低溫區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域面積更大，持續(xù)時(shí)間更長。泄漏孔徑為50mm時(shí)，密相、超臨界和氣相實(shí)驗(yàn)在軸線上危險(xiǎn)區(qū)域長度估計(jì)為45m、35m和25m。
　?。?）以實(shí)際管道泄漏為基礎(chǔ)建立氣相CO2泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模型

5、。研究表明：擴(kuò)散區(qū)域速度場整體呈現(xiàn)為一個(gè)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(shí)，CO2的水平擴(kuò)散范圍增大趨勢隨著孔徑的增加而增加，而垂直擴(kuò)散范圍與孔徑呈線性增加趨勢；泄漏孔徑相同時(shí)，水平擴(kuò)散距離和垂直擴(kuò)散距離與壓力均呈現(xiàn)線性增加的趨勢。隨著擴(kuò)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(jìn)作用。
　?。?）對本文擴(kuò)散模型在超臨界、密相CO2泄漏擴(kuò)散的適用性進(jìn)行了工程評估。發(fā)現(xiàn)該模