淺析放空管設計對超臨界C02管道放空的影響
作者：張毅
在實際生產(chǎn)中，當輸氣管道進行計劃放空或事故泄壓時，可以通過放空系統(tǒng)使管道壓力盡快泄放至安全范圍內(nèi)，以防止事故的蔓延、擴大，并為搶修贏得時間。與天然氣管道相比，超臨界C02管道雖然同樣屬于高壓管道，但由于兩者基礎物性和相特性不同，C02放空過程存在特殊性以及一定的安全隱患。從安全角度來說，C02放空時擴散到大氣會產(chǎn)生噪音。C02的降壓通常經(jīng)過垂直的放空立管，C02很快噴射到空氣中。然而，由于C02比空氣重，擴散云會沉降，因此就有高濃度下窒息的危險。此外，如果聽力保護措施不當，C02放空導致的較高的噪聲也可能影響聽力。從管道完整性的角度來說，和天然氣不同，由于C02的臨界點壓力(7. 38MPa，31℃)和三相點壓力（0.53 MPa，- 56℃）較高，降壓時會引起相變，若降壓過快，C02到達三相點后會導致干冰的形成以及流動阻塞，而且使鋼管變得易碎。
因此，C02放空站設計與天然氣放空系統(tǒng)設計的不同之處在于，需要考慮泄放過程可能存在的潛在危險，如干冰堵塞以及凍傷。在設計放空系統(tǒng)時，應充分考慮管道內(nèi)由于膨脹和固體C02形成導致低溫的可能性。如果確實有可能形成干冰，那么放空系統(tǒng)的設計應該盡量減少發(fā)生堵塞的可能性。DNV RP - J202《CO2管道設計和運行手冊》推薦放空站的設計和位置應保證放空對于職業(yè)健康和潛在安全后果的影響限定在允許范圍之內(nèi)，應考慮C02固體顆粒堵塞和低溫損傷的可能性。為了保證安全，參考US DOT CFR規(guī)范在管道沿線一般每隔最大15km設置截止閥和放空站，以防止管道破裂或者自然災害，可以關閉截止閥，進行維修，充滿或放空該管段。主干線上的閥門一般采用球閥，相比較于閘閥它的操作更加簡單，且要求有100%的截止能力。放空管道也應使用球閥，放空管的直徑應小于主管道。
根據(jù)已有的C02管道的操作經(jīng)驗，二氧化碳管內(nèi)的溫降是由操作條件、環(huán)境條件、放空管設計和降壓速度等多個因素決定的。目前關于C02管道放空的研究主要集中在管道降壓速度的控制、環(huán)境條件的影響以及管外擴散的安全范圍，但關于放空管管徑和高度對管道內(nèi)參數(shù)變化影響的研究較少。放空管管徑與流體泄放速率及放空時間密切相關，決定了放空立管的放空量和出口處的馬赫數(shù)。放空管高度雖然主要影響C02在環(huán)境中的擴散，但其對超臨界C02管道放空時內(nèi)部物性參數(shù)的變化有無影響仍值得研究。通過對國外文獻的調(diào)研，deKoeij er等多位學者指出運用OLGA模擬CO2管道放空過程是適宜的。因此，本文借助OLGA軟件對超臨界C02管道放空過程進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬，進而研究放空管設計對管道放空的熱力水力影響。
1 計算模型
超臨界CO2兼具有氣體與液體的雙重特性，所以不可采用理想氣體狀態(tài)方程。研究超臨界C02管道放空過程中管內(nèi)物性參數(shù)變化時，推薦采用Peng - Robinson方程。表達式如下：
式中：p、T和v分別為壓力、溫度和比容；a和6分別為解釋分子間相互作用力和分子體積的經(jīng)驗參數(shù)。
結合國內(nèi)東部平原某示范工程，根據(jù)C02放空站場的設置要求建立管段模型進行放空模擬。管道設計輸量為100萬噸／年，即33kg/s。截斷閥1位于管道起點，截止閥2位于管道終點，1和2之間的管道即為需要放空的管道，忽略地形起伏，總長度為12km，管徑為300mm，管內(nèi)表面粗糙度為0.028mm，管道總傳熱系數(shù)取0.9 W／( m2．K)。放空管緊鄰截止閥2，位于管道11. 99km處。放空閥位于放空管末端。平均大氣溫度為15℃，管道埋地溫度為6℃。管道起點采用流量控制，管道終點采用壓力控制，放空管末端采用壓力控制。具體模型如圖1所示。
2放空過程管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律
2.1 超臨界CO2管道穩(wěn)態(tài)模擬
設需要放空的C02流體為超臨界態(tài)，壓力為8MPa，溫度為50℃。放空管管徑為0.2m，高度為4m。首先打開管道兩端截止閥，關閉放空閥，進行穩(wěn)態(tài)計算確定初始條件。管道穩(wěn)定運行時沿管線長度方向的壓力、溫度以及流量分布情況如圖2所示。
2.2超臨界C02管道放空的動態(tài)模擬
若管道某點發(fā)生泄漏或者需要進行檢修，則需要對管道進行放空操作。此時關閉兩端截止閥，打開放空閥開始放空。取管道內(nèi)lOm、6 000m及11 990m 3個特征節(jié)點，分析放空過程中管道內(nèi)各節(jié)點溫度和壓力的變化規(guī)律，如圖3和圖4所示。
從圖3可以看出，整個管道在4. 6h時完成放空。各點壓力隨時間逐漸降低，逐漸趨于大氣壓力。不同節(jié)點處的壓力差異不大，可見放空過程中整個管道內(nèi)部沿線壓力基本保持一致。在壓力降到0. 3MPa之前，各點溫度隨壓力降低而逐漸降低，不同節(jié)點的溫度差異也不大；當壓力繼續(xù)下降時，各點溫度達到最小值-58~- 66℃后回升，逐漸升至管道埋地溫度6℃。
從圖4可以看出，本工況下的超臨界C02從超臨界相向氣相過渡時溫度和壓力沒有明顯波動，在2MPa之前時保持氣相放空。隨著壓力和溫度的繼續(xù)下降，C02進入氣液共存區(qū)，放空過程沿著氣液相平衡線進行。當放空到達三相點(0. 53MPa，-56℃)后，管道內(nèi)生成干冰。隨后壓力和溫度沿著氣固相平衡線繼續(xù)降低，當?shù)竭_0.3~0. 4MPa之間某點時，從外界吸收的熱量足夠使管內(nèi)干冰全部升華成氣相CO2，因此各點溫度發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨壓力下降而逐漸升高至管道埋地溫度。
由上可知，在本工況下的超臨界C02放空過程中，整個管道沿線的溫度和壓力變化并無較大差異；超臨界CO2放空時首先從超臨界相變?yōu)闅庀�，保持氣相泄放到一定壓力后產(chǎn)生液相，隨后沿著氣液相平衡線進行；經(jīng)過三相點后產(chǎn)生干冰，隨后沿著氣固相平衡線進行；當壓力降到一定值后，溫度不再隨壓力繼續(xù)下降，逐漸升至管道埋地溫度。
3放空管設計對管內(nèi)參數(shù)變化的影響
由于超臨界CO2放空過程中管道內(nèi)部可能會生成干冰，因此放空時需要對管內(nèi)流體的流動參數(shù)變化進行控制，尤其是溫降和壓降的控制。影響管內(nèi)流動參數(shù)的因素有很多，如放空操作條件、環(huán)境條件、放空管設計和閥門開啟速度等。其中放空管的設計不僅影響CO2放空后的擴散范圍及安全范圍，還與流體泄放速率與放空時間密切相關。放空管高度的設計則可能通過影響放空管末端流量影響CO2在環(huán)境中的擴散，且放空管高度越高，管道內(nèi)部發(fā)生堵塞的可能性越大。
3.1 放空管直徑對放空過程管內(nèi)參數(shù)的影響
取放空管高度為4m，在其他條件不變的情況下僅改變放空管徑，分別為0. 1m，0.15m，0.2m。由于放空管與管道交點處的節(jié)點受放空管設計的影響最大，因此取位于管道11 990m處的節(jié)點進行研究，當為三種放空管直徑時對應的此節(jié)點處的壓力、溫度及經(jīng)過放空閥的流量變化規(guī)律如圖5所示。
從圖5可以看出，當放空管直徑分別為0. 1m、0. 15m和0.2m時，對應的放空時間為16h、8h以及4. 6h，即放空管直徑越大，放空過程中壓力和溫度的變化越迅速，放空需要的時間越短，同時對應的放空的初始瞬時流量越大。
對于3種放空管直徑，雖然管道達到了相同的壓降，但管道內(nèi)的溫降程度卻不同。其中當放空管直徑為0. 2m時，管內(nèi)最低溫度能夠達到- 610C；當放空管直徑為0. 15m時，管內(nèi)最低溫度達到一54℃;放空管直徑為0.1m時，管內(nèi)最低溫度只達到- 39℃。而純CO2的三相點溫度為- 56℃，可知當放空管直徑變小時，可以明顯減少放空過程中管道內(nèi)部的溫降。通過控制放空管的直徑，可以有效避免管道內(nèi)形成干冰并防止管材受到低溫損壞。
3.2 放空管高度對放空過程管內(nèi)參數(shù)的影響
取放空管直徑為0. 2m，在其他條件不變的情況下僅改變放空高度，分別為2m，6m，10 m，20m。由于放空管與管道交點處的節(jié)點受放空管設計的影響最大，因此取位于管道11 990m處的節(jié)點進行研究，當為四種放空管高度時對應的此節(jié)點處的壓力、溫度及經(jīng)過放空閥的流量變化規(guī)律如圖6所示。
從圖6可以看出，在其他條件不變的前提下，對于不同的放空管高度，總放空時間是一樣的，均為4. 6h左右。經(jīng)過放空閥的流量變化相差無幾。放空過程中管道內(nèi)部的壓力和溫度變化基本一致�？梢�，當僅改變放空管高度時，對管道內(nèi)的流體物性參數(shù)變化幾乎無影響。
由此可知，放空管的直徑對管道放空過程的總時間、放空速率、最大溫降以及是否生成干冰有直接影響。放空管直徑越大，放空時間越短，管道內(nèi)部溫度下降越大，生成千冰的可能性越大。而放空管的高度對放空過程管道內(nèi)部的變化幾乎無影響，對于放空管高度的設計應主要依據(jù)C02釋放到環(huán)境后的濃度范圍和安全范圍進行設計。
4結論
本文通過超臨界CO2放空過程可能出現(xiàn)的潛在風險進行分析后，借助OLGA軟件對固定容積的超臨界CO2管道的放空進行模擬，分析了管道內(nèi)部水力熱力變化，并研究了放空管設計對管道內(nèi)部流動參數(shù)的影響，得到以下結論：
1)對在超臨界CO2放空過程中，整個管道沿線的溫度和壓力變化并無較大差異；超臨界CO2放空時首先從超臨界相變?yōu)闅庀�，若生成液相則沿著氣液相平衡線繼續(xù)泄放；若產(chǎn)生干冰則沿著氣固相平衡線繼續(xù)泄放；當壓力降到一定值后，溫度不再隨壓力繼續(xù)下降，逐漸升至管道埋地溫度。
2)在不改變其他條件的前提下，對放空管直徑的合理設計可以使放空時間以及管道內(nèi)部溫降達到一個平衡點，從而達到能夠較快泄放CO2又不產(chǎn)生干冰堵塞以及管道低溫損傷的最佳目的。
3)放空管高度對超臨界C02管道放空過程中管道內(nèi)部的流動參數(shù)幾乎無影響。放空管的高度應結合管外擴散模擬和實際安全區(qū)域進行估算。
5摘要：與天然氣管道相比，超臨界C02管道放空時的降壓可能導致管道內(nèi)的低溫，甚至形成干冰對管道及設備造成損傷，危害管道安全。針對超臨界C02放空過程可能出現(xiàn)的潛在風險，建立了超臨界CO2管道放空計算模型，借助OLGA軟件對超臨界C02管道放空進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬，并研究放空管設計對管道放空的熱力水力影響。研究表明：超臨界CO：管道放空時管道沿線上各點之間的壓力、溫度變化差異不大；CO2首先由超臨界相變?yōu)闅庀�，然后沿著氣液相平衡線或氣固相平衡線進行，管內(nèi)溫度降到一定值后逐步回升至管道埋地溫度；放空管的直徑對超臨界CO2管道放空過程的總時間、放空速率、最大溫降以及是否生成干冰有直接影響；放空管高度對放空過程管內(nèi)參數(shù)變化幾乎無影響。
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