浅析放空管设计对超临界C02管道放空的影响

作者：张毅

   在实际生产中，当输气管道进行计划放空或事故泄压时，可以通过放空系统使管道压力尽快泄放至安全范围内，以防止事故的蔓延、扩大，并为抢修赢得时间。与天然气管道相比，超临界C02管道虽然同样属于高压管道，但由于两者基础物性和相特性不同，C02放空过程存在特殊性以及一定的安全隐患。从安全角度来说，C02放空时扩散到大气会产生噪音。C02的降压通常经过垂直的放空立管，C02很快喷射到空气中。然而，由于C02比空气重，扩散云会沉降，因此就有高浓度下窒息的危险。此外，如果听力保护措施不当，C02放空导致的较高的噪声也可能影响听力。从管道完整性的角度来说，和天然气不同，由于C02的临界点压力(7. 38MPa，31℃)和三相点压力（0.53  MPa，- 56℃）较高，降压时会引起相变，若降压过快，C02到达三相点后会导致干冰的形成以及流动阻塞，而且使钢管变得易碎。

  因此，C02放空站设计与天然气放空系统设计的不同之处在于，需要考虑泄放过程可能存在的潜在危险，如干冰堵塞以及冻伤。在设计放空系统时，应充分考虑管道内由于膨胀和固体C02形成导致低温的可能性。如果确实有可能形成干冰，那么放空系统的设计应该尽量减少发生堵塞的可能性。DNV RP - J202《CO2管道设计和运行手册》推荐放空站的设计和位置应保证放空对于职业健康和潜在安全后果的影响限定在允许范围之内，应考虑C02固体颗粒堵塞和低温损伤的可能性。为了保证安全，参考US DOT CFR规范在管道沿线一般每隔最大15km设置截止阀和放空站，以防止管道破裂或者自然灾害，可以关闭截止阀，进行维修，充满或放空该管段。主干线上的阀门一般采用球阀，相比较于闸阀它的操作更加简单，且要求有100%的截止能力。放空管道也应使用球阀，放空管的直径应小于主管道。

  根据已有的C02管道的操作经验，二氧化碳管内的温降是由操作条件、环境条件、放空管设计和降压速度等多个因素决定的。目前关于C02管道放空的研究主要集中在管道降压速度的控制、环境条件的影响以及管外扩散的安全范围，但关于放空管管径和高度对管道内参数变化影响的研究较少。放空管管径与流体泄放速率及放空时间密切相关，决定了放空立管的放空量和出口处的马赫数。放空管高度虽然主要影响C02在环境中的扩散，但其对超临界C02管道放空时内部物性参数的变化有无影响仍值得研究。通过对国外文献的调研，deKoeij er等多位学者指出运用OLGA模拟CO2管道放空过程是适宜的。因此，本文借助OLGA软件对超临界C02管道放空过程进行稳态和动态模拟，进而研究放空管设计对管道放空的热力水力影响。

1  计算模型

超临界CO2兼具有气体与液体的双重特性，所以不可采用理想气体状态方程。研究超临界C02管道放空过程中管内物性参数变化时，推荐采用Peng - Robinson方程。表达式如下：

  式中：p、T和v分别为压力、温度和比容；a和6分别为解释分子间相互作用力和分子体积的经验参数。

结合国内东部平原某示范工程，根据C02放空站场的设置要求建立管段模型进行放空模拟。管道设计输量为100万吨／年，即33kg/s。截断阀1位于管道起点，截止阀2位于管道终点，1和2之间的管道即为需要放空的管道，忽略地形起伏，总长度为12km，管径为300mm，管内表面粗糙度为0.028mm，管道总传热系数取0.9 W／( m2．K)。放空管紧邻截止阀2，位于管道11. 99km处。放空阀位于放空管末端。平均大气温度为15℃，管道埋地温度为6℃。管道起点采用流量控制，管道终点采用压力控制，放空管末端采用压力控制。具体模型如图1所示。

2放空过程管内参数变化规律

2.1  超临界CO2管道稳态模拟

设需要放空的C02流体为超临界态，压力为8MPa，温度为50℃。放空管管径为0.2m，高度为4m。首先打开管道两端截止阀，关闭放空阀，进行稳态计算确定初始条件。管道稳定运行时沿管线长度方向的压力、温度以及流量分布情况如图2所示。

2.2超临界C02管道放空的动态模拟

若管道某点发生泄漏或者需要进行检修，则需要对管道进行放空操作。此时关闭两端截止阀，打开放空阀开始放空。取管道内lOm、6 000m及11 990m 3个特征节点，分析放空过程中管道内各节点温度和压力的变化规律，如图3和图4所示。

  从图3可以看出，整个管道在4. 6h时完成放空。各点压力随时间逐渐降低，逐渐趋于大气压力。不同节点处的压力差异不大，可见放空过程中整个管道内部沿线压力基本保持一致。在压力降到0. 3MPa之前，各点温度随压力降低而逐渐降低，不同节点的温度差异也不大；当压力继续下降时，各点温度达到最小值-58~- 66℃后回升，逐渐升至管道埋地温度6℃。

  从图4可以看出，本工况下的超临界C02从超临界相向气相过渡时温度和压力没有明显波动，在2MPa之前时保持气相放空。随着压力和温度的继续下降，C02进入气液共存区，放空过程沿着气液相平衡线进行。当放空到达三相点(0. 53MPa，-56℃)后，管道内生成干冰。随后压力和温度沿着气固相平衡线继续降低，当到达0.3~0. 4MPa之间某点时，从外界吸收的热量足够使管内干冰全部升华成气相CO2，因此各点温度发生转折，随压力下降而逐渐升高至管道埋地温度。

  由上可知，在本工况下的超临界C02放空过程中，整个管道沿线的温度和压力变化并无较大差异；超临界CO2放空时首先从超临界相变为气相，保持气相泄放到一定压力后产生液相，随后沿着气液相平衡线进行；经过三相点后产生干冰，随后沿着气固相平衡线进行；当压力降到一定值后，温度不再随压力继续下降，逐渐升至管道埋地温度。

3放空管设计对管内参数变化的影响

  由于超临界CO2放空过程中管道内部可能会生成干冰，因此放空时需要对管内流体的流动参数变化进行控制，尤其是温降和压降的控制。影响管内流动参数的因素有很多，如放空操作条件、环境条件、放空管设计和阀门开启速度等。其中放空管的设计不仅影响CO2放空后的扩散范围及安全范围，还与流体泄放速率与放空时间密切相关。放空管高度的设计则可能通过影响放空管末端流量影响CO2在环境中的扩散，且放空管高度越高，管道内部发生堵塞的可能性越大。

3.1  放空管直径对放空过程管内参数的影响

取放空管高度为4m，在其他条件不变的情况下仅改变放空管径，分别为0. 1m，0.15m，0.2m。由于放空管与管道交点处的节点受放空管设计的影响最大，因此取位于管道11 990m处的节点进行研究，当为三种放空管直径时对应的此节点处的压力、温度及经过放空阀的流量变化规律如图5所示。

  从图5可以看出，当放空管直径分别为0. 1m、0. 15m和0.2m时，对应的放空时间为16h、8h以及4. 6h，即放空管直径越大，放空过程中压力和温度的变化越迅速，放空需要的时间越短，同时对应的放空的初始瞬时流量越大。

  对于3种放空管直径，虽然管道达到了相同的压降，但管道内的温降程度却不同。其中当放空管直径为0. 2m时，管内最低温度能够达到- 610C；当放空管直径为0. 15m时，管内最低温度达到一54℃;放空管直径为0.1m时，管内最低温度只达到- 39℃。而纯CO2的三相点温度为- 56℃，可知当放空管直径变小时，可以明显减少放空过程中管道内部的温降。通过控制放空管的直径，可以有效避免管道内形成干冰并防止管材受到低温损坏。

3.2  放空管高度对放空过程管内参数的影响

取放空管直径为0. 2m，在其他条件不变的情况下仅改变放空高度，分别为2m，6m，10 m，20m。由于放空管与管道交点处的节点受放空管设计的影响最大，因此取位于管道11 990m处的节点进行研究，当为四种放空管高度时对应的此节点处的压力、温度及经过放空阀的流量变化规律如图6所示。

  从图6可以看出，在其他条件不变的前提下，对于不同的放空管高度，总放空时间是一样的，均为4. 6h左右。经过放空阀的流量变化相差无几。放空过程中管道内部的压力和温度变化基本一致。可见，当仅改变放空管高度时，对管道内的流体物性参数变化几乎无影响。

  由此可知，放空管的直径对管道放空过程的总时间、放空速率、最大温降以及是否生成干冰有直接影响。放空管直径越大，放空时间越短，管道内部温度下降越大，生成千冰的可能性越大。而放空管的高度对放空过程管道内部的变化几乎无影响，对于放空管高度的设计应主要依据C02释放到环境后的浓度范围和安全范围进行设计。

4结论

  本文通过超临界CO2放空过程可能出现的潜在风险进行分析后，借助OLGA软件对固定容积的超临界CO2管道的放空进行模拟，分析了管道内部水力热力变化，并研究了放空管设计对管道内部流动参数的影响，得到以下结论：

  1)对在超临界CO2放空过程中，整个管道沿线的温度和压力变化并无较大差异；超临界CO2放空时首先从超临界相变为气相，若生成液相则沿着气液相平衡线继续泄放；若产生干冰则沿着气固相平衡线继续泄放；当压力降到一定值后，温度不再随压力继续下降，逐渐升至管道埋地温度。

  2)在不改变其他条件的前提下，对放空管直径的合理设计可以使放空时间以及管道内部温降达到一个平衡点，从而达到能够较快泄放CO2又不产生干冰堵塞以及管道低温损伤的最佳目的。

3)放空管高度对超临界C02管道放空过程中管道内部的流动参数几乎无影响。放空管的高度应结合管外扩散模拟和实际安全区域进行估算。

5摘要：与天然气管道相比，超临界C02管道放空时的降压可能导致管道内的低温，甚至形成干冰对管道及设备造成损伤，危害管道安全。针对超临界C02放空过程可能出现的潜在风险，建立了超临界CO2管道放空计算模型，借助OLGA软件对超临界C02管道放空进行了稳态和动态模拟，并研究放空管设计对管道放空的热力水力影响。研究表明：超临界CO：管道放空时管道沿线上各点之间的压力、温度变化差异不大；CO2首先由超临界相变为气相，然后沿着气液相平衡线或气固相平衡线进行，管内温度降到一定值后逐步回升至管道埋地温度；放空管的直径对超临界CO2管道放空过程的总时间、放空速率、最大温降以及是否生成干冰有直接影响；放空管高度对放空过程管内参数变化几乎无影响。