埋地二氧化碳管道泄漏后果分析

埋地二氧化碳管道泄漏后果分析

时利香1

（1. 中石化石油工程设计有限公司，东营 257026）

摘要：在全球积极应对气候变化和国内“双碳”战略目标的导向下，碳捕获、利用与封存（Carbon Capture、Utilization and Storage ,CCUS）被广泛认为是实现全球温控目标和我国碳中和愿景不可或缺的关键途径。在CCUS技术中，CO2主要是通过高压管道进行输送。CO2作为一种新兴的输送介质，其泄漏理论分析存在空白。本文以某一项目为例，利用PHAST软件分析某一液态CO2输送管道高后果区管段泄漏的影响范围，发现随着泄漏孔径的增大，二氧化碳泄漏引起的扩散和毒性致死率影响范围也增大，且扩散范围明显大于致死率范围；二氧化碳泄漏后首先高速向高空喷射，后由于其密度原因下沉至地面。

关键词：定量风险评价；二氧化碳；CO2管道

中图分类号：TE832文献标识码：A

0引言

随着能源的多元化发展和绿色清洁能源的开发利用，我国提出“双碳”目标，全力推进碳减排工作。CO2捕集与封存（Carbon Capture and Sequestration，CCS）技术是有效降低碳排放的关键技术之一[1]。其中，CO2输送是开展碳减排工作的重要环节，管道作为输送量大、输送距离远、高效的输送方式，被广泛应用到工业生产生活中。因此管道运输安全变得至关重要，一旦管道失效，不仅会影响正常运输，还易导致火灾、爆炸或中毒事故，对周围群众的生命财产安全构成严重威胁[2-4]，因此明确二氧化碳长输管道泄漏产生的后果与风险变得尤为重要。本文采用定量风险评价方法研究了CO2输送管道发生泄漏后对周围环境的影响，为后续管道建设、管道完整性管理的实施提供理论指导。

本文介绍了二氧化碳泄漏后对周围环境和人身安全造成的毒性危害和健康伤害，然后以某一二氧化碳输送管道高后果区为例，利用挪威船级社（DET NORSKE VERITAS，简称DNV）独立开发的PHAST [5]，分析液态二氧化碳泄漏后的扩散和毒性影响范围，为后续二氧化碳长输管道风险评价工作提供了技术指导和理论支持，具有重要的研究意义。

1二氧化碳危害

1.1 急性健康危害

二氧化碳对人体造成危害的方式主要是通过排挤空气中的氧气，降低氧气浓度[6]；同时提高血液中CO2的浓度，造成呼气系统、神经系统方面的损伤[7-8]。当CO2在空气中的体积浓度高于4%时，人体暴露于空气几分钟即可呼吸困难，危及生命健康。

1.2 毒性危害

正常情况下CO2不具有毒性，当空气中的浓度超过2%时才会使肌体产生中毒现象，高浓度的二氧化碳则会让人窒息。

根据Eisenberg Probit方程，参考有毒气体影响计算方法，根据气体浓度及接触时间计算产生的人员死亡概率。

其中Pr——致死率；

c——有毒物质浓度；

t——接触时间；

A, B, N——常数，取决于物质性质。

对于CO2这一物质，A，B，N这三个参数数值分别为-90.778、1.01、8，是风险计算软件SAFETI中确定的数值，该数值是根据英国健康与安全委员会HSE提出的SLOT（小概率1~5%死亡事件）和SLOD（概率为50%的死亡事件）计算得到。

2 工程实例

2.1失效后果分析

以某一二氧化碳输送管道工程的某一段高后果区为例进行应用，管道外径323.9mm，壁厚12mm，设计压力12MPa。应用PHAST软件对高后果区管线泄漏事故产生的后果进行模拟，分析不同泄漏孔径、不同天气类型下CO2的扩散及毒性影响范围，模拟结果如下。

2.1.1不同泄漏场景对扩散范围的影响

研究了CO2液相输送时管道发生断裂泄漏后在风速为5m/s，大气稳定度为D（中性）时不同泄漏孔径下CO2浓度分别为10%、5%、2%和1%的影响区域。从图中可以看出，CO2发生泄漏后急速向高空扩散，随着下风距离的增大，CO2逐渐下沉直至地面。这是因为CO2的远场扩散具有重气扩散特征。一般长距离CO2管道的输送压力通常高于10MPa，而大气压力为0.1MPa。在泄漏过程中，由于管内外的巨大压差，导致CO2向空气中膨胀喷射而出。同时，喷射出来的CO2由于强节流效应温度也会急剧下降，所以在喷射口附近会有干冰的存在。喷射到空气中的CO2随着压力和温度的下降转换为气态，又由于CO2的密度比空气重，从而在图中呈现出下沉的趋势。

图1不同孔径泄漏扩散影响范围

2.1.2不同泄漏场景对毒性范围的影响

二氧化碳泄漏后，主要事故后果是CO2气体对人员产生的窒息和健康影响，可以看出，随着泄漏口径的增大，不同致死率的影响面积均相应的增大。但是与扩散影响范围相比，毒性影响范围相对较小，说明虽然扩散距离大，但是对人的致命伤害较小。因此在选取管道路由时，要保证管道毒性致死范围内无人口分布，尽量远离人口密集区，避免造成人身威胁。

3 结论

采用PHAST计算软件分析液态二氧化碳泄漏对管道周围人口及环境的影响，得到主要结论如下：

（1）二氧化碳发生泄漏时，下风向是主要扩散方向。随着泄漏口径的增大，二氧化碳泄漏所产生的影响范围也越大。

（2）随着泄漏口径的增大，不同毒性致死率的影响范围也变大，但是相较于扩散影响范围而言范围较小，说明虽然扩散距离大，但是对人的致命伤害较小。

参考文献：

[1]胡其会,李玉星,张建,等. "双碳"战略下中国CCUS技术现状及发展建议[J]. 油气储运,2022,41(4):361-371.

[2]吕奎,孔益平,周宇,等.天然气管道风险分析及应急管理[J].安全与环境工程,2012,19(02):117-121+124.

[4]王天瑜. 天然气管道风险分析与安全距离计算方法研究[D].中国矿业大学(北京),2017.

[5]梁韬,陈国华,张瑞华,等.SAFETI在LPG储罐事故后果评价中的应用[J].油气储运,2006(02):53-58+62+5.

[6]滕霖. 超临界CO2管道泄漏扩散特性及定量风险评估研究[D].中国石油大学(华东),2019.

[7] Vianello C, Macchietto S, Maschio G. Risk assessment of CO2 pipeline network for CCS-a UK case study[J].Chemical Engineering Transactions,2013,31,13-18.

[8]陈兵,崔维刚,郭焕焕,等.风速对超临界-密相二氧化碳泄漏扩散特性的影响[J].科学技术与工程,2019,19(34):144-149.