室内CO2泄漏扩散实验系统设计

邓 想，齐飞龙，王文芳

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

由于CO2大量排放导致大气中CO2浓度逐年升高而引起的“温室效应”极大地影响了地球环境，为了应对气候变化而研发推广了CO2的捕捉、利用和封存技术，即CCUS(Carbon Capture, Utilization and Sequestration,).把生产过程中产生的CO2进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用[1-4].作为CCUS的中间环节，在CO2的陆上运输方式中，压力管道运输是最实际和经济的方式.由于CO2管线一般是在较高的压力下运行的，如果管道上存在缺陷，CO2在长距离管道运输中不可避免地会发生泄漏事故[5].当空气中CO2浓度达到一定的浓度范围时(0.5%～20%)，处于该环境下的人员将会出现头疼、心悸、昏厥甚至在几秒之内出现神经中枢麻痹致死等状况.因此，CO2泄露事件的模拟实验对于相关从业人员的人身安全保障有着积极的作用.针对上述问题，设计并建造一套小尺度CO2泄漏扩散实验装置，并且进行不同条件下的实验来研究气相CO2泄漏时的扩散特性为CO2管道技术及管道运输安全性评估的发展提供科学依据.

1 实验系统设计

CO2泄漏实验系统由实验舱、CO2气源及管线、数据采集及存储系统等设备组成.实验系统性能由实验要求决定，实验要求为最高可进行压力1.0 MPa的小孔CO2泄漏实验，在此基础上对实验系统装置进行设计.

1.1 实验密封舱设计及搭建

由于本实验存在一定风险，若CO2扩散至实验区域以外的地方，会对扩散区域内人员的人身安全造成危害.为了降低实验风险，保证实验人员及其他人员的人身安全，本实验选择模拟真实的自然通风室内环境，需要搭建实验用密封舱，并将密封舱位置设计在远离人员密集场所.密封舱采用钢结构铺设木板以增加抗风性及可靠性，内层壁面及地面铺设地板革以增加密闭性及壁面光滑度，实验舱外及顶部加装一层彩钢瓦，可防止雨天淋湿木板，舱顶彩钢瓦的倒“V”设计还能防止雨水堆积，从而延长实验舱的使用寿命.舱整体尺寸为3 m*1.8 m*2.5 m(长*宽*高)，通风面积参考国标《住宅建筑设计规范GB 50096-1999》进行设计，通风口尺寸选取0.7 m*1.0 m来模拟自然通风的室内环境[6]，通风口尺寸可调节.设计示意图如图1所示.最终完成密封舱效果如图2.

图1 密封舱设计

图2 实验用密封舱

1.2 CO2泄放装置结构

CO2钢瓶通过减压阀与TPU管道向缓冲罐(购于申江压力容器有限公司)充气，缓冲罐经减压阀向泄漏管道充气，可起到稳压作用.同时可避免造成实验装置冻结甚至结霜现象.缓冲罐和泄漏管道之间连接流量计用以测定气体流量数据，实验中所使用的流量计为双环转子流量计(型号为DK800-4/6),量程为430～4 300 L·h-1.所有的接口处在安装完成后应用肥皂水测试接口处是否漏气，确保所有装置的气密性良好后方可使用.CO2泄放装置结构如图3所示.

图3 泄漏装置设计图

1.3 监测系统结构

实验用监测系统传感器布置方案[7]如图4所示，图中1、2、3、4分别对应4个测点，每个测点包含CO2浓度传感器及温度传感器各1只.温度传感器与CO2浓度传感器固定在同一底座上，通过8芯信号电缆向传感器供电及与监控台建立通信电路.

图4 传感器布置示意图

2 CO2气路设计

2.1 供气装置

本实验主要进行气相CO2的泄漏扩散特性分析，CO2气源可选CO2罐车、杜瓦瓶装CO2以及普通钢瓶装CO2.综合考虑成本及操作的复杂程度等因素，最终选取40 L标准无缝CO2钢气瓶作为实验用CO2的气源，充装容量为16 kg，冬季压力可达4 MPa，标准充装的CO2足以进行一次完整的实验.

电加热减压阀可有效避免因长时间大量输出压缩气体而导致阀体出现冻结失效现象，因此为确保气路系统能够长时间稳定工作，钢气瓶输出口采用电加热减压阀.同时为了进一步稳定泄漏端供气压力，提高系统安全性，在电加热减压阀下游设计一只缓冲设备与电加热减压阀配合使用.缓冲罐容积30 L，最大承受压力1.25 MPa.

2.2 泄放管道及泄漏口

泄放管道选取DN100镀锌钢管用以模拟输气管道.在管道中间焊接泄放口连接管，泄放口连接管通过螺纹与泄放口进行连接，管道一端安装球阀，另一端安装压力表，以便观察管道内部压力，控制实验条件.泄漏口定制加工成不同尺寸和形状的泄漏模块，通过螺纹与泄放口连接管相连接，更换泄放口以达到研究不同的泄漏口对CO2泄漏扩散特性的影响.

3 实验监测系统设计

本实验主要监测实验舱内CO2浓度及温度，在仓内布置CO2浓度传感器及温度传感器，传感器将浓度及温度数据采集及上传至监控台(笔记本电脑)中.利用组态王开发监控界面.

3.1 CO2浓度传感器

当CO2泄漏速率较大时，实验舱内CO2浓度变化相对较快，为了能准确采集到CO2浓度数据，浓度传感器采用COZIR-WX-20%，该传感器生产厂家为英国GSS公司.量程为0～20%，上电稳定时间小于10 s，在数据流模式下每秒采集并上传2次数据，精度为±7‰，输出模式为TTL电平输出，各项参数均能满足实验要求.将COZIR-WX-20%传感器工作模式设置为数据流模式，传感器将以最高采样率进行工作，适合CO2浓度变化较快的场景.温度传感器采用DS18b20，配套采集设备及数据监控软件使用.

3.2 监控系统软件设计

组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点[8-9]，利用组态王对简单的监控系统进行开发可大大降低工作量，提升工作效率.利用组态王自带的SQL函数实现组态王与数据库的连接及存储数据.同时将实时数据以柱状仪表及指针仪表的形式投放至监测画面，以便实时观察实验舱内数据及监控台数据，确保实验期间监控台周围环境安全，监控界面如图5所示.

图5 CO2浓度监测系统

4 实验系统测试

实验系统组装完成后，对系统整体功能进行测试.选取实验要求中最高压力及最低压力分别进行实验，观察实验系统能否正常使用.

选取0.2 MPa及1.0 MPa两种泄漏压力进行测试，持续时间为5分钟，最终测试结果如图6、图7所示.

观察图6、图7实验结果可得，在不同的泄漏压力下，由于CO2受重力作用大于浮力作用而出现沉降现象，下方测点1、3的位置所测浓度高于上方测点2、4位置.由于泄放涡流的影响，舱内气体被混合搅拌，在涡流、重力和浮力的耦合作用下，实验舱内浓度梯度[10]虽存在但并不明显，但实验结果在预期效果之内.

图6 0.2 MPa压力实验数据

在实验过程中整套实验系统的表现比较理想，泄漏端气压始终处于稳定状态，过程中未出现气压下降等现象.监控系统运行正常，监控台附近CO2浓度未出现异常增高，实验人员自身安全可得到保障.整套系统可以满足实验所要求的条件.

图7 1.0 MPa压力实验数据

5 结论

经过测试，此实验系统可满足模拟自然通风室内低压力CO2泄漏实验的要求.但在最大泄漏压力测试实验结束后，CO2钢瓶瓶身出现了结霜现象，并且钢瓶压力开始降低，在缺乏恒温装置及长时间大量泄放CO2的情况下，普通CO2钢瓶将难以继续正常供压，为了应对此现象，目前采用多个钢瓶轮流供气的方法进行连续实验.此方法效率较低，且容易造成浪费现象，若后期出现需要长时间、大流量的CO2泄漏实验时，应更换气源或增加恒温装置.而对于目前所进行的实验，普通CO2钢瓶可以胜任.