CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探討

黃 輝 周 晶 粟科華

中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院

我國(guó)碳排放總量目前已位居世界首位。作為最主要的一種溫室氣體，對(duì)CO2大規(guī)模利用（如驅(qū)油［1－2］、驅(qū)氣［3－4］、壓裂［5］等）和儲(chǔ)存的需求催生了全球特別是歐美地區(qū) CO2輸送管道的發(fā)展［6－8］，而國(guó)內(nèi) CO2輸送管道的建設(shè)尚處于起步階段。

目前，我國(guó)尚未制訂針對(duì)CO2輸送管道的建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。已建或在建CO2輸送管道工程大多參考油氣領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但由于CO2獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，CO2輸送管道與天然氣管道存在較大差別。因此，亟待制訂CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 國(guó)內(nèi)外CO2輸送管道現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外CO2輸送管道工程現(xiàn)狀

國(guó)外CO2輸送管道工程建設(shè)始于20世紀(jì)60年代，早期建設(shè)的管道主要用于將CO2輸往油田進(jìn)行驅(qū)油以提高原油采收率，后期則隨著對(duì)溫室氣體排放的重視，部分管道被用于向地下封存其他裝置產(chǎn)生的CO2以減少碳排放。

目前，國(guó)外CO2輸送管道主要分布在美國(guó)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)CO2輸送管道長(zhǎng)度在2008年就已經(jīng)超過了5 800km，年輸送量5 000×104t，大部分采用超臨界相輸送，以滿足長(zhǎng)距離大輸送量要求。其中，Cortez管道是目前最長(zhǎng)的CO2管道，全長(zhǎng)808km，管徑為762mm，壓力為13.8MPa，年輸氣量為1 930×104t。挪威Snohvit管道則是世界首條海底CO2管道，150km管道位于330m深的海底，輸氣壓力為20 MPa，年輸氣量為70×104t。用于將岸上LNG液化廠生產(chǎn)的CO2返注回油田。國(guó)外主要CO2輸送管道統(tǒng)計(jì)情況見表1。

1.2 國(guó)內(nèi)CO2輸送管道工程現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，我國(guó)的CO2管道輸送技術(shù)起步較晚、規(guī)模小，尚無(wú)成熟的長(zhǎng)距離輸送管道。個(gè)別油田利用自身距CO2氣源點(diǎn)較近的優(yōu)勢(shì)，采用氣態(tài)或液態(tài)將CO2輸送至注入井的井場(chǎng)，達(dá)到提高油田采收率的目的。如大慶、勝利、吉林等油田先后開展了CO2驅(qū)油的工程建設(shè)項(xiàng)目。

國(guó)內(nèi)CO2輸送管道特點(diǎn)：①主要分布在油田周邊，用于CO2驅(qū)油，提高采收率；②輸送距離短、輸量??；③輸送工藝以氣相輸送為主。國(guó)內(nèi)CO2輸送管道相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 國(guó)外主要長(zhǎng)距離 CO2 輸送管道統(tǒng)計(jì)結(jié)果表［6－7，9－10］

表2 國(guó)內(nèi)主要CO2輸送管道統(tǒng)計(jì)表

2 國(guó)內(nèi)外CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國(guó)外CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)際上沒有統(tǒng)一的CO2輸送管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外涉及CO2的管道標(biāo)準(zhǔn)共有4部，其中美國(guó)、歐洲、加拿大在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)增加了有關(guān)CO2的技術(shù)規(guī)定，挪威船級(jí)社編制了《CO2管道的設(shè)計(jì)與操作》DNV－RP－J202，對(duì)CO2管道的設(shè)計(jì)和操作提出了一些基本的建議和要求，但均不涉及工藝計(jì)算、安全距離等內(nèi)容。國(guó)外CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 國(guó)外CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表［11－12］

2.2 國(guó)內(nèi)CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)尚無(wú)涉及CO2管道輸送的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；已建CO2輸送管道工程大多參考GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基于易燃易爆氣體，在防火間距、安全等級(jí)上要求較高，而且未考慮CO2物性對(duì)輸送工藝、管線材質(zhì)、防腐工藝等方面的影響。國(guó)內(nèi)CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 國(guó)內(nèi)CO2管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

3 標(biāo)準(zhǔn)編制的原則和技術(shù)路線

3.1 編制原則

CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的編制，應(yīng)貫徹國(guó)家的有關(guān)法規(guī)和方針政策，統(tǒng)一技術(shù)要求，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。根據(jù)我國(guó)CO2輸送管道發(fā)展現(xiàn)狀，標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為陸上CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)，應(yīng)遵循保護(hù)環(huán)境、及時(shí)吸收采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)、盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案的原則。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容應(yīng)充分考慮CO2與天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)差異，以物性差異帶來的管道設(shè)計(jì)不同為重點(diǎn)，通過規(guī)范計(jì)算方法、警示危險(xiǎn)因素、明確安全措施等手段，來對(duì)CO2輸送管道設(shè)計(jì)建設(shè)過程進(jìn)行指導(dǎo)，以達(dá)到降低建設(shè)投資，增加建設(shè)運(yùn)行過程的安全性，促進(jìn)我國(guó)CO2輸送管道發(fā)展的目的。

3.2 技術(shù)路線

首先應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外工程現(xiàn)狀和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，認(rèn)識(shí)掌握CO2輸送管道的特點(diǎn)和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足之處；然后針對(duì)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，確定哪些問題需要重點(diǎn)研究，哪些問題可以直接采用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于需要重點(diǎn)研究的問題，通過組織技術(shù)力量進(jìn)行攻關(guān)，或吸收利用國(guó)內(nèi)外科研單位的相關(guān)研究成果的方式加以解決。在此基礎(chǔ)上，編寫征求意見稿。經(jīng)過與科研、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行單位結(jié)合討論修改后，最終形成CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 標(biāo)準(zhǔn)需探討的問題

1）標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的相態(tài)范圍。CO2的管道輸送存在氣相、液相、超臨界3種輸送相態(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)編制前需要首先研究相態(tài)與輸送量、管長(zhǎng)的關(guān)系，明確是針對(duì)3種相態(tài)單獨(dú)制訂標(biāo)準(zhǔn)，還是結(jié)合多種輸送相態(tài)編制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2）CO2的純度標(biāo)準(zhǔn)。與天然氣類似，采用管道輸送時(shí)需要對(duì)CO2的純度以及CO2中雜質(zhì)的種類、含量等進(jìn)行規(guī)定，只有當(dāng)氣體組成滿足輸送工藝要求，不發(fā)生相變和堵塞，不含有危害管道和設(shè)備正常運(yùn)行的雜質(zhì)時(shí)才能允許通過管道輸送。

3）確定工藝計(jì)算方法。與常規(guī)油氣管道不同，CO2存在多種輸送相態(tài)，不同相態(tài)間的密度、黏度、比熱等物性相差極大，在特定條件下相態(tài)間能互相轉(zhuǎn)化［13］。因此，需要明確現(xiàn)有的氣液狀態(tài)方程和水力學(xué)方程是否適用于對(duì)應(yīng)相態(tài)下的CO2計(jì)算，并與其他計(jì)算方法對(duì)比計(jì)算精度和計(jì)算難易程度，優(yōu)選出不同相態(tài)下的CO2狀態(tài)方程和水力學(xué)計(jì)算方法，從而對(duì)CO2輸送管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和規(guī)范。

4）研究CO2輸送管道正常運(yùn)行工況下的流動(dòng)保障手段。不論采用何種相態(tài)輸送，CO2對(duì)組分變化和溫壓條件變化均比較敏感。因此，在標(biāo)準(zhǔn)中需要給出相應(yīng)的保障措施，比如增加溫度、壓力、組分傳感器布置密度等。

5）CO2特有的危險(xiǎn)因素。對(duì)在天然氣管道輸送中不會(huì)出現(xiàn)，但CO2管道輸送時(shí)則可能發(fā)生的危險(xiǎn)因素進(jìn)行警示。如超臨界CO2會(huì)溶脹橡膠和塑料導(dǎo)致密封失效，氣相CO2放空時(shí)可能會(huì)形成干冰堵塞管閥件等。

6）CO2輸送管道的經(jīng)濟(jì)性問題。CO2不具有可燃性和爆炸性，僅具有窒息性，比天然氣相對(duì)安全。但國(guó)內(nèi)CO2管道設(shè)計(jì)時(shí)大多參照天然氣管道的安全距離，如某油田CO2輸送管道兩側(cè)的設(shè)計(jì)安全距離即沿用了30m的天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于這一問題，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多種形式，確定適用于CO2輸送管道的安全距離，并在標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)。

7）CO2輸送管道的安全性問題。CO2無(wú)色、無(wú)味，其主要威脅是造成人員窒息、中毒。因此在CO2管道設(shè)計(jì)中應(yīng)采取一些安全措施，如在管道沿線及站場(chǎng)設(shè)置CO2氣體泄漏檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，在管道中加入適量安全臭味劑等方法加以預(yù)防。

5 結(jié)論及建議

1）根據(jù)我國(guó)CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況，建議以國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中CO2有關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，利用國(guó)內(nèi)外CO2輸送領(lǐng)域的研究成果，參照國(guó)內(nèi)的油氣管道標(biāo)準(zhǔn)模式，編制CO2輸送管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2）通過分析研究，建議目前編制的CO2管道標(biāo)準(zhǔn)適用于陸上CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)，適用氣相、液相兩種輸送相態(tài)。隨著超臨界相在國(guó)內(nèi)的建設(shè)與其技術(shù)的發(fā)展，再將其內(nèi)容補(bǔ)充進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)中。

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