二氧化碳輸送工藝分析

梁海寧，邵長彬

1. 中石化石油工程設計有限公司；2. 勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000

一、概述

全球氣候變暖是由于溫室氣體排放到大氣中引起的，而CO2在其中占了非常重要的作用。據國際Wirtschaftsforum再生能源（IWR）組織發(fā)布的報告，2009年全球CO2排放量313×108t，其中中國CO2排放量為74.3×108t，居世界第一位。同時，中國政府鄭重承諾：2020年比2005年單位GDP的CO2排放強度要下降40%~45%。因此CO2的處理和利用方式引起了人們的廣泛關注。其中，將CO2捕集、運輸后注入地下油藏是一種有效的方式。這種方法不僅可以將CO2變廢為寶，保護環(huán)境，而且可以開發(fā)石油資源，提高原油采收率。

CO2的輸送方式分為管道輸送、輪船輸送以及槽車輸送3種。這3種輸送方式分別適用于不同的條件和場合。管道輸送適合大容量、長距離、負荷穩(wěn)定的定向運輸；輪船運輸適合大容量、超遠距離的海上運輸；槽車運輸適合中短距離、小容量的運輸。而對于勝利電廠百萬噸CO2項目，年最大輸量100×104t，總長度80km，且定向運輸到純梁采油廠，因此利用管道輸送較為合適。作為目前國內規(guī)模最大的CO2管道輸送項目，相關安全輸送長度和最大輸量的研究較少。本文針對此項工程，利用PIPEPHASE軟件，研究分析了不同的管徑、入口溫度和設計壓力對安全輸送長度和最大輸量的影響，旨在為今后的設計研究工作提供一定的基礎。

二、大規(guī)模管道長輸CO2技術發(fā)展現狀

CO2管道自上世紀70年代起，開始在氣驅采油工業(yè)中應用。世界上約有6 000km的CO2管道，其總輸量達到150Mt/a，其中大部分CO2管道位于美國，其他分部在加拿大、挪威和土耳其。我國的CO2管道輸送技術起步較晚，尚無成熟的長距離輸送管道，國內已見報道的僅有大慶油田在薩南東部過渡帶進行的CO2-EOR先導性試驗中所建的6.5kmCO2輸送管道，用于將大慶煉油廠加氫車間的副產品CO2低壓輸送至試驗場地。此外，個別油田利用自身距CO2氣源點較近的優(yōu)勢，采用氣態(tài)或液態(tài)管道輸送CO2至注入井井場，達到提高油田采收率的目的，如江蘇油田、吉林油田等。

圖1 不同管徑和地溫下CO2安全輸送距離

圖2 不同管徑和地溫下CO2最大輸量

三、CO2輸送管道計算與分析

勝利電廠捕集后的CO2含有99.492%的CO2、0.480%的N2、0.027%的SO2和0.001%的H2O，年工作時間為8 000h，計算過程中采用PR狀態(tài)方程進行CO2的PVT性質計算。

?1.管徑的影響

管徑對CO2輸送管道的安全輸送距離和最大輸量起著至關重要的作用，因此應選擇合理的管徑。影響管徑的因素很多，如流量、單位長度的壓降、CO2的物性參數、高程的變化等。

(1)安全輸送距離

勝利勘察設計研究院

圖3 不同入口溫度和地溫下CO2安全輸送距離

圖4 不同入口溫度和地溫下CO2最大輸量

固定進口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，輸量120×104t/a，年工作時間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時，考察兩種典型地溫下不同管徑對安全輸送長度的影響。不同管徑和地溫下CO2管道安全輸送距離見圖1所示。

從圖中可以看出，在一定的輸量下，隨著管徑的增大，CO2管道的安全輸送距離逐漸增大，這是因為管徑越大，相同輸量下流速越小，沿程摩阻也就越小，所以同樣的輸量下安全輸送距離越長。不同管徑的安全輸送長度差距很大，在管徑為D200mm時，安全輸送長度為65km，而在管徑為D350mm時，安全輸送距離可達到1 200km。但是，管徑增大會增加管道的建設成本，因此，要綜合分析，選擇工藝上可行并且經濟性較好的管徑。此外，同一管徑在不同地溫下的安全輸送長度差別不大，只是地溫為5℃時的安全輸送長度比地溫為25℃時略有增加。

(2)最大輸量

固定入口溫度20℃，進口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管道長度為80km，考察兩種典型地溫下不同管徑對最大輸量的影響。

從圖中可以看出，隨著管徑的增大，CO2最大輸量逐漸增大，此外，不同地溫下輸送時對相同管徑下最大輸量影響不大，兩條曲線基本重合，地溫為5℃時的最大輸量比地溫為25℃時的略有增加。

2.CO2入口溫度的影響

(1)安全輸送距離

固定進口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，輸量120×104t/a，年工作時間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時，考察兩種典型地溫下不同的入口溫度對安全輸送長度的影響。不同入口溫度和地溫下CO2的安全輸送距離如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著CO2入口溫度的升高，安全輸送的距離逐漸減小，并且入口溫度每升高10℃，安全輸送距離減小10km左右。與地溫為25℃相比，地溫為5℃時的安全輸送距離較大。入口溫度低于40℃時，同樣的入口溫度下，地溫為5℃的最大安全輸送距離比地溫為25℃增大5km左右；而當溫度高于40℃時，地溫為5℃的最大安全輸送距離比地溫為25℃增大15km左右。這表明地溫越低安全輸送距離越遠。綜上所述，低溫入口輸送和較低的地溫均有利于增加安全輸送距離，在長距離輸送時可以減少中間加壓站的數量，但是入口溫度較低時會增加冷卻的費用，因此要通過經濟對比選擇合適的入口溫度輸送。

(2)最大輸量

固定進口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，管道長度為80km，考察兩種典型地溫下不同入口溫度對最大輸量的影響（圖4）。

從圖中可以看出，隨著CO2入口溫度的升高，最大輸量逐漸減小。當入口溫度低于40℃時，入口溫度每升高10℃，最大輸量減小4×104t/a左右；當入口溫度高于40℃時，入口溫度每升高10℃時，最大輸量減小10×104t以上。這表明CO2在低溫輸送時最大輸量較大，同時溫度超過40℃時，入口溫度的升高引起最大輸量的降低幅度較大，因此在輸送時入口溫度應盡量低于40℃。此外，地溫為5℃時的最大輸量比地溫為25℃時的最大輸量要大，這表明地溫較低時有利于CO2的輸送。綜上所述，較低入口溫度和地溫有利于增加管道最大輸量，這一規(guī)律與安全輸送距離的結論一致。

3.設計壓力的影響

(1)安全輸送距離

固定管徑D250mm，管道入口溫度20℃，出口壓力8.0MPa，輸量為120萬t/a，年工作時間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時，考察兩種典型地溫下不同設計壓力對安全輸送長度的影響。不同設計壓力和地溫下CO2的安全輸送距離見圖5所示。

從圖中可以看出，隨著設計壓力的升高，安全輸送的距離逐漸增大，當設計壓力高于12MPa時才能輸送80km以上，這表明壓力的升高有利于增加CO2安全輸送距離，并且每升高1MPa，安全輸送距離增加14km左右。此外，與地溫為25℃相比，地溫為5℃時的安全輸送距離較大，并且壓力越高時，不同的地溫影響越明顯。綜上所述，高壓輸送有利于增加安全輸送距離，在長距離輸送時可以減少中間加壓站的數量，延長安全輸送長度，但壓力較高時增加管道投資等費用，因此要通過工藝分析和經濟對比選擇合適的壓力輸送。

(2)最大輸量

固定管徑D250mm，管道長度為80km，進口溫度為20℃，出口壓力8.0MPa，考察兩典型地溫下不同設計壓力對最大輸量的影響（圖6）。

從圖中可以看出，隨著CO2入口壓力的升高，最大輸量逐漸增大，當入口壓力低于11MPa時，最大輸量低于120萬t/a，當入口壓力高于11MPa時，每增加1MPa，最大輸量增加14萬t左右，這表明CO2的高壓輸送時最大輸量較大。此外，不同地溫下輸送時對相同壓力下安全輸送長度影響不大，只是地溫為5℃時的最大輸量比地溫為25℃時的略有增加。

四、結論

由以上分析結果可知，增大管徑、提高設計壓力、減小入口溫度均可以增加安全輸送長度和最大輸量，這為今后設計中溫度、壓力和管徑的選取提供一定的依據，但是這些都會增加工程費用，因此在設計中要根據整個系統(tǒng)的實際情況進行綜合分析和評價，以確定最優(yōu)輸送方案。

圖5 不同設計壓力和地溫下CO2安全輸送距離

圖6 不同設計壓力和地溫下CO2最大輸量

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