含雜質超臨界CO2輸送管道的停輸影響因素

陳 兵，房啟超，白世星

（西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065）

管道輸送作為二氧化碳輸送最經濟的方式，是CCUS技術的重要一環(huán)[1]。 然而在管道運行中，由于管道檢修、泄放等需要，存在必要的停輸過程。 而在CO2臨界點附近，其比熱容、密度等參數存在突變，理化性質存在差異，且不存在明顯界限，呈漸變狀態(tài)，所以稱該區(qū)域為“準臨界區(qū)”[2-4]。 在停輸環(huán)節(jié)，隨時間持續(xù)，超臨界CO2參數將降低，進入準臨界區(qū)。在管道約束下，溫度微小變化導致的CO2體積脹縮，將形成管道及相關管件的震蕩。 這將嚴重威脅管道的安全停輸。

對管道停輸中流體及管道的瞬變特性，國內外學者做了一定的研究。 中國石油大學劉敏[3]以OLGA模擬軟件對管道出口壓力為15MPa、9MPa下的停輸及再啟動過程進行研究， 得到管道各參數變化規(guī)律。 趙青等[2]研究超臨界CO2的準臨界性質，研究密度、比熱容等物性參數在準臨界區(qū)的變化，給出了極性和非極性（弱極性）雜質對CO2準臨界溫度線的影響規(guī)律，建議含不同雜質的CO2流，采用不同的初始溫度、壓力參數。 在此基礎上，他們以HYSYS軟件模擬超臨界純CO2管道的停輸過程， 分析停輸過程參數變化規(guī)律及停輸時間對安全停輸的影響[4]。 然而， 延長油田CCUS技術使用的CO2來源于工業(yè)捕集，雜質含量較大且成分復雜，對含雜質超臨界CO2輸送管道的研究更符合實際。

采用OLGA軟件研究超臨界CO2的管道輸送工藝，已經被證明是科學可行的。 模擬計算德國勞氏石油與天然氣公司密相CO2泄壓試驗， 通過數據對比表明了模擬方法的準確性[5]。 為此本文在對延長油田捕集的含雜質CO2物性研究基礎上，利用OLGA軟件對含雜質超臨界CO2長輸管道停輸工況進行研究。

1 含雜質二氧化碳相態(tài)特征

陳兵等[6]研究了氣體雜質對管輸CO2相態(tài)的影響，給出了含雜質CO2氣流的相圖及對應的密度、粘度、熱導率及壓縮因子等的特征曲線。 選用PR狀態(tài)方程， 采用HYSYS軟件對延長油田捕集到的工業(yè)CO2氣源（表1）進行模擬計算，得到油田含雜質CO2相態(tài)圖（圖1），及其相應的密度特征圖（圖2）。

表1 二氧化碳氣源組成Table 1 Composition of carbon dioxide gas source

圖1 油田實際含雜質CO2相圖Fig. 1 Phase diagram of the CO2 with impurities from Yanchang Oilfield

由圖1知， 模擬計算得油田實際捕集到含雜質CO2的臨界溫度為Tc=30.38℃， 臨界壓力為Pc=7.56MPa。 與 純CO2的 臨 界 參 數 （Tc=31.4℃，Pc=7.38MPa）相比，實際CO2臨界壓力上浮，臨界溫度減小， 且CO2蒸發(fā)及液化對應的泡點曲線與露點曲線分離，產生氣液共存區(qū)。 故輸運含雜質CO2時，為保證管線內CO2流體相態(tài)不變， 需嚴格控制全管線壓力和溫度。

圖2 含雜質的CO2密度圖Fig. 2 Density diagram of the CO2 with impurities from Yanchang Oilfield

圖2為相應含雜質CO2密度圖。 可以看出，同一

壓力下，密度隨溫度增大而減小，較低壓力時，CO2

的密度在35℃左右陡降；相同溫度下，壓力的增大使CO2密度增大， 且越靠近臨界溫度密度變化幅度越大。 在臨界點周圍，CO2密度隨溫度變化劇烈。

表2 CO2輸送管道設定參數Table 2 Parameters set for CO2 pipeline

2 管道停輸的研究

2.1 穩(wěn)態(tài)輸送

在延長油田36萬t/a CO2管道輸送項目基礎上，對采取埋地敷設，全長105km的管線進行模擬。管道基本參數如表2所示，管道模型只設首末站。 模擬計算選用表中加粗數值為控制變量法的選定值。

穩(wěn)態(tài)輸送模擬表明， 在0～105km管道穩(wěn)態(tài)輸送過程中，管內流體壓力與輸送距離呈負相關，輸送初溫幾乎不影響管道壓降，不同初溫下管道壓降均在1.8MPa左右；但是更低的輸送初溫將導致更短的超臨界態(tài)輸送距離。 較小的入口流量或者較大的輸送壓力， 會使CO2管道的壓降越小， 但溫度降低加快，使得CO2在超臨界狀態(tài)的輸送距離減短。

模擬結果中，二氧化碳保持超臨界態(tài)輸送的距離在15km左右，為此，結合36萬t/a CCUS項目工程實際工況， 本文模擬研究中， 選取CO2停輸管長為15km。

2.2 管道停輸

建立如圖3所示的管道停輸模型， 包含入口流量模塊、管線、出口壓力模塊和截止閥。 據表2設定所需溫度、流量、壓力等參數，并輸入管道長度、內徑、粗糙度和總傳熱系數等。

圖3 管道停輸模型Fig. 3 Pipeline shutdown model

選定管道出口壓力為13.95MPa，模擬管線的停輸。 為研究管道停輸規(guī)律，選取管道上前、中、后3個節(jié)點。 節(jié)點位置為距管道入口端0.001km，7.5km和14km。模擬1h穩(wěn)態(tài)輸送后，進行5h停輸的過程，其中管道截止閥在1min內關停。

圖4 停輸前期各節(jié)點參數變化Fig. 4 The change of node parameters in the early stage of shutdown

由圖4可以看出， 停輸前期， 管線壓力呈現波動，但很快趨近同一值，這是因為停輸中減壓波的速度極快。 截止閥關閉后，壓力波、流體往復運動，出現水擊現象。 水擊過程將會對管道及相應附屬管件造成沖擊，甚至出現管道震蕩，威脅管道安全停輸。 停輸前期，水擊現象引發(fā)7.5km節(jié)點處約0.5h的流量波動。

在管道停輸中，因為超臨界CO2密度大，保證了管道內沒有形成沿線壓力低于再次平穩(wěn)時的“壓力過減”現象。 停輸5h 后，各節(jié)點最終壓力為13.42MPa，且呈下降趨勢，管段出口端溫度下降為38.7℃，為全管段最低溫度，但CO2未達到準臨界區(qū)。

延長停輸時間， 以研究管內CO2達到準臨界區(qū)的變化。 在停輸時間達41h時，穩(wěn)態(tài)輸送中溫度降低最大的14km節(jié)點處，CO2降溫加快，流量、壓力出現往復變動，CO2達到準臨界區(qū)，管內同時發(fā)生流量脈動與壓力脈沖。 其結果如圖5～圖7。 由此可得，隨管道停輸延續(xù)，管內CO2會達到準臨界區(qū)，并引發(fā)脈動沖擊，出現一定回流現象。

圖5 45℃時14km節(jié)點處39～43h時溫度隨時間變化規(guī)律Fig. 5 Temperature vs time in 39-43 hours at 14 km node and 45℃

圖6 45℃時14km節(jié)點處壓力隨時間變化規(guī)律Fig. 6 Pressure vs time at 14km node and 45℃

圖7 45℃時14km節(jié)點處流量隨時間變化規(guī)律Fig. 7 Flow rate vs time at 14km node and 45℃

3 停輸的影響因素

超臨界CO2管道停輸時， 隨時間推移，CO2逐步達到準臨界區(qū)。 引發(fā)的壓力脈沖和流量脈動，成為管道設備的安全隱患。 不同的初始輸送條件下，管線沿程變化不同。 為保證管道內流體不會達到準臨界區(qū)，以CO2輸送的初始溫度和初始流量為變量，研究對管道停輸的影響。 因管道停輸時，管道末端流體溫降最大，容易達到準臨界區(qū)，故選取14km節(jié)點處進行分析。

3.1 初始溫度

不改變其他參數， 研究入口初始溫度的影響。模擬得出14km節(jié)點處流體達到準臨界區(qū)的時間，分析壓力、流量的變化規(guī)律。 結果如圖8～圖11和表3所示。 本文僅展現CO2達到準臨界區(qū)的部分。

圖8體現14km處不同輸送初溫下節(jié)點溫度的逐時變化。 結合圖11可知，不同初始輸送溫度下，溫度變化趨勢相似，隨停輸的延續(xù)，CO2逐漸達到準臨界區(qū)。越低的輸送初溫使14km節(jié)點處溫度越快降到準臨界區(qū)。 模擬表明，45℃、50℃、55℃、60℃的四種輸送溫度CO2達到準臨界區(qū)的時間對應為41h、41.5h、42h和43h。

圖8 不同初溫下14km處溫度隨時間變化規(guī)律Fig. 8 Temperature vs time at 14km at different initial temperatures

圖9 60℃時14km處壓力隨時間的變化規(guī)律Fig. 9 Pressure vs time at 14 km and 60℃

圖10 60℃時14km處流量隨時間的變化規(guī)律Fig. 10 Flow rate vs time at 14km and 60℃

圖11 不同初溫下相態(tài)變化規(guī)律Fig. 11 Phase state change diagram at different initial temperatures

表3 不同初始溫度下壓力、流量脈動峰值Table 3 Peak values of pressure and flow pulse at different initial temperatures

圖9為60℃時14km節(jié)點處壓力的逐時變化。 在43h時，節(jié)點處產生壓力脈動，發(fā)生時間與溫度降到準臨界區(qū)的時間相同，其主要危害是對管壁持續(xù)的往復壓應力載荷。 圖10為60℃時14km節(jié)點處流量的逐時變化。 可見，質量流量存在與壓力相似的脈動規(guī)律，流量發(fā)生脈動的時間也為溫度降到準臨界區(qū)的時間，其主要危害體現在流體對管壁、彎頭等附屬設備的流動沖擊。 結合表3，不同初始溫度下，達到準臨界區(qū)的CO2管道均會發(fā)生壓力、流量脈動，但這種脈動的幅度較小，不同初始溫度下的最大壓力值未超過管道15MPa的承壓能力， 未對管道安全形成威脅。 故CO2管道停輸，可不考慮準臨界區(qū)流體性質變化帶來的危害。

因而， 更低的入口輸送溫度會導致CO2流體更早達到準臨界區(qū)，從而產生管內流量脈動、壓力脈動的時間更早。 但入口初始溫度對脈動峰值的影響較小，不同溫度下的壓力、流量脈動峰值相差較小。

3.2 輸送流量

不同輸送流量下， 管道輸送時沿程溫降不同。越大的輸送流量下，管道散熱速率也越慢。 因而停輸管道的不同位置處溫度各異。以9.52kg/s、11.9kg/s、14.28kg/s的三個輸送流量為變量，研究14km節(jié)點處停輸期間的壓力、流量的變化。 計算結果展現CO2達到準臨界區(qū)的變化，如圖12～圖15和表4所示。

圖12 不同流量下38～45h時溫度隨時間變化規(guī)律Fig. 12 Temperature vs time in 38-45 hours at different flow rates

圖13 11.9kg/s流量下壓力隨時間的變化規(guī)律Fig. 13 Pressure vs time at flow rate of 11.9kg/s

圖15 不同流量下相態(tài)變化規(guī)律Fig. 15 Phase state change diagram at different initial flow rates

表4 不同初始流量下壓力、流量脈動峰值Table 4 Peak values of pressure and flow pulse at different initial flow rates

圖12為各個初始流量下溫度的逐時變化。 可以看出，同一時刻不同輸送流量下，管內流體溫度不同，流量越大對應的溫度越高。 結合圖15，隨停輸延續(xù)，溫度會降到準臨界區(qū)；越低的輸送流量，對應的CO2流體溫度越早達到準臨界區(qū)。 對應于初始流量為9.52kg/s、11.9kg/s和14.28kg/s，CO2達到準臨界區(qū)的時間在40h、41h和42.5h。

圖13展示11.9kg/s流量下，14km處壓力的逐時變化。結合圖12，隨停輸的延續(xù)，CO2會達到準臨界區(qū)并引起管內壓力脈沖， 且壓力脈沖幾乎與溫度降到準臨界區(qū)同時發(fā)生。 更小的初始流量， 導致更低的溫度，達到準臨界區(qū)與發(fā)生壓力脈沖更早，形成對管壁的壓應力載荷。 圖14表示11.9kg/s流量下，節(jié)點質量流量的逐時變化。隨著溫度降到準臨界區(qū)，引起質量流量的脈動，對軸向管道及設備形成往復流動沖擊。但由表4可見，不同的初始流量下，達到準臨界區(qū)的CO2只引起小幅度的壓力、流量脈動，最大壓力值也沒超過15MPa的管道承壓能力，不會形成大的危害。

綜上，越小的初始流量，使管內CO2越早達到準臨界態(tài)，從而引發(fā)流體脈動。 不同初始流量，均引起壓力、流量較小幅度的脈動，但流量大小對脈動峰值的改變有限，對管道不形成較大危害。

4 結論

（1）由初始參數敏感性分析，不同工況的穩(wěn)態(tài)輸送中，超臨界態(tài)與密相態(tài)分界點約為15km左右，即對于延長油田的實際生產，最長停輸距離可選為15km。

（2）對于延長油田含雜質超臨界CO2管道，模擬研究發(fā)現停輸過程中， 超臨界CO2達到準臨界區(qū)的時間在40 h以上，與超臨界純CO2不同。

（3）在停輸過程中，不同溫度、流量的初始參數下，隨流體達到準臨界區(qū)，均會發(fā)生輸送參數的脈動。 初始溫度越低、流量越小，CO2流達到準臨界區(qū)、發(fā)生波動的時間越早。 但是，CO2密度變化引發(fā)的壓力脈沖、流量脈動幅度較小，沒有超出管道安全承載能力，所以，超臨界CO2的停輸不需要考慮CO2相態(tài)變化引起的脈動沖擊危害。