CO2管道輸送工藝技術(shù)研究

陸爭(zhēng)光

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

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CO2管道輸送工藝技術(shù)研究

陸爭(zhēng)光1，2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

摘要：我國(guó)的CO2排放量已居世界首位，碳減排壓力巨大。為了控制溫室氣體的排放，CO2捕捉與封存技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)，CO2管道輸送相關(guān)的工藝技術(shù)也備受關(guān)注?；诩僀O2物性以及管輸CO2中雜質(zhì)的種類與含量，分析了管輸CO2中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)其混合物性產(chǎn)生的影響規(guī)律；從管輸相態(tài)選擇、總體管輸工藝、管輸CO2雜質(zhì)預(yù)處理、設(shè)計(jì)壓力和流動(dòng)安全保障等方面，探討了國(guó)內(nèi)外CO2管道輸送工藝技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)我國(guó)CO2管道輸送研究提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：CO2管道；物性；相態(tài)；工藝技術(shù)

為了控制溫室氣體的排放，CO2捕捉與封存技術(shù)(CCS)已被我國(guó)列入科技減排重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃。將CO2回注油氣藏不僅可以解決CO2封存問題，還可以提高油氣采收率，從而達(dá)到環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益雙贏[1-2]。當(dāng)CO2氣源與油氣藏距離較遠(yuǎn)時(shí)，一般需要采用管道輸送，而CO2管道輸送與天然氣管道輸送特性差別較大；因此，CO2管道輸送相關(guān)技術(shù)研究備受關(guān)注[3]。為此，本文基于純CO2物性與管道輸送CO2物性的分析，結(jié)合國(guó)外CO2管道輸送技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，全面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的CO2管道輸送工藝與技術(shù)，并對(duì)我國(guó)CO2管道輸送研究提出了相應(yīng)的建議。

1純CO2與管道輸送CO2物性

1.1純CO2物性

CO2管道輸送的相態(tài)有3種：氣態(tài)、液態(tài)及超臨界狀態(tài)。目前，世界上大多數(shù)CO2管道采用超臨界狀態(tài)輸送工藝，運(yùn)行溫度>31.1 ℃，運(yùn)行壓力>7.3 MPa。

處于超臨界狀態(tài)下的純CO2為單一相態(tài)流體，兼有氣體和液體的部分屬性，其物性具有非常規(guī)流體特性與變化規(guī)律，主要包括如下幾點(diǎn)[4-6]。

1)密度與液體相近，隨著單因素壓力的增大或溫度的減小，密度會(huì)呈現(xiàn)線性增大，但≤1 200 kg/m3。當(dāng)處于臨界點(diǎn)附近時(shí)，CO2密度會(huì)隨著壓力或溫度的小幅變化而發(fā)生突變。

2)黏度較小，與氣體比較相似。在相同壓力條件下，CO2黏度會(huì)隨著溫度的升高，先緩慢降低后增大，且在臨界點(diǎn)附近也會(huì)發(fā)生突變。

3)對(duì)乙烯/丙烯共聚物橡膠等多種常用橡膠具有很好的溶解性，是工業(yè)上優(yōu)良的溶劑。

1.2管道輸送CO2物性

相關(guān)研究表明，管道輸送CO2中的雜質(zhì)含量對(duì)管道完整性管理、流動(dòng)保障、管道運(yùn)行以及HSE均有不可忽視的影響，具體影響總結(jié)分析如圖1所示。因此，在進(jìn)行管道水力和熱力計(jì)算之前，應(yīng)充分掌握管道輸送CO2的物性及其變化規(guī)律。

圖1　管道輸送CO2中雜質(zhì)的影響

目前，世界上大多數(shù)CO2捕捉的氣源來(lái)自電廠，CO2捕捉方式主要包括燃燒前捕捉、燃燒后捕捉以及富氧燃燒捕捉等3種。管道輸送CO2中雜質(zhì)的種類和含量主要取決于捕捉工藝、捕捉技術(shù)以及電廠使用的能源；此外，電廠當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保法律規(guī)范和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)管道輸送CO2中雜質(zhì)的種類和含量均會(huì)有一定的限制或影響。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)歸納捕捉電廠CO2氣源的組成見表1。

表1　不同捕捉方式下的CO2氣源組成　(%)

由表1可知，不同捕捉方式下的CO2氣源雜質(zhì)較多，且CO2氣源純度存在一定的差異，其中，富氧燃燒捕捉的CO2氣源純度波動(dòng)范圍最大，其次是燃燒前捕捉，燃燒后捕捉的CO2氣源的純度波動(dòng)較小，且純度中位值最高。此外，管道輸送CO2中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)其混合物性產(chǎn)生一定的影響，主要包括如下幾點(diǎn)。

1)臨界溫度和壓力高/低于純CO2的雜質(zhì)會(huì)使得管道輸送CO2的臨界溫度增高/降低，并在純相圖上/下方形成兩相區(qū)。

2)SOX、NOX及H2S雜質(zhì)會(huì)使管道輸送CO2的密度增大，其余雜質(zhì)則會(huì)使管道輸送CO2的密度降低，其中，H2對(duì)管道輸送CO2的密度影響最大。此外，臨界溫度與壓力比純CO2低/高的雜質(zhì)還會(huì)使密度突變處的壓力升高/降低。

3)臨界溫度與壓力比純CO2高/低的雜質(zhì)會(huì)使管道輸送CO2的黏度增大/減小。在氣相區(qū)，雜質(zhì)對(duì)管道輸送CO2的黏度影響較小，而在超臨界區(qū)，雜質(zhì)對(duì)管道輸送CO2的黏度影響很大。

2CO2管道輸送工藝技術(shù)

2.1管道輸送相態(tài)的選擇

相關(guān)研究表明，超臨界輸送適用于長(zhǎng)距離、大規(guī)模CO2管道，其最遠(yuǎn)輸送距離隨著管道輸量的增加而減?。粴鈶B(tài)與液態(tài)輸送適用于短距離、小規(guī)模CO2管道，其最遠(yuǎn)輸送距離相對(duì)較小，隨著管道輸量的增加，最遠(yuǎn)輸送距離先增大后減小。目前，世界上大多數(shù)CO2管道采用超臨界輸送，但管道輸送相態(tài)的選擇與CO2氣源具體情況、管道輸送距離、規(guī)模以及沿線環(huán)境等均有關(guān)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各相態(tài)下的綜合運(yùn)輸成本來(lái)決定最佳的輸送方式。

此外，管道輸送CO2建議設(shè)計(jì)為單相流流動(dòng)[7]，避免出現(xiàn)兩相區(qū)，主要原因如下：1)當(dāng)管道沿線壓力降低至飽和蒸汽壓以下時(shí)，管道中會(huì)形成氣泡，氣泡在管道沿線中可能會(huì)形成湍流，對(duì)管道及設(shè)備產(chǎn)生損壞，進(jìn)入壓縮機(jī)后，在高壓區(qū)氣泡會(huì)急劇收縮、凝結(jié)，對(duì)泵葉輪等產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊；2)兩相流的壓降和物性變化規(guī)律比較難以掌握，增加了管道運(yùn)行操作的難度；3)相對(duì)于超臨界輸送，管道輸送過(guò)程中兩相區(qū)的出現(xiàn)會(huì)降低管道輸量。

2.2管道輸送工藝技術(shù)

由于超臨界CO2管道輸送的應(yīng)用范圍較廣，更加經(jīng)濟(jì)，在此著重介紹超臨界CO2管道輸送方面的工藝與相關(guān)技術(shù)，主要從總體管道輸送工藝、管道輸送CO2雜質(zhì)預(yù)處理、設(shè)計(jì)壓力和流動(dòng)安全保障等方面進(jìn)行總結(jié)分析。

2.2.1總體管道輸送工藝

CO2氣源經(jīng)過(guò)預(yù)處理、脫水處理后，先進(jìn)行壓縮機(jī)增壓，然后液化。由于超臨界CO2輸送過(guò)程中壓力、溫度均會(huì)下降，可能進(jìn)入密相或兩相區(qū)，因此，在CO2長(zhǎng)輸管道中應(yīng)設(shè)置中間增壓站、加熱站，保持其超臨界輸送狀態(tài)運(yùn)行。

與常規(guī)輸油氣管道不同，CO2長(zhǎng)輸管道首站一般為壓縮機(jī)增壓站，中間增壓站為泵站。此外，CO2長(zhǎng)輸管道還可以根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的清管站、分輸站及計(jì)量站。輸送至管道末端時(shí)，管道末站應(yīng)當(dāng)根據(jù)CO2回注的要求調(diào)節(jié)壓力。

2.2.2管道輸送CO2雜質(zhì)預(yù)處理

鑒于管道輸送CO2中含有的雜質(zhì)對(duì)管道輸送物性等影響較大，借鑒現(xiàn)役CO2管道的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出管道輸送CO2雜質(zhì)預(yù)處理的相關(guān)指標(biāo)建議，主要有如下幾點(diǎn)[8-9]。

1)H2S含量≤0.02%。由于H2S屬于有毒氣體，且容易與自由水結(jié)合進(jìn)而腐蝕管道，出于健康和安全的考慮，建議至少將H2S含量限制在<0.02%。當(dāng)管道穿越區(qū)人口密度較大時(shí)，還應(yīng)當(dāng)按照情況調(diào)低限制含量。

2)含水量≤0.5 g/m3，且在管道輸送過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)自由水。一方面，H2O容易與H2S、CO2發(fā)生交互作用，腐蝕管道和設(shè)備；另一方面，管道中出現(xiàn)自由水還可能會(huì)形成水合物，堵塞甚至破壞管道和設(shè)備。當(dāng)雜質(zhì)含量較多時(shí)，還應(yīng)重新考慮含水量的指標(biāo)限制。

3)N2、H2、CH4、O2及Ar的總含量≤4%。N2、H2、CH4、O2及Ar均屬于非可凝氣體，會(huì)減小管道輸送能力，增加管道輸送過(guò)程中相變控制難度，提高管道設(shè)備的承壓要求，因此，出于運(yùn)行操作方面的考慮，應(yīng)當(dāng)將這些非可凝氣體的總含量控制在<4%。

4)CO、NOX和SOX含量分別≤0.2%、0.01%和0.01%。CO是可燃的有毒氣體，會(huì)對(duì)人體造成較大的傷害甚至死亡。NOX、SOX均屬于酸性氣體，可以與H2O、O2發(fā)生交互作用，進(jìn)而對(duì)管道和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。

5)管道輸送CO2中的雜質(zhì)總含量≤4.5%，即管道輸送CO2純度≥95.5%。由雜質(zhì)對(duì)管道輸送CO2物性等的影響分析可知，雜質(zhì)含量較多會(huì)導(dǎo)致管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行的不確定性較大，減小管道輸送能力，不利于管道的安全操作運(yùn)行，因此，需要對(duì)雜質(zhì)總含量加以限制。

2.2.3管道輸送CO2設(shè)計(jì)壓力

國(guó)外CO2長(zhǎng)輸管道一般采用超臨界單相輸送方式。為了保持其單相輸送，國(guó)外學(xué)者總結(jié)認(rèn)為，管道輸送設(shè)計(jì)壓力應(yīng)≥8.3 MPa，一般取值為16～20 MPa，且用于EOR的管道末端壓力應(yīng)保持在>13.95 MPa。國(guó)外部分超臨界管道的設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)[10]見表2。在表2中，Central Basi管道外徑和設(shè)計(jì)壓力沿線分為4個(gè)等級(jí)；Weyburn管道外徑沿線分為2個(gè)等級(jí)，設(shè)計(jì)壓力為20.4 MPa。

表2　國(guó)外部分超臨界管道參數(shù)

2.2.4流動(dòng)安全保障

為了盡可能減少腐蝕、避免管道輸送過(guò)程中的相變和水合物形成，應(yīng)計(jì)算掌握管道沿線的氣質(zhì)、流體溫度、壓力以及流量，因此，選取合理的水力、熱力計(jì)算公式至關(guān)重要。

由于超臨界CO2屬于低黏度、高密度和可壓縮液體，相對(duì)于沿程摩阻引起的壓力變化，高程變化引起的壓力變化可能更大，因此，選取的水力計(jì)算公式應(yīng)考慮超臨界CO2的特殊物性以及高程差。本文推薦美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)給出的水力計(jì)算公式[11]：

式中，Q是超臨界CO2管道的標(biāo)態(tài)流量，單位為m3/d；TB、Tpj分別是基本溫度、管道的平均溫度，單位為K；PB、PQ、PZ和Ppj分別是基本壓力、管道的起點(diǎn)壓力、終點(diǎn)壓力和平均壓力，單位為kPa；ΔH、L分別是管段高程差、管段長(zhǎng)度，單位為m；ρ是超臨界CO2管道的標(biāo)態(tài)密度，單位為kg/m3；Z是超臨界CO2的壓縮因子；D是管段內(nèi)徑，單位為mm。

相對(duì)于常規(guī)天然氣管道，超臨界CO2管道的熱力計(jì)算公式還應(yīng)考慮流體密度突變的影響，推薦相應(yīng)的熱力計(jì)算公式如下：

式中，TQ、TZ和TG分別是管道的起點(diǎn)溫度、終點(diǎn)溫度和周圍土壤溫度，單位為K；JT是焦耳湯姆遜系數(shù)，單位為K/kPa；K是傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·℃)；CP是流體比熱容，單位為J/(g·℃)。

3對(duì)我國(guó)CO2管道輸送研究的建議

目前，國(guó)外CO2管道里程大約為6 000 km，其中大部分管道位于美國(guó)，其余分布于挪威、阿爾及利亞、土耳其以及匈牙利，初步建立了比較成熟的CO2管道輸送設(shè)計(jì)體系，積累了豐富的建設(shè)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。然而，我國(guó)在CO2管道建設(shè)運(yùn)行方面尚處于空白階段，CO2管道輸送技術(shù)相對(duì)薄弱。

因此，借鑒國(guó)外CO2管道輸送工藝與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)輸油氣管道工藝與技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)CO2管道輸送研究提出了如下幾點(diǎn)建議：1)管道輸送CO2中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)管道輸送CO2物性產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)當(dāng)充分研究掌握雜質(zhì)種類與含量對(duì)管道輸送CO2物性的定性與定量影響，并逐步建立管道輸送CO2組分含量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；2)應(yīng)結(jié)合本國(guó)國(guó)情，根據(jù)氣源、輸送距離等具體情況，研究選擇經(jīng)濟(jì)合理的輸送方式，而不是依靠經(jīng)驗(yàn)選取常用的超臨界輸送方式；3)國(guó)外研究雖然建立了較多的CO2管道輸送經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型，但是經(jīng)濟(jì)評(píng)估相差較大，我國(guó)可以借鑒其模型考慮的CO2非常規(guī)管道輸送特性、國(guó)內(nèi)輸油氣管道的經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法，建立初步的經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型；4)國(guó)外采用的CO2管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)主要有ANXI/ASME B31.8、CSA-Z662-07等，但沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建議我國(guó)開展研究CO2管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)輸油氣管道標(biāo)準(zhǔn)之間可能存在的差異，進(jìn)而通過(guò)完善已有標(biāo)準(zhǔn)，為今后的CO2管道設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論。

1)超臨界狀態(tài)下的純CO2兼有液態(tài)和氣態(tài)的一些屬性，其密度、黏度等物性具有非常規(guī)流體特性與變化規(guī)律。

2)管道輸送CO2的雜質(zhì)種類和含量與其捕捉工藝、捕捉技術(shù)以及電廠使用的能源有關(guān)，對(duì)管道輸送混合物性的影響較大。

3)管道輸送CO2相態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)以及超臨界，其選擇與CO2氣源具體情況、管道輸送距離、規(guī)模以及沿線環(huán)境等有關(guān)，應(yīng)根據(jù)綜合運(yùn)輸成本來(lái)決定優(yōu)選輸送方式。

4)超臨界CO2管道輸送工藝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，主要包括總體管道輸送工藝、管道輸送CO2雜質(zhì)預(yù)處理、設(shè)計(jì)壓力和流動(dòng)安全保障。我國(guó)應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)外CO2管道輸送工藝技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，不斷研究開發(fā)符合我國(guó)國(guó)情的輸送工藝技術(shù)。

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責(zé)任編輯鄭練

Research on CO2Pipeline Transportation Technology

LU Zhengguang1,2

(1.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, Beijing 102249, China; 2.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China)

Abstract：At present, the carbon dioxide emissions in China have been ranked first in the world, which leads to enormous pressure on carbon emissions. In order to control the emission of greenhouse gases, CO2 capture and geological storage technology has been developed rapidly, so also largely concern on CO2 pipeline transportation technology. Based on the pure CO2 property and the impurity, deeply analyz the effect of CO(2 )impurity on the property of the mixture CO(2 )in the pipeline. Then, introduce the current situation of CO2 pipeline transportation technology development worldwide in such aspect as phase selection, overall transportation system, impurity pretreatment, design pressure and flow assurance. Besides, analyze the problems and relative advices in CO2 pipeline transportation technology research in China.

Key words:CO2 pipeline, property, phase, transportation technology

收稿日期：2015-10-09

作者簡(jiǎn)介：陸爭(zhēng)光(1991-)，男，碩士研究生，主要從事油氣長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A