中石化二氧化碳管道輸送技術(shù)及實踐

陳霖中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營257026

中石化二氧化碳管道輸送技術(shù)及實踐

陳霖
中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營257026

二氧化碳管道輸送是保證碳源與碳匯合理匹配的關(guān)鍵，在碳捕集、利用與封存項目中起著重要的作用，但二氧化碳管道輸送技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。主要介紹了中石化近幾年在二氧化碳管道輸送方面，包括管輸工藝、安全泄放、管材斷裂韌性指標(biāo)、基于地理信息數(shù)據(jù)的二氧化碳管道設(shè)計與優(yōu)化、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制等方面取得的一些成果；還對進(jìn)行了前期研究設(shè)計工作的3項二氧化碳輸送工程進(jìn)行了說明，為行業(yè)內(nèi)開展相似的研究工作提供參考和借鑒。

二氧化碳；管道輸送；中石化；碳捕集與封存

隨著近期我國能源政策與結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，天然氣的消費量將有較大增長，同時煤化工、發(fā)電等行業(yè)也有較多的二氧化碳排放。加強碳排放監(jiān)管，減少工業(yè)過程的碳排放，不僅要對二氧化碳源頭進(jìn)行碳捕集，更重要的是實現(xiàn)碳封存，而大規(guī)模碳源與碳匯的合理匹配離不開二氧化碳管道輸送。本文將從管輸工藝、安全泄放、斷裂韌性以及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和工程實例等幾個方面介紹中石化近幾年在二氧化碳管道輸送方面取得的主要成果，為行業(yè)內(nèi)開展相似的研究工作提供參考和借鑒。

1 二氧化碳管道輸送概況

二氧化碳的輸送狀態(tài)主要是氣態(tài)、超臨界狀態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。從大規(guī)模運輸?shù)目尚行詠砜?，流體態(tài)（氣態(tài)、超臨界狀態(tài)和液態(tài)）更便于運輸。輸送方式主要有罐車輸送、輪船輸送和管道輸送三種。

國際上已有大量的二氧化碳管道輸送工程實踐。據(jù)統(tǒng)計，美國正在運營的二氧化碳干線管網(wǎng)長度超過6 000 km。目前，我國二氧化碳的輸送主要以低溫儲罐公路運輸為主，二氧化碳管道輸送方面的技術(shù)研究剛剛起步［1］。

2 二氧化碳管道輸送待深入研究的問題

二氧化碳管道輸送與油氣管道輸送技術(shù)相似，主要差別在于二氧化碳輸送管道對運行操作和材料防腐等方面有特殊要求。盡管國外已有大量的工程實踐，但二氧化碳輸送過程的技術(shù)問題還有待深入研究。主要有：

（1）二氧化碳流體的物理性質(zhì)與壓力、溫度以及雜質(zhì)組分與含量的關(guān)系。由于二氧化碳在輸送中容易發(fā)生相變，為保證穩(wěn)定運行，在輸送過程中需嚴(yán)格控制輸送壓力、溫度以及雜質(zhì)限值。

（2）二氧化碳定量分析和管道風(fēng)險評估。盡管二氧化碳管道事故發(fā)生的頻率較低，但其危害性與泄漏擴散情況仍需進(jìn)一步深入研究。工業(yè)規(guī)模的二氧化碳管道泄放試驗數(shù)據(jù)對建立二氧化碳管道泄漏擴散模型非常關(guān)鍵。目前，國際上僅有幾家單位開展過該類試驗，BP和Shell分別于2006年和2010年與挪威船級社聯(lián)合開展相關(guān)研究；在國內(nèi)，大連理工大學(xué)在遼河油田也開展了一些研究。

（3）二氧化碳管輸?shù)蜏毓r與減壓波影響對材料性能的要求。超臨界二氧化碳管道在快速泄壓的工況下，材料可能暴露在溫度低于三相點（-56.6℃）情況下，給管材、設(shè)備以及密封材料的低溫性能提出更高的要求。此外，超臨界二氧化碳管道更容易出現(xiàn)快速傳播的韌性斷裂，給管材的斷裂性能也提出了額外的要求［2］。

（4）我國二氧化碳管道輸送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及法律法規(guī)不完善。目前我國還沒有專門針對二氧化碳輸送管道的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相應(yīng)的法規(guī)，在工程設(shè)計中，二氧化碳被列為危險化學(xué)品，只能通過提高管道安全設(shè)計等級來保證二氧化碳管道輸送的安全性。

3 中石化二氧化碳管道輸送技術(shù)進(jìn)展

針對二氧化碳管道輸送技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，中石化近幾年在管道輸送領(lǐng)域進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)，主要研究內(nèi)容包括以下幾方面。

3.1管輸工藝

（1）不同壓力、溫度對二氧化碳的物理性質(zhì)的影響。在進(jìn)行二氧化碳臨界點、密度、黏度、比熱容、焓等參數(shù)計算時，由于每種數(shù)學(xué)模型都有特定的適應(yīng)條件，需對計算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行選擇。通過理論計算和實驗研究數(shù)據(jù)對比分析，確定采用PR方程進(jìn)行二氧化碳物性參數(shù)計算［3］。各物性參數(shù)間的相互關(guān)系分別見圖1～4。

圖1　不同壓力下密度溫度關(guān)系曲線

圖2　不同溫度下密度壓力關(guān)系曲線

圖3　不同壓力下黏度溫度關(guān)系曲線

圖4　不同溫度下黏度壓力關(guān)系曲線

（2）不同雜質(zhì)組分與含量對二氧化碳流體性質(zhì)的影響。不同類型以及不同含量的雜質(zhì)對二氧化碳的相平衡、準(zhǔn)臨界區(qū)、密度、黏度都有一定影響，對相平衡的影響見圖5。為了確保輸送過程中不發(fā)生相變，在管道設(shè)計時，首先要對上游介質(zhì)組分進(jìn)行相應(yīng)的物性計算分析，明確管輸二氧化碳相圖中的關(guān)鍵參數(shù)，以指導(dǎo)實際工程設(shè)計與運行管理［4-5］。

（3）通過工藝可行性、安全性和經(jīng)濟性等指標(biāo)綜合評估，明確提出了氣相、一般液體、超臨界/密相輸送等不同輸送相態(tài)的適應(yīng)性。

氣相輸送適應(yīng)性：

圖5　不同雜質(zhì)不同含量對相平衡影響

（1）運行壓力較低，操作安全性高。

（2）管道不需要保溫，對不同輸量適應(yīng)性強，管徑大，投資高。

（3）適用于小輸量、短距離長輸管道，介質(zhì)來源屬于氣相的工況，且與超臨界相比更適合于人口密集區(qū)域。

一般液體相態(tài)輸送適應(yīng)性：

（1）運行壓力較低，管道需要保冷，投資費用較高。

（2）適用于小輸量、短距離的油田內(nèi)部集輸管道，介質(zhì)來源屬于液相的工況。

超臨界/密相輸送相態(tài)適應(yīng)性：

（1）運行壓力高，投資較低，管道不需要保溫，對不同輸量適應(yīng)性強。

（2）適用于大輸量、長距離的長輸管道，介質(zhì)壓力較高。

（3）國外已建管道基本采用超臨界輸送，且管道沿線人口密集度較低。

3.2安全泄放

與大連理工大學(xué)聯(lián)合開展工業(yè)級的二氧化碳管道泄放試驗，考察管道內(nèi)二氧化碳相變規(guī)律、管內(nèi)瞬態(tài)流動規(guī)律以及泄漏場區(qū)擴散濃度分布，用于指導(dǎo)安全體系設(shè)計，包括安全距離、放空、緊急關(guān)斷方案以及泄漏應(yīng)急預(yù)案等［6］。試驗平臺由長約260 m、管徑DN250的管道主體、雙膜可控爆破泄壓裝置以及傳感探頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。試驗內(nèi)容包括了氣相、密相、超臨界相態(tài)下的不同孔徑小孔泄漏以及全尺寸斷裂泄漏模擬。對于泄漏后的濃度限值影響范圍，通過布設(shè)在擴散區(qū)域的二氧化碳濃度探頭進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測。通過后期對海量實測數(shù)據(jù)的分析，在泄放區(qū)域內(nèi)二氧化碳的濃度分布呈現(xiàn)橢圓形態(tài)。通過對溫度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，泄放口的溫度能夠降至-40～-60℃；通過濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，泄漏口徑越小，監(jiān)測數(shù)據(jù)波動越劇烈，濃度受風(fēng)速影響越大。風(fēng)速的增大，導(dǎo)致濃度限值的影響范圍和持續(xù)時間都迅速減小；無風(fēng)條件危害最大。

3.3管材斷裂韌性指標(biāo)

中石化先后與鋼研集團(tuán)、中石油、DNV-GL、日本JFE、寶鋼、清華大學(xué)、意大利CSM等科研和生產(chǎn)單位就二氧化碳超臨界輸送狀態(tài)下的管材斷裂韌性指標(biāo)以及止裂技術(shù)措施等進(jìn)行了技術(shù)交流與咨詢，但因該項研究國內(nèi)目前處于空白，國外也未能形成系統(tǒng)性的理論體系，個別科研單位尚處于技術(shù)研發(fā)與驗證階段。因此，大口徑、高鋼級、大輸量的二氧化碳管道管材斷裂韌性指標(biāo)研究進(jìn)展較為緩慢，目前正處于與有關(guān)科研機構(gòu)結(jié)合具體研究方案編制階段［7］。

3.4基于地理信息數(shù)據(jù)的二氧化碳管道設(shè)計與優(yōu)化

中石化基于地理信息數(shù)據(jù)平臺開展管道路由三維設(shè)計。依托三維設(shè)計平臺中的影像與高程數(shù)據(jù)，開展管道沿線的路由設(shè)計，可以滿足數(shù)字化、智能化管道建設(shè)的數(shù)字化移交要求。同時可依托三維設(shè)計平臺中的二氧化碳淹沒分析模塊以及高程數(shù)據(jù)，開展管道沿線重點敏感區(qū)域（高后果區(qū)）的二氧化碳淹沒分析，能夠較為準(zhǔn)確地分析管道泄漏時的危險區(qū)域，滿足管道完整性管理的要求，為二氧化碳管道的安全運營及事故搶維修提供設(shè)計技術(shù)保障。

3.5設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

中石化正在開展《二氧化碳管道輸送工程設(shè)計規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制，并參與了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織WG2-二氧化碳運輸標(biāo)準(zhǔn)（ISO 27913）編制工作。

前期開展的幾項二氧化碳管道輸送工程可行性研究主要涉及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用方面，氣相輸送管道參照GB50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》［8］、液體和超臨界輸送管道參照GB50253《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》、ASME B31.4《液態(tài)烴和其他液體管線輸送系統(tǒng)》和DNV-RP-J202［9］“Design and Operation of CO2Pipelines”等國內(nèi)外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

4 中石化二氧化碳管道輸送實踐

中石化對3項二氧化碳管道輸送工程進(jìn)行了前期研究設(shè)計，具體為：

（1）齊魯石化至勝利油區(qū)50萬t/a二氧化碳管道工程。該工程管輸距離72 km，二氧化碳?xì)庠磥碜札R魯石化第二化肥廠煤制氣裝置的低溫甲醇洗單元，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91％，設(shè)計輸量62.1萬t/a（折合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99％的二氧化碳50萬t/a）。對于該工程，三種輸送相態(tài)的建設(shè)投資差距不大；考慮到工程所經(jīng)區(qū)域人口密集，對安全性要求較高，而氣相輸送壓力低、密度低；因此選擇氣相輸送，管徑DN 400，設(shè)計壓力4MPa。

（2）勝利電廠至勝利油區(qū)100萬t/a二氧化碳管道工程。該工程管輸距離80 km，二氧化碳?xì)庠磥碜杂趧倮济喊l(fā)電廠新建600 MW機組煙氣，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14％，設(shè)計輸量為100萬t/a。通過不同輸送狀態(tài)的經(jīng)濟性比選和適應(yīng)性分析，管道工程采用超臨界輸送方式，管徑DN 250，設(shè)計壓力為12 MPa。

（3）華東油氣田二氧化碳驅(qū)工業(yè)化應(yīng)用輸送管道工程。該工程管輸距離69 km，二氧化碳?xì)庠矗ㄒ簯B(tài)）來自于黃橋二氧化碳?xì)馓?，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5％，利用二氧化碳井口壓力非增壓外輸，設(shè)計輸量68萬t/a。采用液相輸送（密相），管徑DN 250，設(shè)計壓力10 MPa。

5 二氧化碳管道輸送前景

碳源與碳匯之間的二氧化碳運輸是實現(xiàn)二氧化碳大規(guī)模減排的必要條件。根據(jù)碳源、匯的平均距離以及運輸系統(tǒng)的優(yōu)化水平，國際能源機構(gòu)（IEA）估算了運輸管道的部署潛力［10］。

2020年和2050年，全球二氧化碳輸送管道總長度將分別為1萬km、20萬km，管道投資需求分別為150億美元、8 250億美元［11］。

“十三五”期間，隨著西部地區(qū)煤制氣、煤化工的規(guī)模化發(fā)展，將初步形成區(qū)域性的碳源，結(jié)合西部地區(qū)沉積盆地形成的碳匯資源，建議適時啟動此區(qū)域內(nèi)二氧化碳源與利用及封存匯示范性工程的前期研究，初步形成區(qū)域性的管網(wǎng)規(guī)劃概念，以便形成支撐CCUS全流程示范工程的大規(guī)模輸送成套技術(shù)，為未來20～30年二氧化碳的管網(wǎng)布局做好整體規(guī)劃的基礎(chǔ)研究。

［1］寧雯宇，陳磊，韓喜龍，等.CO2管道輸送技術(shù)現(xiàn)狀研究［J］.當(dāng)代化工，2014，43（7）：1 280-1 282.

［2］劉建武.二氧化碳輸送管道工程設(shè)計的關(guān)鍵問題［J］.油氣儲運，2014，33（4）：369-373.

［3］梁海寧，邵長彬.二氧化碳輸送工藝分析［J］.山東化工，2014，43 （4）：88-91.

［4］吳瑕，李長俊，賈文龍.二氧化碳的管道輸送工藝［J］.油氣田地面工程，2010，29（9）：52-53.

［5］趙東亞，張建，劉海麗，等.CO2管道運輸?shù)墓こ探?jīng)濟模型［J］.石油工程建設(shè)，2013，39（5）：1-3.

［6］李家強，梁海寧，劉建武.國內(nèi)二氧化碳長輸管道建設(shè)安全性分析［J］.油氣田地面工程，2014，33（4）：30-31.

［7］李昕.二氧化碳輸送管道關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.油氣儲運，2013，32（4）：343-346.

［8］GB 50251-2015，輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［9］DNV-RP-J202，Design and operation of CO2pipelines［S］.

［10］SERPA J，MORBEE J，TZIMAS E.Technical and Economic Characteristics of a CO2Transmission Pipeline Infrastructure ［R］.JTC Scientific and TechnicalReport.EUR 24731 EN 2011.

［11］CHARLES D.ENERGY RESEARCH：Stimulus Gives DOE BILLIONS for Carbon-Capture Projects［J］.Science，2009，323（5 918）：1 158.

Transmission TechnologyofCO2Pipeline and Practice in Sinopec

CHEN Lin
Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

CO2transmission by pipelines is the key to ensure reasonable matching of CO2source and carbon sink，which plays an important role in CCUS.Transmission technology of CO2pipeline still faces many challenges.This paper mainly introduces some results of CO2transmission that Sinopec has achieved these years，including transmission process，safe discharge，pipe material fracture toughness index，pipeline design and optimization based on geographic information，editing of industry standard and code.It makes a brief description of three CO2pipeline transmission projects，for which Sinopec has carried out the pilot study.

CO2；pipeline transmission；Sinopec；CCUS

圖片報道：國外某油田CO2驅(qū)油集采配注站

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.002

陳霖（1982-），男，湖南漣源人，高級工程師，2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油天然氣與二氧化碳長輸管道工程設(shè)計工作。Email：slecccl@163.com

2016-02-10