不同相態(tài)管輸CO2的節(jié)流放空實驗

李玉星 滕 霖 王武昌 胡其會 趙 青 李順麗

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室3.中國石油管道科技研究中心

不同相態(tài)管輸CO2的節(jié)流放空實驗

李玉星1,2滕 霖1,2王武昌1,2胡其會1,2趙 青1,3李順麗1,2

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室3.中國石油管道科技研究中心

李玉星等.不同相態(tài)管輸CO2的節(jié)流放空實驗. 天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 126-136.

為了探究管輸CO2節(jié)流放空過程中的壓力、溫度響應(yīng)及相態(tài)變化，基于Joule-Thomson效應(yīng)搭建了橇裝實驗裝置，分別進(jìn)行了超臨界態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)及含雜質(zhì)氣態(tài)CO2多級節(jié)流放空實驗。通過實驗發(fā)現(xiàn)：①超臨界態(tài)及氣態(tài)實驗出口溫度先上升后下降，而液態(tài)實驗出口溫度先下降后上升并最終與主管溫度變化一致；②主管內(nèi)CO2的壓力、溫度隨著實驗的進(jìn)行而不斷下降，且各截面之間參數(shù)差異明顯，表明壓力擾動傳播速度受密度影響；③含雜質(zhì)N2的CO2放空時出口溫度低于純氣態(tài)CO2放空，主管內(nèi)壓力隨時間變化速率大于純CO2實驗主管壓力變化速率；④管外氣云逐漸收縮為氣錐，氣錐隨管內(nèi)壓力下降、溫度上升逐漸減弱并最終消失。實驗結(jié)果表明：①在單級節(jié)流相同壓降下，液態(tài)實驗產(chǎn)生的溫降明顯小于超臨界態(tài)及氣態(tài)節(jié)流溫降，但液態(tài)CO2全節(jié)流過程會因發(fā)生相變而使平均節(jié)流效應(yīng)增強；②密度影響內(nèi)能對外耗散的程度，進(jìn)而影響節(jié)流系數(shù)，即密度增大，節(jié)流系數(shù)降低。進(jìn)而建議，通過增大泄放速率、節(jié)流入口增溫、節(jié)流出口整流等措施來實現(xiàn)對CO2放空過程的安全控制。

CO2管道 CCS 節(jié)流 放空 相態(tài)實驗 超臨界態(tài) 節(jié)流效應(yīng) 氣云變化 安全控制

碳捕集及埋存技術(shù)（Carbon Dioxide Capture, Storage，簡稱CCS）是實現(xiàn)全球二氧化碳減排的有效方式[1-2]，而CO2管道輸送是CCS技術(shù)的重要一環(huán)。為防止管道出現(xiàn)超壓事故，通常需要進(jìn)行CO2管道的人為放空。放空過程可以近似認(rèn)為是節(jié)流過程。CO2的強節(jié)流性質(zhì)，有可能在放空過程中生成干冰堵塞管道，從而造成管道破裂等一系列危害[3-6]。國內(nèi)外目前對CO2管道人為放空過程的研究尚不多見。

國外學(xué)者在CO2意外泄漏實驗研究方面開展了相關(guān)工作，Cosham[7]等研究了全尺寸CO2管道斷裂，發(fā)現(xiàn)臨界溫度低于CO2的雜質(zhì)（如N2）會使減壓波傳播過程中壓力保持穩(wěn)定，不利于管道斷裂控制；Koeijera[8]等通過研究液態(tài)CO2泄漏過程，發(fā)現(xiàn)液態(tài)泄漏過程中發(fā)生相變，導(dǎo)致減壓特性變化。值得一提的是，近年來歐盟第七框架協(xié)議資助的CO2PipeHaz項目[9]進(jìn)行了大量CO2管道失效泄壓方面的研究。其中，大連理工大學(xué)搭建了273 mm（管徑）×20 mm（壁厚）、長256 m的工業(yè)規(guī)模級別的實驗管道，研究了不同相態(tài)CO2管道泄放過程中管內(nèi)的壓力及相應(yīng)相態(tài)變化[10]。英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）Mahgerefteh教授的課題組基于CO2PipeHaz項目的實驗數(shù)據(jù)開展了大量瞬變模型研究，分別建立了均相和非均相兩相流動模型來描述CO2管道泄壓過程管內(nèi)的瞬變流動[11-13]。國內(nèi)學(xué)者對高壓CO2噴射進(jìn)行了初步探索。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Li[14]等搭建了實驗室規(guī)模的實驗環(huán)道，研究了不同噴嘴尺寸影響下的超臨界CO2泄漏現(xiàn)象，并認(rèn)為孔模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果更為接近。徐肖肖[15]等建立了跨臨界CO2壓縮噴射系統(tǒng)的實驗臺，通過改變工作環(huán)境參數(shù)及調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，分析噴射器進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)、噴射系數(shù)以及升壓比的變化趨勢，從而得出不同工況下系統(tǒng)穩(wěn)定性規(guī)律。黃冬平[16]采用針閥代替安全閥，實驗研究了CO2安全閥進(jìn)口干度、閥開度對安全閥及下游管路中流動堵塞的影響。由上述可見，目前還缺乏針對大規(guī)模CO2輸送管道人為放空過程的研究，尤其是在復(fù)雜流道下不同相態(tài)CO2節(jié)流放空過程中管內(nèi)壓力、溫度變化規(guī)律還不明確。

為此，筆者進(jìn)行了不同相態(tài)CO2多級節(jié)流放空實驗，采集分析節(jié)流過程中節(jié)流管及主管內(nèi)主要參數(shù)變化規(guī)律，以期為大規(guī)模CO2輸送管道放空過程的安全控制技術(shù)研究提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

1 管輸CO2節(jié)流放空實驗設(shè)計

1.1 實驗原理

CO2管道的人為放空過程可以看作是CO2流體從固定容積容器內(nèi)通過小孔向大氣泄放，此過程為節(jié)流過程。節(jié)流過程的基本原理為Joule-Thomson效應(yīng)，節(jié)流過程的快速大壓降會使管內(nèi)溫度發(fā)生較大變化，在溫度、壓力綜合變化下，管內(nèi)CO2流體的相態(tài)及密度也發(fā)生較大變化。

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括主管道及節(jié)流管段兩部分，主管道連接著差壓傳感器及溫度傳感器，節(jié)流管段包括節(jié)流調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器及壓力傳感器，用以采集節(jié)流后的溫度及壓力值，實驗裝置如圖1所示。

實驗主管道及節(jié)流管段均采用304不銹鋼建造，其中主管道直徑為250 mm，壁厚為12 mm，總長為12 m，管道容積近600 L，外壁設(shè)有加熱套及保溫層，水平節(jié)流管總長4 m，內(nèi)徑為50 mm，設(shè)三級節(jié)流閥，其中為保證各級節(jié)流后流體能穩(wěn)定進(jìn)入下一級節(jié)流，各級節(jié)流閥間節(jié)流管長1.5 m進(jìn)行穩(wěn)流，節(jié)流管幾何結(jié)構(gòu)簡略示意如圖1-b所示，其中各級節(jié)流閥具體參數(shù)如表1所示。

為保證實驗安全順利進(jìn)行，綜合考慮了管道強度、節(jié)流管末段穩(wěn)壓、瞬態(tài)噴射力及噪聲安全防護(hù)等。實驗過程中，CO2流體將通過氣源注入封閉主管道，在封閉主管道內(nèi)對固定質(zhì)量CO2流體通過加熱裝置調(diào)節(jié)至實驗壓力溫度，該參數(shù)下CO2通過主管道出口閥門進(jìn)入節(jié)流流程，進(jìn)而放空至大氣，實驗過程采集主管道及節(jié)流管段壓力及溫度動態(tài)變化。如圖1-a所示，在采集截面設(shè)有1個壓力采集點，3個溫度采集點，這主要是因為管內(nèi)壓力各向相同，而為了克服環(huán)境及加熱裝置對外壁溫度不均勻性影響，以3個采集點采集數(shù)據(jù)的平均值作為該截面CO2溫度，采集系統(tǒng)頻率為100 Hz。

1.3 實驗內(nèi)容

選取3組初始相態(tài)分別是超臨界態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)實驗進(jìn)行分析，同時考慮到雜質(zhì)對節(jié)流放空的影響[17]，還選取了一組含摩爾分?jǐn)?shù)為5%氮氣的實驗。具體工況如表2所示。

2 實驗結(jié)果與討論

圖1 節(jié)流放空實驗裝置示意圖

表1 節(jié)流閥參數(shù)表

表2 管理CO2不通相態(tài)節(jié)流實驗工況表

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實驗過程中可實現(xiàn)100 Hz的采集頻率，為了避免波動，實驗壓力均以MPa為計量單位，以每秒內(nèi)100個采集數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該時刻的實驗值，形成較為平滑的變化曲線，使得節(jié)流過程管內(nèi)壓力、溫度變化的宏觀規(guī)律清晰直觀。

2.1 不同相態(tài)管輸CO2節(jié)流放空實驗結(jié)果

2.1.1 超臨界態(tài)CO2節(jié)流實驗

2.1.1.1 節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律

圖2為超臨界態(tài)泄放過程中三級節(jié)流管內(nèi)的壓力、溫度響應(yīng)曲線?？傮w上，節(jié)流入口壓力隨時間變化連續(xù)降低，各級節(jié)流出口壓力在實驗開始的較短時間內(nèi)由環(huán)境壓力上升至閥門調(diào)節(jié)的固定出口壓力，穩(wěn)定至各級節(jié)流入口壓力不再高于調(diào)節(jié)的出口壓力，形成閥門全開工況，此時出口壓力的變化規(guī)律與上游來流參數(shù)基本一致。節(jié)流入口溫度隨時間變化降低，而各級節(jié)流出口溫度在實驗開始時由環(huán)境溫度迅速下降至較低溫度，在整個實驗過程中，節(jié)流后溫度基本為先上升而后隨上游溫度共同下降規(guī)律，不同節(jié)流出口溫度隨時間速率不同。

2.1.1.2 主管內(nèi)參數(shù)及氣云變化規(guī)律

圖2 超臨界態(tài)CO2泄放壓力、溫度響應(yīng)曲線圖

圖3 為超臨界態(tài)CO2節(jié)流上游主管壓力、溫度變化曲線。以圖2所示采集截面6的參數(shù)，即一級節(jié)流入口參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，分析主管不同界面的溫度、壓力隨時間的變化規(guī)律。對節(jié)流管下游由管嘴噴射至大氣環(huán)境中的CO2氣云進(jìn)行觀測，氣云形成受三級節(jié)流后的參數(shù)影響，相關(guān)分析可以輔助驗證節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律研究。主管內(nèi)壓力及溫度變化曲線如圖3所示，實驗過程中管外各時刻的氣云變化見圖4。

由圖3可知，主管內(nèi)壓力及溫度隨時間降低，同時隨著實驗的進(jìn)行，主管沿程各截面相對位于主管末端節(jié)流入口處的基準(zhǔn)截面產(chǎn)生正向的壓差及溫差，距離主管入口越近，相應(yīng)的壓差及溫差越大，也就是說，在相同時刻下，主管內(nèi)各截面壓力及溫度不同，主管入口截面壓力及溫度較高，主管末端相應(yīng)參數(shù)較低，且隨著實驗進(jìn)行，這些壓差及溫差的絕對數(shù)值將逐漸變大。雖然壓差與溫差是實際存在的，但最大差值約為70 kPa、1.4 ℃左右，這主要是因為節(jié)流實驗的系統(tǒng)失壓過程較為平緩，且該實驗裝置的總長度相對較短。

在實驗開始時，主管內(nèi)超臨界態(tài)CO2經(jīng)過三級節(jié)流閥門及出口管嘴后形成低溫CO2并在大氣環(huán)境中自由膨脹，在環(huán)境中進(jìn)一步形成溫度更低的干冰顆粒，在噴射動量的帶動下形成擴(kuò)散狀氣云；隨著主管球閥在20 s內(nèi)完全開啟，各級節(jié)流閥門使下游CO2流動穩(wěn)定，在管嘴之前形成相態(tài)參數(shù)穩(wěn)定的CO2，使得噴射氣云在自由擴(kuò)散狀中逐漸收縮形成錐狀氣云；在穩(wěn)定的三級節(jié)流出口壓力及較低溫度下，錐狀氣云將在管嘴持續(xù)存在；由節(jié)流管內(nèi)溫度變化規(guī)律可知，隨著各級節(jié)流入口溫度逐漸與主管內(nèi)溫度平衡，三級節(jié)流出口溫度逐漸升高，在穩(wěn)定壓力及上升溫度綜合作用下，由CO2固態(tài)顆粒形成的氣云將逐漸減弱，在觀測現(xiàn)象方面可見“氣錐”長度變短，顏色由純白色向透明減弱；當(dāng)實驗進(jìn)行至400 s以后，主管內(nèi)的低壓CO2經(jīng)節(jié)流流程通過管嘴噴射至大氣環(huán)境，因此即使存在大氣環(huán)境中自由膨脹溫降，也不

足以使噴射出的CO2在管嘴處形成固體顆粒?？傊R界態(tài)CO2節(jié)流過程管外各時刻氣云變化符合對裝置內(nèi)壓力及溫度變化規(guī)律的分析。

圖3 超臨界態(tài)CO2節(jié)流上游主管壓力、溫度變化曲線圖

圖4 超臨界態(tài)CO2節(jié)流下游管外各時刻云圖

2.1.2 液態(tài)CO2節(jié)流實驗

2.1.2.1 節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律

圖5為液態(tài)CO2節(jié)流放空實驗三級節(jié)流管內(nèi)壓力溫度響應(yīng)曲線。與超臨界態(tài)實驗對比，各級節(jié)流維持穩(wěn)定出口壓力的絕對時間較長，但各段時間在液態(tài)工況實驗中的持續(xù)時間比例小于超臨界態(tài)實驗，這表示CO2管道節(jié)流過程中放空流量節(jié)流過程各參數(shù)變化規(guī)律。由圖5可以看出，液態(tài)CO2流經(jīng)閥門流道更易產(chǎn)生相對較多的局部壓損，但各自整體變化規(guī)律保持一致。

液態(tài)CO2節(jié)流實驗溫度變化規(guī)律與超臨界態(tài)實驗不同之處在于，一級節(jié)流出口溫度與入口溫度相差極小，這主要是因為液態(tài)工況實驗初始參數(shù)較低，在一級節(jié)流4 MPa的固定出口壓力下對液態(tài)流體節(jié)流效應(yīng)極弱，因而雖然起到了微小的減壓作用，但溫降則不如初始參數(shù)較高的超臨界態(tài)節(jié)流明顯；二級節(jié)流出口溫度因上一級出口溫度下降而開始下降，當(dāng)一級節(jié)流出口參數(shù)與主管內(nèi)參數(shù)平衡一致時，二級節(jié)流出口溫度隨時間開始上升并直至與主管內(nèi)參數(shù)一致，這主要是因為節(jié)流前后壓差變小，進(jìn)而溫差變小直至平衡；同理，三級節(jié)流出口溫度變化規(guī)律同樣受上一級出口參數(shù)影響；在實驗過程后期出現(xiàn)溫度平緩穩(wěn)定現(xiàn)象，主要因為主管道外壁的高溫在較長的時間下對管內(nèi)剩余低溫CO2產(chǎn)生了影響，因?qū)嶋H實驗過程中不能實現(xiàn)

完全絕熱，因而主管內(nèi)溫度不能保持持續(xù)下降趨勢。

圖5 液態(tài)CO2節(jié)流壓力變化曲線圖

2.1.2.2 主管內(nèi)參數(shù)及氣云變化規(guī)律

圖6表示液態(tài)CO2節(jié)流實驗主管內(nèi)壓力、溫度變化曲線，圖7表示管外各時刻云圖。

由圖6可知，主管內(nèi)壓力及溫度大體上隨著實驗進(jìn)行而降低，沿程各截面相對基準(zhǔn)截面產(chǎn)生正向的壓差及溫差。與超臨界態(tài)實驗不同在于，液態(tài)實驗前期各截面之間參數(shù)差異不大，而后期各參數(shù)差異逐漸變大，這主要是因為前期管內(nèi)相態(tài)為液態(tài)，密度較大，壓力擾動傳播迅速，隨著實驗的進(jìn)行，管內(nèi)CO2逐漸變?yōu)闅鈶B(tài)，密度較小，壓力擾動傳播變慢，而溫度則在壓力耦合作用下具有相同的變化規(guī)律。

觀測管外氣云隨時間變化現(xiàn)象可以進(jìn)一步輔證對節(jié)流管內(nèi)壓力及溫度變化規(guī)律的分析結(jié)論。液態(tài)實驗結(jié)束后，可以看到在噴射管嘴外壁形成并包裹一層較厚的白色霜粒，可以認(rèn)為這些白色顆粒既有噴射出的CO2干冰顆粒附著，同時也包含由于噴射過程使管嘴外壁溫度極低，空氣在外壁凝結(jié)成霜而產(chǎn)生的部分附著。根據(jù)該現(xiàn)象可以得出結(jié)論，在突縮突擴(kuò)截面上易由于節(jié)流及膨脹產(chǎn)生極為劇烈溫降，若在復(fù)雜流道內(nèi)，低溫產(chǎn)生的CO2固態(tài)顆粒易發(fā)生堵塞。對比超臨界態(tài)及液態(tài)兩組CO2節(jié)流實驗，超臨界態(tài)工況較高的初始溫度可以更為有效防止干冰在管內(nèi)生成。

2.1.3 氣態(tài)純CO2節(jié)流實驗

2.1.3.1 節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律

圖6 液態(tài)CO2節(jié)流上游主管壓力、溫度變化曲線圖

圖7 液態(tài)CO2節(jié)流下游管外各時刻云圖

圖8 氣態(tài)純CO2節(jié)流壓力、溫度變化曲線圖

圖8 為氣態(tài)CO2節(jié)流放空實驗三級節(jié)流管內(nèi)壓力、溫度響應(yīng)曲線。氣態(tài)實驗壓力整體變化趨勢與其他相態(tài)實驗相似，一級節(jié)流入口壓力隨時間變化連續(xù)降低，一級節(jié)流及二級節(jié)流出口壓力迅速由環(huán)境壓力上升，并分別穩(wěn)定在閥門調(diào)節(jié)的2 MPa及1 MPa。就一級節(jié)流入口壓力而言，壓降速率隨時間延長逐漸變小。在3.5 MPa以下的氣態(tài)純CO2密度隨溫度變化不大，同時密度隨壓力變化也遠(yuǎn)不如超臨界態(tài)CO2密度變化劇烈。因此氣態(tài)實驗曲線變化相對平滑，因而可以認(rèn)為氣態(tài)節(jié)流過程比伴隨相變的超臨界態(tài)及液態(tài)節(jié)流過程相對穩(wěn)定易控。

節(jié)流入口即主管內(nèi)溫度隨時間變化平緩降低，各級節(jié)流出口溫度由環(huán)境溫度迅速下降，在實驗過程中逐漸上升并最終與入口溫度平衡一致。一級節(jié)流在入口壓力下降、節(jié)流前后壓差減小條件下，出口溫度隨入口溫度的下降而上升，二者之間溫差不斷減小并最終趨于平衡一致，二級節(jié)流出口溫度則在固定壓差條件下不斷上升，而在二級節(jié)流不再起節(jié)流減壓作用時，逐漸趨于主管溫度。氣態(tài)實驗總壓降不如超臨界態(tài)實驗壓降大，因而節(jié)流后產(chǎn)生的低溫與主管內(nèi)溫度相差也相對較小。

2.1.3.2 主管內(nèi)參數(shù)及氣云變化規(guī)律

圖9表示氣態(tài)CO2節(jié)流實驗主管內(nèi)壓力、溫度變化曲線，圖10表示管外各時刻云圖。

由圖9可見，與其他相態(tài)實驗相同之處在于主管道入口截面參數(shù)較高，末端較低；不同之處在于氣態(tài)實驗主管道沿程各截面參數(shù)差值不如超臨界態(tài)實驗參數(shù)波動明顯，此外，不同于液態(tài)實驗之處在于各截面參數(shù)的差值不存在增大幅度先小后大現(xiàn)象，這主要因為氣態(tài)CO2密度較低，壓力波動傳播速度相對較慢，同時既不存在超臨界態(tài)密度波動現(xiàn)象，也不存在液態(tài)減壓過程相變現(xiàn)象。就差值采集而言，各截面壓力差值通過差壓傳感器直接采集，而溫度差值則通過采集溫度的絕對數(shù)值間接采集溫差，受

實驗裝置總長限制，各截面參數(shù)絕對差值不大，因而曲線波動在誤差范圍內(nèi)，符合實驗預(yù)期。

圖10 氣態(tài)純CO2節(jié)流下游管外各時刻云圖

經(jīng)管嘴噴射入大氣環(huán)境并自由膨脹的CO2氣云濃度明顯低于超臨界態(tài)及液態(tài)實驗，氣態(tài)實驗初始壓力較低，且兩級節(jié)流使得末級節(jié)流出口溫度高于其他相態(tài)實驗，因而噴射氣云在大氣環(huán)境中消散較快（圖10中10 s所示）。隨著主管道出口球閥完全開啟，實驗進(jìn)入穩(wěn)定節(jié)流減壓工況，在固定出口壓力下管外形成穩(wěn)定氣錐（圖10中40 s所示）；隨著出口溫度的不斷升高并趨于主管內(nèi)溫度，氣錐逐漸減弱變短（圖10中120 s所示），在管內(nèi)剩余CO2放空過程中，較低壓力的CO2氣體泄放出來，自由膨脹性弱，氣錐則完全消失。

2.1.4 含雜質(zhì)氣態(tài)CO2節(jié)流實驗

2.1.4.1 節(jié)流管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律

圖11為含5%N2（摩爾分?jǐn)?shù)）氣態(tài)CO2節(jié)流放空實驗三級節(jié)流管內(nèi)壓力、溫度響應(yīng)曲線。

含雜質(zhì)氣態(tài)實驗壓力整體變化趨勢與純氣態(tài)實驗基本一致，一級節(jié)流入口壓力隨時間變化連續(xù)降低，一級節(jié)流及二級節(jié)流出口壓力迅速由環(huán)境壓力上升并分別穩(wěn)定在閥門調(diào)節(jié)的2 MPa及1 MPa，當(dāng)各級節(jié)流入口壓力不再高于調(diào)節(jié)出口壓力，出口壓力與上游來流參數(shù)相近。同時，與純氣態(tài)實驗過程對比，含雜質(zhì)氣態(tài)實驗的壓降速率更大，這表示含雜質(zhì)氣態(tài)CO2與純CO2相比產(chǎn)生相同壓降的時間更短，進(jìn)而快速率的壓降耦合產(chǎn)生的溫降更大，也就是說，含雜質(zhì)氣態(tài)CO2與純CO2相比相同壓降產(chǎn)生的溫降可能更大。

含雜質(zhì)氣態(tài)CO2節(jié)流實驗溫度變化規(guī)律與純氣態(tài)節(jié)流相似，圖11中所有曲線在穩(wěn)定工況下連續(xù)平滑，這表示實驗過程中系統(tǒng)內(nèi)CO2避開兩相流生成條件，始終保持氣態(tài)。與純氣態(tài)實驗不同之處在于，相同壓差條件下，含雜質(zhì)氣態(tài)節(jié)流具有相對更低的出口溫度，節(jié)流前后溫差更大，這是因為節(jié)流過程將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，N2作為非極性雜質(zhì)降低了混合氣體的密度及熱容，因而需要通過增大溫差進(jìn)行補償以獲得相同的動能；一級出口曲線，即二級入口曲線的大幅上升并不能使二級出口曲線具有相同幅度的上升，這表示節(jié)流過程中提高入口溫度可以有效避免下游出口溫度過低，但不能換來等效能量利用，同理，入口溫度的大幅下降同樣不會使下級出口溫度顯著降低，這一點在超臨界態(tài)實驗中也有體現(xiàn)?？梢哉J(rèn)為，多級節(jié)流過程中，首級節(jié)流過程參數(shù)變化波動性強，

末級節(jié)流參數(shù)變化速率相對平緩，但整個節(jié)流過程的最低溫通常出現(xiàn)在末級節(jié)流，特別是液態(tài)CO2及含非極性雜質(zhì)CO2節(jié)流較為明顯，因而長期處于低溫的系統(tǒng)末端將是安全控制的重要區(qū)域。

圖11 含雜質(zhì)氣態(tài)CO2節(jié)流壓力、變化曲線圖

2.1.4.2 主管內(nèi)參數(shù)變化規(guī)律

含雜質(zhì)氣態(tài)CO2節(jié)流實驗初始參數(shù)與純氣態(tài)實驗初始參數(shù)相同，節(jié)流管內(nèi)壓力、溫度變化規(guī)律與純氣態(tài)實驗基本相似，將主管沿程采集各截面參數(shù)與純氣態(tài)實驗對比分析，管外噴射氣云隨時間變化的觀測現(xiàn)象同樣基本相似，在沒有具體管外采集數(shù)據(jù)條件下不再做詳細(xì)描述，主管內(nèi)壓力及溫度變化曲線對比情況如圖12所示。

由圖12可見，含雜質(zhì)CO2實驗主管內(nèi)壓力、溫度變化規(guī)律與純CO2實驗變化趨勢基本一致，各截面產(chǎn)生的壓差及溫差在差值上相近。N2作為非極性雜質(zhì)對兩相區(qū)的改變主要通過泡點線，露點線基本不變，因而含雜質(zhì)CO2實驗主管內(nèi)壓力變化速率較大，在隨之耦合作用產(chǎn)生溫降的共同作用下，主管內(nèi)CO2并不生成兩相流動；各截面差值相近，一方面說明雜質(zhì)在混合氣體中比例較小，在實驗裝置總長度有限條件下雜質(zhì)對密度數(shù)值進(jìn)而對壓力擾動傳播速度的影響與純CO2實驗相比較小，另一方面則說明含雜質(zhì)CO2實驗中相同實驗時刻下管內(nèi)參數(shù)整體低于純CO2實驗。

圖12 氣態(tài)CO2節(jié)流上游主管壓力、溫度變化曲線對比圖

2.2 不同相態(tài)實驗壓降—溫降響應(yīng)

圖13 不同相態(tài)CO2實驗初級節(jié)流過程溫降—壓降曲線圖

為了研究不同初始相態(tài)對節(jié)流溫降的影響，對比分析不同相態(tài)實驗結(jié)果中壓降與所產(chǎn)生溫降的對應(yīng)關(guān)系。圖13表示不同相態(tài)CO2初級節(jié)流的壓降與溫降關(guān)系。曲線上散點的疏密程度表示溫降及壓降產(chǎn)生的速率，各點之間越稀疏，表示溫壓降發(fā)生的速率越大，反之密集散點表示溫壓降速率相對較小。圖13中曲線自大壓降處開始，隨著主管道閥門開啟，溫壓降逐漸變慢。由圖13可見，各相態(tài)初級節(jié)流過程整體規(guī)律相近，溫降隨節(jié)流壓降變小而逐漸減小，但不同相態(tài)實驗溫降減小幅度相差不同，超臨界態(tài)實驗在較高的初始壓力作用下產(chǎn)生較大溫降，而在相同壓降作用下，液態(tài)產(chǎn)生的溫降明顯小于超臨界態(tài)及氣態(tài)節(jié)流溫降；隨著實驗進(jìn)行，管內(nèi)超臨界態(tài)隨狀態(tài)參數(shù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，因而超臨界態(tài)初級節(jié)流過程曲線的后期與氣態(tài)曲線基本重合。

圖14 不同相態(tài)CO2實驗全節(jié)流過程溫降—壓降曲線圖

圖14 表示不同相態(tài)CO2全節(jié)流的壓降與溫降關(guān)系。從圖14可以看出，節(jié)流放空溫度先急降后緩升，這是放空初期壓差大、節(jié)流效應(yīng)強所致。液態(tài)CO2全節(jié)流過程曲線的正向斜率體現(xiàn)了液態(tài)CO2不同于單級節(jié)流過程，主要是因為液態(tài)CO2在節(jié)流管內(nèi)發(fā)生相變，相變前保持液態(tài)較弱的節(jié)流效應(yīng)，相變后氣態(tài)CO2節(jié)流效應(yīng)使得全節(jié)流過程的平均節(jié)流效應(yīng)增強，因此實驗原理中提及的節(jié)流效應(yīng)是不同相態(tài)CO2在獨立節(jié)流過程中表征溫降及內(nèi)能耗散能力的一種特性，由此可知，在工程實際中，多級節(jié)流或復(fù)雜流道流動的CO2應(yīng)防止在各級節(jié)流之間及流道截面變化處因相變增強節(jié)流效應(yīng)而產(chǎn)生的低溫危害。

2.3 CO2節(jié)流系數(shù)變化規(guī)律

式中cp表示定壓比熱，J/(mol?K)；ρ表示CO2密度，kg/m3；p表示壓力，MPa；T表示溫度，K。式中的偏導(dǎo)數(shù)可以采用PR方程求解[18]。當(dāng)超臨界CO2的相態(tài)參數(shù)位于臨界點附近時，節(jié)流系數(shù)雖仍然連續(xù)變化，但越靠近臨界點，相同溫度變化引起的節(jié)流系數(shù)變化幅度越大。

圖15表示純CO2節(jié)流系數(shù)的實驗值和理論值對比。正如式（1）所示，可采用內(nèi)能和密度來分析節(jié)流系數(shù)變化規(guī)律的產(chǎn)生原因，氣態(tài)CO2的密度較低，內(nèi)能的對外耗散體現(xiàn)較大溫降，因而節(jié)流系數(shù)較大；而氣態(tài)各溫度下密度相差不是很大，分子間距大，高溫下氣態(tài)CO2的內(nèi)能耗散會通過分子的高頻振動彌補溫度損失，而低溫氣態(tài)CO2的內(nèi)能耗散主要由溫降體現(xiàn)，因此氣態(tài)CO2低溫條件下節(jié)流系數(shù)較大；液態(tài)CO2密度較大，內(nèi)能的對外耗散對整個系統(tǒng)影響較小，超臨界態(tài)CO2密度通常介于二者之間，高壓下密度增大，節(jié)流系數(shù)也相對降低，同理，在臨界點附近，密度對系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的敏感性極高，進(jìn)而使得節(jié)流系數(shù)的變化性較強。

圖15 純CO2節(jié)流系數(shù)隨壓力、溫度變化關(guān)系圖

2.4 CO2管道放空過程安全控制建議

根據(jù)對CO2節(jié)流放空特性的分析，結(jié)合工程實際給出以下安全控制建議：

1）就泄放減壓過程安全控制的總體原則而言，增大泄放速率、節(jié)流入口增溫、節(jié)流出口整流可以作為實現(xiàn)目的的主要方式。

2）非純CO2節(jié)流時應(yīng)控制雜質(zhì)的含量，當(dāng)采用多級節(jié)流時，較高的初始溫度可以防止放空管出口處干冰的形成。

3）采用節(jié)流方式對CO2管道進(jìn)行泄放減壓應(yīng)避免節(jié)流管及主管內(nèi)的狀態(tài)位于兩相區(qū)內(nèi)及臨界點附近，從而保持節(jié)流過程的平穩(wěn)流動。

3 結(jié)論

1）針對不同相態(tài)CO2節(jié)流放空過程參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到了各相態(tài)下CO2通過節(jié)流方式泄放減壓過程中主要參數(shù)變化規(guī)律及管外氣云變化規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)：超臨界態(tài)及氣態(tài)實驗出口溫度呈現(xiàn)先上升趨于主管內(nèi)CO2溫度而后下降的規(guī)律，液態(tài)實驗出口溫度先下降再上升并最終與主管溫度一致變化；主管內(nèi)CO2的壓力溫度隨時間進(jìn)行不斷下降，各截面之間參數(shù)差異明顯且隨時間進(jìn)行差異增大，表明壓力擾動傳播速度受密度影響；管外氣云變化對應(yīng)末級節(jié)流出口參數(shù)變化規(guī)律，通過觀測可見氣云收縮為氣錐，氣錐隨壓力下降溫度上升逐漸減弱并

最終消失。

2）含雜質(zhì)氣態(tài)CO2節(jié)流實驗節(jié)流管內(nèi)參數(shù)隨時間變化規(guī)律與純CO2實驗基本一致，不同之處在于含雜質(zhì)CO2實驗前期出口溫度相比純CO2實驗節(jié)流出口溫度較低；主管內(nèi)壓力隨時間變化速率大于純CO2實驗主管壓力變化速率，各截面差值與純CO2實驗差值相近，但整體上各截面溫度低于相同實驗時刻下純CO2溫度。

3）對不同相態(tài)實驗壓降—溫降響應(yīng)的分析結(jié)果表明：在單級節(jié)流相同壓降下，液態(tài)產(chǎn)生的溫降明顯小于超臨界態(tài)及氣態(tài)節(jié)流溫降；不同相態(tài)CO2在全節(jié)流過程中溫降始終隨壓降變小而逐漸減小，其中液態(tài)CO2全節(jié)流過程曲線具有明顯斜率呈下降趨勢。這表明：液態(tài)CO2全節(jié)流過程中因為發(fā)生相變使平均節(jié)流效應(yīng)增強。

4）采用內(nèi)能和密度分析節(jié)流系數(shù)變化規(guī)律：氣態(tài)CO2的密度較低，內(nèi)能的對外耗散體現(xiàn)較大溫降，因而節(jié)流系數(shù)較大；液態(tài)CO2密度較大，內(nèi)能的對外耗散對整個系統(tǒng)影響較小，超臨界態(tài)CO2密度通常介于二者之間，高壓下密度增大，節(jié)流系數(shù)也相對降低。最后，對CO2管道放空過程安全控制提出了相關(guān)建議。

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（修改回稿日期 2016-07-08 編 輯 何 明）

An experimental study on throttling and blowdown of pipeline CO2in different phase states

Li Yuxing1,2, Teng Lin1,2, Wang Wuchang1,2, Hu Qihui1,2, Zhao Qing1,3, Li Shunli1,2
(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum , Qingdao, Shandong 266580, China; 2. Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Security of Shandong Province, Qingdao, Shandong 266580, China; 3. PetroChina Pipeline R&D Center, Langfang, Hebei 065000, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.126-136, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In order to investigate the temperature and pressure responses and phase change during the throttling and blowdown of pipeline CO2, we set up a skid-mounted experimental device based on the Joule–Thomson effect. And this device was used for multistage CO2throttling and blowdown experiments at supercritical state, liquid state, gaseous state and gaseous state with impurities, respectively. The following results are obtained. First, the outlet temperature increases and then decreases in the experiment under supercritical state and gaseous state, while it decreases, then increases and finally complies with the temperature change of the main pipeline under liquid state. Second, the pressure and temperature of CO2in the main pipeline decrease continuously in the process of the experiment, and the parameter differences between sections are large, indicating that the propagation velocity of pressure disturbance is affected by the density. Third, the outlet temperature during the blowdown of CO2with N2was lower than that of pure CO2, and the pressure change rate of the experiment with N2is higher than that of pure CO2experiment. And fourth, the gas cloud outside the pipeline shrinks into gas coning gradually, and the gas coning diminishes and ultimately disappears with the decrease of pressure and f temperature inside the pipeline. It is indicated that, with the same pressure drop of single-stage throttling, the temperature drop in liquid state is much less than that in supercritical state and gaseous state. Due to the phase change in the whole throttling process of liquid CO2, however, the average throttling effect is enhanced. The density affects the degree of internal energy dissipation, and then affects the throttling coefficient. It means that the throttling coefficient decreases with the increasing of the density. Finally, it is recommended to fulfill the safety control on CO2throttling process by taking some measures, such as increasing the discharge rate, increasing the temperature at the throttling inlet and adjusting the flow pattern at the throttling outlet.

CO2pipeline; CCS; Throttling; Blowdown; Phase experiment; Supercritical state; Throttling effect; Gas cloud change; Safety control

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.016

國家自然科學(xué)基金項目“含雜質(zhì)超臨界 CO2管道輸送安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：51374231）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金“超臨界CO2管道泄漏擴(kuò)散機理及安全評價研究”（編號：16CX06005A）、國家科技支撐計劃項目“大規(guī)模燃煤電廠煙氣CO2捕集純化、輸送及安全控制技術(shù)研究”（編號：2012BAC24B01）。

李玉星，1970年生，教授，中國石油學(xué)會第九屆天然氣專業(yè)委員會委員；主要從事油氣安全方面的研究和教學(xué)工作。地址：（266580）山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號。電話：（0532） 86981818。ORCID: 0000-0001-6035-1206。E-mail: liyx@upc.edu.cn