超臨界-密相CO2管輸特性模擬計(jì)算研究

蓋曉鵬 李和清 路遙軍 曹顯林 劉勇 張小芳

1長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心

2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

3中國(guó)石油華北油田公司第五采油廠

4中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠

5中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠油田建設(shè)管理中心

溫室效應(yīng)是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素，統(tǒng)計(jì)表明，CO2排放占溫室氣體總量的63%，CO2的捕集、封存和利用（CCUS）技術(shù)是降低溫室效應(yīng)、減緩全球變暖的主要措施，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益已得到各國(guó)的重視[1-2]。由于我國(guó)CO2的來源地和封存地（注入點(diǎn)）一般相距很遠(yuǎn)，結(jié)合輸油、輸氣管道的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，管道輸送具有建設(shè)周期短、運(yùn)行費(fèi)用低、連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此管輸CO2成為當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)可靠的輸送方式[3]。管輸CO2根據(jù)CO2相態(tài)的不同，有氣相輸送、液相輸送和超臨界-密相輸送3 種方式。喻西崇等[4]、吳暇等[5]、胡世杰[6]都已對(duì)不同相態(tài)的CO2輸送的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，均認(rèn)為超臨界-密相CO2的密度變化與液體相近，黏度與氣體相近，比液體小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，擴(kuò)散系數(shù)在液體和氣體之間，因此該相態(tài)具有較強(qiáng)的溶解和流動(dòng)性能，是最佳的管輸方式。

目前，我國(guó)的超臨界-密相CO2管道輸送還處于起步階段，規(guī)模化建設(shè)只有延長(zhǎng)油田一期85 km管道，輸送量為40×104t/a，且沒有制定針對(duì)CO2輸送的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本上參考ISO 13623—2009《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等油氣輸送規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，CO2管道輸送的基礎(chǔ)理論和工藝參數(shù)的研究還不完善，因此有必要對(duì)超臨界-密相CO2的管輸特性進(jìn)行研究，以期為高效、安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)輸送CO2提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 含雜質(zhì)的CO2相態(tài)圖

碳捕集的工藝主要有富氧燃燒捕集、燃燒后捕集和燃燒前捕集3種。但無(wú)論哪種捕集方式，均會(huì)使CO2含有一定雜質(zhì)，不同的雜質(zhì)會(huì)影響CO2的相態(tài)特征，從而影響管輸特性[7]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含雜質(zhì)CO2的相態(tài)和物化性質(zhì)的預(yù)測(cè)還沒有達(dá)成一致，主要參照氣體的相關(guān)狀態(tài)方程，如Peng-Robinson （PR） 方程、Soave-Redlich-Kwong （SRK）方程、Benedict-Webb-Rubin-Starling（BWRS）方程和GERG-2008 方程等。研究表明：BWRS 方程在產(chǎn)生飽和蒸汽壓的過程中，會(huì)大幅增大臨界壓力，降低臨界溫度，造成誤差。而NDV-IP J202建議使用PR方程作為CO2管輸設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[7]，同時(shí)PR方程在壓力7～15 MPa、溫度-3.15～96.85 ℃的工況條件下，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較其他狀態(tài)方程高，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，臨界溫度誤差為0.29%，臨界壓力誤差為0.19%。因此采用PR 方程，以某油田特定的氣源組分（表1）為例，利用Pipesim 組分模型進(jìn)行PVT物性模擬，結(jié)果如圖1所示。

表1 氣源組分Tab.1 Gas source components 摩爾分?jǐn)?shù)/%

圖1 含雜質(zhì)的CO2相態(tài)圖Fig.1 Phase diagram of CO2 with impurities

由圖1 可知，含雜質(zhì)的CO2出現(xiàn)了明顯的氣液兩相區(qū)，臨界點(diǎn)溫度為30.76 ℃，壓力為7.54 MPa，與純CO2相態(tài)（臨界溫度31.4 ℃、臨界壓力7.38 MPa）相比，臨界溫度有所下降，臨界壓力有所上升，這主要是由于不同雜質(zhì)對(duì)CO2相態(tài)的影響程度不一樣，其中H2和N2會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)氣液兩相區(qū)域，H2S、H2、N2、CO、CH4等組分會(huì)導(dǎo)致臨界溫度的下降和臨界壓力的上升，而NO2和SO2等組分會(huì)導(dǎo)致臨界溫度和臨界壓力的上升[8-9]。綜上所述，含雜質(zhì)CO2的輸送較純CO2相比更加困難，輸送過程更易進(jìn)入氣液兩相區(qū)，出現(xiàn)多相流，引發(fā)部分管段出現(xiàn)段塞，因此在氣源處理中應(yīng)盡可能控制雜質(zhì)的含量。

2 水力及熱力計(jì)算模型

目前，對(duì)于超臨界-密相CO2的水力及熱力計(jì)算尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要參照相關(guān)油氣管道輸送設(shè)計(jì)規(guī)范[10-11]。其中，水力模型采用達(dá)西公式計(jì)算管道沿程摩阻，公式為

式中：h為管道沿程摩阻損失，m；λ為流程摩阻系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，m；v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

管道沿線的壓力為

式中：px為距離管道起點(diǎn)x處的管道壓力，MPa；p1為管道起點(diǎn)壓力，MPa；p2為管道終點(diǎn)壓力，MPa；x為距離管道起點(diǎn)的距離，m。

熱力計(jì)算模型采用天然氣的相關(guān)熱力計(jì)算公式，并進(jìn)行了以下假設(shè)：①流體始終保持一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②忽略管內(nèi)流體的軸向傳熱過程；③忽略管壁及相間流體之間的摩擦熱。

管道流體任一點(diǎn)的溫度計(jì)算公式為

②區(qū)域?qū)用?，市、縣兩級(jí)水務(wù)部門水資源管理機(jī)構(gòu)，與之配套的節(jié)水辦、水政監(jiān)察支（大）隊(duì)已經(jīng)建立，基層鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源管理服務(wù)站覆蓋率超過90%。

式中：tx為管道某點(diǎn)的溫度，℃；t0為埋地管道土壤溫度，℃；t1為管道起點(diǎn)溫度，℃；a為系數(shù)。

當(dāng)管內(nèi)無(wú)節(jié)流效應(yīng)時(shí)，a計(jì)算公式為

式中：K為管道的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；D 為管道外徑，m；Q為管內(nèi)流量，m3/d；Δ 為氣體相對(duì)密度；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)。

3 模擬計(jì)算

德國(guó)勞式石油公司曾經(jīng)開展了8 次超臨界-密相的管輸CO2室內(nèi)泄放試驗(yàn)[12-13]，試驗(yàn)管道采用露天保溫敷設(shè)。環(huán)境空氣溫度5 ℃，入口壓力10.05 MPa，管道長(zhǎng)度200 m，管徑50 mm，壁厚4 mm，導(dǎo)熱系數(shù)50 W/(m·K)；保溫層厚度19 mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.025 W/(m·K)。在此以試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將Pipesim 的模型設(shè)置、管道參數(shù)、邊界條件與試驗(yàn)設(shè)置為一致，通過對(duì)比首、末點(diǎn)溫度和壓力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。

表2 試驗(yàn)和模擬對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison data of simulation and test

由表2可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)略大于模擬數(shù)據(jù)，但總體誤差較小，誤差在6%以內(nèi)，能夠有效地體現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，證明了Pipesim 可以完成超臨界-密相CO2輸送的物性參數(shù)相關(guān)模擬計(jì)算。

通過調(diào)研國(guó)外管輸CO2的相關(guān)資料，北美主要的長(zhǎng)輸CO2管道的年輸量均在百萬(wàn)噸以上[14]，因此以100×104t/a 的輸量為基礎(chǔ)，用Pipesim 軟件對(duì)管輸特性進(jìn)行模擬計(jì)算。整條管線不設(shè)置分輸站，只有首站和末站，管道長(zhǎng)度200 km，采用埋地敷設(shè)，管頂埋深1.5 m，不設(shè)置保溫層，埋深處地溫為5 ℃。從電廠捕集到的CO2氣體的起始溫度為40 ℃，壓力0.18 MPa，由于不滿足輸送條件，需要進(jìn)行增壓和脫水處理，增壓后輸送的入口溫度60 ℃，壓力15 MPa。

3.1 管徑對(duì)管輸特性的影響

參照GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，管徑及壁厚的計(jì)算公式為

一般工業(yè)上應(yīng)用的超臨界-密相CO2經(jīng)濟(jì)流速在1～5 m/s 之間，根據(jù)年輸量，計(jì)算得到DN200～DN400 的管徑符合要求，針對(duì)不同管徑進(jìn)行敏感性分析。

由圖2可知，隨著輸送距離的增加，由于沿程摩阻的影響，壓力呈下降趨勢(shì)，且管徑越小，壓降幅度越大。DN200 在116 km 處的壓力為7.54 MPa，已降低到臨界壓力以下，管道無(wú)法輸送，因此DN200 不適合進(jìn)行超臨界-密相輸送。DN250 相較其他管徑壓降較大，DN300、DN350、DN400 的壓降相差不大，且隨著管徑增大，壓降的幅度越來越小。

圖2 不同管徑條件下沿程壓力變化Fig.2 Pressure changes along the pipe under different pipe diameters

由圖3可知，隨著輸送距離的增加，沿程溫度呈下降趨勢(shì)，且下降的幅度逐漸變緩，相對(duì)來說管徑越大，管內(nèi)流速越慢，與管壁及土壤之間的熱傳遞越多，溫降越大。但不同管徑對(duì)溫降的影響程度有限，在輸送的過程中，CO2逐漸下降到臨界溫度以下，以密相形式進(jìn)行輸送。

由圖4 可知，隨著輸送距離的增加，CO2的密度呈拋物線上升趨勢(shì)，密度主要與溫度、壓力數(shù)據(jù)有關(guān)，是兩者共同作用的結(jié)果。在相同里程的條件下，密度隨著管徑的增大呈上升趨勢(shì)，且增幅越來越小。

圖3 不同管徑條件下沿程溫度變化Fig.3 Temperature changes along the pipe under different pipe diameters

圖4 不同管徑條件下沿程密度變化Fig.4 Density changes along the pipe under different pipe diameters

通過模擬計(jì)算，DN200管道在運(yùn)行過程中進(jìn)入了氣液兩相區(qū)，無(wú)法維持超臨界-密相輸送，因此除了DN200，其余管徑的管道均可滿足輸送相態(tài)的要求（圖5）。綜合輸送及注入流程，管道出口CO2的參數(shù)決定了封存或注入工藝，理論上管道出口CO2的壓力越高越好，有利于進(jìn)行CO2的封存和注入[15]，同時(shí)較高的密度有利于提高管輸效率，而DN250 管道壓降幅度過大，DN300、DN350、DN400在管輸中的密度相差不大。對(duì)比不同管徑下的單位運(yùn)行成本和投資成本（圖6）可知，隨著管徑的增加，壓降損失減小，壓縮機(jī)所需功率降低，單位運(yùn)行成本降低，同時(shí)管道及設(shè)備的投資成本遠(yuǎn)小于運(yùn)行成本，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，選擇DN300為超臨界-密相輸送的最佳管徑。

圖5 超臨界-密相CO2輸送過程相態(tài)變化Fig.5 Phase state changes during supercritical-dense phase CO2 transportation

圖6 不同管徑成本測(cè)算Fig.6 Cost calculation of different pipe diameters

3.2 壓力和溫度對(duì)管輸特性的影響

采用DN300管徑，根據(jù)CO2的相態(tài)圖，分別定義了不同的入口壓力和溫度數(shù)據(jù)，分析不同壓力溫度條件下對(duì)于輸送特性的影響，其中壓力選擇為10、15、20 MPa，溫度選擇40、50、60、70 ℃。

由圖7 可知，3 種壓力狀態(tài)下的壓降均較小，在15 MPa 和20 MPa 的狀態(tài)下，壓降幾乎不受溫度的影響，在10 MPa 的狀態(tài)下，壓降受溫度影響較大。70 ℃條件下的出口壓力為8.9 MPa，40 ℃條件下的出口壓力為9.3 MPa，隨著入口溫度的增加，壓降幅度增大。

由圖8可知，不同壓力、溫度狀態(tài)下的沿程溫度均有所降低，且下降幅度有所減緩。對(duì)比10 MPa、40 ℃和20 MPa、40 ℃兩種工況，相同溫度下，入口壓力越大，管道的溫降幅度越大。

由圖9可知，不同壓力、溫度狀態(tài)下的沿程密度有所增加。其中10 MPa、70 ℃工況下，在116 km以后間歇性出現(xiàn)了密度突變現(xiàn)象，對(duì)照?qǐng)D5，該工況下溫度一直在超臨界-密相區(qū)運(yùn)行，主要是由于壓力的降低，介質(zhì)接近準(zhǔn)臨界區(qū)，隨后進(jìn)入了氣液兩相區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任何微小的變化都會(huì)引起密度參數(shù)的劇烈改變，在管輸過程中應(yīng)避免壓降引起的相態(tài)變化造成管輸參數(shù)變化；10 MPa、40 ℃和15 MPa、60 ℃兩種條件下的管道入口密度基本一致，對(duì)照?qǐng)D5，兩者的壓降幅度基本一致，主要是由于15 MPa、60 ℃的條件下溫降幅度較大，導(dǎo)致在出口處的密度較10 MPa、40 ℃條件下的大，由此可見，密度對(duì)壓力和溫度數(shù)據(jù)均敏感。

圖7 不同壓力、溫度條件下沿程壓力變化Fig.7 Pressure changes along the pipe under different pressure and temperature conditions

圖8 不同壓力、溫度條件下沿程溫度變化Fig.8 Temperature changes along the pipe under different pressure and temperature conditions

圖9 不同壓力、溫度條件下沿程密度變化Fig.9 Density changes along the pipe under different pressure and temperature conditions

由圖10 可知，不同壓力、溫度狀態(tài)下的沿程黏度有所增加，黏度關(guān)系變化曲線與密度類似。10 MPa、70 ℃條件下，在116 km 以后出現(xiàn)了黏度突變現(xiàn)象；15 MPa、50 ℃和15 MPa、60 ℃兩種條件下，雖然兩者的入口黏度不一致，但兩者的出口溫度分別為9.45 ℃和10.32 ℃，出口黏度基本相同，主要是由于在高壓狀態(tài)下，壓降不受溫度的影響，說明黏度對(duì)壓力數(shù)據(jù)更為敏感。

圖10 不同壓力、溫度條件下沿程黏度變化Fig.10 Viscosity changes along the pipe under different pressure and temperature conditions

通過對(duì)不同壓力、溫度條件下的管輸參數(shù)進(jìn)行模擬，超臨界-密相CO2在輸送過程中，應(yīng)盡量避免進(jìn)入準(zhǔn)臨界區(qū)和氣液兩相區(qū)，高壓狀態(tài)下壓降不受溫度的影響，各參數(shù)的變化幅度也較小，在輸送過程中應(yīng)盡量保持高壓運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）以某油田特定的氣源組分為例，采用PR狀態(tài)方程，利用Pipesim 組分模型進(jìn)行PVT 物性模擬，得到含雜質(zhì)的CO2出現(xiàn)了明顯的氣液兩相區(qū)，臨界點(diǎn)溫度為30.76 ℃，壓力為7.54 MPa，與純CO2相態(tài)相比，臨界溫度有所下降，臨界壓力有所上升。

（2）以100×104t/a 的輸量為基礎(chǔ)，通過模擬對(duì)最優(yōu)管徑進(jìn)行了篩選，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，選擇DN300為超臨界-密相輸送的最佳管徑。

（3）對(duì)不同壓力、溫度條件下的管輸參數(shù)進(jìn)行模擬表明，高壓狀態(tài)下壓降不受溫度的影響，密度對(duì)壓力、溫度敏感，黏度對(duì)壓力敏感，輸送過程中應(yīng)盡量保持高壓運(yùn)行。