管道輸送含雜質(zhì)CO2 的影響因素分析

李凱旋，劉 斌，尚文博，滕 霖

（1. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 中國(guó)石油安徽阜陽(yáng)銷售分公司，安徽 阜陽(yáng)236000；3. 福州大學(xué) 石油化工學(xué)院，福建 福州 350108）

目前，我國(guó)已成為第一大CO2排放國(guó)[1]。一次能源低碳或零碳化前，化石燃料還將繼續(xù)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供原始能量來(lái)源[2]。隨著《巴黎協(xié)定》的簽署，我國(guó)面臨較大碳減排壓力[3]。CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要過(guò)渡方案，是實(shí)施碳減排最有效、最可行的方法之一[4-5]。CO2捕集地與利用或封存地相距一般較遠(yuǎn)，管道輸送以其輸送量大、距離長(zhǎng)、成本低成為CO2輸送最經(jīng)濟(jì)的途徑[6-8]。眾多工業(yè)過(guò)程中都可捕集CO2，產(chǎn)生的CO2流可能包含多種雜質(zhì)[9]。管道輸送CO2流的雜質(zhì)組分及含量對(duì)相平衡及物性參數(shù)的影響顯著。雜質(zhì)含量較高時(shí)，飽和壓力增加，密相運(yùn)輸時(shí)容易因壓降或節(jié)流等原因進(jìn)入兩相區(qū)，影響輸送效率與安全。

LIU等[10-11]研究了高壓管道的CO2排放、CO2在復(fù)雜地形上的擴(kuò)散以及影響減壓特性的因素，并成功預(yù)測(cè)了初始變化后的穩(wěn)定濃度平臺(tái)。滕霖等[12-13]進(jìn)行了超臨界CO2管道泄漏擴(kuò)散特性及定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，得到了超臨界CO2管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律，形成了一套適用的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。呂家興等[14]進(jìn)行了起伏地區(qū)超臨界CO2管道輸送特性及工藝參數(shù)經(jīng)濟(jì)性研究，發(fā)現(xiàn)地形起伏對(duì)輸送的總壓降和溫降影響不大，但起伏管道沿線壓力和溫度存在較大波動(dòng)。CO2長(zhǎng)輸管道有多種不同的輸送工況，最為常見的是超臨界輸送，適用于大輸量的長(zhǎng)輸管道，對(duì)工況的適應(yīng)性強(qiáng)。但超臨界CO2的壓力較高，對(duì)管道壓力等級(jí)要求高，且超臨界CO2密度隨壓力變化產(chǎn)生急劇的變化，因此要求管道沿線人口密集度較低。氣相輸送安全性較好，但運(yùn)輸成本較高。液相輸送適用于小輸量、短距離的集輸管道，其介質(zhì)來(lái)源屬于液相且運(yùn)行壓力較低[15]，CO2管道輸送研究中，液相工況相對(duì)較少。

本文研究地形起伏條件下不同雜質(zhì)對(duì)液相CO2管道輸送的影響。利用Peng-Robinson狀態(tài)方程預(yù)測(cè)含CO2流的熱力學(xué)性質(zhì)；基于一維管流控制方程，建立含雜質(zhì)CO2管道輸送模型，在此基礎(chǔ)上分析不同雜質(zhì)、管道傾角和含雜比例下的管道輸送規(guī)律。

1 管道輸送模型的建立

1.1 水力模型

管道運(yùn)行過(guò)程中，管內(nèi)流體性質(zhì)沿徑向和周向變化遠(yuǎn)小于軸向，因此管輸模型可簡(jiǎn)化為沿管道一維模型，提高計(jì)算速率。一維管流質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程如下：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為流速，m/s；x為距離，m；p為壓力，Pa；Cv為定容比熱容，J/(kg·K)；g為重力加速度，m/s2；θ為管道傾角，°；f為摩擦系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；k為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為流體溫度，K；Ta為壁溫，K。

流體與管壁之間的摩阻計(jì)算采用考慮了摩擦效應(yīng)和勢(shì)能變化的Darcy-Weisbach公式。

Colebrook-White達(dá)西摩擦系數(shù)計(jì)算公式綜合了光滑湍流區(qū)雷諾數(shù)和粗糙湍流區(qū)內(nèi)部粗糙度兩方面的影響，目前使用較為廣泛[16]。

式中，K為等效砂粒粗糙度；Re為流動(dòng)雷諾數(shù)。

1.2 傳熱計(jì)算方程

在輸送過(guò)程中，管輸流體和周圍土壤會(huì)產(chǎn)生熱交換，總傳熱系數(shù)k反映了CO2與周圍土壤之間的傳熱強(qiáng)弱。忽略土地的熱量積累，采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算，得到地面與管道中流體的等效傳熱系數(shù)[17]。

式中，D1為管道內(nèi)徑，m；D2為管道外徑，m；λg為管壁傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Db為加保溫層后的外徑，m；λb為保溫層傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；z為管道埋地深度，m；λs為土壤傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；α為流體側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

1.3 物性方程

雜質(zhì)會(huì)改變CO2流的熱力性質(zhì)，而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)CO2流的熱力性質(zhì)具有重要意義。溫度和壓力變化范圍較大時(shí)，采用GERG-2008 非立方狀態(tài)方程計(jì)算熱容和焦湯系數(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)[18]。但計(jì)算時(shí)涉及多次迭代，且可能出現(xiàn)無(wú)效點(diǎn)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。Peng-Robinson（PR）三次方狀態(tài)方程精確性高、適用范圍廣，能有效應(yīng)用于多種條件下單相、多相系統(tǒng)以及氣液平衡計(jì)算[19]。使用PR狀態(tài)方程可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)液體性質(zhì)，計(jì)算速度較快。本文采用PR狀態(tài)方程描述管輸含雜質(zhì)CO2的物性，具體形式如下：

式中，p0為絕對(duì)壓力，Pa；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；V為摩爾體積，L/mol；a和b分別為考慮了分子間引力和分子體積的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，Z為氣體壓縮因子。

式中，pc為臨界壓力，Pa；Tc為臨界溫度，K；xi為組分i的物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω為偏心因子；kij為二元交互系數(shù)，表示與理想混合物發(fā)生的偏差，組分i和j之間的二進(jìn)制相互作用參數(shù)。

1.4 管線概況

本文管線背景為我國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目——齊魯石化正理莊油田CCUS項(xiàng)目。該管線把齊魯石化捕集的CO2流輸送至勝利油田注入地層封存并驅(qū)油。采油廠接收低純度CO2后，進(jìn)行液化提純，然后增壓分配至井口，用于EOR驅(qū)油，每年可減排CO250 × 104t。利用GIS地理信息系統(tǒng)采集輸送過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，得到沿線高程變化信息如圖1所示，管線長(zhǎng)度70 km，管徑規(guī)格為DN400[15]，該項(xiàng)目已完成初步設(shè)計(jì)。

圖1 管道海拔Fig. 1 Pipeline altitude

1.5 輸送條件

在一定的CO2流中雜質(zhì)性質(zhì)分布始終處于含H2S和H2的二元混合物之間[9]，且H2S為極性，H2為非極性。因此，為使雜質(zhì)更具代表性，選取H2S、H2，以及性質(zhì)分布在這兩種混合物之間的CH4作為雜質(zhì)，雜質(zhì)最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。依據(jù)該項(xiàng)目輸送條件，利用Aspen HYSYS模擬軟件，將物性組成設(shè)置為CO2、H2、CH4和H2S。以CO2為主要物料，分別添加H2、CH4和H2S，預(yù)測(cè)其物性變化。

輸送部分以GIS軟件測(cè)得的高程作為參考，建立了70 km的管道模型，讀取管道前后物性以及壓力的變化。輸送過(guò)程保持CO2流組分恒定，進(jìn)口壓力6.00 MPa，溫度為253.1 K，初始工作狀態(tài)為液態(tài)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 含雜質(zhì)CO2 物性分析

圖2(a)為含H2的CO2流相態(tài)，曲線的上半部分為露點(diǎn)線，下半部分為泡點(diǎn)線，相圖被露點(diǎn)線和泡點(diǎn)線分成氣相區(qū)、氣液兩相區(qū)和液相區(qū)，可以清楚地反映出CO2流含H2時(shí)的相包絡(luò)線變化，CO2流中的H2含量使露點(diǎn)線延伸向無(wú)窮遠(yuǎn)處。由圖2(a)可知，純CO2的臨界壓力、溫度分別為7.38 MPa、304.2 K，H2含量1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)CO2流臨界參數(shù)為7.70 MPa、303.9 K，3%時(shí)為8.41 MPa、303.5 K，5%時(shí)為9.15 MPa、303.2 K?？梢?，CO2流混入H2后臨界壓力會(huì)增加，臨界溫度會(huì)降低，且隨著H2含量增加，變化會(huì)更加明顯。圖2(b)為含CH4的CO2流相態(tài)。由圖2(b)可知，混入CH4會(huì)導(dǎo)致氣泡線顯著移動(dòng)，即使在較低的含量下，CH4的存在也會(huì)改變CO2的相包絡(luò)線。CH4含量1%時(shí)CO2流臨界參數(shù)為7.43 MPa、303.4 K，3%時(shí)為7.54 MPa、301.9 K，5%時(shí)為8.08 MPa、294.2 K。可見，CO2流混入CH4后臨界壓力會(huì)增加，臨界溫度會(huì)降低，且隨著CH4含量增加，變化會(huì)更加明顯。圖2(c)為含H2S的CO2流相態(tài)。由圖2(c)可知，其對(duì)CO2流的相圖影響較小。

圖2 含H2 (a)、CH4 (b)和H2S (c)的CO2 流相態(tài)Fig. 2 Phase diagrams of CO2 flow with H2 (a),CH4 (b) and H2S (c)

圖3為不同雜質(zhì)對(duì)CO2流密度的影響，其中雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%。由圖3(a)可知，CO2流密度隨溫度增加而減少；溫度相同時(shí)，純CO2流密度最大，雜質(zhì)為H2S時(shí)與純CO2密度較為接近，且隨溫度升高進(jìn)一步趨近。由圖3(b)可知，CO2流密度隨壓力增加而增加；雜質(zhì)為H2時(shí)CO2流密度最小，且11.70 MPa時(shí)氣相才完全消失，故在11.70 MPa前的密度隨壓力增加急劇上升。

圖3 不同雜質(zhì)對(duì)CO2 流密度的影響Fig. 3 Effects of different impurities on CO2 flow density

圖4為不同雜質(zhì)對(duì)CO2流比熱容的影響。由圖4(a)可知，CO2流熱容隨溫度升高而增大。溫度較低時(shí)，各熱容增加緩慢且較為相近，隨著溫度的升高，熱容增加的速率不斷增加。其中雜質(zhì)為CH4時(shí)CO2流熱容較大且增加速率較大；雜質(zhì)為H2S時(shí)熱容增加速率較小且與純CO2接近。由圖4(b)可知，熱容隨壓力升高不斷減小。雜質(zhì)為H2時(shí)，初始階段熱容變化速率慢，氣相消失后速率變快。

圖4 不同雜質(zhì)對(duì)CO2 流比熱容的影響Fig. 4 Effects of different impurities on CO2 flow specific heat capacity

圖5為不同雜質(zhì)對(duì)CO2流粘度的影響。由圖5(a)可知，粘度隨溫度升高而減小。由圖5(b)可知，雜質(zhì)為H2時(shí)CO2流初始粘度大于雜質(zhì)為CH4時(shí)，11.70 MPa前粘度隨壓力增加不斷下降，穩(wěn)定之后粘度相對(duì)最小，其他CO2流粘度隨壓力升高而增加。

圖5 不同雜質(zhì)對(duì)CO2 流粘度的影響Fig. 5 Effects of different impurities on CO2 flow viscosity

2.2 含雜質(zhì)CO2 流管道運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩胤治?/h3>

2.2.1 不同雜質(zhì)對(duì)CO2流輸送過(guò)程的影響

隨著輸送距離的增加，CO2流的壓力減小，溫度升高。由圖6 可知，隨著CH4含量的增加，CO2流的壓降梯度增大，溫升減小。由圖7 可知，H2含量增加也會(huì)使CO2流的壓降梯度增大，溫升減小。由圖8 可知，H2S對(duì)CO2流管輸性質(zhì)影響較??；H2對(duì)CO2流的影響較為明顯，純CO2在70 km處的壓降為0.073 MPa，H2雜質(zhì)含量1%時(shí)CO2流在75 km處的壓降為0.074 MPa，3%時(shí)壓降為0.107 MPa，5%時(shí)壓降為0.134 MPa，5%時(shí)比純CO2在75 km處的壓降增加了83%。

圖6 雜質(zhì)CH4 對(duì)CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 6 Effect of impurity CH4 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

圖7 雜質(zhì)H2 對(duì)CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 7 Effect of impurity H2 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

圖8 雜質(zhì)H2S對(duì)CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 8 Effect of impurity H2S on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

2.2.2 管道傾角對(duì)CO2流輸送過(guò)程的影響

圖9為管道輸送時(shí)傾角與壓降的關(guān)系，圖中高度差大于0 代表管道上傾，高度差小于0 代表管道下傾，高度差的絕對(duì)值越大，管道的傾角就越大。由圖9 可知，壓降與傾角之間的關(guān)系為直線，管道上傾時(shí)壓降隨管道傾角的減小而減小，管道下傾時(shí)壓降的絕對(duì)值隨傾角的增大而增大。管道無(wú)傾角時(shí)，由于摩擦損失，管內(nèi)壓降值大于0。

圖9 傾角對(duì)壓力梯度的影響Fig. 9 Effect of inclination on pressure gradient

圖10為起伏地形下不同雜質(zhì)對(duì)CO2流壓降的影響，其中圖10(a)管道前后高差為-220 m，圖10(b)管道前后高差為220 m，雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%?？梢姡瑹o(wú)論上坡或下坡，H2和CH4的存在都會(huì)減小CO2流輸送過(guò)程的壓降，而含H2S幾乎不會(huì)影響CO2流的輸送。圖10(a)中，上升管道末端，純CO2流壓降為2.930 MPa，雜質(zhì)為CH4時(shí)壓降為2.753 MPa，雜質(zhì)為H2S時(shí)壓降為2.919 MPa，雜質(zhì)為H2時(shí)壓降為2.531 MPa，雜質(zhì)為H2時(shí)CO2流壓降與純CO2時(shí)相差13%。圖10(b)中，下降管道末端，純CO2流壓降為-2.769 MPa，雜質(zhì)為CH4時(shí)壓降為-2.588 MPa，雜質(zhì)為H2S時(shí)壓降為-2.755 MPa，雜質(zhì)為H2時(shí)壓降為-1.678 MPa，雜質(zhì)為H2時(shí)CO2流壓降與純CO2時(shí)相差39%。

圖10 管道上傾(a)和下傾(b)時(shí)不同雜質(zhì)對(duì)CO2 流壓降的影響Fig. 10 Effect of different impurities on CO2 flow pressure drop in upward (a) and downward (b) inclined pipeline

圖11為起伏地形下不同雜質(zhì)對(duì)CO2流溫度的影響，其中圖11(a)管道前后高差為-220 m，圖11(b)管道前后高差為220 m，雜質(zhì)含量均為5%?？梢姡瑹o(wú)論上坡或下坡，H2和CH4的存在都會(huì)減小CO2流輸送過(guò)程的溫升，而含H2S幾乎不會(huì)影響CO2流的溫度。圖11(a)中，雜質(zhì)為CH4、H2S時(shí)CO2流溫度均升高，雜質(zhì)為H2時(shí)CO2流溫度在30 km前先升高，后平穩(wěn)，最后開始下降，這是由于CO2流在此狀態(tài)下產(chǎn)生氣相，使其溫度略微降低。

圖11 管道上傾(a)和下傾(b)時(shí)不同雜質(zhì)對(duì)CO2 流溫度的影響Fig. 11 Effect of different impurities on CO2 flow temperature in upward (a) and downward (b) inclined pipeline

3 結(jié)論

以齊魯石化正理莊油田管道為背景，對(duì)管道輸送含雜質(zhì)CO2的影響因素進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

（1）雜質(zhì)H2會(huì)顯著影響管輸CO2流的性質(zhì)和相包絡(luò)線，表現(xiàn)為泡點(diǎn)線趨于無(wú)窮，密度減小，比熱增加，粘度減小，該趨勢(shì)隨H2含量增加更為明顯。含H2的CO2流易產(chǎn)生氣相，實(shí)際工況中需要將含H2的CO2流嚴(yán)格保持在臨界點(diǎn)以上。

（2）雜質(zhì)CH4使管輸CO2流的臨界壓力增加，臨界溫度減少，密度減小，比熱增加，粘度減小，該趨勢(shì)隨CH4含量增加更為顯著。含H2S對(duì)CO2流的相態(tài)影響較小。

（3）地形起伏會(huì)影響管道液體輸送，管道上傾時(shí)壓降隨管道傾角的減小而減小，下傾時(shí)壓降的絕對(duì)值隨傾角的增大而增大。