超臨界CO2管道瞬態(tài)輸送工藝研究進(jìn)展及方向

李欣澤 袁 亮 張 超 王梓丞 邢曉凱 熊小琴陳曉玲 尚 妍 張文輝 陳 潛

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國(guó)石油新疆油田公司開(kāi)發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國(guó)石油新疆油田公司基本建設(shè)工程處，新疆 克拉瑪依 834000；4. 中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

0 引 言

大力發(fā)展CCUS（Carbon Capture Utilization and Storage）技術(shù)是未來(lái)中國(guó)減少CO2排放、保障能源安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要選擇，在中國(guó)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將發(fā)揮重要托底作用［1-7］。由于CO2源匯分布的空間特性，CO2管輸將是連接CCUS產(chǎn)業(yè)鏈上下游的關(guān)鍵樞紐。國(guó)際上在CO2管輸方面已有近半個(gè)世紀(jì)的工程實(shí)踐，現(xiàn)有CO2管道超過(guò)10 000 km，主要集中在北美和歐洲［8］。中國(guó)CO2管輸技術(shù)發(fā)展緩慢，CO2輸送以低溫儲(chǔ)罐公路運(yùn)輸為主［9-10］。

CO2可分為超臨界（密度200～600 kg/m3）、密相（密度600～1 200 kg/m3）、液相（密度600～1 200 kg/m3）、氣相（密度1～200 kg/m3）、固相（密度1 560 kg/m3）共5 個(gè)相態(tài)。當(dāng)壓力和溫度均高于臨界壓力和臨界溫度時(shí)CO2處于超臨界狀態(tài)，此時(shí)CO2既具有氣體的低黏度和高流動(dòng)性，又具有液體的高密度［11］。CO2驅(qū)油和地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2管道輸送的主要需求，超臨界態(tài)管輸是目前國(guó)際上進(jìn)行CO2長(zhǎng)距離、大規(guī)模碳運(yùn)輸?shù)淖畎踩?jīng)濟(jì)方式［12］。黃維和等［13］認(rèn)為碳中和前需構(gòu)建區(qū)域間的干線(xiàn)管道，形成輸送規(guī)模10×108t 級(jí)、總里程約6×104km 的國(guó)家輸碳管網(wǎng)。中國(guó)新疆、山東、陜西等省份已啟動(dòng)超臨界CO2管道規(guī)劃或建設(shè)。由于CO2物性與原油、天然氣存在顯著差異，現(xiàn)有管道運(yùn)行技術(shù)無(wú)法直接套用，CO2相態(tài)突變導(dǎo)致的超高壓、超低溫等問(wèn)題為管道運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。長(zhǎng)距離超臨界CO2管道瞬態(tài)輸送的核心技術(shù)還有待突破，模型和方法亟需工業(yè)規(guī)模示范工程的驗(yàn)證及修正。

1 超臨界CO2管道水力熱力特性

目前純CO2物性及相特性計(jì)算較成熟，密度、黏度等物性參數(shù)可通過(guò)流體相平衡試驗(yàn)測(cè)得，通過(guò)對(duì)比不同理想狀態(tài)方程，推薦使用彭-羅賓森（Peng-Robinson）方程作為CO2相平衡及物性參數(shù)的研究模型［14］。捕集的CO2氣源含多種雜質(zhì)，包括極性雜質(zhì)H2S 以及非極性雜質(zhì)H2、CH4、N2、O2等氣體，雜質(zhì)會(huì)對(duì)物性（密度、黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等）和相特性（氣液平衡線(xiàn)、臨界壓力、臨界溫度、準(zhǔn)臨界等）產(chǎn)生影響，可改變?cè)O(shè)計(jì)條件和管道運(yùn)行機(jī)制［15］。含雜質(zhì)CO2物性及相特性計(jì)算仍需基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方程進(jìn)行修正和完善［16］。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3202—2018《二氧化碳輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［17］未明確雜質(zhì)含量要求，需盡快制定CO2管輸組分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)CO2氣源組分要求給出了推薦值［18］，成果是否適用于中國(guó)CO2管道需要進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者［19-20］對(duì)CO2管道穩(wěn)態(tài)輸送工藝進(jìn)行了研究，提出了CO2管輸穩(wěn)態(tài)水力熱力模型，給出了CO2輸送過(guò)程水力熱力特性的試驗(yàn)檢測(cè)方法，得到了不同相態(tài)輸送條件下管內(nèi)壓力、溫度和物性參數(shù)的變化規(guī)律?，F(xiàn)有含雜質(zhì)CO2多元體系物性、相特性模型及管輸穩(wěn)態(tài)水力熱力模型建立技術(shù)路線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 含雜質(zhì)CO2多元體系物性、相特性模型及管輸穩(wěn)態(tài)水力熱力模型建立的技術(shù)路線(xiàn)Fig. 1 Technical roadmap of establishing physical and phase characteristics models for CO2 multi-component systems containing impurities and steady-state hydraulic and thermodynamic models for pipeline transportation

長(zhǎng)距離超臨界CO2管道在運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)遇到計(jì)劃停輸、事故停輸、水擊、泄漏、計(jì)劃放空、緊急放空等瞬態(tài)工況，相比穩(wěn)態(tài)輸送，瞬態(tài)輸送過(guò)程的危險(xiǎn)及危害性更大。管道輸量、壓力、溫度等運(yùn)行參數(shù)發(fā)生劇變，CO2將在管道內(nèi)形成瞬變流動(dòng)，由瞬態(tài)壓力和溫度確定的相態(tài)點(diǎn)可能降低至泡點(diǎn)線(xiàn)之下并進(jìn)入氣液兩相區(qū)，CO2氣化會(huì)導(dǎo)致壓力大幅上升，對(duì)管道造成沖擊［21-22］。

為描述管內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程，許多學(xué)者［23-30］建立了CO2管道瞬態(tài)流動(dòng)模型，結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系式和狀態(tài)方程，在瞬間時(shí)間和空間域?qū)Ψ欠€(wěn)定流的控制方程進(jìn)行求解，基于瞬態(tài)壓力和溫度，評(píng)估了CO2管輸過(guò)程中瞬變和相變風(fēng)險(xiǎn)。但現(xiàn)有模型普遍存在4 個(gè)問(wèn)題：①假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)化，忽略了管道壁面的摩擦阻力、流體的溫度變化等；②對(duì)管道的入口和出口（流量、壓力）等邊界條件處理不準(zhǔn)確；③對(duì)管內(nèi)流動(dòng)特性描述不準(zhǔn)確，忽略了管內(nèi)流動(dòng)的三維特性（渦旋、湍流等）；④對(duì)管材腐蝕和磨損考慮不足。亟需通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地研究出多雜質(zhì)超臨界CO2相變特性管道輸送工藝設(shè)計(jì)所需的水力熱力計(jì)算模型，便于對(duì)瞬變工況的形成、發(fā)展以及后果進(jìn)行預(yù)測(cè)。基于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，提出管道運(yùn)行階段瞬態(tài)過(guò)程的安全控制建議、詳細(xì)操作準(zhǔn)則及參數(shù)控制指標(biāo)，形成一套運(yùn)行安全控制技術(shù)，制定相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)CO2管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理，避免管道內(nèi)CO2介質(zhì)發(fā)生相變，引發(fā)水擊、管道緊急放空操作等，降低運(yùn)行維護(hù)成本（管道發(fā)生泄漏損失、管道泄漏后維修、防護(hù)成本等）。同時(shí)提前做好事故工況的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，為管道運(yùn)維保駕護(hù)航，確保管道安全平穩(wěn)運(yùn)行，也為操作人員的生命安全提供保障。

2 超臨界CO2管道瞬態(tài)輸送過(guò)程

2.1 管道停輸再啟動(dòng)

區(qū)別于原油和天然氣管道，CO2管道的停輸再啟動(dòng)存在相態(tài)特性變化的問(wèn)題。有學(xué)者［31-32］借助商業(yè)軟件，結(jié)合山東等省份的超臨界CO2管道示范工程參數(shù)，通過(guò)建立仿真模型獲得管道停輸及再啟動(dòng)過(guò)程中管內(nèi)溫度、壓力、密度及相態(tài)協(xié)同變化波動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流體相變、超壓、水合物生成等風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于超臨界CO2管道在停輸時(shí)應(yīng)采取的保護(hù)措施研究相對(duì)較少，現(xiàn)有保護(hù)策略主要包括調(diào)整管道停輸前工藝參數(shù)、停輸過(guò)程工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)、啟用壓力安全閥及部分泄壓流程、合理設(shè)置加壓站等［33-36］。已有商業(yè)軟件工藝計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)均為油氣管道，計(jì)算模型缺乏CO2管道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證［37］。仿真模型并沒(méi)有包含壓縮機(jī)/泵元件，僅是通過(guò)設(shè)置閥門(mén)的關(guān)閉和開(kāi)啟來(lái)模擬管道的停輸和再啟動(dòng)，與實(shí)際工況存在差異［38］。

超臨界CO2管道在停輸過(guò)程中，流體相態(tài)轉(zhuǎn)變路徑為超臨界相→密相→液相→氣液平衡線(xiàn)，溫度和壓力存在協(xié)同變化關(guān)系?？蓪⒂绊懝艿劳］?shù)囊蛩胤譃? 類(lèi)：一類(lèi)是管道運(yùn)行參數(shù)（如停輸前管道運(yùn)行壓力、溫度、輸量等）；另一類(lèi)是管道周?chē)h(huán)境參數(shù)（如土壤環(huán)境溫度、管土總傳熱系數(shù)、管道有無(wú)保溫層等）。在臨界點(diǎn)附近，CO2密度將在溫度微小變化下發(fā)生劇烈波動(dòng)，密度的劇烈波動(dòng)使管內(nèi)CO2流體體積波動(dòng)變化，在管道固定體積約束下，劇烈波動(dòng)的CO2流體將對(duì)管道產(chǎn)生劇烈的脈動(dòng)沖擊，危害管道安全。說(shuō)明超臨界CO2管道同樣存在安全停輸時(shí)間約束，應(yīng)在管內(nèi)流體發(fā)生相變之前，結(jié)束停輸以避免對(duì)管道系統(tǒng)的沖擊危害。而目前對(duì)于超臨界CO2管道的安全停輸時(shí)間，并沒(méi)有明確的科學(xué)定義和說(shuō)明，尚缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［39］。CO2相態(tài)由溫度和壓力2 個(gè)參數(shù)共同決定，對(duì)于超臨界CO2管道，不僅要關(guān)注管道在停輸過(guò)程和再啟動(dòng)過(guò)程中沿程溫度變化，還需要同時(shí)關(guān)注壓力和溫度協(xié)同作用下的CO2相態(tài)變化。因此可將超臨界CO2管道安全停輸時(shí)間定義為從管道停輸開(kāi)始至管內(nèi)任一點(diǎn)流體即將進(jìn)入氣液共存區(qū)的時(shí)間，將安全停輸時(shí)間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為避免輸送體系中超臨界CO2到氣相轉(zhuǎn)變發(fā)生的問(wèn)題。

現(xiàn)有關(guān)于超臨界CO2管道停輸再啟動(dòng)過(guò)程溫壓協(xié)同變化機(jī)理與安全控制研究還需要進(jìn)一步完善。有必要構(gòu)建多因素協(xié)同作用下的管道安全停輸時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)，擬合出半經(jīng)驗(yàn)公式或利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法建立預(yù)測(cè)模型，方便工程應(yīng)用。以往研究多關(guān)注流體的溫度、壓力，而密度、相態(tài)、壓力波速的時(shí)空演化規(guī)律也是停輸再啟動(dòng)過(guò)程分析的關(guān)鍵。為保障管道安全停輸，可試圖給出夏季和冬季允許停輸時(shí)間對(duì)應(yīng)的管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)范圍，以保證在管道停輸穩(wěn)定后，管內(nèi)CO2相態(tài)將維持在密相或者液相，不會(huì)進(jìn)入氣液兩相共存區(qū)。管道再啟動(dòng)壓力的組成也需要明確，并給出基于位置和時(shí)間變量的壓力波速表達(dá)函數(shù)。目前中國(guó)的示范工程管道長(zhǎng)度均在200 km 內(nèi)，管道沿線(xiàn)無(wú)需設(shè)置中間泵站，而對(duì)于今后多泵站管道運(yùn)行場(chǎng)景，需要基于管內(nèi)CO2流體不發(fā)生相變的原則，優(yōu)化管道再啟動(dòng)時(shí)各泵站啟動(dòng)時(shí)機(jī)和啟動(dòng)時(shí)序。

2.2 管道水擊瞬變流動(dòng)

超臨界CO2管道密閉輸送流程使全線(xiàn)成為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，超臨界CO2具有液體的高密度，按照以往原油、成品油管道水擊的認(rèn)識(shí)，超臨界CO2管道水擊分析必不可少?？焖匍_(kāi)關(guān)閥門(mén)、啟停增壓設(shè)備或輸量大幅調(diào)整等可能會(huì)引起水擊工況，流體將在管道內(nèi)形成瞬變流動(dòng)，管道系統(tǒng)內(nèi)不穩(wěn)定流產(chǎn)生的瞬變壓力波沿管道傳播，瞬變壓力疊加在管道原來(lái)的壓力分布上，造成沿線(xiàn)輸送參數(shù)（輸量、壓力）的不穩(wěn)定，增壓波有可能使管內(nèi)壓力超過(guò)管道運(yùn)行的最大工作壓力，引起強(qiáng)度破壞，減壓波有可能使下游泵站進(jìn)站壓力降低，泵發(fā)生氣蝕。

為了更好地描述CO2管道水擊瞬變流動(dòng)過(guò)程，有學(xué)者通過(guò)自編程序或使用商業(yè)軟件建立超臨界CO2管道瞬態(tài)水力熱力模型并開(kāi)展計(jì)算分析工作，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作較少［20-21，40］。模擬結(jié)果表明，在上游氣源供應(yīng)中斷情況下，可觀察到液相CO2的減壓和氣化現(xiàn)象；在中間截?cái)嚅y門(mén)快速關(guān)閉的情況下，閥前后壓力和流量變化劇烈，每個(gè)隔離管段都產(chǎn)生壓力波，但與以往原油管道瞬變流動(dòng)規(guī)律不同，閥前升壓速率緩慢，運(yùn)行單位有充足時(shí)間處理事故工況。根據(jù)儒可夫斯基的水擊理論［41］，由流速瞬間變化直接產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)與壓力波的波速密切相關(guān)。超臨界態(tài)CO2體積彈性系數(shù)小于原油，壓力波在超臨界態(tài)CO2的傳播速度為400～800 m/s，在原油中為1 000～1 200 m/s。在流速變化量相等的情況下，原油管道直接瞬變壓力值是超臨界CO2管道的1.2～3.0 倍，說(shuō)明超臨界CO2管道的水擊危害程度小，這也和已有的模擬計(jì)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

CO2存在相變問(wèn)題，閥門(mén)誤關(guān)閉等操作會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生瞬變壓力脈動(dòng)，在水力瞬變過(guò)程中，存在管道充裝、壓力波的衰減和壓力波的疊加，壓力、溫度等工藝參數(shù)的變化可能導(dǎo)致CO2發(fā)生相變，這將引起新的管道瞬變流動(dòng)。滕霖［42］研究發(fā)現(xiàn)在管線(xiàn)放空初期或在準(zhǔn)臨界區(qū)域，管內(nèi)流速劇烈變化，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。相變的發(fā)生，尤其是CO2氣化會(huì)在很大程度上降低壓力波的傳播速度，這些情況使瞬變流動(dòng)的分析和計(jì)算大大復(fù)雜化。在水擊保護(hù)措施方面，盡管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3202—2018《CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［17］強(qiáng)調(diào)了采用液相和超臨界輸送CO2管道的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行水擊分析，但并沒(méi)有給出具體的分析方法和水擊保護(hù)措施。目前超臨界CO2管道水擊及控制理論還不成熟，水擊形成機(jī)制和保護(hù)措施還未得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有研究或許可以從求解模型的數(shù)值解來(lái)對(duì)參數(shù)變化進(jìn)行分析，總結(jié)水擊事故工況下各節(jié)點(diǎn)流動(dòng)參數(shù)的時(shí)變規(guī)律，然后為超臨界CO2管道的瞬變流動(dòng)與控制提供參考。

2.3 管道放空

當(dāng)超臨界CO2管道放空時(shí)，CO2會(huì)通過(guò)放空系統(tǒng)直接釋放到大氣中，管內(nèi)介質(zhì)將依次經(jīng)歷大/小管嘴淹沒(méi)出流、跨相態(tài)多級(jí)節(jié)流、無(wú)限空間氣體紊流淹沒(méi)射流等物理過(guò)程，如圖2 所示。其中，大/小管嘴淹沒(méi)出流涉及管嘴大小的界定和泄流段的壓差計(jì)算；跨相態(tài)多級(jí)節(jié)流涉及不同相態(tài)狀態(tài)方程的選用、物性參數(shù)和當(dāng)?shù)芈曀俚挠?jì)算；無(wú)限空間氣體紊流淹沒(méi)射流涉及到CO2放空時(shí)的溫度、壓力、流量等參數(shù)以及噪聲和激振問(wèn)題。由于巨大的壓差和節(jié)流作用，介質(zhì)溫度會(huì)急劇下降，甚至可降至CO2的三相點(diǎn)以下，過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致材料變脆，對(duì)管道和設(shè)備造成損害。此外，如果管嘴和放空管道內(nèi)形成干冰，還可能堵塞管道，造成嚴(yán)重危害［43］。

圖2 超臨界CO2管道干線(xiàn)放空物理過(guò)程示意Fig. 2 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline blowdown

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于超臨界CO2管道放空的研究，主要集中于管道放空過(guò)程中CO2流動(dòng)特性變化規(guī)律和安全放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)。流動(dòng)特性變化規(guī)律涉及干線(xiàn)管內(nèi)、管嘴泄流、放空閥節(jié)流、自由射流等過(guò)程相態(tài)和流動(dòng)參數(shù)變化以及放空管外擴(kuò)散和CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布等。研究表明，管內(nèi)CO2相態(tài)會(huì)經(jīng)歷超臨界、氣液兩相共存和氣相3 個(gè)過(guò)程；管內(nèi)壓力取決于放空初始?jí)毫头趴展苄螒B(tài)，管內(nèi)溫降速率受放空速率影響，最低溫度受初始溫度影響；多級(jí)節(jié)流放空能夠有效控制管內(nèi)溫降幅度，同時(shí)影響管外CO2噴射擴(kuò)散形態(tài)；放空管附近區(qū)域易出現(xiàn)全線(xiàn)溫度最低點(diǎn)，也是最易出現(xiàn)冰堵的區(qū)域［44-49］。

安全放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決在放空過(guò)程中出現(xiàn)的冰堵、材料冷脆、噪聲污染、放空系統(tǒng)激振等問(wèn)題，同時(shí)，在足夠安全距離的前提下，放空時(shí)間要盡量短，使得維搶修工作能夠盡快開(kāi)展?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)只是給出了要重點(diǎn)考慮放空管放空能力、溫降控制、防止干冰堵塞和噪聲等原則，缺乏對(duì)放空管設(shè)計(jì)的具體指導(dǎo)和要求。為實(shí)現(xiàn)超臨界CO2管道放空過(guò)程的安全防護(hù)，一些學(xué)者結(jié)合放空試驗(yàn)和模擬，給出了3 點(diǎn)安全控制建議［50-54］：①增大泄放速率、節(jié)流入口增溫和節(jié)流出口整流；②當(dāng)采用多級(jí)節(jié)流時(shí)，設(shè)置較高的初始溫度，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(diǎn)附近；③減緩閥門(mén)開(kāi)啟速率同時(shí)配合采用放空管局部加熱。同時(shí)也提出了多級(jí)節(jié)流泄放、人為調(diào)整放空前工藝參數(shù)、放空管級(jí)間局部加熱、保溫、增設(shè)緩沖罐等措施。

而現(xiàn)有超臨界CO2管道放空過(guò)程流動(dòng)特性研究的不足在于：研究工況相對(duì)單一，導(dǎo)致放空過(guò)程涉及到的相變路線(xiàn)不全面；相態(tài)間的非平衡轉(zhuǎn)變問(wèn)題研究欠缺；壓力衰減和溫降間的協(xié)同關(guān)系不明確；固相生成規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)控制的研究不足；夾雜液相甚至固相的管外擴(kuò)散過(guò)程研究不足。另外，針對(duì)安全泄放提出的部分措施缺少現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用實(shí)踐，如在高放空速率工況下，級(jí)間流體是否與外部電伴熱帶等提溫措施有足夠長(zhǎng)的換熱時(shí)間，以達(dá)到有效控制干冰生成的目的。安全控制存在一定的局限性，缺少放空管低溫低應(yīng)力校核分析、安全放空自控程序以及放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力確定依據(jù)等。為確保超臨界CO2管道示范工程安全泄放，應(yīng)盡快制定CO2安全泄放技術(shù)手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，明確安全閥選型方法、節(jié)流級(jí)數(shù)、放空系統(tǒng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)序、放空過(guò)程不同時(shí)期閥門(mén)開(kāi)度控制等，以達(dá)到既安全放空又有效控制投資的目的。

2.4 管道泄漏

CO2管道泄漏過(guò)程可分為管道內(nèi)減壓過(guò)程、近場(chǎng)射流膨脹過(guò)程和遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散過(guò)程3 個(gè)部分［55］，如圖3 所示。對(duì)于管內(nèi)減壓階段，泄漏瞬間產(chǎn)生減壓波沿管道傳播，熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，明確CO2管內(nèi)泄漏特性是開(kāi)展CO2管道泄漏近場(chǎng)射流的基礎(chǔ)［56］。對(duì)于架空管道來(lái)說(shuō)，泄漏孔處的CO2以高速?lài)娚浠蛏淞餍问綇墓艿乐袊姵?，形成近?chǎng)射流，泄漏口周?chē)鷾囟燃彼傧陆担?7］。射流膨脹后，CO2進(jìn)一步擴(kuò)散到遠(yuǎn)離泄漏源的區(qū)域，形成遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散。CO2持續(xù)泄漏可能產(chǎn)生大量干冰堆積在地面，形成新的擴(kuò)散源。而對(duì)于埋地管道，CO2會(huì)在泄漏初期數(shù)秒內(nèi)在土壤孔隙中以射流擴(kuò)散，泄漏孔周?chē)鷷?huì)形成凍土球，其內(nèi)部由干冰球和凍土層構(gòu)成。多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)改變射流方向并降低射流動(dòng)量，在泄漏口處由于壓力分層而出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，但在極短時(shí)間內(nèi)接近大氣壓，擴(kuò)散形式變?yōu)榫鶆驍U(kuò)散［58］。包裹在泄漏孔周?chē)纬傻膬鐾燎虺蔀榱硪粋€(gè)擴(kuò)散源［59］。

圖3 超臨界CO2管道泄漏物理過(guò)程示意Fig. 3 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline leakage

現(xiàn)有大部分CO2管道泄漏特性實(shí)驗(yàn)為中小規(guī)模，受尺度效應(yīng)限制無(wú)法完全還原工程實(shí)際工況。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管內(nèi)溫度和相態(tài)變化已有基本認(rèn)識(shí)，大致明確了管內(nèi)熱傳遞方向。沿管道長(zhǎng)度，溫度從泄漏孔到遠(yuǎn)端逐漸降低，遠(yuǎn)端管道底部溫度最低，管內(nèi)溫度與泄漏口徑有關(guān)，泄漏口徑越大管道末端溫度越低［60］。管內(nèi)產(chǎn)生干冰時(shí)溫度可達(dá)到-80 ℃，極有可能引起脆性斷裂。若CO2減壓波波速低于管道斷裂擴(kuò)展速度，會(huì)造成管體裂紋快速持續(xù)擴(kuò)展，進(jìn)而造成更嚴(yán)重的損失。

由于CO2管道泄漏近場(chǎng)射流階段的高流速和高沖擊力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量中可采用的方法有限且容易存在誤差；考慮到射流中可能會(huì)伴隨干冰顆粒的生成和升華以及管內(nèi)干冰的射出，在模擬研究中仍存在一定難度。實(shí)驗(yàn)研究表明，在泄漏口周?chē)捎^察到典型的高度欠膨脹射流結(jié)構(gòu)，夾雜著大量干冰顆粒［61］。CO2管道泄漏近場(chǎng)射流膨脹過(guò)程涉及到復(fù)雜的激波、壓力和溫度的急劇變化以及氣液、氣液固三相流動(dòng)，目前對(duì)近場(chǎng)射流階段的認(rèn)識(shí)較少，在CO2管道近場(chǎng)射流階段激波結(jié)構(gòu)變化、射流結(jié)構(gòu)及變化、干冰生成數(shù)量及范圍等方面仍需繼續(xù)探索。

在泄漏遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散方面，由近場(chǎng)射流攜帶的大量干冰、氣相CO2及卷吸的空氣等介質(zhì)進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域持續(xù)擴(kuò)散，在低洼處形成高濃度區(qū)域。研究表明，在超臨界CO2釋放中射流和凝華的干冰顆粒、氣相CO2、空氣和冷凝水的混合物形成了復(fù)雜的可見(jiàn)云形態(tài)［62］。泄漏源強(qiáng)度影響著可見(jiàn)云的擴(kuò)散速度，而擴(kuò)散過(guò)程中的風(fēng)速、風(fēng)向、地形以及地面障礙物等影響了可見(jiàn)云的形狀、位置以及運(yùn)動(dòng)方向?？紤]到放空出口一般高于地表20～30 m，而泄漏口埋于地下或緊貼地表，因此只可借鑒放空研究的方法，不可將泄漏遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散與放空研究結(jié)論混淆。架空管道泄漏時(shí)會(huì)在地面上生成干冰堆，埋地管道泄漏時(shí)會(huì)生成干冰球和凍土球，在后續(xù)研究過(guò)程中需要考慮干冰升華的影響。

目前CO2管道泄漏研究主要集中在管道架空方面，針對(duì)埋地管道的研究甚少。一些研究表明，泄漏口周?chē)蟛糠滞寥辣粵_開(kāi)，可觀察到較大的空腔。土壤區(qū)會(huì)形成凍土球?qū)⑿孤┛装趦?nèi)，由內(nèi)向外分別是干冰球和凍土球2 部分［63］。考慮到CO2介質(zhì)、土壤及管道的相互作用使得埋地管道泄漏規(guī)律與架空管道存在很大不同，涉及到土壤滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合問(wèn)題，其泄漏過(guò)程相較架空管道更為復(fù)雜。目前，對(duì)CO2埋地管道泄漏的研究尚處于起步階段，只有一些定性的初步認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步深入研究。迄今為止，中國(guó)現(xiàn)存的管道完整性管理或風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別規(guī)范都是只針對(duì)油氣管道，還未見(jiàn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)CO2管道的風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范。同時(shí)，針對(duì)CO2管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究也較少。由于CO2是一種無(wú)色無(wú)味無(wú)毒氣體，與天然氣的危險(xiǎn)性相比，盡管不易燃、不易爆，但CO2屬于窒息性氣體，密度較空氣大，泄漏后易在低洼地帶或密閉空間聚集，為搶險(xiǎn)人員生命安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。CO2具有很強(qiáng)的焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)，導(dǎo)致泄漏口附近的溫度急劇降低并產(chǎn)生大量干冰，使管道產(chǎn)生低溫脆性，加劇裂紋的擴(kuò)展。對(duì)運(yùn)行單位來(lái)說(shuō)，在管道泄漏后，需要明確超臨界CO2管道泄漏/擴(kuò)散后人員應(yīng)急搶險(xiǎn)實(shí)施步驟、人員防護(hù)裝備配置要求及搶險(xiǎn)機(jī)具要求等。國(guó)外管道運(yùn)行單位大多制定適合本單位所轄管道和自身維搶修力量的應(yīng)急搶險(xiǎn)指南手冊(cè)，可借鑒意義不大。

3 超臨界CO2管道輸送研究方向

3.1 超臨界CO2管流數(shù)學(xué)模型

目前CO2管道設(shè)計(jì)多參考天然氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范，然而CO2物性、相特性與天然氣差異明顯，CO2存在多種相態(tài)，且臨界點(diǎn)較低，相態(tài)是由溫度和壓力2 個(gè)參數(shù)共同決定的。已有CO2管道穩(wěn)態(tài)仿真模型的控制方程基本是基于輸氣管道流動(dòng)控制方程的思路進(jìn)行推導(dǎo)的，而涉及停輸再啟動(dòng)、水擊及放空等瞬態(tài)輸送過(guò)程的水力熱力計(jì)算研究較為匱乏。為保障管道在瞬態(tài)運(yùn)行工況下的安全，需要開(kāi)展超臨界CO2管流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及算法研究，并基于CO2相變和熱力學(xué)特性，構(gòu)建全相態(tài)、全工況的CO2物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。以CO2管流控制方程為基礎(chǔ)，考慮管道運(yùn)行參數(shù)的非線(xiàn)性和時(shí)滯性，運(yùn)行參數(shù)、物性參數(shù)與介質(zhì)相態(tài)三者的相互耦合，以及管內(nèi)流體與周?chē)h(huán)境的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，建立超臨界CO2管道穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)水力熱力仿真數(shù)學(xué)模型。

針對(duì)超臨界CO2管道流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的亞聲速流、聲速流、反向流等個(gè)性化快、瞬變流動(dòng)慢的特征，結(jié)合CO2物性參數(shù)階躍變化特征和管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)分布規(guī)律，提出高效穩(wěn)健的求解算法。以上數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及算法研究可以為超臨界CO2管道的設(shè)計(jì)、正常工況運(yùn)行以及水擊、停輸再啟動(dòng)、泄漏、放空等事故或作業(yè)工況的流動(dòng)安全保障提供理論基礎(chǔ)。

3.2 管道流動(dòng)安全保障技術(shù)

探究溫度、壓力及相態(tài)協(xié)同變化機(jī)理，理清管道內(nèi)流體溫度變化及壓力流量脈動(dòng)沖擊變化規(guī)律，形成停輸再啟動(dòng)、放空過(guò)程安全控制理論；掌握多相態(tài)工況下管道水擊的形成機(jī)制及主控因素；建立埋地管道泄漏、滲流及遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散模型，理清泄漏CO2的時(shí)空分布規(guī)律。通過(guò)開(kāi)展管道停輸再啟動(dòng)、水擊、放空、泄漏/擴(kuò)散工況計(jì)算，分析瞬態(tài)工況變化規(guī)律，明確超臨界CO2管道輸送安全技術(shù)邊界，形成超臨界CO2管道運(yùn)行安全保障技術(shù)，指導(dǎo)CO2管道運(yùn)行與管理?？傮w技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 管道流動(dòng)安全保障技術(shù)路線(xiàn)Fig. 4 Technical roadmap of safety assurance for pipeline flow

3.2.1 管道停輸再啟動(dòng)溫壓協(xié)同變化機(jī)理與安全控制技術(shù)

建立CO2管道停輸再啟動(dòng)管內(nèi)流體瞬變流動(dòng)模型，研究不同管道長(zhǎng)度、輸量、管徑、停輸時(shí)壓力、停輸時(shí)間、管道總傳熱系數(shù)、環(huán)境溫度等多因素協(xié)同作用下管道停輸及再啟動(dòng)過(guò)程中管內(nèi)任意位置流體壓力、溫度、流量、密度、相態(tài)、壓力波等時(shí)空演化規(guī)律。探究溫度、壓力及相態(tài)協(xié)同變化機(jī)理，理清管道內(nèi)流體溫度變化及壓力流量脈動(dòng)沖擊變化規(guī)律，掌握多相態(tài)工況下管道脈動(dòng)沖擊形成機(jī)制及主控因素。形成管道停輸及再啟動(dòng)過(guò)程水力、熱力計(jì)算方法，給出管道停輸再啟動(dòng)的影響因素及各因素的技術(shù)界限，確定允許停輸時(shí)間對(duì)應(yīng)的管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)范圍，給出安全停輸時(shí)間預(yù)測(cè)公式，為管道不同工況下安全停輸時(shí)間、停輸過(guò)程中安全保護(hù)措施、再啟動(dòng)壓力控制措施的制定等提供理論依據(jù)，技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 超臨界CO2管道停輸及再啟動(dòng)安全控制技術(shù)路線(xiàn)Fig. 5 Technical roadmap of safety control for supercritical CO2 pipeline shutdown and restart-up

3.2.2 水擊瞬變過(guò)程溫壓及相態(tài)協(xié)同變化機(jī)理和安全控制技術(shù)

建立超臨界CO2管道的水擊工況動(dòng)態(tài)仿真模型，研究不同管道輸量下線(xiàn)路截?cái)嚅y誤關(guān)閉、不同線(xiàn)路截?cái)嚅y關(guān)閉時(shí)間、泵以及壓縮機(jī)事故停運(yùn)、站場(chǎng)失電等水擊工況下管內(nèi)不同位置CO2相變、壓力波傳遞、反射和衰減等特性，并驗(yàn)證超前保護(hù)、泄放系統(tǒng)等水擊保護(hù)措施的有效性。研究水擊瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2物性參數(shù)突變、相變、低溫、壓力波傳遞等特性，掌握多相態(tài)工況下管道水擊形成機(jī)制及主控因素；給出水擊壓力計(jì)算模型；形成考慮水擊工況的超臨界CO2管道輸送的壓力、溫度安全技術(shù)邊界確定方法；提出技術(shù)可行、安全可控的水擊保護(hù)措施，技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 超臨界CO2管道水擊保護(hù)技術(shù)路線(xiàn)Fig. 6 Technical roadmap of water hammer protection for supercritical CO2 pipeline

3.2.3 管道放空節(jié)流特性及安全放空保護(hù)技術(shù)

建立基于CO2管道節(jié)流放空特性的計(jì)算模型，研究不同條件下（壓力、溫度、相態(tài)）泄放過(guò)程中管內(nèi)、節(jié)流閥內(nèi)以及管外的流動(dòng)和相變特性。明確泄放過(guò)程中CO2溫度、壓力的時(shí)空分布規(guī)律、相態(tài)演變規(guī)律及管外環(huán)境中CO2的擴(kuò)散范圍及擴(kuò)散規(guī)律。分析不同放空管規(guī)格、多級(jí)節(jié)流等影響因素下超臨界CO2節(jié)流相變特性；分析站場(chǎng)在不同放空管規(guī)格、多級(jí)節(jié)流、放空閥開(kāi)度等條件下放空過(guò)程的總時(shí)間、放空速率、最大溫降等關(guān)鍵參數(shù)，總結(jié)提出管道放空速率與各因素的關(guān)系?；诔R界CO2管道節(jié)流放空特性算法模型，以不產(chǎn)生干冰為前提，設(shè)計(jì)優(yōu)化放空管規(guī)格、放空閥選型、放空過(guò)程節(jié)流級(jí)數(shù)，給出放空過(guò)程中放空閥開(kāi)度等操作控制建議，以控制主干線(xiàn)軸向溫降為主要目的，形成超臨界CO2管道安全放空技術(shù)。技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 超臨界CO2管道安全放空保護(hù)技術(shù)路線(xiàn)Fig. 7 Technical roadmap of safety blow-off protection for supercritical CO2 pipeline

3.2.4 埋地管道泄漏特性及應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)

建立超臨界CO2埋地管道泄漏、滲流及遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散模型，揭示高壓CO2泄漏過(guò)程中管外近場(chǎng)出現(xiàn)的干冰層、射流云等物理現(xiàn)象及遠(yuǎn)場(chǎng)溫度場(chǎng)、濃度擴(kuò)散規(guī)律、擴(kuò)散范圍，理清泄漏CO2時(shí)空分布規(guī)律。研究不同泄漏位置（向上、水平）、泄漏口徑、泄漏口規(guī)格（圓形和矩形）、泄漏量、泄漏時(shí)間等條件下，超臨界CO2管道泄漏形貌、泄漏口區(qū)域溫度場(chǎng)分布及干冰產(chǎn)生條件。探究各初始參數(shù)對(duì)泄漏過(guò)程以及隨后管道外土壤滲流和大氣遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散規(guī)律?；谛狗胚^(guò)程中的壓力、溫度和濃度的時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)泄放中可能造成的低溫及濃度危害進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。明確超臨界CO2管道泄漏/擴(kuò)散后人員應(yīng)急搶險(xiǎn)實(shí)施步驟、人員防護(hù)裝備配置要求及搶險(xiǎn)機(jī)具要求等。指導(dǎo)應(yīng)急搶險(xiǎn)人員根據(jù)泄漏形貌特征快速定性判斷泄漏口徑、泄漏位置等關(guān)鍵信息參數(shù)，方便后續(xù)應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的開(kāi)展，技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8 超臨界CO2管道泄漏/擴(kuò)散應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)路線(xiàn)Fig. 8 Technology roadmap of emergency rescue measures for supercritical CO2 pipeline leakage/diffusion

3.3 管輸模擬的可靠性

CO2管輸瞬態(tài)過(guò)程非常復(fù)雜，目前的研究多依賴(lài)OLGA、LEDAFLOW、TACITE/PIPEPHASE 等商業(yè)軟件，P.Aursand 等［21］認(rèn)為現(xiàn)有軟件主要是針對(duì)油氣水三相流動(dòng)仿真而開(kāi)發(fā)，原則上適用于CO2管輸，但含雜質(zhì)CO2管輸模擬的準(zhǔn)確性需要進(jìn)行驗(yàn)證。商業(yè)軟件的優(yōu)勢(shì)在于建模速度快，工藝輸出參數(shù)類(lèi)別豐富，管道沿線(xiàn)壓力、溫度、持液率、氣相密度、液相密度等參數(shù)可以在同一張圖顯示，便于判斷流體不同相態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)刻。但弊端在于商業(yè)軟件好比是“黑箱”，在不掌握軟件內(nèi)核的情況下，結(jié)果的輸出取決于初始條件和邊界條件的設(shè)置。為從源頭上分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，通過(guò)自行編程計(jì)算是不錯(cuò)的方法，但CO2物性特殊，在臨界點(diǎn)附近，可能微小的溫度變化將導(dǎo)致密度等物性劇烈變化，在編程計(jì)算時(shí)含雜質(zhì)CO2全區(qū)域（特別是跨相態(tài)區(qū)域）物性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需要額外注意。另外，試驗(yàn)是驗(yàn)證模型有效性的必要手段，而試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)難點(diǎn)在于：①如何實(shí)現(xiàn)超臨界CO2流體在環(huán)道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；②實(shí)際埋地管道周?chē)寥来嬖谛顭嶙饔茫绾伪ＷC試驗(yàn)架空環(huán)道停輸過(guò)程管周環(huán)境與實(shí)際工況相接近，這直接影響管內(nèi)流體的溫降和壓降速率；③介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中存在壓縮溫升，如何實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)的溫度控制，避免流體溫度持續(xù)上升；④CO2屬于無(wú)毒窒息性氣體，如何采取有效防護(hù)措施保障試驗(yàn)人員生命安全。建議首先明確驗(yàn)證工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景（原因、位置、參數(shù)等），再準(zhǔn)確描述并簡(jiǎn)化試驗(yàn)場(chǎng)景。試驗(yàn)的重點(diǎn)在于研究機(jī)理，不能一味追求物理模型尺度與工業(yè)級(jí)管道接近，否則不僅是帶來(lái)試驗(yàn)設(shè)備的巨大投資，也將對(duì)試驗(yàn)的組織開(kāi)展帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

（1）超臨界CO2管道在停輸過(guò)程中，流體相態(tài)轉(zhuǎn)變路徑為超臨界相→密相→液相→氣液平衡線(xiàn)，溫度和壓力存在協(xié)同變化關(guān)系，需明確安全停輸時(shí)間科學(xué)定義，給出安全停輸時(shí)間對(duì)應(yīng)的管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)范圍；CO2相變產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，引起新的瞬變流動(dòng)，需形成考慮水擊工況的壓力、溫度安全技術(shù)邊界確定方法，提出水擊保護(hù)措施。

（2）放空過(guò)程中易出現(xiàn)冰堵、材料冷脆、噪聲污染、放空系統(tǒng)激振等問(wèn)題，需設(shè)計(jì)安全放空系統(tǒng)，編制操作規(guī)程；埋地CO2管道泄漏規(guī)律涉及到土壤滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合問(wèn)題，需制定應(yīng)急搶險(xiǎn)實(shí)施方案。