陳 兵，房啟超，白世星

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

管道輸送作為二氧化碳輸送最經(jīng)濟(jì)的方式，是CCUS技術(shù)的重要一環(huán)[1]。 然而在管道運(yùn)行中，由于管道檢修、泄放等需要，存在必要的停輸過程。 而在CO2臨界點(diǎn)附近，其比熱容、密度等參數(shù)存在突變，理化性質(zhì)存在差異，且不存在明顯界限，呈漸變狀態(tài)，所以稱該區(qū)域?yàn)椤皽?zhǔn)臨界區(qū)”[2-4]。 在停輸環(huán)節(jié)，隨時(shí)間持續(xù)，超臨界CO2參數(shù)將降低，進(jìn)入準(zhǔn)臨界區(qū)。在管道約束下，溫度微小變化導(dǎo)致的CO2體積脹縮，將形成管道及相關(guān)管件的震蕩。 這將嚴(yán)重威脅管道的安全停輸。

對(duì)管道停輸中流體及管道的瞬變特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一定的研究。 中國(guó)石油大學(xué)劉敏[3]以O(shè)LGA模擬軟件對(duì)管道出口壓力為15MPa、9MPa下的停輸及再啟動(dòng)過程進(jìn)行研究， 得到管道各參數(shù)變化規(guī)律。 趙青等[2]研究超臨界CO2的準(zhǔn)臨界性質(zhì)，研究密度、比熱容等物性參數(shù)在準(zhǔn)臨界區(qū)的變化，給出了極性和非極性（弱極性）雜質(zhì)對(duì)CO2準(zhǔn)臨界溫度線的影響規(guī)律，建議含不同雜質(zhì)的CO2流，采用不同的初始溫度、壓力參數(shù)。 在此基礎(chǔ)上，他們以HYSYS軟件模擬超臨界純CO2管道的停輸過程， 分析停輸過程參數(shù)變化規(guī)律及停輸時(shí)間對(duì)安全停輸?shù)挠绊慬4]。 然而， 延長(zhǎng)油田CCUS技術(shù)使用的CO2來源于工業(yè)捕集，雜質(zhì)含量較大且成分復(fù)雜，對(duì)含雜質(zhì)超臨界CO2輸送管道的研究更符合實(shí)際。

采用OLGA軟件研究超臨界CO2的管道輸送工藝，已經(jīng)被證明是科學(xué)可行的。 模擬計(jì)算德國(guó)勞氏石油與天然氣公司密相CO2泄壓試驗(yàn)， 通過數(shù)據(jù)對(duì)比表明了模擬方法的準(zhǔn)確性[5]。 為此本文在對(duì)延長(zhǎng)油田捕集的含雜質(zhì)CO2物性研究基礎(chǔ)上，利用OLGA軟件對(duì)含雜質(zhì)超臨界CO2長(zhǎng)輸管道停輸工況進(jìn)行研究。

1 含雜質(zhì)二氧化碳相態(tài)特征

陳兵等[6]研究了氣體雜質(zhì)對(duì)管輸CO2相態(tài)的影響，給出了含雜質(zhì)CO2氣流的相圖及對(duì)應(yīng)的密度、粘度、熱導(dǎo)率及壓縮因子等的特征曲線。 選用PR狀態(tài)方程， 采用HYSYS軟件對(duì)延長(zhǎng)油田捕集到的工業(yè)CO2氣源（表1）進(jìn)行模擬計(jì)算，得到油田含雜質(zhì)CO2相態(tài)圖（圖1），及其相應(yīng)的密度特征圖（圖2）。

表1 二氧化碳?xì)庠唇M成Table 1 Composition of carbon dioxide gas source

圖1 油田實(shí)際含雜質(zhì)CO2相圖Fig. 1 Phase diagram of the CO2 with impurities from Yanchang Oilfield

由圖1知， 模擬計(jì)算得油田實(shí)際捕集到含雜質(zhì)CO2的臨界溫度為Tc=30.38℃， 臨界壓力為Pc=7.56MPa。 與 純CO2的 臨 界 參 數(shù) （Tc=31.4℃，Pc=7.38MPa）相比，實(shí)際CO2臨界壓力上浮，臨界溫度減小， 且CO2蒸發(fā)及液化對(duì)應(yīng)的泡點(diǎn)曲線與露點(diǎn)曲線分離，產(chǎn)生氣液共存區(qū)。 故輸運(yùn)含雜質(zhì)CO2時(shí)，為保證管線內(nèi)CO2流體相態(tài)不變， 需嚴(yán)格控制全管線壓力和溫度。

圖2 含雜質(zhì)的CO2密度圖Fig. 2 Density diagram of the CO2 with impurities from Yanchang Oilfield

圖2為相應(yīng)含雜質(zhì)CO2密度圖。 可以看出，同一

壓力下，密度隨溫度增大而減小，較低壓力時(shí)，CO2

的密度在35℃左右陡降；相同溫度下，壓力的增大使CO2密度增大， 且越靠近臨界溫度密度變化幅度越大。 在臨界點(diǎn)周圍，CO2密度隨溫度變化劇烈。

表2 CO2輸送管道設(shè)定參數(shù)Table 2 Parameters set for CO2 pipeline

2 管道停輸?shù)难芯?/h2>

2.1 穩(wěn)態(tài)輸送

在延長(zhǎng)油田36萬(wàn)t/a CO2管道輸送項(xiàng)目基礎(chǔ)上，對(duì)采取埋地敷設(shè)，全長(zhǎng)105km的管線進(jìn)行模擬。管道基本參數(shù)如表2所示，管道模型只設(shè)首末站。 模擬計(jì)算選用表中加粗?jǐn)?shù)值為控制變量法的選定值。

穩(wěn)態(tài)輸送模擬表明， 在0～105km管道穩(wěn)態(tài)輸送過程中，管內(nèi)流體壓力與輸送距離呈負(fù)相關(guān)，輸送初溫幾乎不影響管道壓降，不同初溫下管道壓降均在1.8MPa左右；但是更低的輸送初溫將導(dǎo)致更短的超臨界態(tài)輸送距離。 較小的入口流量或者較大的輸送壓力， 會(huì)使CO2管道的壓降越小， 但溫度降低加快，使得CO2在超臨界狀態(tài)的輸送距離減短。

模擬結(jié)果中，二氧化碳保持超臨界態(tài)輸送的距離在15km左右，為此，結(jié)合36萬(wàn)t/a CCUS項(xiàng)目工程實(shí)際工況， 本文模擬研究中， 選取CO2停輸管長(zhǎng)為15km。

2.2 管道停輸

建立如圖3所示的管道停輸模型， 包含入口流量模塊、管線、出口壓力模塊和截止閥。 據(jù)表2設(shè)定所需溫度、流量、壓力等參數(shù)，并輸入管道長(zhǎng)度、內(nèi)徑、粗糙度和總傳熱系數(shù)等。

圖3 管道停輸模型Fig. 3 Pipeline shutdown model

選定管道出口壓力為13.95MPa，模擬管線的停輸。 為研究管道停輸規(guī)律，選取管道上前、中、后3個(gè)節(jié)點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)位置為距管道入口端0.001km，7.5km和14km。模擬1h穩(wěn)態(tài)輸送后，進(jìn)行5h停輸?shù)倪^程，其中管道截止閥在1min內(nèi)關(guān)停。

圖4 停輸前期各節(jié)點(diǎn)參數(shù)變化Fig. 4 The change of node parameters in the early stage of shutdown

由圖4可以看出， 停輸前期， 管線壓力呈現(xiàn)波動(dòng)，但很快趨近同一值，這是因?yàn)橥］斨袦p壓波的速度極快。 截止閥關(guān)閉后，壓力波、流體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。 水擊過程將會(huì)對(duì)管道及相應(yīng)附屬管件造成沖擊，甚至出現(xiàn)管道震蕩，威脅管道安全停輸。 停輸前期，水擊現(xiàn)象引發(fā)7.5km節(jié)點(diǎn)處約0.5h的流量波動(dòng)。

在管道停輸中，因?yàn)槌R界CO2密度大，保證了管道內(nèi)沒有形成沿線壓力低于再次平穩(wěn)時(shí)的“壓力過減”現(xiàn)象。 停輸5h 后，各節(jié)點(diǎn)最終壓力為13.42MPa，且呈下降趨勢(shì)，管段出口端溫度下降為38.7℃，為全管段最低溫度，但CO2未達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)。

延長(zhǎng)停輸時(shí)間， 以研究管內(nèi)CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的變化。 在停輸時(shí)間達(dá)41h時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸送中溫度降低最大的14km節(jié)點(diǎn)處，CO2降溫加快，流量、壓力出現(xiàn)往復(fù)變動(dòng)，CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，管內(nèi)同時(shí)發(fā)生流量脈動(dòng)與壓力脈沖。 其結(jié)果如圖5～圖7。 由此可得，隨管道停輸延續(xù)，管內(nèi)CO2會(huì)達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，并引發(fā)脈動(dòng)沖擊，出現(xiàn)一定回流現(xiàn)象。

圖5 45℃時(shí)14km節(jié)點(diǎn)處39～43h時(shí)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 5 Temperature vs time in 39-43 hours at 14 km node and 45℃

圖6 45℃時(shí)14km節(jié)點(diǎn)處壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 6 Pressure vs time at 14km node and 45℃

圖7 45℃時(shí)14km節(jié)點(diǎn)處流量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 7 Flow rate vs time at 14km node and 45℃

3 停輸?shù)挠绊懸蛩?/h2>

超臨界CO2管道停輸時(shí)， 隨時(shí)間推移，CO2逐步達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)。 引發(fā)的壓力脈沖和流量脈動(dòng)，成為管道設(shè)備的安全隱患。 不同的初始輸送條件下，管線沿程變化不同。 為保證管道內(nèi)流體不會(huì)達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，以CO2輸送的初始溫度和初始流量為變量，研究對(duì)管道停輸?shù)挠绊憽?因管道停輸時(shí)，管道末端流體溫降最大，容易達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，故選取14km節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行分析。

3.1 初始溫度

不改變其他參數(shù)， 研究入口初始溫度的影響。模擬得出14km節(jié)點(diǎn)處流體達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間，分析壓力、流量的變化規(guī)律。 結(jié)果如圖8～圖11和表3所示。 本文僅展現(xiàn)CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的部分。

圖8體現(xiàn)14km處不同輸送初溫下節(jié)點(diǎn)溫度的逐時(shí)變化。 結(jié)合圖11可知，不同初始輸送溫度下，溫度變化趨勢(shì)相似，隨停輸?shù)难永m(xù)，CO2逐漸達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)。越低的輸送初溫使14km節(jié)點(diǎn)處溫度越快降到準(zhǔn)臨界區(qū)。 模擬表明，45℃、50℃、55℃、60℃的四種輸送溫度CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間對(duì)應(yīng)為41h、41.5h、42h和43h。

圖8 不同初溫下14km處溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 8 Temperature vs time at 14km at different initial temperatures

圖9 60℃時(shí)14km處壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig. 9 Pressure vs time at 14 km and 60℃

圖10 60℃時(shí)14km處流量隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig. 10 Flow rate vs time at 14km and 60℃

圖11 不同初溫下相態(tài)變化規(guī)律Fig. 11 Phase state change diagram at different initial temperatures

表3 不同初始溫度下壓力、流量脈動(dòng)峰值Table 3 Peak values of pressure and flow pulse at different initial temperatures

圖9為60℃時(shí)14km節(jié)點(diǎn)處壓力的逐時(shí)變化。 在43h時(shí)，節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，發(fā)生時(shí)間與溫度降到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間相同，其主要危害是對(duì)管壁持續(xù)的往復(fù)壓應(yīng)力載荷。 圖10為60℃時(shí)14km節(jié)點(diǎn)處流量的逐時(shí)變化。 可見，質(zhì)量流量存在與壓力相似的脈動(dòng)規(guī)律，流量發(fā)生脈動(dòng)的時(shí)間也為溫度降到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間，其主要危害體現(xiàn)在流體對(duì)管壁、彎頭等附屬設(shè)備的流動(dòng)沖擊。 結(jié)合表3，不同初始溫度下，達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的CO2管道均會(huì)發(fā)生壓力、流量脈動(dòng)，但這種脈動(dòng)的幅度較小，不同初始溫度下的最大壓力值未超過管道15MPa的承壓能力， 未對(duì)管道安全形成威脅。 故CO2管道停輸，可不考慮準(zhǔn)臨界區(qū)流體性質(zhì)變化帶來的危害。

因而， 更低的入口輸送溫度會(huì)導(dǎo)致CO2流體更早達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，從而產(chǎn)生管內(nèi)流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)的時(shí)間更早。 但入口初始溫度對(duì)脈動(dòng)峰值的影響較小，不同溫度下的壓力、流量脈動(dòng)峰值相差較小。

3.2 輸送流量

不同輸送流量下， 管道輸送時(shí)沿程溫降不同。越大的輸送流量下，管道散熱速率也越慢。 因而停輸管道的不同位置處溫度各異。以9.52kg/s、11.9kg/s、14.28kg/s的三個(gè)輸送流量為變量，研究14km節(jié)點(diǎn)處停輸期間的壓力、流量的變化。 計(jì)算結(jié)果展現(xiàn)CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的變化，如圖12～圖15和表4所示。

圖12 不同流量下38～45h時(shí)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 12 Temperature vs time in 38-45 hours at different flow rates

圖13 11.9kg/s流量下壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig. 13 Pressure vs time at flow rate of 11.9kg/s

圖15 不同流量下相態(tài)變化規(guī)律Fig. 15 Phase state change diagram at different initial flow rates

表4 不同初始流量下壓力、流量脈動(dòng)峰值Table 4 Peak values of pressure and flow pulse at different initial flow rates

圖12為各個(gè)初始流量下溫度的逐時(shí)變化。 可以看出，同一時(shí)刻不同輸送流量下，管內(nèi)流體溫度不同，流量越大對(duì)應(yīng)的溫度越高。 結(jié)合圖15，隨停輸延續(xù)，溫度會(huì)降到準(zhǔn)臨界區(qū)；越低的輸送流量，對(duì)應(yīng)的CO2流體溫度越早達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)。 對(duì)應(yīng)于初始流量為9.52kg/s、11.9kg/s和14.28kg/s，CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間在40h、41h和42.5h。

圖13展示11.9kg/s流量下，14km處壓力的逐時(shí)變化。結(jié)合圖12，隨停輸?shù)难永m(xù)，CO2會(huì)達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)并引起管內(nèi)壓力脈沖， 且壓力脈沖幾乎與溫度降到準(zhǔn)臨界區(qū)同時(shí)發(fā)生。 更小的初始流量， 導(dǎo)致更低的溫度，達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)與發(fā)生壓力脈沖更早，形成對(duì)管壁的壓應(yīng)力載荷。 圖14表示11.9kg/s流量下，節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量的逐時(shí)變化。隨著溫度降到準(zhǔn)臨界區(qū)，引起質(zhì)量流量的脈動(dòng)，對(duì)軸向管道及設(shè)備形成往復(fù)流動(dòng)沖擊。但由表4可見，不同的初始流量下，達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的CO2只引起小幅度的壓力、流量脈動(dòng)，最大壓力值也沒超過15MPa的管道承壓能力，不會(huì)形成大的危害。

綜上，越小的初始流量，使管內(nèi)CO2越早達(dá)到準(zhǔn)臨界態(tài)，從而引發(fā)流體脈動(dòng)。 不同初始流量，均引起壓力、流量較小幅度的脈動(dòng)，但流量大小對(duì)脈動(dòng)峰值的改變有限，對(duì)管道不形成較大危害。

4 結(jié)論

（1）由初始參數(shù)敏感性分析，不同工況的穩(wěn)態(tài)輸送中，超臨界態(tài)與密相態(tài)分界點(diǎn)約為15km左右，即對(duì)于延長(zhǎng)油田的實(shí)際生產(chǎn)，最長(zhǎng)停輸距離可選為15km。

（2）對(duì)于延長(zhǎng)油田含雜質(zhì)超臨界CO2管道，模擬研究發(fā)現(xiàn)停輸過程中， 超臨界CO2達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)的時(shí)間在40 h以上，與超臨界純CO2不同。

（3）在停輸過程中，不同溫度、流量的初始參數(shù)下，隨流體達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)，均會(huì)發(fā)生輸送參數(shù)的脈動(dòng)。 初始溫度越低、流量越小，CO2流達(dá)到準(zhǔn)臨界區(qū)、發(fā)生波動(dòng)的時(shí)間越早。 但是，CO2密度變化引發(fā)的壓力脈沖、流量脈動(dòng)幅度較小，沒有超出管道安全承載能力，所以，超臨界CO2的停輸不需要考慮CO2相態(tài)變化引起的脈動(dòng)沖擊危害。