張勇，魏濤，高瀚，董姝妙，劉曉杰

1.中國石油工程建設有限公司；2.北京石油機械有限公司；3.中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

0 引言

隨著大氣中溫室氣體含量的增加，全球氣溫逐漸變暖，人類面臨的全球氣候變化形勢日趨嚴峻。溫室氣體中，CO2是一個重要來源。在應對全球氣候變化中，CCS（碳捕集和封存）技術是一個有效手段。

整個CCS鏈條可以看做是油氣開采的逆過程，因此CCS和油氣開采具有很多相似點。在石油天然氣行業(yè)應用廣泛的泵設備，在CCS產業(yè)鏈中同樣適用。其中，燃燒前捕集工藝中的冷卻水循環(huán)、鍋爐給水流程，燃燒后捕集工藝中的煙氣沖洗、溶劑處理與運輸流程，富氧捕集工藝中的冷卻水循環(huán)過程，以及碳封存環(huán)節(jié)中液態(tài) CO2的運輸和超臨界狀態(tài)CO2的注入，都需要用到泵。

本文基于超臨界狀態(tài)下的 CO2的特殊性質和應用場合，加之高壓離心泵的特殊設計結構，從sCO2（超臨界 CO2）注入泵的選用應考慮的泵的轉子動力學設計、泵的材料選擇、機械密封與輔助系統(tǒng)的選用，以及注入系統(tǒng)的優(yōu)化配置等要點，對 sCO2注入泵的選用進行分析。

1 CCS技術及泵在其中的應用

CCS是指將二氧化碳從工業(yè)或者能源相關排放源分離出來，輸送到封存地點進行封存，使之長期與大氣隔離的過程。CCS中碳捕集的工藝主要有 3種：燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集。燃燒前捕集是在燃料燃燒前將其中的碳元素通過化學反應轉化成 CO2并脫除；富氧燃燒是化石燃料在純氧中燃燒得到濃度較高的 CO2后增壓、脫水即可直接輸送和封存；燃燒后捕集是燃燒設備在煙氣通道安裝CO2分離單元，捕捉燃燒后煙氣中CO2組分［1］。CO2封存類型主要有海洋封存、礦石碳化、地質封存和工業(yè)利用［2］。CCS技術的產業(yè)鏈如圖1所示。

圖1 CCS產業(yè)鏈示意圖

CCS并不是一個新概念，其在很多行業(yè)特別是石油天然氣行業(yè)已經應用多年，用于提高采收率的EOR（強化采油）和 EGR（強化采氣）技術便是CCS技術的一種［3］，且此種方式比地質封存更具經濟性［4］。

采用不同工藝捕集的 CO2都要經過輸送到達封存地點，CO2可以以氣體形式或加壓后形成的超臨界流體進行輸送，其中將 CO2以超臨界流體狀態(tài)（sCO2）進行輸送（操作壓力在7.4～21 MPa）是最安全有效的形式［5］。美國第一條大型 CO2管道（Canyon Reef Carriers管道）在建設方案比選時得出結論，CO2以高壓超臨界形式運輸比以低壓氣態(tài)形式運輸節(jié)省成本 20%［6］。CO2注入（注入深度大于800 m）是碳封存中最后一個環(huán)節(jié)，CO2注入需要高壓或超高壓泵，才能將超臨界狀態(tài)下的 CO2注入地下儲層進行封存［7］。sCO2注入泵是碳封存環(huán)節(jié)的核心關鍵設備。

2 sCO2注入泵的選用

2.1 sCO2的物理性質

超臨界流體是指其狀態(tài)介于氣相和液相之間，既有類似氣體的特性，如黏性接近氣體、但低于液體；又有部分液體的性質，如壓縮性接近液體、但遠小于氣體［8］，密度高于一般氣態(tài)、并且接近液態(tài)。當 CO2在達到臨界點（31.1 ℃、7.39 MPa，如圖 2所示）后，sCO2穩(wěn)定性和安全性較好，便于進行長期有效封存。此外sCO2潤滑性能差、傳質性能極強，能進入許多比自身大的空間，擴散系數(shù)大于液態(tài)二氧化碳，具有很強的溶解能力［9］。

圖2 CO2相圖

以上 CO2性質決定了 CO2注入泵的設計和選用不同于應用于烴液和水等流體的其他普通離心泵。

2.2 sCO2注入泵設計與選用要點

碳封存中 CO2注入深度達數(shù)百米，注入泵需要達到足夠高的出口壓力才能實現(xiàn) CO2注入，這決定了 CO2注入泵需要采用特殊定制的工程泵。通常sCO2注入泵注入壓力因地層結構不同而不同，一般在13.6～20.4 MPa［10］，可選用柱塞泵和離心泵。其中離心泵操作范圍廣，更適用于大流量工況，其在sCO2注入工藝中應用較多，如API 610 BB5型式的高壓雙殼多級離心泵。巴西Petrobras公司TUPI先導FPSO項目的CO2注入泵（入口壓力為34 MPa，出口壓力為54 MPa）［11］、北美某天然氣處理項目的CO2注入泵（入口壓力為 11 MPa，出口壓力為 32 MPa）［7］都是選用的雙殼多級離心泵。以離心泵為例，本文對sCO2注入泵的選用要點進行分析?；诔R界狀態(tài)下的CO2的特殊性質和應用場合，加之高壓離心泵的特殊設計結構，sCO2注入泵的選用應考慮泵的轉子動力學設計、泵的材料選擇、機械密封與輔助系統(tǒng)的選用，以及注入系統(tǒng)的優(yōu)化配置等要點。

2.2.1 轉子動力學設計及分析

從轉子動力學角度來說，為保證足夠的剛度，sCO2注入泵泵軸不能過長，以便減小由于洛馬金效應（Lomakin Effect）產生的阻尼對轉子動力學性能帶來的影響。美國石油學會頒布的標準 API 610-2021CentrifugalPumpsforPetroleum,Petrochemical,and NaturalGasIndustries（簡稱API 610-2021標準）中附錄 I橫向分析一節(jié)，對轉子的動力學檢驗提出了要求，sCO2注入泵的轉子動力學分析應按照該附錄進行，并滿足其中各項要求。泵軸尺寸會對水力性能產生影響，轉子設計還應兼顧水力性能能否達到所遵照的標準的要求。

2.2.1.1 轉子葉輪布置

隨著多級離心泵級數(shù)的增加，泵軸承受的軸向推力也不斷增加，會對泵的安全可靠性帶來影響，所以通常多級離心泵級數(shù)不能過高。sCO2注入泵要達到高揚程需要泵轉速足夠大、泵效率足夠高。合適的轉子動力學設計及評估是 sCO2注入泵設計階段的最關鍵部分［11］。

根據壓差的大小，多級泵葉輪布置有兩種方式：串聯(lián)布置與背靠背布置（如圖3所示），兩種葉輪布局均可用于sCO2注入，后者自身可以平衡部分軸向推力，因此更適合于多級泵［12］。由于泵的級數(shù)較高，以及注入泵進出口的 CO2密度不同，因此對于泵的軸向推力平衡裝置需要進行特殊考慮。多級離心泵的軸向推力平衡裝置通常有平衡盤、平衡鼓和兩者組合形式［13］。葉輪串聯(lián)布置可采用平衡盤方式平衡軸向推力。葉輪背靠背布置時，由于 CO2密度差引起的葉輪前后壓力不同，軸向推力需要通過調節(jié)平衡套管直徑來實現(xiàn)［14］。另外，配置平衡管也是平衡軸向推力的一種設計。

圖3 轉子葉輪布置示意圖

平衡裝置的選擇應著重從相同或相似工況的可靠運行業(yè)績方面進行評價。

2.2.1.2 轉子動力學分析

sCO2高壓注入泵為實現(xiàn)高揚程，一般要提高其轉速，高轉速下泵的轉子動力學性能研究過程較為復雜。sCO2注入泵設計選型還應特別注意洛馬金效應帶來的影響。實驗結果表明，采用非金屬材料制成的口環(huán)可以減小口環(huán)間隙，提高泵的可靠性。

為保證泵運轉的可靠性，還需要對轉子上每級葉輪進行動力學分析，以確定：定子葉片流道頻率不會激發(fā)葉輪固有頻率，避免引起共振；處于葉輪上的高壓力點的疲勞壽命在允許范圍內，避免疲勞失效［15］。

2.2.2 材料選用

2.2.2.1 過流部件材質

實際應用中，不同的碳捕集工藝會使捕獲的CO2中夾帶 H2O、O2、SO2、H2S和 NO2等不同的雜質［16］，這些雜質的存在會使CO2對注入泵的過流部件產生腐蝕［17］。近年來，包括油氣行業(yè)在內的諸多行業(yè)對用于EOR的CO2流體組成進行了大量研究［18］。用于EOR的CO2質量要求一般為：CO2濃度95%以上、不含游離水，H2S含量小于 0.15%，O2含量小于0.001%，氮氣摩爾分數(shù)小于4%，CO2溫度不高于48.9 ℃［19］。Farelas等人在實驗中發(fā)現(xiàn)，CO2中 H2O體積分數(shù)達到0.065%、SO2體積分數(shù)達到0.1%時，CO2體系的腐蝕速率較高［20］。在酸性環(huán)境下，環(huán)境壓力大于0.4 MPa且H2S的分壓大于0.3 kPa時，需要選用滿足 NACE MR0175PetroleumandNatural GasIndustriesMaterialsforUseinH2S-Containing EnvironmentsinOilandGasProduction（簡稱NACE MR0175標準）的抗氫致裂紋的材料，如奧氏體不銹鋼和耐腐蝕合金等［21］。因此過流部件的選材應基于CO2體系的組分組成。

2.2.2.2 磨損件材質

sCO2黏度較低、潤滑性能差，在磨損件設計過程中需要特別注意接觸面的硬度、運行間隙等。CO2體系中不含雜質時，可以通過熱處理方式提高13Cr鋼的硬度，因此磨損件可以選用13Cr鋼。在酸性環(huán)境下需要使用滿足NACE MR0175的材料時，由于其材料的硬度相對較低，需要對材料表面進行特殊處理，使其具有較好的抗磨損性能。而非金屬磨損件常選用碳或PEEK（聚醚醚酮）。

另外，葉輪口環(huán)間隙、平衡鼓、中心套管的表面都應做硬涂層處理，以提高耐腐蝕性，避免意外接觸時發(fā)生粘扣。采用直接激光沉淀技術制作的碳化鎢是常用的涂層材料。

2.2.3 機械密封及輔助系統(tǒng)

2.2.3.1 機械密封及材質

sCO2的密度、潤滑性能、純度對機械密封的選用及其性能有很大影響。sCO2的黏度接近氣體，這使傳統(tǒng)的液體密封很難保持有效的流體膜厚度；其密度接近液體，在使用氣體密封時密封間隙的泄漏率較高，由于產生焦湯效應容易在空氣側形成結冰。另外，CO2體系中可能發(fā)生相變，即當CO2發(fā)生氣化時，密封接觸面會出現(xiàn)干轉，這些因素是sCO2注入泵在選用機械密封時面臨的難題。

早期實踐中，在壓力大于20.5 MPa時，注入泵可以使用帶壓雙密封，但是帶壓雙密封的輔助系統(tǒng)復雜，隔離液橇塊的體積過于龐大。20世紀 80年代開始將應用于壓縮機的干氣密封引進到 CO2泵中，應用較為成功［5］。在sCO2狀態(tài)下，無接觸的干氣密封是 CO2注入泵優(yōu)先選用的機械密封。為保障運行安全，所選用的密封應能覆蓋多種 CO2相態(tài)的工況，這種機械密封也被稱之為 CO2多相密封，常用布置形式為雙密封串聯(lián)布置，如圖4所示［22］。

圖4 CO2密封-串聯(lián)布置示意圖

由圖 4可以得知，串聯(lián)的兩個密封設計完全相同，外部密封作為備用密封，如果內部密封（一次密封）失效，外部密封仍可保證運行的安全。逸出的CO2大部分將通過接口B進入放空系統(tǒng)，只有少部分會通過外部密封，泄漏率很低甚至可以達到零泄漏。外部清潔氣體通過接口 A進入密封，氣流通過密封腔流向葉輪，防止污染的CO2流向密封間隙。

隨著對 CO2密封研究的深入，出現(xiàn)了一種更先進的可以將液態(tài) CO2進行很好密封的機械密封。這種密封采用帶有一個抑制密封的雙密封，該密封的密封面通常采用不同的幾何形狀，使得在 CO2氣化時密封面的動環(huán)與靜環(huán)之間可以保持不接觸，避免密封面干轉，這種設計使其能夠適用于氣態(tài)、液態(tài)或者混合相態(tài)，所有操作工況下都不會發(fā)生密封面磨損。不同機械密封廠家都有各自不同的槽型設計，并且可以通過相應的軟件將其 3D模型展現(xiàn)出來，通過激光加工等技術進行制造，圖5是一種波浪形槽面的密封面［5］。機械密封的設計需要經過數(shù)值模擬等技術驗證后，再進入最終設計、制造及檢驗，同時機械密封的選用同樣需要考察其在相同或相似工況下的使用業(yè)績。

圖5 一種波浪形槽面密封面

由于注入泵壓力很高，機械密封需要承受極大的機械載荷，如泵啟動初始密封面仍在接觸狀態(tài)時產生的巨大扭矩，機械密封選材及密封面的特性需要重點關注。密封面選用硬對硬材料，既能保證低泄漏率，又能使機械密封可以承受住啟動扭矩。一次密封和配對密封圈的材料可以選擇碳化硅，碳化硅楊氏模量高、熱傳導率低，非常適合于干氣密封場合。由于高壓力以及sCO2的強溶解能力，抑制密封的密封圈不能選擇彈性體，抑制密封中所有與CO2接觸的密封圈應使用PTFE（聚四氟乙烯）作為基材的材料［22］。

2.2.3.2 輔助系統(tǒng)

為保證密封面的清潔，控制sCO2注入泵軸封處的泄漏，與其他離心泵一樣，CO2注入泵需要配置機械密封沖洗系統(tǒng)。sCO2泵用機械密封的沖洗系統(tǒng)通常采用API 682 Plan 72和Plan 76的組合，其管道儀表流程如圖6所示。

圖6 sCO2泵用干氣密封管道儀表流程示意圖（API Plan 72+76）

Plan 72為主密封提供沖洗，避免雜質累積；Plan 76收集逸出的CO2，實現(xiàn)低泄漏率甚至零泄漏，可通過壓力監(jiān)控是否發(fā)生泄漏。

2.3 CO2注入系統(tǒng)優(yōu)化

在酸性氣田處理廠中，對天然氣進行脫酸處理后得到的 CO2同樣是碳捕集中碳的來源，無需經過長距離管道運輸，可就地將酸氣進行回注，如美國ExxonMobil公司的Shute Creek天然氣處理廠項目。在天然氣處理廠設置 CO2壓縮回注裝置一般有兩種形式：一種是通過壓縮機進行加壓后回注，另一種是經壓縮機壓縮、再經液化后通過注入泵注入，在方案選擇時應通過技術經濟分析得到最優(yōu)方案。將經壓縮后再液化的 CO2用注入泵注入，可以減少壓縮機級數(shù)，可節(jié)省能耗；液化后的 CO2的輸送及注入在較低溫度下進行，熱損耗小，材料所受熱應力也相應減小。

不同于其他多數(shù)酸性天然氣處理廠直接使用往復壓縮機將酸性氣體回注，Shute Creek處理廠采用壓縮機將CO2和H2S壓縮至其可以液化的壓力后再用 BB5型注入泵將 CO2回注，CO2壓縮注入流程如圖7所示，其中3臺壓縮機后配置兩臺注入泵，經壓縮機壓縮后的 CO2通過換熱器液化，液態(tài) CO2經注入泵進行回注。這種配置方式不但節(jié)能，而且能適應不同的注入壓力［23］。為了保證注入泵出口壓力的穩(wěn)定，可以為注入泵配置變頻驅動系統(tǒng)。

圖7 Shute Creek處理廠CO2注入流程示意圖

3 結論

CCS是控制二氧化碳排放、應對氣候變化的有效手段，泵設備是CCS鏈條中的關鍵設備。碳封存中使用的sCO2注入泵是一種特殊定制的工程泵，通常選用高壓雙殼多級離心泵。根據 CO2在超臨界狀態(tài)下的特殊物性以及高壓離心泵的結構特點，超臨界 CO2注入泵宜選用葉輪背靠背布置的多級離心泵，并在設計制造過程中按照API 610-2021標準進行轉子動力學特性分析和實驗；注入泵材料應根據CO2體系的組分進行，若有酸性氣體雜質存在則選材需滿足NACE MR0175標準；機械密封應選用可靠性高的干氣密封，以減少 CO2泄漏，機械密封材質密封面應選用碳化硅等硬材料，并需配置合適的沖洗系統(tǒng)保證機械密封的可靠運行。在天然氣處理廠設置 CO2注入系統(tǒng)時，泵和壓縮機的配合使用比只采用壓縮機注入更為節(jié)能。另外sCO2注入泵的選用還應結合使用業(yè)績等方面進行綜合評估。全球碳中和以及碳達峰目標的實現(xiàn)，需要繼續(xù)推廣CCS項目的建設，sCO2注入泵也將有新的發(fā)展。