楊立業(yè) 陳春

(1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,北京 102200;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京 102200)

CO2管道瞬態(tài)仿真研究探討

楊立業(yè)1陳春2

(1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,北京 102200;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京 102200)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外CO2長(zhǎng)輸管道的發(fā)展?fàn)顩r,分析了純CO2和含雜質(zhì)CO2體系相態(tài)特性,并結(jié)合瞬態(tài)仿真模型總結(jié)分析了CO2管道瞬態(tài)仿真研究現(xiàn)狀及其涉及的瞬態(tài)計(jì)算數(shù)值方法,對(duì)CO2管道瞬態(tài)仿真進(jìn)行了展望:(1)CO2管道輸送技術(shù)與油氣管道輸送技術(shù)基本類似,由此借鑒尋找CO2管道瞬態(tài)仿真技術(shù)的研究方向;(2)數(shù)值傳熱相關(guān)計(jì)算方法可用于CO2管道瞬態(tài)仿真;(3)在瞬態(tài)仿真的基礎(chǔ)上,進(jìn)行瞬態(tài)仿真和優(yōu)化控制結(jié)合,完成管道限壓及限時(shí)控制等,也將是CO2管道研究的一個(gè)重要方向;(4)希望借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、引進(jìn)成熟工藝設(shè)備的同時(shí)還應(yīng)該重視挖掘整合國(guó)內(nèi)資源,產(chǎn)學(xué)結(jié)合。

CCS 相態(tài)分析 CO2管道 瞬態(tài)仿真

1 引言

碳捕集與封存(CCS)技術(shù)已成為世界公認(rèn)的未來(lái)幾十年內(nèi)最有潛力、最有效的減少溫室氣體排放的方法之一[1]。捕集到的CO2處理方式主要有兩種：(1)用于陸地或海洋封存；(2)提高油氣藏采收率。提高油氣藏采收率的工程需建設(shè)長(zhǎng)距離CO2管道，輸送CO2時(shí)，管道內(nèi)多相流動(dòng)產(chǎn)生的壓降比單相流動(dòng)的壓降大，易造成沖蝕，一般要求輸送介質(zhì)為單相。CO2的臨界溫度和壓力均較低，分別為31.05℃和7.37MPa，輸送之前如不采取特殊處理，在長(zhǎng)輸過(guò)程中易因環(huán)境溫度和壓降的影響導(dǎo)致相態(tài)變化[2-3]。

為了保證CO2管道的安全、高效運(yùn)行，必須對(duì)管輸條件下CO2的物化性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等有全面的認(rèn)識(shí)和了解，科學(xué)合理地確定管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案。仿真模擬正是解決上述問(wèn)題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2 國(guó)內(nèi)外CO2長(zhǎng)輸管道發(fā)展現(xiàn)狀

CO2輸送與油氣運(yùn)輸有一定的相似性，運(yùn)輸方式包括管道、船舶、鐵路和公路等，最具應(yīng)用潛力的應(yīng)為管道運(yùn)輸。國(guó)際上長(zhǎng)距離、大規(guī)模的CO2輸送技術(shù)已發(fā)展多年，世界上第一條長(zhǎng)距離CO2輸送管道于20世紀(jì)70年代初投入運(yùn)行。CO2長(zhǎng)輸管道早已被美國(guó)、加拿大、土耳其和特立尼達(dá)等國(guó)家用于CO2-EOR，而95%以上的CO2-EOR項(xiàng)目在美國(guó)，1998美國(guó)利用CO2提高采收率技術(shù)平均每天已能產(chǎn)出196，000桶石油，隨著國(guó)外CO2-EOR技術(shù)的推廣應(yīng)用，配套的CO2管道持續(xù)增長(zhǎng)。目前我國(guó)還沒(méi)有CO2長(zhǎng)輸管道運(yùn)行投產(chǎn)。

3 CO2相態(tài)分析

3.1 純CO2相態(tài)特性

研究CO2的相態(tài)特性首先從了解純CO2的相態(tài)特性開(kāi)始，圖1給出了整個(gè)壓力溫度范圍內(nèi)純CO2體系的相態(tài)區(qū)域。

圖1 二氧化碳相圖

CO2管網(wǎng)中存在的雜質(zhì)如N2、O2、Ar、H2O、SOx、H2S等將影響其相態(tài)特性，混合物的組分決定了管輸介質(zhì)的臨界條件，介質(zhì)的臨界壓力和溫度會(huì)影響管道的運(yùn)行條件。喻西崇等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)含雜質(zhì)CO2體系相態(tài)特性分析研究得出：雜質(zhì)含量越高，體系的泡點(diǎn)壓力和露點(diǎn)壓力越高；雜質(zhì)含量是泡點(diǎn)壓力受影響的主要部分，露點(diǎn)壓力僅與雜質(zhì)含量有關(guān)，而與雜質(zhì)種類無(wú)關(guān)。管道運(yùn)行壓力和溫度的波動(dòng)也會(huì)影響CO2的相態(tài)特性。

3.2 CO2相態(tài)計(jì)算模型

單向流中不存在相態(tài)的轉(zhuǎn)換，立方型狀態(tài)方程涉及參數(shù)少、形式簡(jiǎn)單、計(jì)算精度較高，常被用于實(shí)際流體的相態(tài)計(jì)算。目前油氣及CO2行業(yè)常用的實(shí)際狀態(tài)方程有BWRS、PR、SRK和RK方程。

建立兩相流體之間的相態(tài)轉(zhuǎn)化計(jì)算模型[5]的目的：(1)保證CO2管道安全可靠運(yùn)行；(2)預(yù)測(cè)管道運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的壓降；(3)建立合適的相態(tài)轉(zhuǎn)換模型。

3.2.1 簡(jiǎn)單模型(如圖2所示)

模型中每種相態(tài)都有對(duì)應(yīng)的壓力P、溫度T、化學(xué)勢(shì)μ、速度v。假設(shè)氣、液態(tài)流體有一致的v、P和T，化學(xué)勢(shì)分別為液體為μ1(P，T)，氣體為μg(P，T)。

模型的建立：

(1)兩相流方程主要為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。

(2)相態(tài)轉(zhuǎn)換模型。舒張化學(xué)勢(shì)m=km(μl-μg)，當(dāng)化學(xué)勢(shì)相等時(shí)沒(méi)有相態(tài)轉(zhuǎn)化，當(dāng)km趨于無(wú)窮時(shí)將使流體趨于氣液相平衡。0＜km＜∞，蒸發(fā)時(shí)當(dāng)μl＞μg，km=k0ml，若液體完全蒸發(fā)成氣體是km=0，壓縮氣體冷凝時(shí)，μl＜μg，km=k0mg，且氣體完全冷凝成液體時(shí)，km=0。

3.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論模型(SRT)

統(tǒng)計(jì)力學(xué)給出了單分子事件性質(zhì)

圖2

圖3

4 二氧化碳管道動(dòng)態(tài)仿真

4.1 非穩(wěn)定工況

當(dāng)CO2長(zhǎng)輸管道運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，流體會(huì)從原有的穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，過(guò)渡過(guò)程就是非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。管道運(yùn)行的非穩(wěn)態(tài)工況，可以分為正常和異常工況。正常工況包括了管道啟輸、壓縮機(jī)組切換、啟停壓縮機(jī)組、越站二氧化碳、分輸用戶的氣量調(diào)整和氣源進(jìn)氣量的調(diào)整等。異常工況包括了管道泄漏(爆管)、管道堵塞(冰堵)、運(yùn)行機(jī)組故障停運(yùn)、干線截?cái)嚅y意外關(guān)斷、站場(chǎng)故障停運(yùn)和通訊中斷等。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真，可以分析管道運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律，制定相應(yīng)的控制策略，從而有效保證管線的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

Stefan Liljemark等[6]建立了兩個(gè)模型對(duì)CO2管道進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，一個(gè)描述了管道流量和壓力的變化；另一個(gè)模擬管道內(nèi)瞬時(shí)冷卻和非穩(wěn)定工況下壓力波形成及傳播過(guò)程中的情況。得出如下結(jié)論：(1)管道冷卻會(huì)減緩兩相流的形成速度。(2)快速關(guān)閥和流量變化引起管道內(nèi)出現(xiàn)兩相流，這種情況在垂直管道(注入管道)中是嚴(yán)格限制出現(xiàn)的；快速關(guān)閥引起的壓力波動(dòng)最大幅度可達(dá)到3bar。(3)完成二氧化碳管道的啟動(dòng)總共花了12天時(shí)間，其中有6天時(shí)間二氧化碳流處在兩相區(qū)。(4)壓縮機(jī)跳車時(shí)水平管道沒(méi)有發(fā)生相態(tài)變化。

4.2 瞬態(tài)仿真模型

4.2.1 模型I[7]

此為密相CO2管道瞬態(tài)仿真。

管輸介質(zhì)：含N2的CO2體系，純度為98%。分段管道：兩段水平管道，一段垂直管道(注入管)總長(zhǎng)31.2km。管段1和管段2長(zhǎng)度均為15km，管段3長(zhǎng)度為1.2km；管道的管徑全部為300m。閥1、2、3均為控制閥，閥4為切斷閥；閥1、4同時(shí)也是止回閥。壓縮機(jī)的出口溫度是40℃，為了保持介質(zhì)在水平管道(1、2)壓力在85bar以上，閥3的開(kāi)度在整個(gè)仿真過(guò)程中受到動(dòng)態(tài)控制。如圖4所示。

流量和壓力的動(dòng)態(tài)變化由Krus和Gunnarsson提出的TLM模型中提出的方程式及移動(dòng)壓力波相關(guān)等式建立模型求解。模擬的不穩(wěn)定工況包括：

圖4 CO2模擬管道布局圖

(1)管道冷卻：CO2補(bǔ)集廠停產(chǎn)時(shí)管流壓力下降，管道溫度逐漸下降到埋深環(huán)境溫度6℃，在此過(guò)程中密度保持不變；40h后形成了氣態(tài)CO2，首次出現(xiàn)相態(tài)變化是50min之后在管道入口處，之后CO2的泡點(diǎn)壓力提高到了40bar。該瞬態(tài)仿真結(jié)果表明一旦停止注入CO2，管內(nèi)將出現(xiàn)兩相流，除非保證管道內(nèi)壓力一直保持在臨界壓力以上。

(2)壓縮機(jī)跳車：當(dāng)壓縮機(jī)停運(yùn)8s后將閥1關(guān)閉，緊接著在700s時(shí)關(guān)閉閥4。在整個(gè)仿真過(guò)程中(歷時(shí)1500s)水平管內(nèi)混合流體始終保持液體狀態(tài)，但在閥3之后壓力降到了66bar，垂直管段明顯出現(xiàn)了兩相流。

(3)負(fù)載變化：管道內(nèi)質(zhì)量流量以4%/min的速度線性變化，數(shù)值變化范圍在100kg/s的90%、15%、105%和50%以內(nèi)。通過(guò)閥3時(shí)，為了保證水平管道內(nèi)壓力在臨界壓力以上，管流壓力應(yīng)急劇下降(從85bar下降到了66bar)，因此在垂直管道內(nèi)將出現(xiàn)兩相流。

(4)快速關(guān)閥：在60s內(nèi)緩慢關(guān)小所有閥的開(kāi)度，同時(shí)讓壓縮機(jī)停運(yùn)。在每一個(gè)單獨(dú)管段內(nèi)出現(xiàn)壓力波，在閥1和2的出口處壓力振蕩最明顯，壓力振蕩幅度最大達(dá)到3bar(±1.5bar)。在垂直管段質(zhì)量流速?gòu)?0kg/s降至10kg/s，水平管段流速低于0.1kg/s，管道內(nèi)最低壓力(65bar)出現(xiàn)在閥3的出口處，該壓力比臨界壓力低15bar故該區(qū)域很可能出現(xiàn)兩相流。

(5)啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)10bar，6℃，逐漸過(guò)度到操作狀態(tài)110bar，40℃，整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了12天。4.5天之后管流進(jìn)入兩相區(qū)，9天之后結(jié)束全部進(jìn)入密相狀態(tài)。壓縮機(jī)啟動(dòng)后，上下游的流量增大，入站壓力下降，出站壓力上升，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 模型II[7]

該模型用于二氧化碳管道泄漏時(shí)的瞬態(tài)分析。

高壓管道：操作壓力(10-20MPa)，管長(zhǎng)6000km，管徑0.3-0.7m。

模型簡(jiǎn)介：

(1)2-相CO2從管道中泄漏出來(lái)，包括破裂管道內(nèi)的CO2流體的瞬變情況。

(2)從管道內(nèi)噴射出來(lái)沖擊射流。

(3)釋放出的混合氣體的相變及固態(tài)CO2的升華。

(4)CO2在環(huán)境中的擴(kuò)散。

(5)人類對(duì)于二氧化碳溶度的適應(yīng)度。

模擬結(jié)果顯示：管道泄漏點(diǎn)上游流量上升，下游流量下降；泄漏點(diǎn)上下游壓力均下降較快；如果泄漏量較大或者出現(xiàn)管道爆管情況時(shí)將嚴(yán)重影響上下游壓縮機(jī)站的運(yùn)行，最后導(dǎo)致全線停運(yùn)。該模型最后得到的結(jié)論有待現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，只能作為判斷管道泄漏點(diǎn)等的理論參考依據(jù)。

4.2.3 模型III[8]

Maciej Chaczykowski等根據(jù)連續(xù)性方程，動(dòng)量方程和能量方程的基本式建立了管道和壓縮機(jī)模型。模擬不穩(wěn)定工況包括：

二氧化碳管道干線截?cái)嚅y意外關(guān)斷：在60s內(nèi)流量由70kg/s下降至0，入口壓力保持9.5MPa；20min后打開(kāi)截?cái)嚅y，讓管道運(yùn)行狀態(tài)在60s內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿流；當(dāng)截?cái)嚅y意外關(guān)斷后，關(guān)斷點(diǎn)上下游的流量下降都比較快，上游壓力上升，下游壓力下降。而上游壓縮機(jī)的運(yùn)行、下游用戶的分輸量以及全線的CO2流速都會(huì)受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致全線停運(yùn)。當(dāng)因工況突變使得截?cái)嚅y關(guān)斷后，應(yīng)立刻采取應(yīng)急措施：首先快速打開(kāi)旁通閥室平壓，然后再打開(kāi)主閥。閥門由于故障不能重新打開(kāi)時(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)運(yùn)行工況，逐漸關(guān)停上下游的壓縮機(jī)，最后停運(yùn)全線，直至事故處理完畢。CO2碳管道發(fā)生嚴(yán)重堵塞以及站場(chǎng)意外停運(yùn)時(shí)的結(jié)果與之類似。

4.3 CO2管道瞬態(tài)模擬計(jì)算方法

瞬變過(guò)程分為慢瞬變過(guò)程和快瞬變過(guò)程，據(jù)其不同特點(diǎn)常采用不同的算法，現(xiàn)在CO2管道仿真軟件采用的數(shù)學(xué)方法基本都是數(shù)值解法中的隱式中心差分法和特征線法。

隱式中心差分法：不受穩(wěn)定條件的限制，時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)慢瞬變計(jì)算精度影響較小，為了減少計(jì)算時(shí)間，可以增加時(shí)間步長(zhǎng)；其不適用于復(fù)雜的大型管網(wǎng)。特征線法：可以對(duì)各種邊界條件進(jìn)行顯式處理，易于求解；但時(shí)間步長(zhǎng)和管段步長(zhǎng)要滿足穩(wěn)定條件。增大時(shí)間步長(zhǎng)，可以減少計(jì)算量，而時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)慢瞬變計(jì)算精度影響較小，所以常采用隱式差分法求解慢瞬變過(guò)程；快瞬變中流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化較大，要求較短的時(shí)間步長(zhǎng)以保證計(jì)算精度，常采用顯式特征差分法求解快瞬變過(guò)程[9]。

5 總結(jié)及展望

CO2管道輸送技術(shù)與油氣管道輸送技術(shù)相似，瞬態(tài)模擬方法和模型均可借鑒。文中所述瞬態(tài)仿真模型基本涉及CO2管道運(yùn)行過(guò)程中的非穩(wěn)態(tài)工況，我國(guó)CO2管道事業(yè)需要做的工作還很多，結(jié)合國(guó)內(nèi)外CO2管道事業(yè)及油氣管道的瞬態(tài)計(jì)算數(shù)值方法發(fā)展情況提出以下幾點(diǎn)展望：

(1)目前國(guó)內(nèi)輸氣管道瞬變仿真從等溫模型、絕熱模型逐漸發(fā)展為穩(wěn)態(tài)傳熱模型和非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，瞬態(tài)仿真的重點(diǎn)當(dāng)屬熱力計(jì)算，瞬態(tài)仿真理論發(fā)展方向是考慮真實(shí)氣體效應(yīng)和非穩(wěn)態(tài)傳熱的非等溫流動(dòng)模型；CO2管道輸送技術(shù)與之類似，可由此借鑒尋找CO2管道瞬態(tài)仿真技術(shù)的研究方向。

(2)CO2管道瞬變流動(dòng)受到壓力、溫度、流量的變化及網(wǎng)格離散等因素的影響，由此可見(jiàn)數(shù)值傳熱將會(huì)密切用于CO2管道瞬態(tài)仿真方面，而CO2管道的相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法有：半隱式有限體積法、TVD/LW方法和最小二乘譜方法等。

(3)進(jìn)行瞬態(tài)仿真和優(yōu)化控制結(jié)合，完成管道限壓力控制、限時(shí)間控制等對(duì)管道運(yùn)行的安全性、可靠性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟(jì)性提供參考，也是CO2管道研究的一個(gè)重要方向。

(4)在我國(guó)油氣管道發(fā)展歷程中關(guān)于管道瞬態(tài)仿真技術(shù)發(fā)展已相對(duì)成熟，故在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)成熟工藝設(shè)備的同時(shí)還應(yīng)該重視挖掘整合國(guó)內(nèi)資源，產(chǎn)學(xué)結(jié)合。

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