陳兵 巨熔冰 白世星 任科洋 曹雙歌

西安石油大學(xué)

CO2捕集、利用及封存(CCUS)作為一種新興的前沿技術(shù)，不僅能夠有效地減少CO2的排放量，也是維持國內(nèi)油田穩(wěn)產(chǎn)增長的需要[1-3]。CO2輸送作為CCUS技術(shù)的中間環(huán)節(jié)，承擔(dān)著將CO2從捕獲地輸送到封存地的重要任務(wù)，對整個CCUS技術(shù)的成功運營起著至關(guān)重要的作用[4-6]。結(jié)合原油、天然氣管道的經(jīng)驗可知，管道輸送具有輸量大、占地少、管道輸送建設(shè)周期短、費用低、安全可靠性高、連續(xù)性強且耗能少、成本低、效益好等優(yōu)點[7-9]。由于具有以上優(yōu)點，CO2管道輸送已經(jīng)在國外得到迅速發(fā)展并已成功應(yīng)用于實際運營。依據(jù)輸送相態(tài)的不同，CO2輸送方式有氣態(tài)、液態(tài)、超臨界-密相3種，根據(jù)國外40多年的CO2管道運輸經(jīng)驗，由于超臨界-密相CO2具有類似于液體的高密度和類似于氣體的高擴散性與低黏度，被認(rèn)為是最經(jīng)濟的管道輸送方式。但在我國，超臨界-密相CO2管道輸送目前還處于起步階段，基礎(chǔ)研究與工藝技術(shù)的研究都較為欠缺，加上捕集到的CO2含有一定量的雜質(zhì)，如何把大量含雜質(zhì)的超臨界-密相CO2從氣源地規(guī)?；剌斔偷阶⑷氲剡@一關(guān)鍵技術(shù)還沒有解決。隨著我國CCUS技術(shù)走向規(guī)?；蜕虡I(yè)化，超臨界-密相CO2輸送管道的建設(shè)將是一個必然的選擇。因此，對超臨界-密相CO2管道輸送工藝的研究具有一定的現(xiàn)實工程意義，可以為超臨界-密相CO2管道輸送設(shè)計提供必要的依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 CO2物理特性

1.1 純CO2相態(tài)

純凈的CO2無色、無味、不可燃，在常溫常壓下以氣態(tài)形式存在。由圖1可知，CO2的臨界點為tc=31.4 ℃，pc=7.38 MPa，在超臨界區(qū)域內(nèi)，CO2不再區(qū)分氣相和液相，且超臨界相與密相有共同的壓力區(qū)間，只是密相溫度略低于超臨界相，所以超臨界相和密相在性質(zhì)上有更多的相似性。

1.2 含雜質(zhì)的CO2相態(tài)

雜質(zhì)的存在會改變CO2的相態(tài)特征，進而影響管道的輸送工藝。表1所列為國內(nèi)某油田30×104t/a CCUS項目中所使用的CO2氣體組分，利用HYSYS軟件模擬其相態(tài)圖，結(jié)果如圖2所示。

表1 氣源組分參數(shù)表Table 1 Gas source components parameters list氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)/%氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)/%CO298.804N20.333 8H20.043 5H2S0.000 6CO0.767 5CH3OH0.036 5CH40.013 5H2O0.000 02

由圖2可知，相較于純CO2的臨界點(tc=31.4 ℃，pc=7.38 MPa)，含雜質(zhì)改變了CO2的臨界點(tc=30.37 ℃，pc=7.55 MPa)，且在相態(tài)圖中出現(xiàn)了兩相區(qū)，所以輸送含雜質(zhì)的CO2更加困難，在輸送過程中要嚴(yán)格控制輸送溫度與壓力，避免輸送過程中出現(xiàn)兩相區(qū)。

2 含雜質(zhì)的CO2狀態(tài)方程的確定

目前，用于預(yù)測含雜質(zhì)的CO2的狀態(tài)方程還沒有達到共識，主要用到的狀態(tài)方程有：Peng-Robinson(PR)方程、Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)方程和GERG-2008方程等?，F(xiàn)用于模擬計算含雜質(zhì)的CO2物理性質(zhì)的狀態(tài)方程都是在結(jié)合相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對一些有效實驗數(shù)據(jù)進行對比評估而得出如下結(jié)論：在條件為7 MPa

3 CO2管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議

盡管國外CO2管道運營已經(jīng)有超過40年的經(jīng)驗，但目前還沒有統(tǒng)一的輸送標(biāo)準(zhǔn)。目前，主導(dǎo)CO2管道設(shè)計運行的主要是歐美國家的相關(guān)經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)，如ASME B31.4-2016《液態(tài)烴和其他液態(tài)管道輸送》和BS EN 14161-2011《石油天然氣工業(yè).管道運輸系統(tǒng)》，這些規(guī)范雖然不是專門針對CO2輸送管道的，但現(xiàn)有的CO2管道設(shè)施都是根據(jù)上述油氣管道規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計的[12-13]。我國目前還沒有針對CO2輸送管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，國內(nèi)指導(dǎo)CO2管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)是在參考ISO 13623-2009《石油和天然氣工業(yè).管道輸送系統(tǒng)》、ASME B31.4-2016《液化烴和其他液體用管道輸送系統(tǒng)》、ASME B31.8-2014《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上完善的。雖然CO2存在其特殊性，但我國CO2管道的設(shè)計主要借鑒我國油氣輸送管道設(shè)計和相關(guān)的油氣輸送管道標(biāo)準(zhǔn)[13]。

4 計算模擬示例

以國內(nèi)某油田開展30×104t/a CCUS項目為例，首先通過管道1輸送。管道1長度為29 km，從該油田輸送至1封存地增壓后，其中12×104t/a的CO2用于驅(qū)油利用，另外18×104t/a的CO2通過管道2輸送至2封存地。管道2長度為26.43 km，在2封存地增壓后驅(qū)油利用。具體的輸送流程圖如圖3所示。

4.1 CO2輸送管道參數(shù)確定

管徑的計算公式如式(1)：

(1)

式中：D為管道理論內(nèi)直徑，mm；Q為管道流量，m3/h；v為經(jīng)濟流速，m/s，一般工業(yè)上認(rèn)為超臨界-密相CO2輸送管道的典型經(jīng)濟流速應(yīng)限制在1～5 m/s之間。

管壁厚度的確定按照ASME B31.4-2016和ASME B31.8-2014中關(guān)于壁厚的計算公式，如式(2)[14]：

(2)

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；p為設(shè)計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；F為強度設(shè)計系數(shù)，野外地區(qū)：F=0.6，居住區(qū)等：F=0.5；φ為焊縫系數(shù)，無縫鋼管φ=1；T為溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度低于120 ℃時，T=1.0；C為腐蝕裕量，根據(jù)所輸介質(zhì)的腐蝕性的大小確定其值，當(dāng)所輸介質(zhì)中不含腐蝕性物質(zhì)時，C=0，當(dāng)所輸介質(zhì)中含腐蝕性物質(zhì)時，C=0.5～1 mm。

按照管道各參數(shù)的計算方法，對各參數(shù)進行設(shè)計估算，并綜合GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》，選定的管道規(guī)格如表2所列。

4.2 超臨界-密相CO2管道入口參數(shù)

捕集到的CO2氣體的初始狀態(tài)為t=20 ℃，p=0.18 MPa，并不滿足超臨界-密相CO2輸送條件，所以需在首站進行增壓后達到輸送所需要的相態(tài)。結(jié)合國外多年輸送經(jīng)驗，初步選取管道1的入口壓力為10 MPa、入口溫度為60 ℃，管道不設(shè)保溫層，管道前端以超臨界狀態(tài)進行輸送。隨著沿線溫度降低，若溫度降低到臨界溫度以下，CO2將以密相狀態(tài)進行輸送。管道1中CO2的出口壓力、溫度作為管道2的入口壓力和溫度。

4.3 超臨界-密相CO2管道1輸送

采用Pipephase軟件完成超臨界-密相CO2管道輸送工藝的模擬計算。PipePhase軟件適用于油氣生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和管道傳輸、分布系統(tǒng)計算，可處理單相氣液體、CO2等各種流體類型，能夠綜合考慮流體的溫度、壓力、物性、流量和周圍介質(zhì)溫度、流量等性質(zhì)以及傳熱系數(shù)等，并由此計算出整個管網(wǎng)的溫度分布等，是全球油氣生產(chǎn)和設(shè)計公司首選的管道輸送工藝模擬計算軟件。模擬計算管道1在不同管徑下的工藝參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果見表3和圖4～圖7。

表2 CO2輸送管道參數(shù)Table 2 Parameters of CO2 pipeline管道參數(shù)參數(shù)值管道1公稱直徑/mmDN100、 DN150 、 DN200 、 DN250、 DN300管道1外徑與壁厚/(mm×mm)Φ114×7.0、Φ168×8.0、Φ219×9.0、Φ273×10.0、Φ325×11.0管道1流量/(104 t·a-1)30管道1長度/km29管道2公稱直徑/mmDN100、DN150、DN200管道2外徑與壁厚/(mm×mm)Φ114×7.0、Φ168×8.0、Φ219×9.0管道2長度/km26.43管道粗糙度/mm0.045 7埋深/m1.8管道所處土壤溫度/℃7.8

表3 管道1超臨界-密相CO2輸送模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of supercritical-dense phase CO2 pipeline 1名稱模擬計算結(jié)果公稱直徑/mmDN100DN150DN200DN250DN300管道規(guī)格/(mm×mm)Φ114×7.0Φ168×8.0Φ219×9.0Φ273×10.0Φ325×11.0管道流量/(104 t·a-1)3030303030管道長度/km2929292929管道埋深/m1.81.81.81.81.8管道所處地溫/℃7.87.87.87.87.8入口壓力/MPa1010101010入口溫度/℃6060606060出口壓力/MPa6.608.959.819.949.98出口溫度/℃23.2420.7918.7317.3116.28壓降/MPa3.401.050.190.060.02最大流速/(m·s-1)4.262.081.090.690.48最小流速/(m·s-1)3.810.780.400.250.17

從圖4可知：①管徑越小，壓降越多且壓降幅度越大；②管徑為DN100時，隨著管輸距離增加，管道內(nèi)CO2壓力迅速降低至臨界壓力以下，在8.7 km處，由于壓力降低較多，管道停止運行，故DN100管道不適合超臨界-密相輸送；③DN150管道相比另外3個管道壓降較大，而DN200、DN250及DN300管道內(nèi)壓力變化趨勢相當(dāng)。

從圖5可知：①隨著管輸距離的增加，CO2溫度降低，且降低幅度逐漸減小，而不同管徑對溫度降低程度的影響不大；②在輸送過程中，CO2的溫度逐漸降至臨界溫度以下，此時CO2以密相輸送。

從圖6可知，隨著管道輸送距離的增加，管道內(nèi)CO2密度增大。由于管道內(nèi)CO2密度受溫度和壓力兩個因素的影響，所以CO2密度呈拋物線型增加，且CO2密度隨管道內(nèi)徑的增加而增加。

從圖7可知，除DN100管道在輸送過程中進入了兩相區(qū)，其他4種管道在整個輸送過程均可將相態(tài)維持在超臨界-密相區(qū)域，故除DN100管道外，其余均滿足超臨界-密相輸送要求。

通過模擬可知，除DN100管徑外，其他4種管徑均可滿足超臨界-密相CO2管道輸送工藝要求。綜合整個輸送流程，管道出口CO2的狀態(tài)決定著封存地注入壓縮機的功率，即在不考慮管道成本的條件下，管道出口處CO2的壓力越高越好。比較4種管道輸送的壓降，DN150的管道壓降較大，故不適合管道超臨界-密相CO2輸送；DN200、DN250及DN300三種管徑的管道，超臨界-密相CO2壓力變化趨勢相當(dāng)。故從管道基礎(chǔ)建設(shè)方面而言，DN200為該油田CCUS項目管道1最佳超臨界-密相CO2輸送管徑。

4.4 管道2超臨界-密相CO2輸送

以管道1中CO2的出口壓力、溫度為管道2的入口壓力和溫度，即管道2的入口參數(shù)為p=9.81 MPa，t=18.73 ℃。模擬結(jié)果見表4及圖8～圖11。

表4 超臨界-密相管道2 CO2輸送模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of supercritical-dense phase CO2 pipeline 2名稱模擬計算結(jié)果公稱直徑/mmDN100DN150DN200管道規(guī)格/(mm×mm)Φ114×7.0Φ168×8.0Φ219×9.0管道流量/(104 t·a-1)181818管道長度/km26.4326.4326.43管道埋深/m1.81.81.8管道環(huán)境溫度/℃7.87.87.8入口壓力/MPa9.8119.8119.811入口溫度/℃18.7318.7318.73出口壓力/MPa8.069.609.77出口溫度/℃7.928.148.07壓降/MPa1.7560.2120.041最大流速/(m·s-1)1.020.450.25最小流速/(m·s-1)0.940.410.22

由圖8可知:①管徑越小，壓降越多且降幅越大，其中DN100管道壓降最大達1.756 MPa；②無論管道2的管徑大小如何，在整個輸送過程中，管道內(nèi)CO2壓力均保持在臨界壓力以上。

由圖9可知:①隨著管輸距離增加，管道內(nèi)CO2溫度逐漸降低，且降低幅度逐漸減小，最終達到管道所處環(huán)境溫度；②不同管徑對管道內(nèi)CO2溫降程度影響差異不大，即不同管徑下管道內(nèi)CO2溫度變化趨勢相當(dāng)；③在輸送過程中，CO2溫度低于臨界溫度，處于密相區(qū)域。

由圖10可知:①隨著管輸距離增加，由于CO2密度受溫度和壓力兩個因素影響，管道內(nèi)CO2密度呈拋物線型增加；②CO2密度隨管道直徑的增加而增加。

由圖11可知，在整個輸送過程中，管道內(nèi)CO2一直處于單一穩(wěn)定的密相，輸送過程中沒有進入兩相區(qū)域，故3種管徑均滿足超臨界-密相輸送要求。

模擬結(jié)果顯示3種管道均可滿足管道2超臨界-密相CO2管道輸送工藝的要求。管道2出口CO2的狀態(tài)決定著封存地2注入壓縮機的功率，即在不考慮管道成本的條件下，管道2出口處CO2的壓力越高越好。模擬結(jié)果顯示，管道內(nèi)壓降隨著管徑的增大而減小，所以管徑越大，管道出口壓力越大。比較3種管徑的管道出口壓力可知，DN100管徑的壓降為1.756 MPa，而DN150和DN200的管道壓降相差不大，故從管道基礎(chǔ)建設(shè)方面而言，DN150為該油田CCUS項目管道2最佳超臨界-密相輸送管徑。

5 結(jié) 語

當(dāng)前超臨界-密相CO2管道運輸是影響CCUS工程項目開展實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但在我國超臨界-密相CO2管道輸送目前還處于起步階段，基礎(chǔ)研究與工藝技術(shù)的研究都較為欠缺。因此，本研究以國內(nèi)某油田30×104t/a CCUS項目為例，通過模擬計算確定不同輸送距離下超臨界-密相CO2最優(yōu)管徑參數(shù)，為后續(xù)CCUS項目大規(guī)模開展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。隨著實驗成功和工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展，下一步的工作是考慮含雜質(zhì)超臨界-密相CO2輸送管道的規(guī)劃與建設(shè)，在點對點輸送的基礎(chǔ)上開展CO2管網(wǎng)輸送的研究，并將研究工作進一步落實到工藝上，得出具有廣泛應(yīng)用的更為具體的工藝參數(shù)。