呂家興，侯 磊，王玉江，劉芳媛，吳守志，

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2. 中國(guó)石化勝利油田分公司 工程技術(shù)管理中心，山東 東營(yíng) 257000）

作為遏制全球變暖、控制溫室氣體排放和提高碳回收效率的重要手段，CO2捕集、 利用與封存（CCUS）技術(shù)發(fā)展迅速，其中CO2-EOR技術(shù)則成為封存的最佳選擇[1,2]，在我國(guó)勝利油田和中原油田等已開(kāi)展了相關(guān)工程應(yīng)用[3,4]。 一般情況下，CO2捕集液化地與注入地往往相距甚遠(yuǎn)，而管道輸送以其輸送量大、輸送距離遠(yuǎn)成為CO2輸送最經(jīng)濟(jì)的途徑[5-7]。 合理設(shè)計(jì)管道入口參數(shù)及管道尺寸， 不僅能夠?yàn)镃O2管道安全運(yùn)行提供保障， 還能夠有效降低輸送費(fèi)用，可見(jiàn)CO2管道輸送參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是CCUS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)CO2管道輸送系統(tǒng)開(kāi)展了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)[8-10]開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，得到輸送壓力、溫度等參數(shù)的變化規(guī)律，確定了合理的輸送工藝參數(shù)。高藍(lán)宇[11]針對(duì)CO2輸送案例進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析， 驗(yàn)證了CO2管道輸送方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。 田群宏等[12,13]建立了管道優(yōu)化模型，運(yùn)用算法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了管道輸送的平準(zhǔn)化費(fèi)用。Broek等[14]對(duì)CO2管道進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)固定中間泵站距離提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。Zhang等[15]建立流體動(dòng)力學(xué)模型，提出了CO2管道內(nèi)徑計(jì)算模型，對(duì)中間泵站進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 Knoope等[16]在考慮管道公稱尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)管道系統(tǒng)管材等級(jí)和管道輸送參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究超臨界CO2管道輸送重點(diǎn)針對(duì)不同管徑和溫壓條件下的模擬計(jì)算，集中于技術(shù)層面，而經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)研究較少，且經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)也主要關(guān)注管道成本。 而實(shí)際的優(yōu)化過(guò)程涉及變量較多，比如，由于管道公稱尺寸不連續(xù)，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證；CO2管道輸送工藝優(yōu)化時(shí)假定為水平管，而實(shí)際管道存在高程差。 本文在研究起伏地區(qū)超臨界CO2管道輸送特性的基礎(chǔ)上，建立CO2管道輸送經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型，并考慮中間泵站和末站注入地層壓力等因素， 通過(guò)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)考察管輸參數(shù)優(yōu)化效果，為起伏地區(qū)CO2管道設(shè)計(jì)提供一種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。

1 管道輸送特性分析

1.1 起伏地區(qū)概況

某CO2輸送過(guò)程采取埋地敷設(shè)， 管道埋深處的冬季地溫為3 ℃，夏季地溫為12 ℃，管道末端注入地層壓力為25～30 MPa。 氣源地距離注入地約175.36 km，沿線有地形起伏，高程如圖1所示。CO2以超臨界-密相輸送，要求管道壓力始終高于臨界壓力。

CO2從煤化工捕集而來(lái)，輸量約1 Mt/a，氣體已除雜干燥處理， 經(jīng)初壓縮后的初始?jí)毫?.2 MPa，來(lái)氣溫度20 ℃，組分見(jiàn)表1。

表1 CO2流體組分

利用HYSYS軟件模擬含雜質(zhì)CO2流體相態(tài)圖，如圖2所示，可見(jiàn)CO2流體的臨界點(diǎn)壓力和溫度分別為7.72 MPa、28.0 ℃。 在臨界點(diǎn)附近，物性參數(shù)對(duì)于溫度和壓力的變化都非常敏感。 為始終保持密相輸送， 規(guī)定到管道沿線任一點(diǎn)的壓力不應(yīng)低于臨界壓力的1.1倍[17]，故設(shè)定超臨界管道最低運(yùn)行壓力為8.49 MPa。

1.2 超臨界CO2管道輸送特性

為研究地形起伏的影響， 對(duì)上述地形進(jìn)行簡(jiǎn)化， 分別設(shè)置小地形起伏管道沿線最大高程差為200 m、大地形為500 m、平坦地形為0 m，管道起伏如圖3所示。同時(shí)設(shè)置管道跨長(zhǎng)為12.5 km，管道入口溫度為40 ℃，入口壓力為15.3 MPa，管道埋深為1.2 m，管道埋深處土壤溫度為3 ℃，管徑為200 mm。

利用PipePhase建立管道水力學(xué)模型， 超臨界CO2管道輸送沿線壓力變化如圖4所示，溫度變化如圖5所示。

由圖4可知，平坦地形管道的總壓降為451.31 kPa，小起伏地形為458.19 kPa，大起伏地形為466.74 kPa，可見(jiàn)地形起伏程度對(duì)管道總壓降的整體影響較小。但是，不同起伏程度對(duì)管道延程最大壓降有顯著影響。 當(dāng)輸送距離在9250 m時(shí)，小地形起伏管道的最大壓降為2015.80 kPa， 大地形為4490.30 kPa。 圖4中，管道位于上坡段時(shí)壓力減小，下坡段時(shí)壓力增大，這是因?yàn)楣艿涝谏掀露屋斔椭幸徊糠謮毫δ苡糜诳朔匦胃叱滩?，使得管道壓力減小，而管道在下坡段中能量被回收。 由圖5可知，平坦地形管道的總溫降為12.46 ℃，小地形為11.97 ℃，大地形為11.39 ℃，可見(jiàn)地形起伏程度對(duì)管道總溫降的影響較小。但是，當(dāng)輸送距離在9250 m時(shí)大地形起伏管道的最大溫降為15.39 ℃。 圖5中，當(dāng)管道位于上坡段時(shí)溫度降低，下坡段時(shí)溫度升高，原因與壓力變化相同。

總體而言，對(duì)同一超臨界CO2管道輸送，不同起伏程度的地形對(duì)管路總壓降和流體終溫沒(méi)有太大影響，但沿線地形起伏程度越大，輸送過(guò)程中流體壓力和溫度的波動(dòng)幅度也越大。 若CO2始終能以高壓密相存在， 超臨界CO2管道輸送可視為單相流體輸送，其密度、黏度及其他物理性質(zhì)變化較小，主要需要考慮管道起終點(diǎn)的高差和沿程摩擦損失，并保證管道全線壓力高于前述中最低運(yùn)行壓力即可。

2 管道輸送設(shè)計(jì)參數(shù)分析

2.1 入口溫度

分析不同管道入口溫度對(duì)管輸工況的影響，設(shè)定管道地形起終點(diǎn)高差為205 m，入口壓力為15 MPa，如表2所示。

表2 溫度計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表2的參數(shù)設(shè)置， 利用HYSYS計(jì)算不同入口溫度下管道沿線壓力和溫度，如圖6所示。

由圖6可知， 隨入口溫度升高管道出口壓力逐漸降低，導(dǎo)致末站注入所需能耗增加，因?yàn)镃O2密度的變化基本不受相態(tài)的影響， 但隨著入口溫度升高，CO2密度減小，在輸量一定的條件下，密度減小使得管道內(nèi)流速增加， 從而受到的摩擦阻力增加，管道沿線壓降也相應(yīng)增加。 同時(shí)，溫度越高，對(duì)管道防腐等相關(guān)要求也相應(yīng)提高，而增加入口溫度對(duì)出口溫度的提升很小，因此選定管道入口溫度為40 ℃。

2.2 入口壓力和管徑

由于實(shí)際管道長(zhǎng)度未超過(guò)200 km，根據(jù)IGCC項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[18]，從節(jié)省投資及減少?gòu)?fù)雜性出發(fā)，首先不考慮設(shè)置中間泵站，HYSYS計(jì)算所需基本參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 管徑計(jì)算參數(shù)

工程實(shí)際應(yīng)用中管道直徑和壁厚并不是連續(xù)的，需要根據(jù)GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》選擇最小管道尺寸。 管徑計(jì)算應(yīng)選擇實(shí)際工程中已被廣泛使用驗(yàn)證的模型，由McCoy and Rubin管徑公式[19]迭代計(jì)算得出管道內(nèi)徑和壁厚，管徑計(jì)算如式(1)、式(2)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

式中，Di為管道內(nèi)徑，m；Zave為平均流體壓縮系數(shù)；Vm為摩爾體積，L/mol；Tave為平均流體溫度，K；Ff為范寧摩擦系數(shù)；m為設(shè)計(jì)質(zhì)量流量，kg/s；R為氣體常數(shù)，8.3145 J/(mol·K)；L為管道長(zhǎng)度，m；M為相對(duì)分子質(zhì)量；P1為管道入口壓力，Pa；P2為管道出口壓力，Pa；h1為管道入口高度，m；h2為管道出口高度，m；g為重力加速度，m/s2；Pave為管道內(nèi)平均壓力，Pa；e為鋼管表面粗糙度，m；Re為雷諾數(shù)；μ為流體黏度，Pa·s。

由表4可知， 管徑計(jì)算值隨入口壓力增加而減小，壁厚隨入口壓力增加而增加。 管徑及壁厚影響管材單位長(zhǎng)度質(zhì)量，當(dāng)管道內(nèi)徑由257.5 mm減小至255.7 mm時(shí)，壁厚對(duì)管材質(zhì)量的影響大于管道內(nèi)徑的影響，管材單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加。 所以，只從管道建設(shè)成本考慮，入口壓力應(yīng)選擇12～13 MPa，但CO2輸送成本還包括首站以及末站的增壓費(fèi)用等，需要進(jìn)一步核算。

表4 管徑計(jì)算結(jié)果

2.3 入口壓力和泵站

根據(jù)不同入口壓力及其對(duì)應(yīng)管徑，計(jì)算管道壓降、出口壓力、出口溫度、最大流速以及翻越點(diǎn)處壓力，結(jié)果見(jiàn)表5。 由表5可知，由于在147 km存在翻越點(diǎn)，其高程差為552 m，為保證管道全線密相輸送，該點(diǎn)壓力需滿足最低運(yùn)行壓力8.49 MPa， 故在不設(shè)中間泵站的情況下管道入口壓力應(yīng)大于15 MPa。 而當(dāng)CO2管道入口壓力為10～14 MPa時(shí)需要設(shè)置中間泵站，根據(jù)管道水力坡降計(jì)算所需的中間泵站數(shù)以及泵功率，計(jì)算得出管道壓降、管道出口壓力、管道出口溫度以及翻越點(diǎn)處壓力，結(jié)果見(jiàn)表6。 由表6可見(jiàn)，入口壓力為10～11 MPa時(shí)壓降出現(xiàn)負(fù)值，因?yàn)楦叱滩顚?duì)管道輸送壓降的影響比沿線阻力的影響大，下坡段使得壓降減小，甚至出現(xiàn)管道末端壓力比入口壓力還要大的情況。

表5 不同壓力工況計(jì)算結(jié)果

表6 設(shè)置中間泵站不同壓力工況計(jì)算結(jié)果

3 管輸成本的經(jīng)濟(jì)性分析

在一定環(huán)境條件和輸量要求下，CO2管道輸送成本受管輸壓力、 管徑和溫度等多個(gè)因素的影響。其中，管道投資和運(yùn)維費(fèi)用與管道的長(zhǎng)度、直徑和壁厚有關(guān)；增壓設(shè)備投資和能耗費(fèi)用主要與管道的壓降相關(guān)。 考慮起伏地形超臨界CO2管道輸送特性，保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 以輸送成本最低作為目標(biāo)，分析管道的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 經(jīng)濟(jì)性估算模型

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)大規(guī)模CO2輸送管道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)資料缺乏，國(guó)外在工藝設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等方面都進(jìn)行了大量實(shí)踐， 如美國(guó)已建成總長(zhǎng)約7500 km的CO2輸送管道[20]。在參考相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，提出各個(gè)費(fèi)用模型，用以估算相關(guān)費(fèi)用。 具體包括管道建設(shè)費(fèi)用、增壓設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及能耗費(fèi)用等。

3.1.1 管道建設(shè)費(fèi)用

CO2管道建設(shè)費(fèi)用主要包含工程費(fèi)用、 其他費(fèi)用、基本預(yù)備費(fèi)、建設(shè)期利息等，計(jì)算見(jiàn)式(3)。 在美國(guó)，材料占成本的范圍為22.4%～34.3%，考慮中國(guó)要素市場(chǎng)，估計(jì)為40%。

式中，Ipipe為管道總建設(shè)費(fèi)用，元；c0為保溫材料價(jià)格，元/m3；c1為管材價(jià)格， 元/kg；D為管道外徑，m；ρpipe為管材密度。

管道建設(shè)年折合費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)式(4)，按照國(guó)內(nèi)油氣管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，管道工程的計(jì)算期一般可按20年計(jì)算，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為12%。

式中，n為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)年限；i為財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。

3.1.2 增壓設(shè)備費(fèi)用

在不同的估算方式之間，具體的投資費(fèi)用差異很大，主要是由于假定的安裝條件不同所致。 根據(jù)McCollum壓縮機(jī)站建設(shè)的費(fèi)用計(jì)算公式[15,21]，當(dāng)壓縮機(jī)功率超過(guò)40 MW則需要并聯(lián)壓縮機(jī)組，考慮到中美國(guó)家之間機(jī)械設(shè)備價(jià)格的差異，增壓設(shè)備的本地系數(shù)假定為0.7，美元兌人民幣的匯率為7，計(jì)算見(jiàn)式(5)～(8)。

式中，Icomp為壓縮機(jī)投資成本，元；m為質(zhì)量流量，kg/s；Pcomp,out為壓縮機(jī)的出口壓力，MPa；Pcomp,in為壓縮機(jī)的入口壓力，MPa；T為壓縮機(jī)入口溫度，K；Wcomp為壓縮機(jī)的功率，MW；Ntrain為并聯(lián)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)；N為壓縮級(jí)數(shù)；ks為平均比熱比；Zs為平均壓縮系數(shù)；M為CO2的分子量；ηiso為壓縮機(jī)的等熵效率，80%；ηmech為壓縮機(jī)的機(jī)械效率，99%。

國(guó)際能源署溫室氣體研發(fā)計(jì)劃規(guī)定CO2泵的最大功率為2.0 MW，對(duì)于更大的功率，必須并行安裝兩個(gè)泵單元，根據(jù)McCollum泵站建設(shè)的費(fèi)用計(jì)算公式[21]，計(jì)算見(jiàn)式(9)～(10)：

式中，Ipump為泵的投資費(fèi)用，元；Wpump為泵的功率，kW；Ppump,out為泵的出口壓力，MPa；Ppump,in為泵的入口壓力，MPa；ρ為CO2的密度，kg/m3；ηpump為泵站效率，75%。

壓縮機(jī)和泵的年折合費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)式(11)：

3.1.3 維護(hù)費(fèi)用與能耗費(fèi)用

管道和站場(chǎng)建成并投入生產(chǎn)后，每年將投入一定的費(fèi)用以維持其正常運(yùn)行，因此從建設(shè)期后開(kāi)始計(jì)算運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，年度運(yùn)營(yíng)費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)式(12)：式中，OM為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元；c為年運(yùn)行維護(hù)因子，按照CNPC標(biāo)準(zhǔn)取2.5%。

管道系統(tǒng)中的電力消耗來(lái)自CO2壓縮機(jī)和增壓泵，能耗費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)式(13)：

式中，Ipower為每年耗電費(fèi)用，元；Wcomp和Wpump分別為壓縮機(jī)和泵的運(yùn)行功率，kW；COE為大工業(yè)電價(jià)，元/(kW·h)；CF為壓縮機(jī)設(shè)備容量因子；t為設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間，h。

3.1.4 經(jīng)濟(jì)性估算模型

管道輸送成本計(jì)算見(jiàn)式(14)：

式中，ILevelized為單位運(yùn)輸成本，元/t；m為質(zhì)量流量，t/a。

3.2 管輸成本經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

根據(jù)計(jì)算式(1)～(14)，求得不同入口壓力下超臨界CO2管道輸送的相關(guān)投資和成本，見(jiàn)表7、表8。

表7 不同入口壓力增壓設(shè)備投資計(jì)算結(jié)果

根據(jù)CO2管道輸送費(fèi)用估算模型， 計(jì)算不同入口壓力下管輸CO2年化成本， 結(jié)果見(jiàn)表8。 由表8可知，管道建設(shè)費(fèi)用與增壓設(shè)備費(fèi)用相接近，而能耗費(fèi)用占比最大。

表8 不同入口壓力超臨界CO2管輸年化成本計(jì)算結(jié)果

圖7為不同入口壓力下輸送單位CO2的綜合成本。 由圖7可知，入口壓力由10 MPa增至20 MPa，輸送成本先減小后增大， 在11 MPa時(shí)輸送成本最低，為50.93 元/t。 該條件下，翻越點(diǎn)壓力為9.01 MPa，管輸過(guò)程中避開(kāi)了壓縮性突變區(qū)域，始終保持高壓密相運(yùn)行，保障了管道的安全輸送。

4 結(jié)論

（1）模擬不同程度起伏地形下的超臨界CO2管道輸送過(guò)程，全線壓力需保持高于8.49 MPa，發(fā)現(xiàn)地形起伏對(duì)輸送的總壓降和溫降影響不大，但起伏管道沿線壓力和溫度存在較大波動(dòng)。

（2）對(duì)管輸設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，確定管道入口溫度40 ℃為佳，管道入口壓力大于15 MPa時(shí)可不設(shè)置中間泵站。

（3）建立超臨界CO2管輸成本經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型，綜合評(píng)估設(shè)備投資及能耗費(fèi)用等影響，發(fā)現(xiàn)輸送成本隨入口壓力增加先減小再增大，而能耗費(fèi)用是成本最大的組成部分。 當(dāng)管道入口壓力為11 MPa、管徑為DN300 mm、 壁厚為7.1 mm時(shí)， 可以保證超臨界CO2安全輸送，且成本最低，為50.93 元/t。