CO2輸送管道工程設計標準的探討

黃 輝 周 晶 粟科華

中國石化石油勘探開發研究院

我國碳排放總量目前已位居世界首位。作為最主要的一種溫室氣體，對CO2大規模利用（如驅油［1－2］、驅氣［3－4］、壓裂［5］等）和儲存的需求催生了全球特別是歐美地區 CO2輸送管道的發展［6－8］，而國內 CO2輸送管道的建設尚處于起步階段。

目前，我國尚未制訂針對CO2輸送管道的建設設計標準。已建或在建CO2輸送管道工程大多參考油氣領域相關標準，但由于CO2獨特的物理化學性質，CO2輸送管道與天然氣管道存在較大差別。因此，亟待制訂CO2輸送管道工程設計標準。

1 國內外CO2輸送管道現狀

1.1 國外CO2輸送管道工程現狀

國外CO2輸送管道工程建設始于20世紀60年代，早期建設的管道主要用于將CO2輸往油田進行驅油以提高原油采收率，后期則隨著對溫室氣體排放的重視，部分管道被用于向地下封存其他裝置產生的CO2以減少碳排放。

目前，國外CO2輸送管道主要分布在美國。據不完全統計，美國CO2輸送管道長度在2008年就已經超過了5 800km，年輸送量5 000×104t，大部分采用超臨界相輸送，以滿足長距離大輸送量要求。其中，Cortez管道是目前最長的CO2管道，全長808km，管徑為762mm，壓力為13.8MPa，年輸氣量為1 930×104t。挪威Snohvit管道則是世界首條海底CO2管道，150km管道位于330m深的海底，輸氣壓力為20 MPa，年輸氣量為70×104t。用于將岸上LNG液化廠生產的CO2返注回油田。國外主要CO2輸送管道統計情況見表1。

1.2 國內CO2輸送管道工程現狀

與國外相比，我國的CO2管道輸送技術起步較晚、規模小，尚無成熟的長距離輸送管道。個別油田利用自身距CO2氣源點較近的優勢，采用氣態或液態將CO2輸送至注入井的井場，達到提高油田采收率的目的。如大慶、勝利、吉林等油田先后開展了CO2驅油的工程建設項目。

國內CO2輸送管道特點：①主要分布在油田周邊，用于CO2驅油，提高采收率；②輸送距離短、輸量??；③輸送工藝以氣相輸送為主。國內CO2輸送管道相關數據見表2。

表1 國外主要長距離 CO2 輸送管道統計結果表［6－7，9－10］

表2 國內主要CO2輸送管道統計表

2 國內外CO2管道相關標準

2.1 國外CO2管道相關標準

目前國際上沒有統一的CO2輸送管道行業標準。國外涉及CO2的管道標準共有4部，其中美國、歐洲、加拿大在現有標準修訂時增加了有關CO2的技術規定，挪威船級社編制了《CO2管道的設計與操作》DNV－RP－J202，對CO2管道的設計和操作提出了一些基本的建議和要求，但均不涉及工藝計算、安全距離等內容。國外CO2管道相關標準見表3。

表3 國外CO2管道相關標準統計表［11－12］

2.2 國內CO2管道相關標準

國內尚無涉及CO2管道輸送的相關設計標準；已建CO2輸送管道工程大多參考GB 50350《油氣集輸設計規范》和GB 50251《輸氣管道工程設計規范》等標準，但現有標準基于易燃易爆氣體，在防火間距、安全等級上要求較高，而且未考慮CO2物性對輸送工藝、管線材質、防腐工藝等方面的影響。國內CO2管道相關標準見表4。

表4 國內CO2管道相關標準統計表

3 標準編制的原則和技術路線

3.1 編制原則

CO2輸送管道工程設計標準的編制，應貫徹國家的有關法規和方針政策，統一技術要求，做到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。根據我國CO2輸送管道發展現狀，標準的適用范圍為陸上CO2輸送管道工程設計。在標準編制時，應遵循保護環境、及時吸收采用國內外先進技術、盡量優化設計方案的原則。

標準內容應充分考慮CO2與天然氣的物理化學性質差異，以物性差異帶來的管道設計不同為重點，通過規范計算方法、警示危險因素、明確安全措施等手段，來對CO2輸送管道設計建設過程進行指導，以達到降低建設投資，增加建設運行過程的安全性，促進我國CO2輸送管道發展的目的。

3.2 技術路線

首先應對國內外工程現狀和相關標準進行研究，認識掌握CO2輸送管道的特點和現有標準的不足之處；然后針對調研中發現的問題進行分析，確定哪些問題需要重點研究，哪些問題可以直接采用國內外現有標準；對于需要重點研究的問題，通過組織技術力量進行攻關，或吸收利用國內外科研單位的相關研究成果的方式加以解決。在此基礎上，編寫征求意見稿。經過與科研、設計、建設、運行單位結合討論修改后，最終形成CO2輸送管道工程設計標準。

4 標準需探討的問題

1）標準涵蓋的相態范圍。CO2的管道輸送存在氣相、液相、超臨界3種輸送相態，在標準編制前需要首先研究相態與輸送量、管長的關系，明確是針對3種相態單獨制訂標準，還是結合多種輸送相態編制統一標準。

2）CO2的純度標準。與天然氣類似，采用管道輸送時需要對CO2的純度以及CO2中雜質的種類、含量等進行規定，只有當氣體組成滿足輸送工藝要求，不發生相變和堵塞，不含有危害管道和設備正常運行的雜質時才能允許通過管道輸送。

3）確定工藝計算方法。與常規油氣管道不同，CO2存在多種輸送相態，不同相態間的密度、黏度、比熱等物性相差極大，在特定條件下相態間能互相轉化［13］。因此，需要明確現有的氣液狀態方程和水力學方程是否適用于對應相態下的CO2計算，并與其他計算方法對比計算精度和計算難易程度，優選出不同相態下的CO2狀態方程和水力學計算方法，從而對CO2輸送管道的設計進行指導和規范。

4）研究CO2輸送管道正常運行工況下的流動保障手段。不論采用何種相態輸送，CO2對組分變化和溫壓條件變化均比較敏感。因此，在標準中需要給出相應的保障措施，比如增加溫度、壓力、組分傳感器布置密度等。

5）CO2特有的危險因素。對在天然氣管道輸送中不會出現，但CO2管道輸送時則可能發生的危險因素進行警示。如超臨界CO2會溶脹橡膠和塑料導致密封失效，氣相CO2放空時可能會形成干冰堵塞管閥件等。

6）CO2輸送管道的經濟性問題。CO2不具有可燃性和爆炸性，僅具有窒息性，比天然氣相對安全。但國內CO2管道設計時大多參照天然氣管道的安全距離，如某油田CO2輸送管道兩側的設計安全距離即沿用了30m的天然氣管道標準要求。對于這一問題，標準應在國內外相關研究的基礎上，通過數值模擬和室內、現場試驗等多種形式，確定適用于CO2輸送管道的安全距離，并在標準中體現。

7）CO2輸送管道的安全性問題。CO2無色、無味，其主要威脅是造成人員窒息、中毒。因此在CO2管道設計中應采取一些安全措施，如在管道沿線及站場設置CO2氣體泄漏檢測和報警系統，在管道中加入適量安全臭味劑等方法加以預防。

5 結論及建議

1）根據我國CO2輸送管道工程設計及應用情況，建議以國外標準中CO2有關內容為基礎，利用國內外CO2輸送領域的研究成果，參照國內的油氣管道標準模式，編制CO2輸送管道設計標準。

2）通過分析研究，建議目前編制的CO2管道標準適用于陸上CO2輸送管道工程設計，適用氣相、液相兩種輸送相態。隨著超臨界相在國內的建設與其技術的發展，再將其內容補充進標準中。

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