CO2管道瞬態仿真研究探討

楊立業 陳春

(1.中石化石油工程設計有限公司,北京 102200;2.中國石油大學(北京),北京 102200)

CO2管道瞬態仿真研究探討

楊立業1陳春2

(1.中石化石油工程設計有限公司,北京 102200;2.中國石油大學(北京),北京 102200)

本文根據國內外CO2長輸管道的發展狀況,分析了純CO2和含雜質CO2體系相態特性,并結合瞬態仿真模型總結分析了CO2管道瞬態仿真研究現狀及其涉及的瞬態計算數值方法,對CO2管道瞬態仿真進行了展望:(1)CO2管道輸送技術與油氣管道輸送技術基本類似,由此借鑒尋找CO2管道瞬態仿真技術的研究方向;(2)數值傳熱相關計算方法可用于CO2管道瞬態仿真;(3)在瞬態仿真的基礎上,進行瞬態仿真和優化控制結合,完成管道限壓及限時控制等,也將是CO2管道研究的一個重要方向;(4)希望借鑒國外先進技術、引進成熟工藝設備的同時還應該重視挖掘整合國內資源,產學結合。

CCS 相態分析 CO2管道 瞬態仿真

1 引言

碳捕集與封存(CCS)技術已成為世界公認的未來幾十年內最有潛力、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長距離CO2管道，輸送CO2時，管道內多相流動產生的壓降比單相流動的壓降大，易造成沖蝕，一般要求輸送介質為單相。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，在長輸過程中易因環境溫度和壓降的影響導致相態變化[2-3]。

為了保證CO2管道的安全、高效運行，必須對管輸條件下CO2的物化性質、運動狀態等有全面的認識和了解，科學合理地確定管道設計及運行方案。仿真模擬正是解決上述問題的基礎和關鍵。

2 國內外CO2長輸管道發展現狀

CO2輸送與油氣運輸有一定的相似性，運輸方式包括管道、船舶、鐵路和公路等，最具應用潛力的應為管道運輸。國際上長距離、大規模的CO2輸送技術已發展多年，世界上第一條長距離CO2輸送管道于20世紀70年代初投入運行。CO2長輸管道早已被美國、加拿大、土耳其和特立尼達等國家用于CO2-EOR，而95%以上的CO2-EOR項目在美國，1998美國利用CO2提高采收率技術平均每天已能產出196，000桶石油，隨著國外CO2-EOR技術的推廣應用，配套的CO2管道持續增長。目前我國還沒有CO2長輸管道運行投產。

3 CO2相態分析

3.1 純CO2相態特性

研究CO2的相態特性首先從了解純CO2的相態特性開始，圖1給出了整個壓力溫度范圍內純CO2體系的相態區域。

圖1 二氧化碳相圖

CO2管網中存在的雜質如N2、O2、Ar、H2O、SOx、H2S等將影響其相態特性，混合物的組分決定了管輸介質的臨界條件，介質的臨界壓力和溫度會影響管道的運行條件。喻西崇等[4]通過實驗對含雜質CO2體系相態特性分析研究得出：雜質含量越高，體系的泡點壓力和露點壓力越高；雜質含量是泡點壓力受影響的主要部分，露點壓力僅與雜質含量有關，而與雜質種類無關。管道運行壓力和溫度的波動也會影響CO2的相態特性。

3.2 CO2相態計算模型

單向流中不存在相態的轉換，立方型狀態方程涉及參數少、形式簡單、計算精度較高，常被用于實際流體的相態計算。目前油氣及CO2行業常用的實際狀態方程有BWRS、PR、SRK和RK方程。

建立兩相流體之間的相態轉化計算模型[5]的目的：(1)保證CO2管道安全可靠運行；(2)預測管道運行過程中產生的壓降；(3)建立合適的相態轉換模型。

3.2.1 簡單模型(如圖2所示)

模型中每種相態都有對應的壓力P、溫度T、化學勢μ、速度v。假設氣、液態流體有一致的v、P和T，化學勢分別為液體為μ1(P，T)，氣體為μg(P，T)。

模型的建立：

(1)兩相流方程主要為質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。

(2)相態轉換模型。舒張化學勢m=km(μl-μg)，當化學勢相等時沒有相態轉化，當km趨于無窮時將使流體趨于氣液相平衡。0＜km＜∞，蒸發時當μl＞μg，km=k0ml，若液體完全蒸發成氣體是km=0，壓縮氣體冷凝時，μl＜μg，km=k0mg，且氣體完全冷凝成液體時，km=0。

3.2.2 數理統計理論模型(SRT)

統計力學給出了單分子事件性質

圖2

圖3

4 二氧化碳管道動態仿真

4.1 非穩定工況

當CO2長輸管道運行條件發生變化時，流體會從原有的穩態過渡到一個新的穩態，過渡過程就是非穩態過程。管道運行的非穩態工況，可以分為正常和異常工況。正常工況包括了管道啟輸、壓縮機組切換、啟停壓縮機組、越站二氧化碳、分輸用戶的氣量調整和氣源進氣量的調整等。異常工況包括了管道泄漏(爆管)、管道堵塞(冰堵)、運行機組故障停運、干線截斷閥意外關斷、站場故障停運和通訊中斷等。通過動態仿真，可以分析管道運行參數的變化規律，制定相應的控制策略，從而有效保證管線的安全穩定運行。

Stefan Liljemark等[6]建立了兩個模型對CO2管道進行了動態仿真，一個描述了管道流量和壓力的變化；另一個模擬管道內瞬時冷卻和非穩定工況下壓力波形成及傳播過程中的情況。得出如下結論：(1)管道冷卻會減緩兩相流的形成速度。(2)快速關閥和流量變化引起管道內出現兩相流，這種情況在垂直管道(注入管道)中是嚴格限制出現的；快速關閥引起的壓力波動最大幅度可達到3bar。(3)完成二氧化碳管道的啟動總共花了12天時間，其中有6天時間二氧化碳流處在兩相區。(4)壓縮機跳車時水平管道沒有發生相態變化。

4.2 瞬態仿真模型

4.2.1 模型I[7]

此為密相CO2管道瞬態仿真。

管輸介質：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31.2km。管段1和管段2長度均為15km，管段3長度為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同時也是止回閥。壓縮機的出口溫度是40℃，為了保持介質在水平管道(1、2)壓力在85bar以上，閥3的開度在整個仿真過程中受到動態控制。如圖4所示。

流量和壓力的動態變化由Krus和Gunnarsson提出的TLM模型中提出的方程式及移動壓力波相關等式建立模型求解。模擬的不穩定工況包括：

圖4 CO2模擬管道布局圖

(1)管道冷卻：CO2補集廠停產時管流壓力下降，管道溫度逐漸下降到埋深環境溫度6℃，在此過程中密度保持不變；40h后形成了氣態CO2，首次出現相態變化是50min之后在管道入口處，之后CO2的泡點壓力提高到了40bar。該瞬態仿真結果表明一旦停止注入CO2，管內將出現兩相流，除非保證管道內壓力一直保持在臨界壓力以上。

(2)壓縮機跳車：當壓縮機停運8s后將閥1關閉，緊接著在700s時關閉閥4。在整個仿真過程中(歷時1500s)水平管內混合流體始終保持液體狀態，但在閥3之后壓力降到了66bar，垂直管段明顯出現了兩相流。

(3)負載變化：管道內質量流量以4%/min的速度線性變化，數值變化范圍在100kg/s的90%、15%、105%和50%以內。通過閥3時，為了保證水平管道內壓力在臨界壓力以上，管流壓力應急劇下降(從85bar下降到了66bar)，因此在垂直管道內將出現兩相流。

(4)快速關閥：在60s內緩慢關小所有閥的開度，同時讓壓縮機停運。在每一個單獨管段內出現壓力波，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到3bar(±1.5bar)。在垂直管段質量流速從80kg/s降至10kg/s，水平管段流速低于0.1kg/s，管道內最低壓力(65bar)出現在閥3的出口處，該壓力比臨界壓力低15bar故該區域很可能出現兩相流。

(5)啟動：啟動狀態10bar，6℃，逐漸過度到操作狀態110bar，40℃，整個過程進行了12天。4.5天之后管流進入兩相區，9天之后結束全部進入密相狀態。壓縮機啟動后，上下游的流量增大，入站壓力下降，出站壓力上升，最后達到穩定狀態。

4.2.2 模型II[7]

該模型用于二氧化碳管道泄漏時的瞬態分析。

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

模型簡介：

(1)2-相CO2從管道中泄漏出來，包括破裂管道內的CO2流體的瞬變情況。

(2)從管道內噴射出來沖擊射流。

(3)釋放出的混合氣體的相變及固態CO2的升華。

(4)CO2在環境中的擴散。

(5)人類對于二氧化碳溶度的適應度。

模擬結果顯示：管道泄漏點上游流量上升，下游流量下降；泄漏點上下游壓力均下降較快；如果泄漏量較大或者出現管道爆管情況時將嚴重影響上下游壓縮機站的運行，最后導致全線停運。該模型最后得到的結論有待現場實驗證明，只能作為判斷管道泄漏點等的理論參考依據。

4.2.3 模型III[8]

Maciej Chaczykowski等根據連續性方程，動量方程和能量方程的基本式建立了管道和壓縮機模型。模擬不穩定工況包括：

二氧化碳管道干線截斷閥意外關斷：在60s內流量由70kg/s下降至0，入口壓力保持9.5MPa；20min后打開截斷閥，讓管道運行狀態在60s內實現滿流；當截斷閥意外關斷后，關斷點上下游的流量下降都比較快，上游壓力上升，下游壓力下降。而上游壓縮機的運行、下游用戶的分輸量以及全線的CO2流速都會受到影響，進而導致全線停運。當因工況突變使得截斷閥關斷后，應立刻采取應急措施：首先快速打開旁通閥室平壓，然后再打開主閥。閥門由于故障不能重新打開時，應該調節運行工況，逐漸關停上下游的壓縮機，最后停運全線，直至事故處理完畢。CO2碳管道發生嚴重堵塞以及站場意外停運時的結果與之類似。

4.3 CO2管道瞬態模擬計算方法

瞬變過程分為慢瞬變過程和快瞬變過程，據其不同特點常采用不同的算法，現在CO2管道仿真軟件采用的數學方法基本都是數值解法中的隱式中心差分法和特征線法。

隱式中心差分法：不受穩定條件的限制，時間步長對慢瞬變計算精度影響較小，為了減少計算時間，可以增加時間步長；其不適用于復雜的大型管網。特征線法：可以對各種邊界條件進行顯式處理，易于求解；但時間步長和管段步長要滿足穩定條件。增大時間步長，可以減少計算量，而時間步長對慢瞬變計算精度影響較小，所以常采用隱式差分法求解慢瞬變過程；快瞬變中流動狀態參數隨時間的變化較大，要求較短的時間步長以保證計算精度，常采用顯式特征差分法求解快瞬變過程[9]。

5 總結及展望

CO2管道輸送技術與油氣管道輸送技術相似，瞬態模擬方法和模型均可借鑒。文中所述瞬態仿真模型基本涉及CO2管道運行過程中的非穩態工況，我國CO2管道事業需要做的工作還很多，結合國內外CO2管道事業及油氣管道的瞬態計算數值方法發展情況提出以下幾點展望：

(1)目前國內輸氣管道瞬變仿真從等溫模型、絕熱模型逐漸發展為穩態傳熱模型和非穩態傳熱模型，瞬態仿真的重點當屬熱力計算，瞬態仿真理論發展方向是考慮真實氣體效應和非穩態傳熱的非等溫流動模型；CO2管道輸送技術與之類似，可由此借鑒尋找CO2管道瞬態仿真技術的研究方向。

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

(3)進行瞬態仿真和優化控制結合，完成管道限壓力控制、限時間控制等對管道運行的安全性、可靠性、平穩性、經濟性提供參考，也是CO2管道研究的一個重要方向。

(4)在我國油氣管道發展歷程中關于管道瞬態仿真技術發展已相對成熟，故在學習國外先進技術引進成熟工藝設備的同時還應該重視挖掘整合國內資源，產學結合。

[1]朱發根,陳磊.我國CCS發展的現狀、前景及障礙[J].能源技術經濟,2011(01),Vol.23(1):46-49.

[2]董華松,黃文輝.CO2捕捉與地質封存及泄漏檢測技術現狀與進展[J].資源與產業,2010(04),Vol.12(2):124-128.

[3]杜磊,湛哲等.大規模管道長輸CO2技術發展現狀[J].油氣儲運,2010,Vol.29(2):86-92.

[4]喻西崇,李玉星等.含雜質CO2體系相態特性及CO2低溫液態儲存蒸發特性實驗研究.中國海上油氣,2009,Vol.21(3):196-199.

[5]Halvor Lund and Peder Kristian Aursand. Two-Phase Flow of CO2with Phase Transfer. Department of Energy and Process Engineering, NTNU 2011-06-16.

[6]Stefan Liljemark,Kenneth Arvidsson.Dynamic simulation of a carbon dioxide transfer pipeline for analysis of normal operation and failure modes.Energy Procedia,2011,Vol.4:3040-3047.

[7]Menso Molag,Corina Dam.Modelling of accidental releases from a high pressure CO2 pipeline.Energy Procedia,2011,Vol.4:2301-2307.

[8]Maciej Chaczykowski, Andrzej J. Osiadacz. Dynamic simulation of pipelines containing dense phase/supercritical CO2-rich mixtures for carbon capture and storage. International Journal of Greenhouse Gas Control,2012,Vol.9:446-456.

[9]WangHai ,Liu Xiaojing , Zhou Weiguo. Transient flow simulation of municipal gas pipelines and networks using semi implicit finite volume method.Engineering Procedia,2011,Vol.12:217-223.