二氧化碳輸送工藝分析

梁海寧，邵長(zhǎng)彬

1. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司；2. 勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000

一、概述

全球氣候變暖是由于溫室氣體排放到大氣中引起的，而CO2在其中占了非常重要的作用。據(jù)國(guó)際Wirtschaftsforum再生能源（IWR）組織發(fā)布的報(bào)告，2009年全球CO2排放量313×108t，其中中國(guó)CO2排放量為74.3×108t，居世界第一位。同時(shí)，中國(guó)政府鄭重承諾：2020年比2005年單位GDP的CO2排放強(qiáng)度要下降40%~45%。因此CO2的處理和利用方式引起了人們的廣泛關(guān)注。其中，將CO2捕集、運(yùn)輸后注入地下油藏是一種有效的方式。這種方法不僅可以將CO2變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，而且可以開(kāi)發(fā)石油資源，提高原油采收率。

CO2的輸送方式分為管道輸送、輪船輸送以及槽車(chē)輸送3種。這3種輸送方式分別適用于不同的條件和場(chǎng)合。管道輸送適合大容量、長(zhǎng)距離、負(fù)荷穩(wěn)定的定向運(yùn)輸；輪船運(yùn)輸適合大容量、超遠(yuǎn)距離的海上運(yùn)輸；槽車(chē)運(yùn)輸適合中短距離、小容量的運(yùn)輸。而對(duì)于勝利電廠百萬(wàn)噸CO2項(xiàng)目，年最大輸量100×104t，總長(zhǎng)度80km，且定向運(yùn)輸?shù)郊兞翰捎蛷S，因此利用管道輸送較為合適。作為目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的CO2管道輸送項(xiàng)目，相關(guān)安全輸送長(zhǎng)度和最大輸量的研究較少。本文針對(duì)此項(xiàng)工程，利用PIPEPHASE軟件，研究分析了不同的管徑、入口溫度和設(shè)計(jì)壓力對(duì)安全輸送長(zhǎng)度和最大輸量的影響，旨在為今后的設(shè)計(jì)研究工作提供一定的基礎(chǔ)。

二、大規(guī)模管道長(zhǎng)輸CO2技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

CO2管道自上世紀(jì)70年代起，開(kāi)始在氣驅(qū)采油工業(yè)中應(yīng)用。世界上約有6 000km的CO2管道，其總輸量達(dá)到150Mt/a，其中大部分CO2管道位于美國(guó)，其他分部在加拿大、挪威和土耳其。我國(guó)的CO2管道輸送技術(shù)起步較晚，尚無(wú)成熟的長(zhǎng)距離輸送管道，國(guó)內(nèi)已見(jiàn)報(bào)道的僅有大慶油田在薩南東部過(guò)渡帶進(jìn)行的CO2-EOR先導(dǎo)性試驗(yàn)中所建的6.5kmCO2輸送管道，用于將大慶煉油廠加氫車(chē)間的副產(chǎn)品CO2低壓輸送至試驗(yàn)場(chǎng)地。此外，個(gè)別油田利用自身距CO2氣源點(diǎn)較近的優(yōu)勢(shì)，采用氣態(tài)或液態(tài)管道輸送CO2至注入井井場(chǎng)，達(dá)到提高油田采收率的目的，如江蘇油田、吉林油田等。

圖1 不同管徑和地溫下CO2安全輸送距離

圖2 不同管徑和地溫下CO2最大輸量

三、CO2輸送管道計(jì)算與分析

勝利電廠捕集后的CO2含有99.492%的CO2、0.480%的N2、0.027%的SO2和0.001%的H2O，年工作時(shí)間為8 000h，計(jì)算過(guò)程中采用PR狀態(tài)方程進(jìn)行CO2的PVT性質(zhì)計(jì)算。

?1.管徑的影響

管徑對(duì)CO2輸送管道的安全輸送距離和最大輸量起著至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)選擇合理的管徑。影響管徑的因素很多，如流量、單位長(zhǎng)度的壓降、CO2的物性參數(shù)、高程的變化等。

(1)安全輸送距離

勝利勘察設(shè)計(jì)研究院

圖3 不同入口溫度和地溫下CO2安全輸送距離

圖4 不同入口溫度和地溫下CO2最大輸量

固定進(jìn)口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，輸量120×104t/a，年工作時(shí)間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時(shí)，考察兩種典型地溫下不同管徑對(duì)安全輸送長(zhǎng)度的影響。不同管徑和地溫下CO2管道安全輸送距離見(jiàn)圖1所示。

從圖中可以看出，在一定的輸量下，隨著管徑的增大，CO2管道的安全輸送距離逐漸增大，這是因?yàn)楣軓皆酱螅嗤斄肯铝魉僭叫。爻棠ψ枰簿驮叫。酝瑯拥妮斄肯掳踩斔途嚯x越長(zhǎng)。不同管徑的安全輸送長(zhǎng)度差距很大，在管徑為D200mm時(shí)，安全輸送長(zhǎng)度為65km，而在管徑為D350mm時(shí)，安全輸送距離可達(dá)到1 200km。但是，管徑增大會(huì)增加管道的建設(shè)成本，因此，要綜合分析，選擇工藝上可行并且經(jīng)濟(jì)性較好的管徑。此外，同一管徑在不同地溫下的安全輸送長(zhǎng)度差別不大，只是地溫為5℃時(shí)的安全輸送長(zhǎng)度比地溫為25℃時(shí)略有增加。

(2)最大輸量

固定入口溫度20℃，進(jìn)口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管道長(zhǎng)度為80km，考察兩種典型地溫下不同管徑對(duì)最大輸量的影響。

從圖中可以看出，隨著管徑的增大，CO2最大輸量逐漸增大，此外，不同地溫下輸送時(shí)對(duì)相同管徑下最大輸量影響不大，兩條曲線基本重合，地溫為5℃時(shí)的最大輸量比地溫為25℃時(shí)的略有增加。

2.CO2入口溫度的影響

(1)安全輸送距離

固定進(jìn)口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，輸量120×104t/a，年工作時(shí)間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時(shí)，考察兩種典型地溫下不同的入口溫度對(duì)安全輸送長(zhǎng)度的影響。不同入口溫度和地溫下CO2的安全輸送距離如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著CO2入口溫度的升高，安全輸送的距離逐漸減小，并且入口溫度每升高10℃，安全輸送距離減小10km左右。與地溫為25℃相比，地溫為5℃時(shí)的安全輸送距離較大。入口溫度低于40℃時(shí)，同樣的入口溫度下，地溫為5℃的最大安全輸送距離比地溫為25℃增大5km左右；而當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，地溫為5℃的最大安全輸送距離比地溫為25℃增大15km左右。這表明地溫越低安全輸送距離越遠(yuǎn)。綜上所述，低溫入口輸送和較低的地溫均有利于增加安全輸送距離，在長(zhǎng)距離輸送時(shí)可以減少中間加壓站的數(shù)量，但是入口溫度較低時(shí)會(huì)增加冷卻的費(fèi)用，因此要通過(guò)經(jīng)濟(jì)對(duì)比選擇合適的入口溫度輸送。

(2)最大輸量

固定進(jìn)口壓力14.2MPa，出口壓力8.0MPa，管徑D250mm，管道長(zhǎng)度為80km，考察兩種典型地溫下不同入口溫度對(duì)最大輸量的影響（圖4）。

從圖中可以看出，隨著CO2入口溫度的升高，最大輸量逐漸減小。當(dāng)入口溫度低于40℃時(shí)，入口溫度每升高10℃，最大輸量減小4×104t/a左右；當(dāng)入口溫度高于40℃時(shí)，入口溫度每升高10℃時(shí)，最大輸量減小10×104t以上。這表明CO2在低溫輸送時(shí)最大輸量較大，同時(shí)溫度超過(guò)40℃時(shí)，入口溫度的升高引起最大輸量的降低幅度較大，因此在輸送時(shí)入口溫度應(yīng)盡量低于40℃。此外，地溫為5℃時(shí)的最大輸量比地溫為25℃時(shí)的最大輸量要大，這表明地溫較低時(shí)有利于CO2的輸送。綜上所述，較低入口溫度和地溫有利于增加管道最大輸量，這一規(guī)律與安全輸送距離的結(jié)論一致。

3.設(shè)計(jì)壓力的影響

(1)安全輸送距離

固定管徑D250mm，管道入口溫度20℃，出口壓力8.0MPa，輸量為120萬(wàn)t/a，年工作時(shí)間為8 000h，中間不加壓，保證沿程不發(fā)生相變時(shí)，考察兩種典型地溫下不同設(shè)計(jì)壓力對(duì)安全輸送長(zhǎng)度的影響。不同設(shè)計(jì)壓力和地溫下CO2的安全輸送距離見(jiàn)圖5所示。

從圖中可以看出，隨著設(shè)計(jì)壓力的升高，安全輸送的距離逐漸增大，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力高于12MPa時(shí)才能輸送80km以上，這表明壓力的升高有利于增加CO2安全輸送距離，并且每升高1MPa，安全輸送距離增加14km左右。此外，與地溫為25℃相比，地溫為5℃時(shí)的安全輸送距離較大，并且壓力越高時(shí)，不同的地溫影響越明顯。綜上所述，高壓輸送有利于增加安全輸送距離，在長(zhǎng)距離輸送時(shí)可以減少中間加壓站的數(shù)量，延長(zhǎng)安全輸送長(zhǎng)度，但壓力較高時(shí)增加管道投資等費(fèi)用，因此要通過(guò)工藝分析和經(jīng)濟(jì)對(duì)比選擇合適的壓力輸送。

(2)最大輸量

固定管徑D250mm，管道長(zhǎng)度為80km，進(jìn)口溫度為20℃，出口壓力8.0MPa，考察兩典型地溫下不同設(shè)計(jì)壓力對(duì)最大輸量的影響（圖6）。

從圖中可以看出，隨著CO2入口壓力的升高，最大輸量逐漸增大，當(dāng)入口壓力低于11MPa時(shí)，最大輸量低于120萬(wàn)t/a，當(dāng)入口壓力高于11MPa時(shí)，每增加1MPa，最大輸量增加14萬(wàn)t左右，這表明CO2的高壓輸送時(shí)最大輸量較大。此外，不同地溫下輸送時(shí)對(duì)相同壓力下安全輸送長(zhǎng)度影響不大，只是地溫為5℃時(shí)的最大輸量比地溫為25℃時(shí)的略有增加。

四、結(jié)論

由以上分析結(jié)果可知，增大管徑、提高設(shè)計(jì)壓力、減小入口溫度均可以增加安全輸送長(zhǎng)度和最大輸量，這為今后設(shè)計(jì)中溫度、壓力和管徑的選取提供一定的依據(jù)，但是這些都會(huì)增加工程費(fèi)用，因此在設(shè)計(jì)中要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，以確定最優(yōu)輸送方案。

圖5 不同設(shè)計(jì)壓力和地溫下CO2安全輸送距離

圖6 不同設(shè)計(jì)壓力和地溫下CO2最大輸量

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