管道輸送含雜質CO2 的影響因素分析

李凱旋，劉 斌，尚文博，滕 霖

（1. 石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2. 中國石油安徽阜陽銷售分公司，安徽 阜陽236000；3. 福州大學 石油化工學院，福建 福州 350108）

目前，我國已成為第一大CO2排放國[1]。一次能源低碳或零碳化前，化石燃料還將繼續為經濟發展提供原始能量來源[2]。隨著《巴黎協定》的簽署，我國面臨較大碳減排壓力[3]。CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術是我國實現雙碳目標的重要過渡方案，是實施碳減排最有效、最可行的方法之一[4-5]。CO2捕集地與利用或封存地相距一般較遠，管道輸送以其輸送量大、距離長、成本低成為CO2輸送最經濟的途徑[6-8]。眾多工業過程中都可捕集CO2，產生的CO2流可能包含多種雜質[9]。管道輸送CO2流的雜質組分及含量對相平衡及物性參數的影響顯著。雜質含量較高時，飽和壓力增加，密相運輸時容易因壓降或節流等原因進入兩相區，影響輸送效率與安全。

LIU等[10-11]研究了高壓管道的CO2排放、CO2在復雜地形上的擴散以及影響減壓特性的因素，并成功預測了初始變化后的穩定濃度平臺。滕霖等[12-13]進行了超臨界CO2管道泄漏擴散特性及定量風險評估研究，得到了超臨界CO2管道泄漏擴散規律，形成了一套適用的定量風險評估方法。呂家興等[14]進行了起伏地區超臨界CO2管道輸送特性及工藝參數經濟性研究，發現地形起伏對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。CO2長輸管道有多種不同的輸送工況，最為常見的是超臨界輸送，適用于大輸量的長輸管道，對工況的適應性強。但超臨界CO2的壓力較高，對管道壓力等級要求高，且超臨界CO2密度隨壓力變化產生急劇的變化，因此要求管道沿線人口密集度較低。氣相輸送安全性較好，但運輸成本較高。液相輸送適用于小輸量、短距離的集輸管道，其介質來源屬于液相且運行壓力較低[15]，CO2管道輸送研究中，液相工況相對較少。

本文研究地形起伏條件下不同雜質對液相CO2管道輸送的影響。利用Peng-Robinson狀態方程預測含CO2流的熱力學性質；基于一維管流控制方程，建立含雜質CO2管道輸送模型，在此基礎上分析不同雜質、管道傾角和含雜比例下的管道輸送規律。

1 管道輸送模型的建立

1.1 水力模型

管道運行過程中，管內流體性質沿徑向和周向變化遠小于軸向，因此管輸模型可簡化為沿管道一維模型，提高計算速率。一維管流質量方程、動量方程和能量方程如下：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為流速，m/s；x為距離，m；p為壓力，Pa；Cv為定容比熱容，J/(kg·K)；g為重力加速度，m/s2；θ為管道傾角，°；f為摩擦系數；D為管道內徑，m；k為總傳熱系數，W/(m2·K)；T為流體溫度，K；Ta為壁溫，K。

流體與管壁之間的摩阻計算采用考慮了摩擦效應和勢能變化的Darcy-Weisbach公式。

Colebrook-White達西摩擦系數計算公式綜合了光滑湍流區雷諾數和粗糙湍流區內部粗糙度兩方面的影響，目前使用較為廣泛[16]。

式中，K為等效砂粒粗糙度；Re為流動雷諾數。

1.2 傳熱計算方程

在輸送過程中，管輸流體和周圍土壤會產生熱交換，總傳熱系數k反映了CO2與周圍土壤之間的傳熱強弱。忽略土地的熱量積累，采用穩態導熱計算，得到地面與管道中流體的等效傳熱系數[17]。

式中，D1為管道內徑，m；D2為管道外徑，m；λg為管壁傳熱系數，W/(m2·K)；Db為加保溫層后的外徑，m；λb為保溫層傳熱系數，W/(m2·K)；z為管道埋地深度，m；λs為土壤傳熱系數，W/(m2·K)；α為流體側對流傳熱系數，W/(m2·K)。

1.3 物性方程

雜質會改變CO2流的熱力性質，而準確預測CO2流的熱力性質具有重要意義。溫度和壓力變化范圍較大時，采用GERG-2008 非立方狀態方程計算熱容和焦湯系數具有較大優勢[18]。但計算時涉及多次迭代，且可能出現無效點，導致計算時間較長。Peng-Robinson（PR）三次方狀態方程精確性高、適用范圍廣，能有效應用于多種條件下單相、多相系統以及氣液平衡計算[19]。使用PR狀態方程可以較準確地預測液體性質，計算速度較快。本文采用PR狀態方程描述管輸含雜質CO2的物性，具體形式如下：

式中，p0為絕對壓力，Pa；R為氣體常數，8.314 J/(mol·K)；V為摩爾體積，L/mol；a和b分別為考慮了分子間引力和分子體積的經驗參數，Z為氣體壓縮因子。

式中，pc為臨界壓力，Pa；Tc為臨界溫度，K；xi為組分i的物質量分數；ω為偏心因子；kij為二元交互系數，表示與理想混合物發生的偏差，組分i和j之間的二進制相互作用參數。

1.4 管線概況

本文管線背景為我國首個百萬噸級CCUS項目——齊魯石化正理莊油田CCUS項目。該管線把齊魯石化捕集的CO2流輸送至勝利油田注入地層封存并驅油。采油廠接收低純度CO2后，進行液化提純，然后增壓分配至井口，用于EOR驅油，每年可減排CO250 × 104t。利用GIS地理信息系統采集輸送過程的運行參數，得到沿線高程變化信息如圖1所示，管線長度70 km，管徑規格為DN400[15]，該項目已完成初步設計。

圖1 管道海拔Fig. 1 Pipeline altitude

1.5 輸送條件

在一定的CO2流中雜質性質分布始終處于含H2S和H2的二元混合物之間[9]，且H2S為極性，H2為非極性。因此，為使雜質更具代表性，選取H2S、H2，以及性質分布在這兩種混合物之間的CH4作為雜質，雜質最大質量分數為5%。依據該項目輸送條件，利用Aspen HYSYS模擬軟件，將物性組成設置為CO2、H2、CH4和H2S。以CO2為主要物料，分別添加H2、CH4和H2S，預測其物性變化。

輸送部分以GIS軟件測得的高程作為參考，建立了70 km的管道模型，讀取管道前后物性以及壓力的變化。輸送過程保持CO2流組分恒定，進口壓力6.00 MPa，溫度為253.1 K，初始工作狀態為液態。

2 結果分析與討論

2.1 含雜質CO2 物性分析

圖2(a)為含H2的CO2流相態，曲線的上半部分為露點線，下半部分為泡點線，相圖被露點線和泡點線分成氣相區、氣液兩相區和液相區，可以清楚地反映出CO2流含H2時的相包絡線變化，CO2流中的H2含量使露點線延伸向無窮遠處。由圖2(a)可知，純CO2的臨界壓力、溫度分別為7.38 MPa、304.2 K，H2含量1%（質量分數，下同）時CO2流臨界參數為7.70 MPa、303.9 K，3%時為8.41 MPa、303.5 K，5%時為9.15 MPa、303.2 K。可見，CO2流混入H2后臨界壓力會增加，臨界溫度會降低，且隨著H2含量增加，變化會更加明顯。圖2(b)為含CH4的CO2流相態。由圖2(b)可知，混入CH4會導致氣泡線顯著移動，即使在較低的含量下，CH4的存在也會改變CO2的相包絡線。CH4含量1%時CO2流臨界參數為7.43 MPa、303.4 K，3%時為7.54 MPa、301.9 K，5%時為8.08 MPa、294.2 K。可見，CO2流混入CH4后臨界壓力會增加，臨界溫度會降低，且隨著CH4含量增加，變化會更加明顯。圖2(c)為含H2S的CO2流相態。由圖2(c)可知，其對CO2流的相圖影響較小。

圖2 含H2 (a)、CH4 (b)和H2S (c)的CO2 流相態Fig. 2 Phase diagrams of CO2 flow with H2 (a),CH4 (b) and H2S (c)

圖3為不同雜質對CO2流密度的影響，其中雜質的質量分數均為5%。由圖3(a)可知，CO2流密度隨溫度增加而減少；溫度相同時，純CO2流密度最大，雜質為H2S時與純CO2密度較為接近，且隨溫度升高進一步趨近。由圖3(b)可知，CO2流密度隨壓力增加而增加；雜質為H2時CO2流密度最小，且11.70 MPa時氣相才完全消失，故在11.70 MPa前的密度隨壓力增加急劇上升。

圖3 不同雜質對CO2 流密度的影響Fig. 3 Effects of different impurities on CO2 flow density

圖4為不同雜質對CO2流比熱容的影響。由圖4(a)可知，CO2流熱容隨溫度升高而增大。溫度較低時，各熱容增加緩慢且較為相近，隨著溫度的升高，熱容增加的速率不斷增加。其中雜質為CH4時CO2流熱容較大且增加速率較大；雜質為H2S時熱容增加速率較小且與純CO2接近。由圖4(b)可知，熱容隨壓力升高不斷減小。雜質為H2時，初始階段熱容變化速率慢，氣相消失后速率變快。

圖4 不同雜質對CO2 流比熱容的影響Fig. 4 Effects of different impurities on CO2 flow specific heat capacity

圖5為不同雜質對CO2流粘度的影響。由圖5(a)可知，粘度隨溫度升高而減小。由圖5(b)可知，雜質為H2時CO2流初始粘度大于雜質為CH4時，11.70 MPa前粘度隨壓力增加不斷下降，穩定之后粘度相對最小，其他CO2流粘度隨壓力升高而增加。

圖5 不同雜質對CO2 流粘度的影響Fig. 5 Effects of different impurities on CO2 flow viscosity

2.2 含雜質CO2 流管道運輸的影響因素分析

2.2.1 不同雜質對CO2流輸送過程的影響

隨著輸送距離的增加，CO2流的壓力減小，溫度升高。由圖6 可知，隨著CH4含量的增加，CO2流的壓降梯度增大，溫升減小。由圖7 可知，H2含量增加也會使CO2流的壓降梯度增大，溫升減小。由圖8 可知，H2S對CO2流管輸性質影響較小；H2對CO2流的影響較為明顯，純CO2在70 km處的壓降為0.073 MPa，H2雜質含量1%時CO2流在75 km處的壓降為0.074 MPa，3%時壓降為0.107 MPa，5%時壓降為0.134 MPa，5%時比純CO2在75 km處的壓降增加了83%。

圖6 雜質CH4 對CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 6 Effect of impurity CH4 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

圖7 雜質H2 對CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 7 Effect of impurity H2 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

圖8 雜質H2S對CO2 流壓力(a)和溫度(b)的影響Fig. 8 Effect of impurity H2S on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

2.2.2 管道傾角對CO2流輸送過程的影響

圖9為管道輸送時傾角與壓降的關系，圖中高度差大于0 代表管道上傾，高度差小于0 代表管道下傾，高度差的絕對值越大，管道的傾角就越大。由圖9 可知，壓降與傾角之間的關系為直線，管道上傾時壓降隨管道傾角的減小而減小，管道下傾時壓降的絕對值隨傾角的增大而增大。管道無傾角時，由于摩擦損失，管內壓降值大于0。

圖9 傾角對壓力梯度的影響Fig. 9 Effect of inclination on pressure gradient

圖10為起伏地形下不同雜質對CO2流壓降的影響，其中圖10(a)管道前后高差為-220 m，圖10(b)管道前后高差為220 m，雜質質量分數均為5%。可見，無論上坡或下坡，H2和CH4的存在都會減小CO2流輸送過程的壓降，而含H2S幾乎不會影響CO2流的輸送。圖10(a)中，上升管道末端，純CO2流壓降為2.930 MPa，雜質為CH4時壓降為2.753 MPa，雜質為H2S時壓降為2.919 MPa，雜質為H2時壓降為2.531 MPa，雜質為H2時CO2流壓降與純CO2時相差13%。圖10(b)中，下降管道末端，純CO2流壓降為-2.769 MPa，雜質為CH4時壓降為-2.588 MPa，雜質為H2S時壓降為-2.755 MPa，雜質為H2時壓降為-1.678 MPa，雜質為H2時CO2流壓降與純CO2時相差39%。

圖10 管道上傾(a)和下傾(b)時不同雜質對CO2 流壓降的影響Fig. 10 Effect of different impurities on CO2 flow pressure drop in upward (a) and downward (b) inclined pipeline

圖11為起伏地形下不同雜質對CO2流溫度的影響，其中圖11(a)管道前后高差為-220 m，圖11(b)管道前后高差為220 m，雜質含量均為5%。可見，無論上坡或下坡，H2和CH4的存在都會減小CO2流輸送過程的溫升，而含H2S幾乎不會影響CO2流的溫度。圖11(a)中，雜質為CH4、H2S時CO2流溫度均升高，雜質為H2時CO2流溫度在30 km前先升高，后平穩，最后開始下降，這是由于CO2流在此狀態下產生氣相，使其溫度略微降低。

圖11 管道上傾(a)和下傾(b)時不同雜質對CO2 流溫度的影響Fig. 11 Effect of different impurities on CO2 flow temperature in upward (a) and downward (b) inclined pipeline

3 結論

以齊魯石化正理莊油田管道為背景，對管道輸送含雜質CO2的影響因素進行了分析，主要結論如下。

（1）雜質H2會顯著影響管輸CO2流的性質和相包絡線，表現為泡點線趨于無窮，密度減小，比熱增加，粘度減小，該趨勢隨H2含量增加更為明顯。含H2的CO2流易產生氣相，實際工況中需要將含H2的CO2流嚴格保持在臨界點以上。

（2）雜質CH4使管輸CO2流的臨界壓力增加，臨界溫度減少，密度減小，比熱增加，粘度減小，該趨勢隨CH4含量增加更為顯著。含H2S對CO2流的相態影響較小。

（3）地形起伏會影響管道液體輸送，管道上傾時壓降隨管道傾角的減小而減小，下傾時壓降的絕對值隨傾角的增大而增大。