超臨界-密相CO2 管道輸送工藝仿真及優(yōu)化

王超，趙建幫

（1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116006）

1 引言

因溫室氣體排放造成的全球氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，控制溫室氣體排放已成為各國(guó)爭(zhēng)相實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。2020 年9 月，我國(guó)提出二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，并努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。雖然可以通過(guò)大力發(fā)展清潔能源技術(shù)、提高自然生態(tài)系統(tǒng)固碳能力等措施實(shí)現(xiàn)，但未來(lái)幾十年化石能源仍將是人類(lèi)最主要的能量來(lái)源，而二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）是化石能源實(shí)現(xiàn)低碳化利用應(yīng)對(duì)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的唯一技術(shù)選擇[1]。

二氧化碳（CO2）輸送是CCUS 的中間關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體是指將捕集的CO2輸送到可利用或封存場(chǎng)地的過(guò)程。根據(jù)運(yùn)輸方式的不同，可分為罐車(chē)運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸。但無(wú)論是在陸地上還是在海上，CO2的超臨界相/ 密相管道輸送都是長(zhǎng)距離規(guī)模化運(yùn)輸CO2的有效且安全的方法。

2 超臨界-密相CO2 管道輸送工藝簡(jiǎn)介

CO2的相態(tài)圖如圖1 所示。CO2的超臨界相是指其溫度和壓力均大于臨界壓力和溫度的狀態(tài)，具有低黏度、高密度以及常見(jiàn)雜質(zhì)對(duì)其影響小的特點(diǎn)，而CO2的密相是指其壓力高于臨界壓力而溫度低于臨界溫度的狀態(tài)。在許多工程中，超臨界CO2管道后段隨著溫度的降低會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟噍斔蚚2]。對(duì)于大輸量、長(zhǎng)距離、途經(jīng)人煙稀少區(qū)域的CO2管道，優(yōu)先采用超臨界或者密相輸送[3]。但為了確保CO2管道的輸送安全和低運(yùn)行成本，需要控制管輸介質(zhì)在輸送過(guò)程中維持穩(wěn)定的相態(tài)，避免出現(xiàn)氣液兩相流。當(dāng)采用超臨界或者密相輸送時(shí)，其輸送壓力應(yīng)保證末端壓力不小于8 MPa[4-5]。

3 工藝仿真對(duì)象及參數(shù)

超臨界-密相CO2相態(tài)復(fù)雜多變，物性易受參數(shù)、雜質(zhì)、環(huán)境等影響，對(duì)其輸送工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要借助于仿真模擬軟件。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和相關(guān)工程數(shù)據(jù)，采用模擬軟件對(duì)超臨界-密相CO2管道輸送特性的一般規(guī)律進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果反饋對(duì)輸送工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 仿真模型及參數(shù)

仿真以某CO2輸送管道為模型，管道長(zhǎng)30 km，起點(diǎn)通過(guò)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)行輸送，中途不另設(shè)增壓裝置。相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1，CO2組分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

表2 CO2 組分?jǐn)?shù)據(jù)

除上述基礎(chǔ)參數(shù)外，仿真考慮不同運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)變量對(duì)管道輸送的影響。相關(guān)參數(shù)變量選取見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)變量表

3.2 CO2 狀態(tài)方程選擇

目前，用于CO2性質(zhì)計(jì)算的狀態(tài)方程主要有：Soave-Redlich-Kwong（SRK）、PRSV、Benedict-Webb-Rubin-Starling（BWRS）以及Peng-Robinson（P-R）等。參照國(guó)內(nèi)外已建工程的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)規(guī)范[6]，模擬采用P-R 狀態(tài)方程用于計(jì)算CO2流體的相態(tài)及物性。

3.3 仿真軟件

本設(shè)計(jì)仿真選用OLGA 軟件。OLGA 由挪威的SINTEF和IFE 聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是目前世界領(lǐng)先的用于模擬烴類(lèi)流體在管道中瞬、穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)的軟件，其計(jì)算結(jié)果為世界各大石油公司所認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用在可行性研究、工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行模擬中。

4 仿真結(jié)果及優(yōu)化

典型的軟件仿真結(jié)果見(jiàn)圖2（1 bar=0.1 MPa），圖2 中表示CO2介質(zhì)溫度、壓力和液相體積分?jǐn)?shù)沿管線(xiàn)長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)。CO2壓力一般沿管線(xiàn)長(zhǎng)度逐漸減小；當(dāng)CO2溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，其溫度也沿管線(xiàn)長(zhǎng)度逐漸降低；液相體積分?jǐn)?shù)則隨溫度壓力等參數(shù)變化而發(fā)生變化，圖2 中管道入口處介質(zhì)處于超臨界相狀態(tài)，當(dāng)壓力和溫度沿管線(xiàn)長(zhǎng)度降低后，CO2逐漸轉(zhuǎn)為密相狀態(tài)。

圖2 典型軟件仿真結(jié)果

4.1 管道敷設(shè)和保溫形式的影響

管道埋地或架空敷設(shè)形式以及是否保溫等會(huì)對(duì)CO2介質(zhì)的輸送特性產(chǎn)生影響，不保溫（架空）、保溫（架空，玻璃棉50 mm）、埋地3 種不同形式下的管道介質(zhì)溫度、壓力和液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖3～圖5。其他模擬參數(shù)：起始?jí)毫?0 MPa（100 bar）；起始溫度50 ℃；環(huán)境溫度15 ℃；管道直徑DN200。

圖3 不同敷設(shè)及保溫形式下介質(zhì)溫度沿管道長(zhǎng)度變化

圖4 不同敷設(shè)及保溫形式下介質(zhì)壓力沿管道長(zhǎng)度變化

圖5 不同敷設(shè)及保溫形式下介質(zhì)液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化

對(duì)比管道未保溫（架空）、保溫（架空）和埋地3 種不同敷設(shè)方式，可見(jiàn)在采取保溫后，管道介質(zhì)溫降顯著減小，全管段CO2均為超臨界相，未轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟?。但是，保溫后的介質(zhì)壓降反而增加。

4.2 起始?jí)毫Φ挠绊?/h3>

不同起始?jí)毫ο碌墓艿澜橘|(zhì)溫度沿管道長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖6，不同起始?jí)毫ο碌墓艿澜橘|(zhì)壓降見(jiàn)圖7。其他模擬參數(shù)：管道保溫：未保溫（架空）；起始溫度：50 ℃；環(huán)境溫度：15 ℃；管道直徑：DN200。

圖6 不同起始?jí)毫ο陆橘|(zhì)溫度沿管道長(zhǎng)度變化

圖7 不同起始?jí)毫ο陆橘|(zhì)壓降

對(duì)比管道3 種不同起始?jí)毫?，可?jiàn)較高起始?jí)毫Φ墓艿澜橘|(zhì)溫降較大而壓降較小。

4.3 起始溫度的影響

不同起始溫度下的管道介質(zhì)壓力和液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖8～圖9。其他模擬參數(shù)：管道保溫為未保溫（架空）；起始?jí)毫?0 MPa（100 bar）；環(huán)境溫度為15 ℃；管道直徑為DN200。

圖8 不同起始溫度下介質(zhì)壓力沿管道長(zhǎng)度變化

圖9 不同起始溫度下介質(zhì)液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化

對(duì)比管道3 種不同起始溫度，可見(jiàn)較高起始溫度的管道介質(zhì)壓降較大。不同起始溫度下的介質(zhì)相態(tài)變化也不同，其中起始溫度為20 ℃時(shí)，管道介質(zhì)全段為密相。

4.4 環(huán)境溫度的影響

不同環(huán)境溫度下的管道介質(zhì)壓力和液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖10～圖11。其他參數(shù)模擬參數(shù)：管道保溫為未保溫（架空）；起始?jí)毫?0 MPa（100 bar）；起始溫度為50 ℃；管道直徑為DN200。

圖10 不同環(huán)境溫度下介質(zhì)壓力沿管道長(zhǎng)度變化

圖11 不同環(huán)境溫度下介質(zhì)液相體積分?jǐn)?shù)沿管道長(zhǎng)度變化

對(duì)比3 種不同環(huán)境溫度，可見(jiàn)較高環(huán)境溫度的管道介質(zhì)壓降較大。環(huán)境溫度越高，介質(zhì)也越難從超臨界相轉(zhuǎn)成密相。

4.5 管道直徑的影響

不同管道直徑下的管道介質(zhì)壓力沿管道長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖12。其他模擬參數(shù)：管道保溫為未保溫（架空）；起始?jí)毫?0 MPa（100 bar）；起始溫度為50 ℃；環(huán)境溫度為15 ℃。

圖12 不同管道直徑下的介質(zhì)壓力沿管道長(zhǎng)度變化

對(duì)比管道3 種不同管道直徑可見(jiàn)，較大管道直徑的管道介質(zhì)壓降較小。

4.6 最佳設(shè)計(jì)工況

上述仿真針對(duì)管道敷設(shè)和保溫形式、起始?jí)毫?、起始溫度、環(huán)境溫度和管道直徑等不同運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)對(duì)管道輸送的影響進(jìn)行了仿真，仿真分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果如下。

1）管道介質(zhì)在采取保溫后的壓降相比架空或埋地等不保溫形式的介質(zhì)壓降反而增加。管道保溫后，管道介質(zhì)溫降較小，介質(zhì)保持超臨界相而未轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟?，可?jiàn)密相狀態(tài)的CO2介質(zhì)其單位阻力損失比超臨界狀態(tài)要小。因此，為減少管道輸送壓力損失，管道并不需要保溫，其敷設(shè)方式可根據(jù)需求采用架空或埋地敷設(shè)。本設(shè)計(jì)推薦采用埋地敷設(shè)。

2）較高起始?jí)毫Φ墓艿澜橘|(zhì)溫降較大而壓降較小。但由于高起始?jí)毫艿浪枰膲嚎s能耗更高，因此，在保障管道不發(fā)生氣化的前提下，管道起始?jí)毫υ降驮胶谩１驹O(shè)計(jì)推薦采用10 MPa（100 bar），以保證末端壓力不小于8 MPa（80 bar）。

3）較高起始溫度的管道介質(zhì)壓降較大。管道更高的起始溫度，其介質(zhì)更難從超臨界相轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟酄顟B(tài)，而由于密相狀態(tài)的CO2介質(zhì)其單位阻力損失比超臨界狀態(tài)要小，因此，管道介質(zhì)壓降更大。此外，更高的起始溫度還意味著起始能耗更高。本設(shè)計(jì)推薦20 ℃。

4）較高環(huán)境溫度的管道介質(zhì)壓降較大。環(huán)境溫度越高，其介質(zhì)更難從超臨界相轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟酄顟B(tài)，因此管道介質(zhì)壓降更大。

5）較大管道直徑的管道介質(zhì)壓降較小。管道直徑越大，管道流速越低，壓降也越低。但管徑直徑過(guò)大會(huì)提高管道投資，降低經(jīng)濟(jì)性，因此，宜選用經(jīng)濟(jì)流速下的管道直徑。本設(shè)計(jì)推薦DN250。

5 結(jié)論

本文選用OLGA 模擬軟件針對(duì)管道保溫形式、起始?jí)毫Α⑵鹗紲囟?、環(huán)境溫度和管道直徑等不同運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)對(duì)管道輸送特性的影響進(jìn)行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果建議如下。

1）密相狀態(tài)的CO2介質(zhì)其單位阻力損失比超臨界狀態(tài)要小。因此，為減少管道輸送壓力損失并降低管道造價(jià)，管道并不需要保溫。

2）較高起始?jí)毫艿浪枰膲嚎s能耗更高，因此，在保障管道不發(fā)生氣化的前提下，管道起始?jí)毫υ降驮胶谩?/p>

3）更高的起始溫度或環(huán)境溫度，其介質(zhì)更難從超臨界相轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟酄顟B(tài)，因而管道介質(zhì)壓降更大。

4）較大的管道直徑會(huì)降低管道輸送成本但增加初始投資，因此，宜選用經(jīng)濟(jì)流速下的管道直徑。