二氧化碳输送管道工程设计的关键问题

CO2管道输送是碳捕集、利用和封存（CCUS）技术的重要环节,具有真正意义的长距离、大输量CO2管道在国内尚属空白。结合二氧化碳物性特点和国外二氧化碳输送管道建设经验,对国内二氧化碳输送管道工程设计在气源气体组分要求、输送相态的选择和控制、路由选择、阀室设计原则、地区等级划分、涂层选用、设备材料的密封性能、管材性能以及其他安全措施等方面进行了深入探讨,分别提出了切实可行的建议措施,指出编制适合中国国情的CO2输送管道的设计、建造、运营规范十分迫切。研究内容对于推动我国二氧化碳输送管道工程和CCUS技术的发展具有重要意义。（图1,表1,参7）     

二氧化碳输送管道关键技术研究现状

碳捕集与封存作为减少温室气体排放的重要手段成为全球研究热点，管道运输是该技术得以实施的关键环节。当CO2处于超临界或密相状态时，其具有液体的密度、气体的粘性和压缩性，对于管道运输是最有效率的。由于管输CO2的特殊性质，CO2输送管道与碳氢化合物输送管道存在不同；由于海洋环境的复杂性，CO2海上输送管道与陆地输送管道存在不同。系统总结了实现CO2管道输送需要解决的关键技术问题，着重介绍了CO2输送管道流动保障和延性断裂扩展领域的研究进展，指出CCS作为大规模减少温室气体排放的重要选项，开展与之相关的基础研究十分迫切。（图3，参44）     

天然气站场扫描式激光气体监测系统的研制

天然气站场管道设备种类繁多、密封点多,是气体泄漏监测的重点对象。针对传统气体传感器检测范围小、精度低、误报率高等缺点,提出一种基于云台的激光气体传感器,该传感器可实现对天然气站场的空间立体式气体泄漏监测;根据站场工艺条件与传感器数据通讯协议,设计了"光端机+光缆"形式的数据传输系统;结合站场监测需求,在力控组态软件平台上开发了预警监控终端。以上3部分共同组成了天然气站场扫描式激光气体监测系统,该系统在中哈天然气管道C线某压气站内运行使用,结果表明:站场过滤分离区与空冷区存在较明显的微泄漏,且与设备运行时间段相关,监测结果符合压气站实际情况,系统具有良好的可靠性。     

东方1-1气田CO2长距离管道输送参数优化

从相态控制角度,以东方1-1气田在海南岛陆上终端排放的CO2为例,开展了CO2长距离管输压力和管径的优化研究,并对管道入口压力、入口温度及环境温度等因素进行敏感性分析。结果表明：管输压力对CO2的输送相态具有重要影响,且很大程度上决定管径和壁厚,进而影响管道经济性;管输压力应保持在CO2临界压力之上,在无保温措施的情况下,CO2始终呈高压密相状态（超临界状态或液态）,能保持管道的正常运行;对于东方1-1气田伴生CO2长距离输送方案,推荐管输压力为9MPa或16MPa,管材采用X65钢,不必采取保温措施。（图4,参14）     

超临界CO2管道输送与安全

通过管道输送超临界CO2是大规模运输CO2最经济、可行的方法,国内目前仅有少量短程气态CO2输送管道,尚无超临界CO2长输管道.介绍了国外超临界CO2管道的发展现状,迄今尚无针对性的管道设计、运行参考标准及管输超临界CO2的质量控制标准.分析了超临界CO2管道腐蚀、橡胶溶胀、泄漏、断裂等影响超临界CO2管道运行安全的因素及控制经验,可为中国未来超临界CO2管道的设计与运行提供参考.国内建设超临界CO2输送管道必然经过人口密集区域,运行风险增大,应予以重视.     

富气输送技术

分析了富气和凝析液的相态特点,介绍了富气输送的主要工艺,对影响管道富气输送的多种因素进行了分析,给出了国外管道输送富气的实例.指出我国的密相输送工作应借鉴国外技术并结合国内实际情况进行,在管道设计、输送工艺和管道运行动态检测等环节上深入研究,为充分利用天然气,提高管道输送效率奠定基础.     

《管道科学技术论文选集》文摘（四十一）：输送含硫原油产生的腐蚀问题

俄罗斯原油属于含硫中间基原油，其进口将通过新建中俄管道和东北管网输送，因此必须考虑到原油中的硫化物可能对管道和设备的腐蚀问题。根据硫化物在不同环境下的腐蚀特性，结合国内输送含硫胜利原油管道及炼厂的相关经验，对输送俄罗斯含硫原油可能对管道和运营设备造成的影响加以探讨，认为采用常温输送工艺输送俄罗斯含硫原油对管道及运营设备的腐蚀程度较轻，通过控制进口原油含水、含盐量和加注缓蚀剂，可避免管道腐蚀。     

CO_2管道输送规律及运行参数

液态(或超临界态)CO2输送与其他液体输送不同,由于临界温度和压力较低,其在输送过程中易气化。为此,采用HYSYS软件对CO2的物性进行分析,并在多种工况条件下,对CO2管道进行水力热力计算,根据计算结果绘制沿程压力-温度变化曲线,总结管输CO2在超临界态、密相、一般液相下的变化规律和影响因素。以某管道为例,给出了管道入口压力、温度可行区间的计算方法,可为管道设计提供理论依据。研究结果表明:密度是影响管输压降的根本因素,而黏度对压降的影响可以忽略;避免管输CO2气化的关键在于合理设置管道的入口温度和压力;CO2管道设计应以最高环境温度作为设计参数。     

国内外输气站设计标准差异

通过借鉴国外油气管道标准已有的先进经验,促进中国长输管道实现跨越式发展,中国开展了美国、俄罗斯管道技术标准的系统研究,但对于欧盟管道技术标准研究较少。以欧盟标准EN12583-2014《燃气供应系统-压缩机站-功能要求》为例,针对输气站设计领域的关键技术问题,对比分析了欧盟标准与中国标准的重要差异。欧盟标准先进性表现为基于冗余设计的可靠性设计原则,考虑输送工艺和人员安全操作的整体布局原则,管道发生紧急情况或管道维修时启动站场ESD系统,重视压缩机密封系统和旋转部件试验,实施站场设施可视化管理,以及限制区域授权进出条件等。研究借鉴该标准的先进经验,对于提高中国输气站设计水平具有指导意义。     

中俄东线站场工艺管道用高钢级低温钢管韧性指标

中俄东线天然气管道是中国首条OD 1 422 mm大口径输气管道,途经东北严寒地区。基于此,对比分析国内外标准规范,明确了天然气管道站场工艺管道断裂控制设计原则、最低设计温度选定要求,包括:(1)站内工艺管道断裂控制,关键是要防止管道发生起裂,钢管应具有足够的断裂韧性。对于起裂后的断裂扩展控制和落锤撕裂试验(Drop Weight Tear Test,DWTT)指标,应视工程具体情况并结合国内低温钢管的生产水平综合确定。(2)最低设计温度应考虑正常运行操作、放空、节流以及停输保压等工况下金属壁温可能达到的最低温度,针对站场工艺管道用X70、X80钢管确定管道的最低设计温度等于最低环境温度。(3)针对油气输送管道站场地上工艺管道,建议最低环境温度取最低日平均温度。结合理论计算和钢管实物性能参数,提出了中俄管道站场工艺管道用X70、X80钢管的低温韧性指标,对今后类似工程有一定的借鉴意义。     

超临界CO2管道输送参数的敏感性分析

为了确定有利于超临界CO2管道输送的参数范围,保证安全输送,基于超临界CO2流体作为管输介质与天然气和原油的不同之处,分析了超临界CO2管道输送技术的特殊性,进而通过软件模拟计算,分别研究了不同入口温度、管输流量、总传热系数下管输压力、温度、密度、黏度与输送距离的关系,得到了特定条件下的有效输送距离,不同管输流量对压温及物性的影响规律。结果表明：在研究条件范围内,输送距离超过100km后,CO2由超临界态变为密相,若要保持超临界态输送,需要在每100km范围内设置加热站;管输流量介于200-250t／h之间较理想;总传热系数介于0．84～1．3W／（m2 ℃）之间为宜。该研究属于超临界CO2管道输送基础研究,对于我国形成完整的超临界CO2管道输送系统具有参考价值。（图3,表3,参10）     

管道老龄化问题及其应对措施

为避免管道老龄事故,提出必须基于在役老管道运行负荷及其沿线泵站或压缩机站、穿跨越段、通信和自动化系统等现行检测的基础上,确定合理的维修方案。并举例介绍了在役老管道负何下降的大修方案及负何不变的新建方案。     

不同管径和温压条件下的CO_2管道输送特性

为深入研究CO_2管输特性,以输量为100×104 t/a的CO_2管道工程为例,采用Pipephase仿真软件建模,分别对气相、液相和超临界相3种相态的CO_2在不同管径和温压条件下的输送过程进行模拟。结果表明:气相、液相、超临界相3种管输方式在不同管径下的压降均不大,压降基本只受输送距离的影响;管输CO_2的密度和黏度以气相输送时基本不受输送距离、温度及压力的影响,以液相和超临界相输送时主要受温度影响。管道以气相输送时,应避免在高压和准临界区域运行;以液相输送时,应选择在较高压力下运行;以超临界相输送时,应避免温度压力到达临界点。中长距离、沿线人烟稀少的CO_2管道优先采用超临界相输送;中短距离、沿线人口密度高的CO_2管道优先采用气相输送。     

长输天然气管道的安全问题及其对策

针对长输天然气管道的特点，介绍了不同的站场和管道发生故障和事故的情况、概率及可能对输气系统造成的影响。列举了国内输气管道近年来发生的典型事故和加拿大的几个典型管道事故案例，通过事故原因分析，并针对我国天然气管道的实际状况，提出了在设计、施工及运行阶段降低故障和事故发生的对策及建议。     

新疆输油管道的综合管理

新疆克拉玛依油田自１９５８年建成全国第一条输油管道以来,至今又相继建成了２４条８种规格,总长达２０００ｋｍ的便油管道,在４０年的输油管道管理工作中,在管道的设计,施工和运行各方面积累了丰富的经验,实践表明,输油管道的管理并非只有运行部门的课题,因为管道的经济效益受到设备质量,设计,运行工艺,施工质量和运行管理等诸多因素的制约,的以,做好上述各个环节的管理工作,将管道的优化管理意识贯穿于管道设计构思     

埋地管道应力分析方法

油气输送管道大部分为埋地管道,其应力分析与工艺管道不同,关键在于准确模拟管道与土壤的相互作用。结合国际上广泛运用的CAESARII和AUTOPIPE软件设计思路,阐述了埋地管道应力分析模型中对埋地管道离散化的理论基础和方法,模拟土壤与管道相互作用的原理以及相关数据的计算方法;对比分析了ASMEB31.4、ASMEB31.8及国内相关油气输送管道设计规范对管道应力的校核要求;结合工程实例深化了埋地管道应力分析方法,对于开展管道应力分析工作具有积极作用,有利于增进对于管道应力分析及管道应力安全问题的认识。     

原油管道YOYO系统流动安全性

原油管道因故停输时,在非事故站间采用YOYO系统可以使原油在站间往返流动,避免凝管事故发生。YOYO系统由分别设置在两个相邻泵站的储罐和螺杆泵组成,其运行过程与正反输工艺相似,但两者使用目的不同。详细说明了YOYO系统的工作流程,建立了其运行过程的传热数学模型,讨论了正反向输送时的初始条件和高程差。基于算例管段,计算讨论了YOYO系统运行过程中的温降规律,分析了采用YOYO系统后管输原油的流动安全性,结果表明：该方法对于事故停输管道是一种潜在可行的安全措施。     

孤东管网优化运行技术

孤永东和孤罗东两条管道承担着孤岛、孤东和桩西的原油输送任务，按现行工况运行，各站节流较多，能源浪费较大。根据管道现有设备条件分析了运行现状，给出了孤永东管道和孤罗东管道的运行参数。在不改变现有设备条件和确保原油外输任务的前提下，制定了优化运行方案，即把两条管道作为一个输油系统，选择以两条管道的最低进站油温为最低允许输油温度，孤岛首站总的输油量合理匹配给两条管道，这样实现了孤永东管道全年压力越站，减     

往复压缩机声学脉动分析及出口管道减振模拟

往复压缩机出口管道振动容易引起管道疲劳破坏,可以通过改变管系内气柱的固有频率来避开往复压缩机的激振频率。结合往复压缩机与管道系统的振动机理及减振方法,建立了往复压缩机结构等效数学模型,利用振动分析软件对机体进行声学脉动模拟,并依据分析结果对其出口管道进行减振设计。研究结果表明:增设孔板可明显降低往复压缩机出口管道的固有频率,使之避开共振响应区域,降低管系气柱压力不均匀度和脉动幅值。模拟结果为往复压缩机的安全使用与疲劳计算提供了科学依据,也为后续的配管设计工作提供了参考。