管道输送CO2准临界特性及安全控制

管输CO2在临界点附近会出现物性参数发生剧烈波动的准临界特性,进而影响管道安全稳定运行。采用密度作为基准参数,拟合出大规模管输CO2密度波动最剧烈处的准临界温度关系式,分析杂质对管输CO2准临界温度关系的影响并提出安全控制方案,以国内首条CO2管道示范工程为实例,提出安全输送操作建议。研究表明：非极性及弱极性杂质将使准临界温度线向低温方向偏移,强极性杂质及水汽将使准临界温度线向高温方向偏移;管输含不同杂质的多组分CO2时,需要采用不同的起始温度、压力,以避免管内工况接近准临界温度线或进入两相区,采用高于14MPa压力输送,管内介质可以保持安全稳定流动。国内首条大规模长距离超临界CO2管道示范工程输送燃煤电厂排放的烟气,需采用输送含非极性杂质CO2对应的安全控制技术。（图4,表1,参18）     

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）     

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。     

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。     

CO2长输管道设计的相关问题

CO2在管道输送工况的温度、压力范围内会呈现出不同的相态，使得CO2输送管道不同于油气输送管道。为此，从CO2管道设计的角度出发，分析了CO2管道工艺系统的相关技术，包括CO2流的物理性质及相态、管道水力热力计算、站场工艺系统以及设备选取等。研究指出：相态控制是CO2管道设计的重要内容之一；CO2管道站场工艺系统设计应根据CO2的含水量考虑脱水工艺，而脱水工艺与CO2的压缩工艺相结合形成一个系统；CO2管道输送设备具有其特殊性，如压缩机、输送用泵、脱水装置、放空系统等，需要根据CO2管道的特点选取和设计。相关结论可为CO2长输管道的设计与建设提供参考。（图6，表1，参7）     

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）     

大牛地气田管网系统仿真模拟及优化

随着大牛地气田的开发,气井压力逐渐降低,分析气田管网的运行状况,优化存在问题的管道对保证天然气正常输送具有重要意义。采用TGNET软件建立大牛地气田管网系统仿真模型,以单位长度压降为指标对管网运行现状进行分析,针对单位长度压降较大的管道,采用敷设副管的方法进行优化。基于TGNET软件对优化后管网进行模拟,优化后管道的单位长度压降降幅平均值为79．4％,3-阀室2、5—2、21-阀室B管道集气站最低出站压力分别降低0．09MPa、0．21MPa、0．06MPa。结果表明：敷设副管能够降低管道压力损失和集气站出站压力,起到延缓气田增压时机的作用。（图6,表3,参7）     

液氨管道水力热力特性影响因素数值模拟

液氨物性参数受自身体积膨胀性和温度敏感性影响较大,管道输送过程中液氨易汽化并产生气阻现象。为探究液氨管道水力热力特性发展规律,参考中国现有液氨管道设计运行参数,在修正液氨物性参数的基础上建立液氨长输管道仿真模型,模拟分析管径、环境温度、出口压力、入口温度、输量及土壤介质对液氨管道水力热力特性的影响。结果表明：随着管径增大,管道全线压力下降趋势逐渐平缓,当环境温度低于投氨温度时,适当增大管径能够有效避免液氨相特性的大幅改变;在综合考虑管道承压和液氨膨胀性的基础上,适当提高管道压力能够有效降低液氨汽化风险;在低输量工况下,提高输量对液氨管道全线压降影响较小、对温降影响较大,在高输量工况下结论则正好相反。研究成果可为液氨长输管道的设计和安全稳定运行提供参考。（图8,表4,参21）     

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）     

超临界二氧化碳管道输送参数的影响因素

为了确定最有利于管道输送的二氧化碳状态,从物理性质出发,分析了密度、运动粘度及质量热容随温度与压力的变化情况,结果表明:二氧化碳处于超临界状态更有利于管道输送.从水力、热力角度出发,应用Hysys软件对二氧化碳处于不同状态时的管道输送情况进行模拟,得到管输压降-管道长度、流体温度-管道长度、热损失-管道长度变化曲线,并计算得出二氧化碳不同状态时的有效管道输送距离.分别对含有氮气和甲烷两种杂质的二氧化碳管输情况进行模拟计算,结果表明:杂质对气态和超临界二氧化碳输送管道基本没有影响,但对液态二氧化碳输送管道影响较大,且在相同条件下,氮气的影响大于甲烷的影响.     

管道入口段雾化加注天然气减阻剂的数值模拟

采用数值模拟的方法研究天然气管道减阻剂的雾化加注过程,首先对气体管道入口段的稳态流场进行模拟,得到收敛的气流场,再将减阻剂作为一系列离散相雾滴从入口喷嘴注入后进行耦合计算,分析各雾化条件对雾滴索泰尔平均直径（SMD）及其在入口段管壁上吸附特性的影响。模拟结果表明：喷雾压差、喷雾流量、喷嘴直径和喷射角度是影响天然气管道减阻剂减阻效果和减阻距离的关键因素。喷雾压差越大,喷雾流量越小,雾滴的SMD越小,越容易吸附在入口段的管壁上;喷嘴直径和喷射角度对雾滴的SMD影响不大,但喷射角度较小时,雾滴能被气流携带更长距离。研究成果可为天然气减阻剂的工程应用提供一定的理论指导。（图6,表5,参17）。     

杂质对管道输送CO2相特性的影响规律

碳捕集利用封存（CCUS技术作为改善气候的重要选择,安全输送是其关键性纽带环节。管道输送被认为是陆上输送CO2的最优形式,管输CO2中所含杂质将影响CO2相平衡及物性参数变化规律,进而影响管道运行。采用与已知实验值对比的方法优选状态方程,计算含杂质气体及水蒸气的多组分CO2相平衡线及物性参数,与纯组分CO2对比分析可知：PR方程在CO2等极性体系的气液相平衡及物性方面优于其他状态方程。非极性及弱极性杂质通过影响泡点线使两相区扩大,强极性杂质通过影响露点线使两相区扩大。CO2管输过程中,在一定温度、压力下,其密度和黏度会发生突变,比热容会出现极值,而杂质会改变突变和极值的对应温度和压力,采用高温、高压下的超临界态输送可以使其管内流动更稳定。     

直径1422mm、压力12MPa、钢级X80管道输气方案可行性

为了满足超大输量天然气的输送工艺要求,采用大直径、高压力、高钢级管道是发展趋势。通过分析,对于300×108~500×108 m3/a输量要求,推荐采用直径1 422 mm、压力12 MPa、钢级X80管道输气方案。基于对相关钢厂、管厂、阀门厂和施工建设单位等30余家企业的深度调研,从板卷生产、宽厚板生产、螺旋管生产、直缝管生产、弯管及管件生产、阀门生产供应、运输能力等方面,论证了1 422 mm/12 MPa/X80方案的可行性,结果表明该方案总体可行。该方案可以减少输气管道的建设数量,节省建设时间,减少占地和投资,便于今后运营管理。(图4,表10,参7)     

我国天然气输送管道发展方向及相关技术问题

通过增大管径或压力提高天然气管道的输送效率,成为天然气管道工业的发展方向,国内外天然气管道正在向1422mm管径或12MPa以上压力发展。分析了现有制管、设备、施工、设计方法、运行要求等方面存在的制约因素,针对性地提出改善措施和建议。重点讨论了国内外X100钢级管线钢的研究应用现状,以及制约其大规模工业应用的关键问题,提出研究应用建议,指出在设计中应引入基于可靠性的设计和评价方法,以适应大管径、高压力、高钢级管道建设的需要。     

不同相态CO_2管内稳态节流实验

在CO_2管输过程中,节流易导致CO_2温降过大,威胁管道的安全运行。采用自主设计的CO_2节流实验装置,进行了不同相态CO_2管内稳态节流实验,采集管内参数变化情况,分别研究了节流前后压差、节流前CO_2相态及杂质N_2含量对CO_2稳态节流温降的影响。实验结果表明:CO_2的节流温降随节流前后压降的增大而增大,随N_2含量增大而减小;气态CO_2的节流效应最强,超临界态次之,液态CO_2节流效应最弱;节流前压力越大,相同压降的CO_2节流温降越小,节流前压力对气态CO_2节流温降的影响小于液态CO_2。