CO2輸送管道工程設(shè)計標準的探討

黃 輝 周 晶 粟科華

中國石化石油勘探開發(fā)研究院

我國碳排放總量目前已位居世界首位。作為最主要的一種溫室氣體，對CO2大規(guī)模利用（如驅(qū)油［1－2］、驅(qū)氣［3－4］、壓裂［5］等）和儲存的需求催生了全球特別是歐美地區(qū) CO2輸送管道的發(fā)展［6－8］，而國內(nèi) CO2輸送管道的建設(shè)尚處于起步階段。

目前，我國尚未制訂針對CO2輸送管道的建設(shè)設(shè)計標準。已建或在建CO2輸送管道工程大多參考油氣領(lǐng)域相關(guān)標準，但由于CO2獨特的物理化學性質(zhì)，CO2輸送管道與天然氣管道存在較大差別。因此，亟待制訂CO2輸送管道工程設(shè)計標準。

1 國內(nèi)外CO2輸送管道現(xiàn)狀

1.1 國外CO2輸送管道工程現(xiàn)狀

國外CO2輸送管道工程建設(shè)始于20世紀60年代，早期建設(shè)的管道主要用于將CO2輸往油田進行驅(qū)油以提高原油采收率，后期則隨著對溫室氣體排放的重視，部分管道被用于向地下封存其他裝置產(chǎn)生的CO2以減少碳排放。

目前，國外CO2輸送管道主要分布在美國。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國CO2輸送管道長度在2008年就已經(jīng)超過了5 800km，年輸送量5 000×104t，大部分采用超臨界相輸送，以滿足長距離大輸送量要求。其中，Cortez管道是目前最長的CO2管道，全長808km，管徑為762mm，壓力為13.8MPa，年輸氣量為1 930×104t。挪威Snohvit管道則是世界首條海底CO2管道，150km管道位于330m深的海底，輸氣壓力為20 MPa，年輸氣量為70×104t。用于將岸上LNG液化廠生產(chǎn)的CO2返注回油田。國外主要CO2輸送管道統(tǒng)計情況見表1。

1.2 國內(nèi)CO2輸送管道工程現(xiàn)狀

與國外相比，我國的CO2管道輸送技術(shù)起步較晚、規(guī)模小，尚無成熟的長距離輸送管道。個別油田利用自身距CO2氣源點較近的優(yōu)勢，采用氣態(tài)或液態(tài)將CO2輸送至注入井的井場，達到提高油田采收率的目的。如大慶、勝利、吉林等油田先后開展了CO2驅(qū)油的工程建設(shè)項目。

國內(nèi)CO2輸送管道特點：①主要分布在油田周邊，用于CO2驅(qū)油，提高采收率；②輸送距離短、輸量小；③輸送工藝以氣相輸送為主。國內(nèi)CO2輸送管道相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 國外主要長距離 CO2 輸送管道統(tǒng)計結(jié)果表［6－7，9－10］

表2 國內(nèi)主要CO2輸送管道統(tǒng)計表

2 國內(nèi)外CO2管道相關(guān)標準

2.1 國外CO2管道相關(guān)標準

目前國際上沒有統(tǒng)一的CO2輸送管道行業(yè)標準。國外涉及CO2的管道標準共有4部，其中美國、歐洲、加拿大在現(xiàn)有標準修訂時增加了有關(guān)CO2的技術(shù)規(guī)定，挪威船級社編制了《CO2管道的設(shè)計與操作》DNV－RP－J202，對CO2管道的設(shè)計和操作提出了一些基本的建議和要求，但均不涉及工藝計算、安全距離等內(nèi)容。國外CO2管道相關(guān)標準見表3。

表3 國外CO2管道相關(guān)標準統(tǒng)計表［11－12］

2.2 國內(nèi)CO2管道相關(guān)標準

國內(nèi)尚無涉及CO2管道輸送的相關(guān)設(shè)計標準；已建CO2輸送管道工程大多參考GB 50350《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》和GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》等標準，但現(xiàn)有標準基于易燃易爆氣體，在防火間距、安全等級上要求較高，而且未考慮CO2物性對輸送工藝、管線材質(zhì)、防腐工藝等方面的影響。國內(nèi)CO2管道相關(guān)標準見表4。

表4 國內(nèi)CO2管道相關(guān)標準統(tǒng)計表

3 標準編制的原則和技術(shù)路線

3.1 編制原則

CO2輸送管道工程設(shè)計標準的編制，應貫徹國家的有關(guān)法規(guī)和方針政策，統(tǒng)一技術(shù)要求，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。根據(jù)我國CO2輸送管道發(fā)展現(xiàn)狀，標準的適用范圍為陸上CO2輸送管道工程設(shè)計。在標準編制時，應遵循保護環(huán)境、及時吸收采用國內(nèi)外先進技術(shù)、盡量優(yōu)化設(shè)計方案的原則。

標準內(nèi)容應充分考慮CO2與天然氣的物理化學性質(zhì)差異，以物性差異帶來的管道設(shè)計不同為重點，通過規(guī)范計算方法、警示危險因素、明確安全措施等手段，來對CO2輸送管道設(shè)計建設(shè)過程進行指導，以達到降低建設(shè)投資，增加建設(shè)運行過程的安全性，促進我國CO2輸送管道發(fā)展的目的。

3.2 技術(shù)路線

首先應對國內(nèi)外工程現(xiàn)狀和相關(guān)標準進行研究，認識掌握CO2輸送管道的特點和現(xiàn)有標準的不足之處；然后針對調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析，確定哪些問題需要重點研究，哪些問題可以直接采用國內(nèi)外現(xiàn)有標準；對于需要重點研究的問題，通過組織技術(shù)力量進行攻關(guān)，或吸收利用國內(nèi)外科研單位的相關(guān)研究成果的方式加以解決。在此基礎(chǔ)上，編寫征求意見稿。經(jīng)過與科研、設(shè)計、建設(shè)、運行單位結(jié)合討論修改后，最終形成CO2輸送管道工程設(shè)計標準。

4 標準需探討的問題

1）標準涵蓋的相態(tài)范圍。CO2的管道輸送存在氣相、液相、超臨界3種輸送相態(tài)，在標準編制前需要首先研究相態(tài)與輸送量、管長的關(guān)系，明確是針對3種相態(tài)單獨制訂標準，還是結(jié)合多種輸送相態(tài)編制統(tǒng)一標準。

2）CO2的純度標準。與天然氣類似，采用管道輸送時需要對CO2的純度以及CO2中雜質(zhì)的種類、含量等進行規(guī)定，只有當氣體組成滿足輸送工藝要求，不發(fā)生相變和堵塞，不含有危害管道和設(shè)備正常運行的雜質(zhì)時才能允許通過管道輸送。

3）確定工藝計算方法。與常規(guī)油氣管道不同，CO2存在多種輸送相態(tài)，不同相態(tài)間的密度、黏度、比熱等物性相差極大，在特定條件下相態(tài)間能互相轉(zhuǎn)化［13］。因此，需要明確現(xiàn)有的氣液狀態(tài)方程和水力學方程是否適用于對應相態(tài)下的CO2計算，并與其他計算方法對比計算精度和計算難易程度，優(yōu)選出不同相態(tài)下的CO2狀態(tài)方程和水力學計算方法，從而對CO2輸送管道的設(shè)計進行指導和規(guī)范。

4）研究CO2輸送管道正常運行工況下的流動保障手段。不論采用何種相態(tài)輸送，CO2對組分變化和溫壓條件變化均比較敏感。因此，在標準中需要給出相應的保障措施，比如增加溫度、壓力、組分傳感器布置密度等。

5）CO2特有的危險因素。對在天然氣管道輸送中不會出現(xiàn)，但CO2管道輸送時則可能發(fā)生的危險因素進行警示。如超臨界CO2會溶脹橡膠和塑料導致密封失效，氣相CO2放空時可能會形成干冰堵塞管閥件等。

6）CO2輸送管道的經(jīng)濟性問題。CO2不具有可燃性和爆炸性，僅具有窒息性，比天然氣相對安全。但國內(nèi)CO2管道設(shè)計時大多參照天然氣管道的安全距離，如某油田CO2輸送管道兩側(cè)的設(shè)計安全距離即沿用了30m的天然氣管道標準要求。對于這一問題，標準應在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和室內(nèi)、現(xiàn)場試驗等多種形式，確定適用于CO2輸送管道的安全距離，并在標準中體現(xiàn)。

7）CO2輸送管道的安全性問題。CO2無色、無味，其主要威脅是造成人員窒息、中毒。因此在CO2管道設(shè)計中應采取一些安全措施，如在管道沿線及站場設(shè)置CO2氣體泄漏檢測和報警系統(tǒng)，在管道中加入適量安全臭味劑等方法加以預防。

5 結(jié)論及建議

1）根據(jù)我國CO2輸送管道工程設(shè)計及應用情況，建議以國外標準中CO2有關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，利用國內(nèi)外CO2輸送領(lǐng)域的研究成果，參照國內(nèi)的油氣管道標準模式，編制CO2輸送管道設(shè)計標準。

2）通過分析研究，建議目前編制的CO2管道標準適用于陸上CO2輸送管道工程設(shè)計，適用氣相、液相兩種輸送相態(tài)。隨著超臨界相在國內(nèi)的建設(shè)與其技術(shù)的發(fā)展，再將其內(nèi)容補充進標準中。

［1］陳歡慶，胡永樂，田昌炳.CO2驅(qū)油與埋存研究進展［J］.油田化學，2012，29（1）：116－121.CHEN Huanqing，HU Yongle，TIAN Changbing.Advances in CO2displacing oil and CO2sequestrated researches［J］.Oilfield Chemistry，2012，29（1）：116－121.

［2］張烈輝，楊軍，熊鈺，等.不同注采方式下CO2埋存與驅(qū)油效果優(yōu)化評價［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（8）：102－104.ZHANG Liehui，YANG Jun，XIONG Yu，et al.Optimizing evaluation of CO2storage and flooding effect under different injection－production modes［J］.Natural Gas Industry，2008，28（8）：102－104.

［3］孫揚，杜志敏，孫雷，等.CO2的埋存與提高天然氣采收率的相行為［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（5）：39－42.SUN Yang，DU Zhimin，SUN Lei，et al.Storage of CO2and improve the recovery of gas phase behavior［J］.Natural Gas Industry，2012，32（5）：39－42.

［4］李向東，馮啟言，劉波，等.注入二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷的試驗研究［J］.潔凈煤技術(shù)，2009，16（2）：101－103.LI Xiangdong，F(xiàn)ENG Qiyan，LIU Bo，et al.Study on displacement coalbed methane by carbon dioxide injection［J］.Clean Coal Technology，2009，16（2）：101－103.

［5］宋振云，蘇偉東，楊延增，等.CO2干法加砂壓裂技術(shù)研究與實踐［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（6）：55－59.SONG Zhenyun，SU Weidong，YANG Yanzeng，et al.Experimental studies of CO2／sand dry－frac process［J］.Natural Gas Industry，2014，34（6）：55－59.

［6］喻西崇，李志軍，鄭曉鵬，等.CO2地面處理、液化和運輸技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（8）：99－101.YU Xichong，LI Zhijun，ZHENG Xiaopeng，et al.Carbon dioxide ground processing，storage and transportation［J］.Natural Gas Industry，2008，28（8）：99－101.

［7］喻西崇，李志軍，潘鑫鑫，等.CO2超臨界態(tài)輸送技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（12）：83－86.YU Xichong，LI Zhijun，PAN Xinxin，et al.Research on CO2supercritical transportation technology［J］.Natural Gas Industry，2009，29（12）：83－86.

［8］李玉星，劉夢詩，張建.氣體雜質(zhì)對CO2管道輸送系統(tǒng)安全的影響［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（1）：108－113.LI Yuxing，LIU Mengshi，ZHANG Jian.Impacts of gas impurities on the security of CO2pipelines［J］.Natural Gas Industry，2014，34（1）：108－113.

［9］AARON M，JEFF M，ANDREW L.Pipeline transport of supercritical carbon dioxide［C］∥2012Gas Machinery Conference（GMRC），30September– 3October 2012，Austin，Texas，USA.Austin：GMRC，2012.

［10］MO M，PATRICIA S，KAMAL K B.Pipeline transportation of carbon dioxide containing impurities［M］.New York：ASME，2012.

［11］American Society of Mechanical Engineers.Pipeline transportation systems for liquids and slurries［S］.New York：ASME，2012.

［12］Det Norske Veritas.DNV－RP－J202Design and operation of CO2pipelines［R］.Veritasveien，Norway：DNV Rules and Standards，2010.

［13］SVEND T M，CHRISTIAN B，SIGMUND C，et al.Combining thermodynamic and fluid flow modelling for CO2flow assurance［J］.Energy Procedia，2013，37（7）：2904－2913.