CO2管道輸送工藝技術研究

陸爭光

(1.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249；2.城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249)

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CO2管道輸送工藝技術研究

陸爭光1，2

(1.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249；2.城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249)

摘要：我國的CO2排放量已居世界首位，碳減排壓力巨大。為了控制溫室氣體的排放，CO2捕捉與封存技術呈現出快速發展的趨勢，CO2管道輸送相關的工藝技術也備受關注。基于純CO2物性以及管輸CO2中雜質的種類與含量，分析了管輸CO2中的雜質會對其混合物性產生的影響規律；從管輸相態選擇、總體管輸工藝、管輸CO2雜質預處理、設計壓力和流動安全保障等方面，探討了國內外CO2管道輸送工藝技術的發展，并對我國CO2管道輸送研究提出了相應的建議。

關鍵詞：CO2管道；物性；相態；工藝技術

為了控制溫室氣體的排放，CO2捕捉與封存技術(CCS)已被我國列入科技減排重點發展規劃。將CO2回注油氣藏不僅可以解決CO2封存問題，還可以提高油氣采收率，從而達到環境保護與經濟效益雙贏[1-2]。當CO2氣源與油氣藏距離較遠時，一般需要采用管道輸送，而CO2管道輸送與天然氣管道輸送特性差別較大；因此，CO2管道輸送相關技術研究備受關注[3]。為此，本文基于純CO2物性與管道輸送CO2物性的分析，結合國外CO2管道輸送技術與經驗，全面總結了國內外的CO2管道輸送工藝與技術，并對我國CO2管道輸送研究提出了相應的建議。

1純CO2與管道輸送CO2物性

1.1純CO2物性

CO2管道輸送的相態有3種：氣態、液態及超臨界狀態。目前，世界上大多數CO2管道采用超臨界狀態輸送工藝，運行溫度>31.1 ℃，運行壓力>7.3 MPa。

處于超臨界狀態下的純CO2為單一相態流體，兼有氣體和液體的部分屬性，其物性具有非常規流體特性與變化規律，主要包括如下幾點[4-6]。

1)密度與液體相近，隨著單因素壓力的增大或溫度的減小，密度會呈現線性增大，但≤1 200 kg/m3。當處于臨界點附近時，CO2密度會隨著壓力或溫度的小幅變化而發生突變。

2)黏度較小，與氣體比較相似。在相同壓力條件下，CO2黏度會隨著溫度的升高，先緩慢降低后增大，且在臨界點附近也會發生突變。

3)對乙烯/丙烯共聚物橡膠等多種常用橡膠具有很好的溶解性，是工業上優良的溶劑。

1.2管道輸送CO2物性

相關研究表明，管道輸送CO2中的雜質含量對管道完整性管理、流動保障、管道運行以及HSE均有不可忽視的影響，具體影響總結分析如圖1所示。因此，在進行管道水力和熱力計算之前，應充分掌握管道輸送CO2的物性及其變化規律。

圖1　管道輸送CO2中雜質的影響

目前，世界上大多數CO2捕捉的氣源來自電廠，CO2捕捉方式主要包括燃燒前捕捉、燃燒后捕捉以及富氧燃燒捕捉等3種。管道輸送CO2中雜質的種類和含量主要取決于捕捉工藝、捕捉技術以及電廠使用的能源；此外，電廠當地的環保法律規范和經濟發展對管道輸送CO2中雜質的種類和含量均會有一定的限制或影響。根據文獻調研，總結歸納捕捉電廠CO2氣源的組成見表1。

表1　不同捕捉方式下的CO2氣源組成　(%)

由表1可知，不同捕捉方式下的CO2氣源雜質較多，且CO2氣源純度存在一定的差異，其中，富氧燃燒捕捉的CO2氣源純度波動范圍最大，其次是燃燒前捕捉，燃燒后捕捉的CO2氣源的純度波動較小，且純度中位值最高。此外，管道輸送CO2中的雜質會對其混合物性產生一定的影響，主要包括如下幾點。

1)臨界溫度和壓力高/低于純CO2的雜質會使得管道輸送CO2的臨界溫度增高/降低，并在純相圖上/下方形成兩相區。

2)SOX、NOX及H2S雜質會使管道輸送CO2的密度增大，其余雜質則會使管道輸送CO2的密度降低，其中，H2對管道輸送CO2的密度影響最大。此外，臨界溫度與壓力比純CO2低/高的雜質還會使密度突變處的壓力升高/降低。

3)臨界溫度與壓力比純CO2高/低的雜質會使管道輸送CO2的黏度增大/減小。在氣相區，雜質對管道輸送CO2的黏度影響較小，而在超臨界區，雜質對管道輸送CO2的黏度影響很大。

2CO2管道輸送工藝技術

2.1管道輸送相態的選擇

相關研究表明，超臨界輸送適用于長距離、大規模CO2管道，其最遠輸送距離隨著管道輸量的增加而減?。粴鈶B與液態輸送適用于短距離、小規模CO2管道，其最遠輸送距離相對較小，隨著管道輸量的增加，最遠輸送距離先增大后減小。目前，世界上大多數CO2管道采用超臨界輸送，但管道輸送相態的選擇與CO2氣源具體情況、管道輸送距離、規模以及沿線環境等均有關，應當根據各相態下的綜合運輸成本來決定最佳的輸送方式。

此外，管道輸送CO2建議設計為單相流流動[7]，避免出現兩相區，主要原因如下：1)當管道沿線壓力降低至飽和蒸汽壓以下時，管道中會形成氣泡，氣泡在管道沿線中可能會形成湍流，對管道及設備產生損壞，進入壓縮機后，在高壓區氣泡會急劇收縮、凝結，對泵葉輪等產生高強度的沖擊；2)兩相流的壓降和物性變化規律比較難以掌握，增加了管道運行操作的難度；3)相對于超臨界輸送，管道輸送過程中兩相區的出現會降低管道輸量。

2.2管道輸送工藝技術

由于超臨界CO2管道輸送的應用范圍較廣，更加經濟，在此著重介紹超臨界CO2管道輸送方面的工藝與相關技術，主要從總體管道輸送工藝、管道輸送CO2雜質預處理、設計壓力和流動安全保障等方面進行總結分析。

2.2.1總體管道輸送工藝

CO2氣源經過預處理、脫水處理后，先進行壓縮機增壓，然后液化。由于超臨界CO2輸送過程中壓力、溫度均會下降，可能進入密相或兩相區，因此，在CO2長輸管道中應設置中間增壓站、加熱站，保持其超臨界輸送狀態運行。

與常規輸油氣管道不同，CO2長輸管道首站一般為壓縮機增壓站，中間增壓站為泵站。此外，CO2長輸管道還可以根據需要設置相應的清管站、分輸站及計量站。輸送至管道末端時，管道末站應當根據CO2回注的要求調節壓力。

2.2.2管道輸送CO2雜質預處理

鑒于管道輸送CO2中含有的雜質對管道輸送物性等影響較大，借鑒現役CO2管道的設計與運行經驗，提出管道輸送CO2雜質預處理的相關指標建議，主要有如下幾點[8-9]。

1)H2S含量≤0.02%。由于H2S屬于有毒氣體，且容易與自由水結合進而腐蝕管道，出于健康和安全的考慮，建議至少將H2S含量限制在<0.02%。當管道穿越區人口密度較大時，還應當按照情況調低限制含量。

2)含水量≤0.5 g/m3，且在管道輸送過程中不應出現自由水。一方面，H2O容易與H2S、CO2發生交互作用，腐蝕管道和設備；另一方面，管道中出現自由水還可能會形成水合物，堵塞甚至破壞管道和設備。當雜質含量較多時，還應重新考慮含水量的指標限制。

3)N2、H2、CH4、O2及Ar的總含量≤4%。N2、H2、CH4、O2及Ar均屬于非可凝氣體，會減小管道輸送能力，增加管道輸送過程中相變控制難度，提高管道設備的承壓要求，因此，出于運行操作方面的考慮，應當將這些非可凝氣體的總含量控制在<4%。

4)CO、NOX和SOX含量分別≤0.2%、0.01%和0.01%。CO是可燃的有毒氣體，會對人體造成較大的傷害甚至死亡。NOX、SOX均屬于酸性氣體，可以與H2O、O2發生交互作用，進而對管道和設備產生腐蝕。

5)管道輸送CO2中的雜質總含量≤4.5%，即管道輸送CO2純度≥95.5%。由雜質對管道輸送CO2物性等的影響分析可知，雜質含量較多會導致管道設計和運行的不確定性較大，減小管道輸送能力，不利于管道的安全操作運行，因此，需要對雜質總含量加以限制。

2.2.3管道輸送CO2設計壓力

國外CO2長輸管道一般采用超臨界單相輸送方式。為了保持其單相輸送，國外學者總結認為，管道輸送設計壓力應≥8.3 MPa，一般取值為16～20 MPa，且用于EOR的管道末端壓力應保持在>13.95 MPa。國外部分超臨界管道的設計壓力等參數[10]見表2。在表2中，Central Basi管道外徑和設計壓力沿線分為4個等級；Weyburn管道外徑沿線分為2個等級，設計壓力為20.4 MPa。

表2　國外部分超臨界管道參數

2.2.4流動安全保障

為了盡可能減少腐蝕、避免管道輸送過程中的相變和水合物形成，應計算掌握管道沿線的氣質、流體溫度、壓力以及流量，因此，選取合理的水力、熱力計算公式至關重要。

由于超臨界CO2屬于低黏度、高密度和可壓縮液體，相對于沿程摩阻引起的壓力變化，高程變化引起的壓力變化可能更大，因此，選取的水力計算公式應考慮超臨界CO2的特殊物性以及高程差。本文推薦美國天然氣協會給出的水力計算公式[11]：

式中，Q是超臨界CO2管道的標態流量，單位為m3/d；TB、Tpj分別是基本溫度、管道的平均溫度，單位為K；PB、PQ、PZ和Ppj分別是基本壓力、管道的起點壓力、終點壓力和平均壓力，單位為kPa；ΔH、L分別是管段高程差、管段長度，單位為m；ρ是超臨界CO2管道的標態密度，單位為kg/m3；Z是超臨界CO2的壓縮因子；D是管段內徑，單位為mm。

相對于常規天然氣管道，超臨界CO2管道的熱力計算公式還應考慮流體密度突變的影響，推薦相應的熱力計算公式如下：

式中，TQ、TZ和TG分別是管道的起點溫度、終點溫度和周圍土壤溫度，單位為K；JT是焦耳湯姆遜系數，單位為K/kPa；K是傳熱系數，單位為W/(m2·℃)；CP是流體比熱容，單位為J/(g·℃)。

3對我國CO2管道輸送研究的建議

目前，國外CO2管道里程大約為6 000 km，其中大部分管道位于美國，其余分布于挪威、阿爾及利亞、土耳其以及匈牙利，初步建立了比較成熟的CO2管道輸送設計體系，積累了豐富的建設與運行經驗。然而，我國在CO2管道建設運行方面尚處于空白階段，CO2管道輸送技術相對薄弱。

因此，借鑒國外CO2管道輸送工藝與技術經驗，結合國內輸油氣管道工藝與技術特點，對我國CO2管道輸送研究提出了如下幾點建議：1)管道輸送CO2中的雜質會對管道輸送CO2物性產生較大的影響，應當充分研究掌握雜質種類與含量對管道輸送CO2物性的定性與定量影響，并逐步建立管道輸送CO2組分含量相關標準；2)應結合本國國情，根據氣源、輸送距離等具體情況，研究選擇經濟合理的輸送方式，而不是依靠經驗選取常用的超臨界輸送方式；3)國外研究雖然建立了較多的CO2管道輸送經濟計算模型，但是經濟評估相差較大，我國可以借鑒其模型考慮的CO2非常規管道輸送特性、國內輸油氣管道的經濟評估方法，建立初步的經濟評估模型；4)國外采用的CO2管道設計和運行標準主要有ANXI/ASME B31.8、CSA-Z662-07等，但沒有統一的標準，建議我國開展研究CO2管道設計和運行標準與常規輸油氣管道標準之間可能存在的差異，進而通過完善已有標準，為今后的CO2管道設計提供設計依據。

4結語

通過上述分析，可以得出如下結論。

1)超臨界狀態下的純CO2兼有液態和氣態的一些屬性，其密度、黏度等物性具有非常規流體特性與變化規律。

2)管道輸送CO2的雜質種類和含量與其捕捉工藝、捕捉技術以及電廠使用的能源有關，對管道輸送混合物性的影響較大。

3)管道輸送CO2相態有氣態、液態以及超臨界，其選擇與CO2氣源具體情況、管道輸送距離、規模以及沿線環境等有關，應根據綜合運輸成本來決定優選輸送方式。

4)超臨界CO2管道輸送工藝技術已經比較成熟，主要包括總體管道輸送工藝、管道輸送CO2雜質預處理、設計壓力和流動安全保障。我國應當借鑒國外CO2管道輸送工藝技術和豐富的經驗，不斷研究開發符合我國國情的輸送工藝技術。

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責任編輯鄭練

Research on CO2Pipeline Transportation Technology

LU Zhengguang1,2

(1.National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, Beijing 102249, China; 2.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China)

Abstract：At present, the carbon dioxide emissions in China have been ranked first in the world, which leads to enormous pressure on carbon emissions. In order to control the emission of greenhouse gases, CO2 capture and geological storage technology has been developed rapidly, so also largely concern on CO2 pipeline transportation technology. Based on the pure CO2 property and the impurity, deeply analyz the effect of CO(2 )impurity on the property of the mixture CO(2 )in the pipeline. Then, introduce the current situation of CO2 pipeline transportation technology development worldwide in such aspect as phase selection, overall transportation system, impurity pretreatment, design pressure and flow assurance. Besides, analyze the problems and relative advices in CO2 pipeline transportation technology research in China.

Key words:CO2 pipeline, property, phase, transportation technology

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：陸爭光(1991-)，男，碩士研究生，主要從事油氣長距離管道輸送技術等方面的研究。

中圖分類號：TE 832

文獻標志碼:A