中石化二氧化碳管道輸送技術及實踐

陳霖中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026

中石化二氧化碳管道輸送技術及實踐

陳霖
中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026

二氧化碳管道輸送是保證碳源與碳匯合理匹配的關鍵，在碳捕集、利用與封存項目中起著重要的作用，但二氧化碳管道輸送技術仍面臨諸多挑戰。主要介紹了中石化近幾年在二氧化碳管道輸送方面，包括管輸工藝、安全泄放、管材斷裂韌性指標、基于地理信息數據的二氧化碳管道設計與優化、行業標準規范編制等方面取得的一些成果；還對進行了前期研究設計工作的3項二氧化碳輸送工程進行了說明，為行業內開展相似的研究工作提供參考和借鑒。

二氧化碳；管道輸送；中石化；碳捕集與封存

隨著近期我國能源政策與結構發生調整，天然氣的消費量將有較大增長，同時煤化工、發電等行業也有較多的二氧化碳排放。加強碳排放監管，減少工業過程的碳排放，不僅要對二氧化碳源頭進行碳捕集，更重要的是實現碳封存，而大規模碳源與碳匯的合理匹配離不開二氧化碳管道輸送。本文將從管輸工藝、安全泄放、斷裂韌性以及設計標準和工程實例等幾個方面介紹中石化近幾年在二氧化碳管道輸送方面取得的主要成果，為行業內開展相似的研究工作提供參考和借鑒。

1 二氧化碳管道輸送概況

二氧化碳的輸送狀態主要是氣態、超臨界狀態、液態、固態。從大規模運輸的可行性來看，流體態（氣態、超臨界狀態和液態）更便于運輸。輸送方式主要有罐車輸送、輪船輸送和管道輸送三種。

國際上已有大量的二氧化碳管道輸送工程實踐。據統計，美國正在運營的二氧化碳干線管網長度超過6 000 km。目前，我國二氧化碳的輸送主要以低溫儲罐公路運輸為主，二氧化碳管道輸送方面的技術研究剛剛起步［1］。

2 二氧化碳管道輸送待深入研究的問題

二氧化碳管道輸送與油氣管道輸送技術相似，主要差別在于二氧化碳輸送管道對運行操作和材料防腐等方面有特殊要求。盡管國外已有大量的工程實踐，但二氧化碳輸送過程的技術問題還有待深入研究。主要有：

（1）二氧化碳流體的物理性質與壓力、溫度以及雜質組分與含量的關系。由于二氧化碳在輸送中容易發生相變，為保證穩定運行，在輸送過程中需嚴格控制輸送壓力、溫度以及雜質限值。

（2）二氧化碳定量分析和管道風險評估。盡管二氧化碳管道事故發生的頻率較低，但其危害性與泄漏擴散情況仍需進一步深入研究。工業規模的二氧化碳管道泄放試驗數據對建立二氧化碳管道泄漏擴散模型非常關鍵。目前，國際上僅有幾家單位開展過該類試驗，BP和Shell分別于2006年和2010年與挪威船級社聯合開展相關研究；在國內，大連理工大學在遼河油田也開展了一些研究。

（3）二氧化碳管輸低溫工況與減壓波影響對材料性能的要求。超臨界二氧化碳管道在快速泄壓的工況下，材料可能暴露在溫度低于三相點（-56.6℃）情況下，給管材、設備以及密封材料的低溫性能提出更高的要求。此外，超臨界二氧化碳管道更容易出現快速傳播的韌性斷裂，給管材的斷裂性能也提出了額外的要求［2］。

（4）我國二氧化碳管道輸送標準規范及法律法規不完善。目前我國還沒有專門針對二氧化碳輸送管道的標準規范和相應的法規，在工程設計中，二氧化碳被列為危險化學品，只能通過提高管道安全設計等級來保證二氧化碳管道輸送的安全性。

3 中石化二氧化碳管道輸送技術進展

針對二氧化碳管道輸送技術面臨的挑戰，中石化近幾年在管道輸送領域進行了相應的技術攻關，主要研究內容包括以下幾方面。

3.1管輸工藝

（1）不同壓力、溫度對二氧化碳的物理性質的影響。在進行二氧化碳臨界點、密度、黏度、比熱容、焓等參數計算時，由于每種數學模型都有特定的適應條件，需對計算數學模型進行選擇。通過理論計算和實驗研究數據對比分析，確定采用PR方程進行二氧化碳物性參數計算［3］。各物性參數間的相互關系分別見圖1～4。

圖1　不同壓力下密度溫度關系曲線

圖2　不同溫度下密度壓力關系曲線

圖3　不同壓力下黏度溫度關系曲線

圖4　不同溫度下黏度壓力關系曲線

（2）不同雜質組分與含量對二氧化碳流體性質的影響。不同類型以及不同含量的雜質對二氧化碳的相平衡、準臨界區、密度、黏度都有一定影響，對相平衡的影響見圖5。為了確保輸送過程中不發生相變，在管道設計時，首先要對上游介質組分進行相應的物性計算分析，明確管輸二氧化碳相圖中的關鍵參數，以指導實際工程設計與運行管理［4-5］。

（3）通過工藝可行性、安全性和經濟性等指標綜合評估，明確提出了氣相、一般液體、超臨界/密相輸送等不同輸送相態的適應性。

氣相輸送適應性：

圖5　不同雜質不同含量對相平衡影響

（1）運行壓力較低，操作安全性高。

（2）管道不需要保溫，對不同輸量適應性強，管徑大，投資高。

（3）適用于小輸量、短距離長輸管道，介質來源屬于氣相的工況，且與超臨界相比更適合于人口密集區域。

一般液體相態輸送適應性：

（1）運行壓力較低，管道需要保冷，投資費用較高。

（2）適用于小輸量、短距離的油田內部集輸管道，介質來源屬于液相的工況。

超臨界/密相輸送相態適應性：

（1）運行壓力高，投資較低，管道不需要保溫，對不同輸量適應性強。

（2）適用于大輸量、長距離的長輸管道，介質壓力較高。

（3）國外已建管道基本采用超臨界輸送，且管道沿線人口密集度較低。

3.2安全泄放

與大連理工大學聯合開展工業級的二氧化碳管道泄放試驗，考察管道內二氧化碳相變規律、管內瞬態流動規律以及泄漏場區擴散濃度分布，用于指導安全體系設計，包括安全距離、放空、緊急關斷方案以及泄漏應急預案等［6］。試驗平臺由長約260 m、管徑DN250的管道主體、雙膜可控爆破泄壓裝置以及傳感探頭與數據采集系統構成。試驗內容包括了氣相、密相、超臨界相態下的不同孔徑小孔泄漏以及全尺寸斷裂泄漏模擬。對于泄漏后的濃度限值影響范圍，通過布設在擴散區域的二氧化碳濃度探頭進行區域監測。通過后期對海量實測數據的分析，在泄放區域內二氧化碳的濃度分布呈現橢圓形態。通過對溫度監測發現，泄放口的溫度能夠降至-40～-60℃；通過濃度監測數據發現，泄漏口徑越小，監測數據波動越劇烈，濃度受風速影響越大。風速的增大，導致濃度限值的影響范圍和持續時間都迅速減小；無風條件危害最大。

3.3管材斷裂韌性指標

中石化先后與鋼研集團、中石油、DNV-GL、日本JFE、寶鋼、清華大學、意大利CSM等科研和生產單位就二氧化碳超臨界輸送狀態下的管材斷裂韌性指標以及止裂技術措施等進行了技術交流與咨詢，但因該項研究國內目前處于空白，國外也未能形成系統性的理論體系，個別科研單位尚處于技術研發與驗證階段。因此，大口徑、高鋼級、大輸量的二氧化碳管道管材斷裂韌性指標研究進展較為緩慢，目前正處于與有關科研機構結合具體研究方案編制階段［7］。

3.4基于地理信息數據的二氧化碳管道設計與優化

中石化基于地理信息數據平臺開展管道路由三維設計。依托三維設計平臺中的影像與高程數據，開展管道沿線的路由設計，可以滿足數字化、智能化管道建設的數字化移交要求。同時可依托三維設計平臺中的二氧化碳淹沒分析模塊以及高程數據，開展管道沿線重點敏感區域（高后果區）的二氧化碳淹沒分析，能夠較為準確地分析管道泄漏時的危險區域，滿足管道完整性管理的要求，為二氧化碳管道的安全運營及事故搶維修提供設計技術保障。

3.5設計標準

中石化正在開展《二氧化碳管道輸送工程設計規范》行業標準的編制，并參與了國際標準化組織WG2-二氧化碳運輸標準（ISO 27913）編制工作。

前期開展的幾項二氧化碳管道輸送工程可行性研究主要涉及標準規范使用方面，氣相輸送管道參照GB50251《輸氣管道工程設計規范》［8］、液體和超臨界輸送管道參照GB50253《輸油管道工程設計規范》、ASME B31.4《液態烴和其他液體管線輸送系統》和DNV-RP-J202［9］“Design and Operation of CO2Pipelines”等國內外設計標準進行設計。

4 中石化二氧化碳管道輸送實踐

中石化對3項二氧化碳管道輸送工程進行了前期研究設計，具體為：

（1）齊魯石化至勝利油區50萬t/a二氧化碳管道工程。該工程管輸距離72 km，二氧化碳氣源來自齊魯石化第二化肥廠煤制氣裝置的低溫甲醇洗單元，二氧化碳質量分數為91％，設計輸量62.1萬t/a（折合質量分數為99％的二氧化碳50萬t/a）。對于該工程，三種輸送相態的建設投資差距不大；考慮到工程所經區域人口密集，對安全性要求較高，而氣相輸送壓力低、密度低；因此選擇氣相輸送，管徑DN 400，設計壓力4MPa。

（2）勝利電廠至勝利油區100萬t/a二氧化碳管道工程。該工程管輸距離80 km，二氧化碳氣源來自于勝利燃煤發電廠新建600 MW機組煙氣，二氧化碳質量分數為14％，設計輸量為100萬t/a。通過不同輸送狀態的經濟性比選和適應性分析，管道工程采用超臨界輸送方式，管徑DN 250，設計壓力為12 MPa。

（3）華東油氣田二氧化碳驅工業化應用輸送管道工程。該工程管輸距離69 km，二氧化碳氣源（液態）來自于黃橋二氧化碳氣田，二氧化碳質量分數99.5％，利用二氧化碳井口壓力非增壓外輸，設計輸量68萬t/a。采用液相輸送（密相），管徑DN 250，設計壓力10 MPa。

5 二氧化碳管道輸送前景

碳源與碳匯之間的二氧化碳運輸是實現二氧化碳大規模減排的必要條件。根據碳源、匯的平均距離以及運輸系統的優化水平，國際能源機構（IEA）估算了運輸管道的部署潛力［10］。

2020年和2050年，全球二氧化碳輸送管道總長度將分別為1萬km、20萬km，管道投資需求分別為150億美元、8 250億美元［11］。

“十三五”期間，隨著西部地區煤制氣、煤化工的規模化發展，將初步形成區域性的碳源，結合西部地區沉積盆地形成的碳匯資源，建議適時啟動此區域內二氧化碳源與利用及封存匯示范性工程的前期研究，初步形成區域性的管網規劃概念，以便形成支撐CCUS全流程示范工程的大規模輸送成套技術，為未來20～30年二氧化碳的管網布局做好整體規劃的基礎研究。

［1］寧雯宇，陳磊，韓喜龍，等.CO2管道輸送技術現狀研究［J］.當代化工，2014，43（7）：1 280-1 282.

［2］劉建武.二氧化碳輸送管道工程設計的關鍵問題［J］.油氣儲運，2014，33（4）：369-373.

［3］梁海寧，邵長彬.二氧化碳輸送工藝分析［J］.山東化工，2014，43 （4）：88-91.

［4］吳瑕，李長俊，賈文龍.二氧化碳的管道輸送工藝［J］.油氣田地面工程，2010，29（9）：52-53.

［5］趙東亞，張建，劉海麗，等.CO2管道運輸的工程經濟模型［J］.石油工程建設，2013，39（5）：1-3.

［6］李家強，梁海寧，劉建武.國內二氧化碳長輸管道建設安全性分析［J］.油氣田地面工程，2014，33（4）：30-31.

［7］李昕.二氧化碳輸送管道關鍵技術研究現狀［J］.油氣儲運，2013，32（4）：343-346.

［8］GB 50251-2015，輸氣管道工程設計規范［S］.

［9］DNV-RP-J202，Design and operation of CO2pipelines［S］.

［10］SERPA J，MORBEE J，TZIMAS E.Technical and Economic Characteristics of a CO2Transmission Pipeline Infrastructure ［R］.JTC Scientific and TechnicalReport.EUR 24731 EN 2011.

［11］CHARLES D.ENERGY RESEARCH：Stimulus Gives DOE BILLIONS for Carbon-Capture Projects［J］.Science，2009，323（5 918）：1 158.

Transmission TechnologyofCO2Pipeline and Practice in Sinopec

CHEN Lin
Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

CO2transmission by pipelines is the key to ensure reasonable matching of CO2source and carbon sink，which plays an important role in CCUS.Transmission technology of CO2pipeline still faces many challenges.This paper mainly introduces some results of CO2transmission that Sinopec has achieved these years，including transmission process，safe discharge，pipe material fracture toughness index，pipeline design and optimization based on geographic information，editing of industry standard and code.It makes a brief description of three CO2pipeline transmission projects，for which Sinopec has carried out the pilot study.

CO2；pipeline transmission；Sinopec；CCUS

圖片報道：國外某油田CO2驅油集采配注站

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.002

陳霖（1982-），男，湖南漣源人，高級工程師，2004年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，現從事石油天然氣與二氧化碳長輸管道工程設計工作。Email：slecccl@163.com

2016-02-10