不同相態管輸CO2的節流放空實驗

李玉星 滕 霖 王武昌 胡其會 趙 青 李順麗

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室3.中國石油管道科技研究中心

不同相態管輸CO2的節流放空實驗

李玉星1,2滕 霖1,2王武昌1,2胡其會1,2趙 青1,3李順麗1,2

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室3.中國石油管道科技研究中心

李玉星等.不同相態管輸CO2的節流放空實驗. 天然氣工業，2016, 36(10): 126-136.

為了探究管輸CO2節流放空過程中的壓力、溫度響應及相態變化，基于Joule-Thomson效應搭建了橇裝實驗裝置，分別進行了超臨界態、液態、氣態及含雜質氣態CO2多級節流放空實驗。通過實驗發現：①超臨界態及氣態實驗出口溫度先上升后下降，而液態實驗出口溫度先下降后上升并最終與主管溫度變化一致；②主管內CO2的壓力、溫度隨著實驗的進行而不斷下降，且各截面之間參數差異明顯，表明壓力擾動傳播速度受密度影響；③含雜質N2的CO2放空時出口溫度低于純氣態CO2放空，主管內壓力隨時間變化速率大于純CO2實驗主管壓力變化速率；④管外氣云逐漸收縮為氣錐，氣錐隨管內壓力下降、溫度上升逐漸減弱并最終消失。實驗結果表明：①在單級節流相同壓降下，液態實驗產生的溫降明顯小于超臨界態及氣態節流溫降，但液態CO2全節流過程會因發生相變而使平均節流效應增強；②密度影響內能對外耗散的程度，進而影響節流系數，即密度增大，節流系數降低。進而建議，通過增大泄放速率、節流入口增溫、節流出口整流等措施來實現對CO2放空過程的安全控制。

CO2管道 CCS 節流 放空 相態實驗 超臨界態 節流效應 氣云變化 安全控制

碳捕集及埋存技術（Carbon Dioxide Capture, Storage，簡稱CCS）是實現全球二氧化碳減排的有效方式[1-2]，而CO2管道輸送是CCS技術的重要一環。為防止管道出現超壓事故，通常需要進行CO2管道的人為放空。放空過程可以近似認為是節流過程。CO2的強節流性質，有可能在放空過程中生成干冰堵塞管道，從而造成管道破裂等一系列危害[3-6]。國內外目前對CO2管道人為放空過程的研究尚不多見。

國外學者在CO2意外泄漏實驗研究方面開展了相關工作，Cosham[7]等研究了全尺寸CO2管道斷裂，發現臨界溫度低于CO2的雜質（如N2）會使減壓波傳播過程中壓力保持穩定，不利于管道斷裂控制；Koeijera[8]等通過研究液態CO2泄漏過程，發現液態泄漏過程中發生相變，導致減壓特性變化。值得一提的是，近年來歐盟第七框架協議資助的CO2PipeHaz項目[9]進行了大量CO2管道失效泄壓方面的研究。其中，大連理工大學搭建了273 mm（管徑）×20 mm（壁厚）、長256 m的工業規模級別的實驗管道，研究了不同相態CO2管道泄放過程中管內的壓力及相應相態變化[10]。英國倫敦大學學院（UCL）Mahgerefteh教授的課題組基于CO2PipeHaz項目的實驗數據開展了大量瞬變模型研究，分別建立了均相和非均相兩相流動模型來描述CO2管道泄壓過程管內的瞬變流動[11-13]。國內學者對高壓CO2噴射進行了初步探索。中國科學技術大學的Li[14]等搭建了實驗室規模的實驗環道，研究了不同噴嘴尺寸影響下的超臨界CO2泄漏現象，并認為孔模型的預測結果與實驗結果更為接近。徐肖肖[15]等建立了跨臨界CO2壓縮噴射系統的實驗臺，通過改變工作環境參數及調節節流閥開度，分析噴射器進出口狀態參數、噴射系數以及升壓比的變化趨勢，從而得出不同工況下系統穩定性規律。黃冬平[16]采用針閥代替安全閥，實驗研究了CO2安全閥進口干度、閥開度對安全閥及下游管路中流動堵塞的影響。由上述可見，目前還缺乏針對大規模CO2輸送管道人為放空過程的研究，尤其是在復雜流道下不同相態CO2節流放空過程中管內壓力、溫度變化規律還不明確。

為此，筆者進行了不同相態CO2多級節流放空實驗，采集分析節流過程中節流管及主管內主要參數變化規律，以期為大規模CO2輸送管道放空過程的安全控制技術研究提供可靠的實驗數據。

1 管輸CO2節流放空實驗設計

1.1 實驗原理

CO2管道的人為放空過程可以看作是CO2流體從固定容積容器內通過小孔向大氣泄放，此過程為節流過程。節流過程的基本原理為Joule-Thomson效應，節流過程的快速大壓降會使管內溫度發生較大變化，在溫度、壓力綜合變化下，管內CO2流體的相態及密度也發生較大變化。

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括主管道及節流管段兩部分，主管道連接著差壓傳感器及溫度傳感器，節流管段包括節流調節閥、溫度傳感器及壓力傳感器，用以采集節流后的溫度及壓力值，實驗裝置如圖1所示。

實驗主管道及節流管段均采用304不銹鋼建造，其中主管道直徑為250 mm，壁厚為12 mm，總長為12 m，管道容積近600 L，外壁設有加熱套及保溫層，水平節流管總長4 m，內徑為50 mm，設三級節流閥，其中為保證各級節流后流體能穩定進入下一級節流，各級節流閥間節流管長1.5 m進行穩流，節流管幾何結構簡略示意如圖1-b所示，其中各級節流閥具體參數如表1所示。

為保證實驗安全順利進行，綜合考慮了管道強度、節流管末段穩壓、瞬態噴射力及噪聲安全防護等。實驗過程中，CO2流體將通過氣源注入封閉主管道，在封閉主管道內對固定質量CO2流體通過加熱裝置調節至實驗壓力溫度，該參數下CO2通過主管道出口閥門進入節流流程，進而放空至大氣，實驗過程采集主管道及節流管段壓力及溫度動態變化。如圖1-a所示，在采集截面設有1個壓力采集點，3個溫度采集點，這主要是因為管內壓力各向相同，而為了克服環境及加熱裝置對外壁溫度不均勻性影響，以3個采集點采集數據的平均值作為該截面CO2溫度，采集系統頻率為100 Hz。

1.3 實驗內容

選取3組初始相態分別是超臨界態、液態和氣態實驗進行分析，同時考慮到雜質對節流放空的影響[17]，還選取了一組含摩爾分數為5%氮氣的實驗。具體工況如表2所示。

2 實驗結果與討論

圖1 節流放空實驗裝置示意圖

表1 節流閥參數表

表2 管理CO2不通相態節流實驗工況表

數據采集系統在實驗過程中可實現100 Hz的采集頻率，為了避免波動，實驗壓力均以MPa為計量單位，以每秒內100個采集數據的算術平均值作為該時刻的實驗值，形成較為平滑的變化曲線，使得節流過程管內壓力、溫度變化的宏觀規律清晰直觀。

2.1 不同相態管輸CO2節流放空實驗結果

2.1.1 超臨界態CO2節流實驗

2.1.1.1 節流管內參數變化規律

圖2為超臨界態泄放過程中三級節流管內的壓力、溫度響應曲線。總體上，節流入口壓力隨時間變化連續降低，各級節流出口壓力在實驗開始的較短時間內由環境壓力上升至閥門調節的固定出口壓力，穩定至各級節流入口壓力不再高于調節的出口壓力，形成閥門全開工況，此時出口壓力的變化規律與上游來流參數基本一致。節流入口溫度隨時間變化降低，而各級節流出口溫度在實驗開始時由環境溫度迅速下降至較低溫度，在整個實驗過程中，節流后溫度基本為先上升而后隨上游溫度共同下降規律，不同節流出口溫度隨時間速率不同。

2.1.1.2 主管內參數及氣云變化規律

圖2 超臨界態CO2泄放壓力、溫度響應曲線圖

圖3 為超臨界態CO2節流上游主管壓力、溫度變化曲線。以圖2所示采集截面6的參數，即一級節流入口參數為基準參數，分析主管不同界面的溫度、壓力隨時間的變化規律。對節流管下游由管嘴噴射至大氣環境中的CO2氣云進行觀測，氣云形成受三級節流后的參數影響，相關分析可以輔助驗證節流管內參數變化規律研究。主管內壓力及溫度變化曲線如圖3所示，實驗過程中管外各時刻的氣云變化見圖4。

由圖3可知，主管內壓力及溫度隨時間降低，同時隨著實驗的進行，主管沿程各截面相對位于主管末端節流入口處的基準截面產生正向的壓差及溫差，距離主管入口越近，相應的壓差及溫差越大，也就是說，在相同時刻下，主管內各截面壓力及溫度不同，主管入口截面壓力及溫度較高，主管末端相應參數較低，且隨著實驗進行，這些壓差及溫差的絕對數值將逐漸變大。雖然壓差與溫差是實際存在的，但最大差值約為70 kPa、1.4 ℃左右，這主要是因為節流實驗的系統失壓過程較為平緩，且該實驗裝置的總長度相對較短。

在實驗開始時，主管內超臨界態CO2經過三級節流閥門及出口管嘴后形成低溫CO2并在大氣環境中自由膨脹，在環境中進一步形成溫度更低的干冰顆粒，在噴射動量的帶動下形成擴散狀氣云；隨著主管球閥在20 s內完全開啟，各級節流閥門使下游CO2流動穩定，在管嘴之前形成相態參數穩定的CO2，使得噴射氣云在自由擴散狀中逐漸收縮形成錐狀氣云；在穩定的三級節流出口壓力及較低溫度下，錐狀氣云將在管嘴持續存在；由節流管內溫度變化規律可知，隨著各級節流入口溫度逐漸與主管內溫度平衡，三級節流出口溫度逐漸升高，在穩定壓力及上升溫度綜合作用下，由CO2固態顆粒形成的氣云將逐漸減弱，在觀測現象方面可見“氣錐”長度變短，顏色由純白色向透明減弱；當實驗進行至400 s以后，主管內的低壓CO2經節流流程通過管嘴噴射至大氣環境，因此即使存在大氣環境中自由膨脹溫降，也不

足以使噴射出的CO2在管嘴處形成固體顆粒。總之，超臨界態CO2節流過程管外各時刻氣云變化符合對裝置內壓力及溫度變化規律的分析。

圖3 超臨界態CO2節流上游主管壓力、溫度變化曲線圖

圖4 超臨界態CO2節流下游管外各時刻云圖

2.1.2 液態CO2節流實驗

2.1.2.1 節流管內參數變化規律

圖5為液態CO2節流放空實驗三級節流管內壓力溫度響應曲線。與超臨界態實驗對比，各級節流維持穩定出口壓力的絕對時間較長，但各段時間在液態工況實驗中的持續時間比例小于超臨界態實驗，這表示CO2管道節流過程中放空流量節流過程各參數變化規律。由圖5可以看出，液態CO2流經閥門流道更易產生相對較多的局部壓損，但各自整體變化規律保持一致。

液態CO2節流實驗溫度變化規律與超臨界態實驗不同之處在于，一級節流出口溫度與入口溫度相差極小，這主要是因為液態工況實驗初始參數較低，在一級節流4 MPa的固定出口壓力下對液態流體節流效應極弱，因而雖然起到了微小的減壓作用，但溫降則不如初始參數較高的超臨界態節流明顯；二級節流出口溫度因上一級出口溫度下降而開始下降，當一級節流出口參數與主管內參數平衡一致時，二級節流出口溫度隨時間開始上升并直至與主管內參數一致，這主要是因為節流前后壓差變小，進而溫差變小直至平衡；同理，三級節流出口溫度變化規律同樣受上一級出口參數影響；在實驗過程后期出現溫度平緩穩定現象，主要因為主管道外壁的高溫在較長的時間下對管內剩余低溫CO2產生了影響，因實際實驗過程中不能實現

完全絕熱，因而主管內溫度不能保持持續下降趨勢。

圖5 液態CO2節流壓力變化曲線圖

2.1.2.2 主管內參數及氣云變化規律

圖6表示液態CO2節流實驗主管內壓力、溫度變化曲線，圖7表示管外各時刻云圖。

由圖6可知，主管內壓力及溫度大體上隨著實驗進行而降低，沿程各截面相對基準截面產生正向的壓差及溫差。與超臨界態實驗不同在于，液態實驗前期各截面之間參數差異不大，而后期各參數差異逐漸變大，這主要是因為前期管內相態為液態，密度較大，壓力擾動傳播迅速，隨著實驗的進行，管內CO2逐漸變為氣態，密度較小，壓力擾動傳播變慢，而溫度則在壓力耦合作用下具有相同的變化規律。

觀測管外氣云隨時間變化現象可以進一步輔證對節流管內壓力及溫度變化規律的分析結論。液態實驗結束后，可以看到在噴射管嘴外壁形成并包裹一層較厚的白色霜粒，可以認為這些白色顆粒既有噴射出的CO2干冰顆粒附著，同時也包含由于噴射過程使管嘴外壁溫度極低，空氣在外壁凝結成霜而產生的部分附著。根據該現象可以得出結論，在突縮突擴截面上易由于節流及膨脹產生極為劇烈溫降，若在復雜流道內，低溫產生的CO2固態顆粒易發生堵塞。對比超臨界態及液態兩組CO2節流實驗，超臨界態工況較高的初始溫度可以更為有效防止干冰在管內生成。

2.1.3 氣態純CO2節流實驗

2.1.3.1 節流管內參數變化規律

圖6 液態CO2節流上游主管壓力、溫度變化曲線圖

圖7 液態CO2節流下游管外各時刻云圖

圖8 氣態純CO2節流壓力、溫度變化曲線圖

圖8 為氣態CO2節流放空實驗三級節流管內壓力、溫度響應曲線。氣態實驗壓力整體變化趨勢與其他相態實驗相似，一級節流入口壓力隨時間變化連續降低，一級節流及二級節流出口壓力迅速由環境壓力上升，并分別穩定在閥門調節的2 MPa及1 MPa。就一級節流入口壓力而言，壓降速率隨時間延長逐漸變小。在3.5 MPa以下的氣態純CO2密度隨溫度變化不大，同時密度隨壓力變化也遠不如超臨界態CO2密度變化劇烈。因此氣態實驗曲線變化相對平滑，因而可以認為氣態節流過程比伴隨相變的超臨界態及液態節流過程相對穩定易控。

節流入口即主管內溫度隨時間變化平緩降低，各級節流出口溫度由環境溫度迅速下降，在實驗過程中逐漸上升并最終與入口溫度平衡一致。一級節流在入口壓力下降、節流前后壓差減小條件下，出口溫度隨入口溫度的下降而上升，二者之間溫差不斷減小并最終趨于平衡一致，二級節流出口溫度則在固定壓差條件下不斷上升，而在二級節流不再起節流減壓作用時，逐漸趨于主管溫度。氣態實驗總壓降不如超臨界態實驗壓降大，因而節流后產生的低溫與主管內溫度相差也相對較小。

2.1.3.2 主管內參數及氣云變化規律

圖9表示氣態CO2節流實驗主管內壓力、溫度變化曲線，圖10表示管外各時刻云圖。

由圖9可見，與其他相態實驗相同之處在于主管道入口截面參數較高，末端較低；不同之處在于氣態實驗主管道沿程各截面參數差值不如超臨界態實驗參數波動明顯，此外，不同于液態實驗之處在于各截面參數的差值不存在增大幅度先小后大現象，這主要因為氣態CO2密度較低，壓力波動傳播速度相對較慢，同時既不存在超臨界態密度波動現象，也不存在液態減壓過程相變現象。就差值采集而言，各截面壓力差值通過差壓傳感器直接采集，而溫度差值則通過采集溫度的絕對數值間接采集溫差，受

實驗裝置總長限制，各截面參數絕對差值不大，因而曲線波動在誤差范圍內，符合實驗預期。

圖10 氣態純CO2節流下游管外各時刻云圖

經管嘴噴射入大氣環境并自由膨脹的CO2氣云濃度明顯低于超臨界態及液態實驗，氣態實驗初始壓力較低，且兩級節流使得末級節流出口溫度高于其他相態實驗，因而噴射氣云在大氣環境中消散較快（圖10中10 s所示）。隨著主管道出口球閥完全開啟，實驗進入穩定節流減壓工況，在固定出口壓力下管外形成穩定氣錐（圖10中40 s所示）；隨著出口溫度的不斷升高并趨于主管內溫度，氣錐逐漸減弱變短（圖10中120 s所示），在管內剩余CO2放空過程中，較低壓力的CO2氣體泄放出來，自由膨脹性弱，氣錐則完全消失。

2.1.4 含雜質氣態CO2節流實驗

2.1.4.1 節流管內參數變化規律

圖11為含5%N2（摩爾分數）氣態CO2節流放空實驗三級節流管內壓力、溫度響應曲線。

含雜質氣態實驗壓力整體變化趨勢與純氣態實驗基本一致，一級節流入口壓力隨時間變化連續降低，一級節流及二級節流出口壓力迅速由環境壓力上升并分別穩定在閥門調節的2 MPa及1 MPa，當各級節流入口壓力不再高于調節出口壓力，出口壓力與上游來流參數相近。同時，與純氣態實驗過程對比，含雜質氣態實驗的壓降速率更大，這表示含雜質氣態CO2與純CO2相比產生相同壓降的時間更短，進而快速率的壓降耦合產生的溫降更大，也就是說，含雜質氣態CO2與純CO2相比相同壓降產生的溫降可能更大。

含雜質氣態CO2節流實驗溫度變化規律與純氣態節流相似，圖11中所有曲線在穩定工況下連續平滑，這表示實驗過程中系統內CO2避開兩相流生成條件，始終保持氣態。與純氣態實驗不同之處在于，相同壓差條件下，含雜質氣態節流具有相對更低的出口溫度，節流前后溫差更大，這是因為節流過程將內能轉化為動能，N2作為非極性雜質降低了混合氣體的密度及熱容，因而需要通過增大溫差進行補償以獲得相同的動能；一級出口曲線，即二級入口曲線的大幅上升并不能使二級出口曲線具有相同幅度的上升，這表示節流過程中提高入口溫度可以有效避免下游出口溫度過低，但不能換來等效能量利用，同理，入口溫度的大幅下降同樣不會使下級出口溫度顯著降低，這一點在超臨界態實驗中也有體現。可以認為，多級節流過程中，首級節流過程參數變化波動性強，

末級節流參數變化速率相對平緩，但整個節流過程的最低溫通常出現在末級節流，特別是液態CO2及含非極性雜質CO2節流較為明顯，因而長期處于低溫的系統末端將是安全控制的重要區域。

圖11 含雜質氣態CO2節流壓力、變化曲線圖

2.1.4.2 主管內參數變化規律

含雜質氣態CO2節流實驗初始參數與純氣態實驗初始參數相同，節流管內壓力、溫度變化規律與純氣態實驗基本相似，將主管沿程采集各截面參數與純氣態實驗對比分析，管外噴射氣云隨時間變化的觀測現象同樣基本相似，在沒有具體管外采集數據條件下不再做詳細描述，主管內壓力及溫度變化曲線對比情況如圖12所示。

由圖12可見，含雜質CO2實驗主管內壓力、溫度變化規律與純CO2實驗變化趨勢基本一致，各截面產生的壓差及溫差在差值上相近。N2作為非極性雜質對兩相區的改變主要通過泡點線，露點線基本不變，因而含雜質CO2實驗主管內壓力變化速率較大，在隨之耦合作用產生溫降的共同作用下，主管內CO2并不生成兩相流動；各截面差值相近，一方面說明雜質在混合氣體中比例較小，在實驗裝置總長度有限條件下雜質對密度數值進而對壓力擾動傳播速度的影響與純CO2實驗相比較小，另一方面則說明含雜質CO2實驗中相同實驗時刻下管內參數整體低于純CO2實驗。

圖12 氣態CO2節流上游主管壓力、溫度變化曲線對比圖

2.2 不同相態實驗壓降—溫降響應

圖13 不同相態CO2實驗初級節流過程溫降—壓降曲線圖

為了研究不同初始相態對節流溫降的影響，對比分析不同相態實驗結果中壓降與所產生溫降的對應關系。圖13表示不同相態CO2初級節流的壓降與溫降關系。曲線上散點的疏密程度表示溫降及壓降產生的速率，各點之間越稀疏，表示溫壓降發生的速率越大，反之密集散點表示溫壓降速率相對較小。圖13中曲線自大壓降處開始，隨著主管道閥門開啟，溫壓降逐漸變慢。由圖13可見，各相態初級節流過程整體規律相近，溫降隨節流壓降變小而逐漸減小，但不同相態實驗溫降減小幅度相差不同，超臨界態實驗在較高的初始壓力作用下產生較大溫降，而在相同壓降作用下，液態產生的溫降明顯小于超臨界態及氣態節流溫降；隨著實驗進行，管內超臨界態隨狀態參數變化轉變為氣態，因而超臨界態初級節流過程曲線的后期與氣態曲線基本重合。

圖14 不同相態CO2實驗全節流過程溫降—壓降曲線圖

圖14 表示不同相態CO2全節流的壓降與溫降關系。從圖14可以看出，節流放空溫度先急降后緩升，這是放空初期壓差大、節流效應強所致。液態CO2全節流過程曲線的正向斜率體現了液態CO2不同于單級節流過程，主要是因為液態CO2在節流管內發生相變，相變前保持液態較弱的節流效應，相變后氣態CO2節流效應使得全節流過程的平均節流效應增強，因此實驗原理中提及的節流效應是不同相態CO2在獨立節流過程中表征溫降及內能耗散能力的一種特性，由此可知，在工程實際中，多級節流或復雜流道流動的CO2應防止在各級節流之間及流道截面變化處因相變增強節流效應而產生的低溫危害。

2.3 CO2節流系數變化規律

式中cp表示定壓比熱，J/(mol?K)；ρ表示CO2密度，kg/m3；p表示壓力，MPa；T表示溫度，K。式中的偏導數可以采用PR方程求解[18]。當超臨界CO2的相態參數位于臨界點附近時，節流系數雖仍然連續變化，但越靠近臨界點，相同溫度變化引起的節流系數變化幅度越大。

圖15表示純CO2節流系數的實驗值和理論值對比。正如式（1）所示，可采用內能和密度來分析節流系數變化規律的產生原因，氣態CO2的密度較低，內能的對外耗散體現較大溫降，因而節流系數較大；而氣態各溫度下密度相差不是很大，分子間距大，高溫下氣態CO2的內能耗散會通過分子的高頻振動彌補溫度損失，而低溫氣態CO2的內能耗散主要由溫降體現，因此氣態CO2低溫條件下節流系數較大；液態CO2密度較大，內能的對外耗散對整個系統影響較小，超臨界態CO2密度通常介于二者之間，高壓下密度增大，節流系數也相對降低，同理，在臨界點附近，密度對系統狀態參數的敏感性極高，進而使得節流系數的變化性較強。

圖15 純CO2節流系數隨壓力、溫度變化關系圖

2.4 CO2管道放空過程安全控制建議

根據對CO2節流放空特性的分析，結合工程實際給出以下安全控制建議：

1）就泄放減壓過程安全控制的總體原則而言，增大泄放速率、節流入口增溫、節流出口整流可以作為實現目的的主要方式。

2）非純CO2節流時應控制雜質的含量，當采用多級節流時，較高的初始溫度可以防止放空管出口處干冰的形成。

3）采用節流方式對CO2管道進行泄放減壓應避免節流管及主管內的狀態位于兩相區內及臨界點附近，從而保持節流過程的平穩流動。

3 結論

1）針對不同相態CO2節流放空過程參數變化規律進行研究，得到了各相態下CO2通過節流方式泄放減壓過程中主要參數變化規律及管外氣云變化規律。實驗發現：超臨界態及氣態實驗出口溫度呈現先上升趨于主管內CO2溫度而后下降的規律，液態實驗出口溫度先下降再上升并最終與主管溫度一致變化；主管內CO2的壓力溫度隨時間進行不斷下降，各截面之間參數差異明顯且隨時間進行差異增大，表明壓力擾動傳播速度受密度影響；管外氣云變化對應末級節流出口參數變化規律，通過觀測可見氣云收縮為氣錐，氣錐隨壓力下降溫度上升逐漸減弱并

最終消失。

2）含雜質氣態CO2節流實驗節流管內參數隨時間變化規律與純CO2實驗基本一致，不同之處在于含雜質CO2實驗前期出口溫度相比純CO2實驗節流出口溫度較低；主管內壓力隨時間變化速率大于純CO2實驗主管壓力變化速率，各截面差值與純CO2實驗差值相近，但整體上各截面溫度低于相同實驗時刻下純CO2溫度。

3）對不同相態實驗壓降—溫降響應的分析結果表明：在單級節流相同壓降下，液態產生的溫降明顯小于超臨界態及氣態節流溫降；不同相態CO2在全節流過程中溫降始終隨壓降變小而逐漸減小，其中液態CO2全節流過程曲線具有明顯斜率呈下降趨勢。這表明：液態CO2全節流過程中因為發生相變使平均節流效應增強。

4）采用內能和密度分析節流系數變化規律：氣態CO2的密度較低，內能的對外耗散體現較大溫降，因而節流系數較大；液態CO2密度較大，內能的對外耗散對整個系統影響較小，超臨界態CO2密度通常介于二者之間，高壓下密度增大，節流系數也相對降低。最后，對CO2管道放空過程安全控制提出了相關建議。

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（修改回稿日期 2016-07-08 編 輯 何 明）

An experimental study on throttling and blowdown of pipeline CO2in different phase states

Li Yuxing1,2, Teng Lin1,2, Wang Wuchang1,2, Hu Qihui1,2, Zhao Qing1,3, Li Shunli1,2
(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum , Qingdao, Shandong 266580, China; 2. Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Security of Shandong Province, Qingdao, Shandong 266580, China; 3. PetroChina Pipeline R&D Center, Langfang, Hebei 065000, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.126-136, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In order to investigate the temperature and pressure responses and phase change during the throttling and blowdown of pipeline CO2, we set up a skid-mounted experimental device based on the Joule–Thomson effect. And this device was used for multistage CO2throttling and blowdown experiments at supercritical state, liquid state, gaseous state and gaseous state with impurities, respectively. The following results are obtained. First, the outlet temperature increases and then decreases in the experiment under supercritical state and gaseous state, while it decreases, then increases and finally complies with the temperature change of the main pipeline under liquid state. Second, the pressure and temperature of CO2in the main pipeline decrease continuously in the process of the experiment, and the parameter differences between sections are large, indicating that the propagation velocity of pressure disturbance is affected by the density. Third, the outlet temperature during the blowdown of CO2with N2was lower than that of pure CO2, and the pressure change rate of the experiment with N2is higher than that of pure CO2experiment. And fourth, the gas cloud outside the pipeline shrinks into gas coning gradually, and the gas coning diminishes and ultimately disappears with the decrease of pressure and f temperature inside the pipeline. It is indicated that, with the same pressure drop of single-stage throttling, the temperature drop in liquid state is much less than that in supercritical state and gaseous state. Due to the phase change in the whole throttling process of liquid CO2, however, the average throttling effect is enhanced. The density affects the degree of internal energy dissipation, and then affects the throttling coefficient. It means that the throttling coefficient decreases with the increasing of the density. Finally, it is recommended to fulfill the safety control on CO2throttling process by taking some measures, such as increasing the discharge rate, increasing the temperature at the throttling inlet and adjusting the flow pattern at the throttling outlet.

CO2pipeline; CCS; Throttling; Blowdown; Phase experiment; Supercritical state; Throttling effect; Gas cloud change; Safety control

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.016

國家自然科學基金項目“含雜質超臨界 CO2管道輸送安全控制關鍵技術研究”（編號：51374231）、中央高校基本科研業務費專項資金“超臨界CO2管道泄漏擴散機理及安全評價研究”（編號：16CX06005A）、國家科技支撐計劃項目“大規模燃煤電廠煙氣CO2捕集純化、輸送及安全控制技術研究”（編號：2012BAC24B01）。

李玉星，1970年生，教授，中國石油學會第九屆天然氣專業委員會委員；主要從事油氣安全方面的研究和教學工作。地址：（266580）山東省青島市黃島區長江西路66號。電話：（0532） 86981818。ORCID: 0000-0001-6035-1206。E-mail: liyx@upc.edu.cn