CO2管內節流實驗裝置設計及實驗研究

胡其會, 滕 霖, 王財林, 張大同, 葉 曉, 顧帥威, 李玉星

(1. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室, 山東 青島 266580)

化石燃料燃燒等人類活動產生了大量以CO2為主的溫室氣體,加劇了全球性的氣候變暖[1]。C捕集及埋存技術(carbon dioxide capture, storage,CCS)是一項重要的溫室氣體減排解決方案,已被我國列為國家中長期科技發展規劃。CO2管輸技術是CCS的關鍵技術之一。節流作為應用最廣泛的調壓方法,在CO2管輸過程發揮重要作用。但CO2氣體節流效應較強,節流前后溫降遠大于一般氣體[2],含雜質CO2的節流特性更加復雜[3]。如果CO2管道運行過程中節流壓差過大,節流后會出現溫度過低現象:當CO2中含水且溫度低至冰點以下時,管內游離水會結冰而堵塞管道；當溫度低至三相點溫度以下時,管內CO2會發生相變,形成干冰堵塞管道,甚至會使管道發生脆斷。因此,利用實驗測量管輸CO2的節流溫降,對于CO2管道的節流控制和安全運行具有重要意義。

1 節流研究現狀

目前,對于天然氣節流溫降的研究已經十分成熟。李穎川等[4]基于能量守恒原理和范德華混合規則,導出了天然氣節流溫降的數學模型。彭世尼等[5]對采用vdW、RK方程直接求導法和理想氣體狀態方程的修正式求導法求得的焦耳-湯姆遜系數值與實測值、常規方法所得的值進行了對比。李玉星等[6]基于能量守恒原理和BWRS方程,建立了天然氣氣嘴節流溫降模型。針對CO2節流過程的理論研究方面,Huang等[7]建立了高壓CO2節流泄放過程中的干冰沉積和消融模型。李順麗等[2]建立了CO2等焓節流模型,并給出了考慮相變的CO2節流后溫度的計算方法。滕霖等[8-9]建立了CO2孔口泄漏的瞬態流動模型和含CO2的多相流節流模型。

在實驗研究方面,現有的研究主要集中于節流后CO2的相變特性,包括黃冬平等的針型閥堵塞實驗[10]、Yamaguchi等的干冰管內沉積實驗[11-12]等。目前,仍未見文獻給出CO2穩態節流溫降的實驗結果,因此CO2節流實驗研究仍具有較高科學研究價值,是對CO2節流理論研究和工程應用的有效補充和參考。

本文基于Joule-Thomson效應原理,設計了CO2節流實驗裝置,進行了不同相態CO2節流實驗,采集分析節流過程中管內參數變化情況。該裝置可以對含雜質CO2管內節流溫降進行研究,對于CO2管道節流安全控制和管道凍堵防治具有借鑒意義。

2 實驗原理

2.1 CO2物性

在常溫常壓下,CO2是一種無色無味氣體,密度比空氣大。它不可燃、無毒,但高濃度CO2有窒息風險,在空氣中達到7%～10%時就會導致人無意識。圖1為純CO2的相態圖。純CO2的臨界壓力為7.38 MPa,臨界溫度為31.1 ℃；三相點壓力為0.52 MPa,溫度為-56 ℃。純CO2的相態可以分為超臨界流體區、密相區、一般液相區、氣相區和固相區5個區域。

圖1 純CO2相態圖

2.2 節流過程

流體在流道中經過閥門、孔板等突然縮小的斷面時,會產生渦流而使壓力下降,這種現象稱為節流[13]。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會發生較大變化。

流體在流道內發生節流時與外界交換的熱量很少,可忽略不計,因而可以視為絕熱過程。節流部件長度較短,節流前后的位能變化可以忽略。忽略氣體對外做功,根據穩定流動方程可以推導出絕熱節流的能量方程式為

(1)

式中h1、h2分別為節流前后流體的比焓；c1、c2分別為節流前后流體的速度。在通常情況下,管道內節流前后速度變化不大,絕熱節流前后動能之差遠遠小于焓差,可以忽略不計。

圖2為節流后CO2密度與壓力關系曲線。對于純CO2,在臨界壓力附近的準臨界區域內CO2密度變化非常劇烈,易導致物性波動，使流體跨越臨界點產生相變。CO2在正常輸送工況下進行節流降壓時,受節流前后溫度、壓力的影響,節流過程可能會跨越臨界點生成兩相流,如果節流壓差過大則可能會生成干冰[14]。

入口溫度較高的超臨界CO2流體從超臨界區直接進入氣相區,未進入氣液兩相區。此時CO2經過節流降壓后溫度和密度均逐漸降低,沒有明顯突變。整個節流過程溫度密度平穩下降,沒有形成兩相流及干冰。入口溫度較低的超臨界CO2經節流降壓后首先轉換為密相或者氣相,溫度和密度發生緩慢變化；然后產生氣液兩相,溫度和密度發生突變[2]。

2.3 干冰堵塞危害

管內高壓CO2將在節流孔口處形成強節流效應,管內溫度場發生驟變。當溫度降至一定壓力條件下的水冰點以下時,可能會出現游離水結冰而凍堵管道的現象；當降至一定壓力和溫度時,CO2會發生相變而形成干冰,可能會堵塞管道并嚴重影響管道的正常輸送。此外強烈的低溫也會對管道及附屬設備造成損傷,使鋼管更易產生脆斷[15]。

3 實驗裝置設計及建造

實驗裝置流程圖如圖3所示。實驗裝置由CO2增壓部分和節流實驗測試部分組成。CO2增壓部分利用CO2泵和高壓釜使來自氣瓶CO2的壓力達到實驗所需節流閥前壓力,流入測試部分,在測試部分進行節流,測量閥后不同位置的溫度和壓力。

圖3 實驗裝置流程圖

CO2增壓部分由CO2氣瓶、冷箱、CO2泵和帶水浴的CO2釜組成,實物圖見圖4(a)。由CO2氣瓶流出的CO2經過冷箱的冷卻成為液體,通過CO2泵增壓,進入CO2釜中。通過本套流程,可將CO2增壓至臨界壓力以上。同時通過調節釜的水浴溫度,可間接調節釜內CO2溫度,從而保證釜內溫度壓力的可控性,得到不同相態的CO2。

節流實驗測試部分是一段內徑為15 mm不銹鋼管道,壁厚為3 mm,由總長為10 m的直管段和一個彎管段組成,實物圖見圖4(b)。管道外壁設有加熱套和保溫層。管道上設有一個節流閥,節流閥后設有可視透明管段,便于觀察節流后管內流動情況和CO2相變情況。管道末端設置有一個分離器,分離器頂端為一個背壓閥,用以調節節流閥后壓力。管道上不同位置處布有壓力溫度傳感器各9個,可以測量節流閥前后的流體流動參數。

圖4 實驗裝置實物圖

4 實驗步驟

根據純CO2三相圖可知,CO2必須在臨界壓力和臨界溫度之上才能達到超臨界態,因此進行超臨界狀態下節流實驗時,一大難點是實驗裝置必須能夠提供足夠壓力(7.38 MPa以上)。將氣態CO2加壓為超臨界態,并維持穩定，這需要CO2冷箱、CO2泵、恒溫水浴匹配協調工作和基于數據采集系統的精準控制。節流過程的監測與控制也是一大難點。管道內的CO2相態不同時,節流方案也不同,安全控制節流過程,主要體現在控制CO2流體在系統內特別是流經節流裝置等復雜流動過程中的相態變化,控制其壓力及溫度變化過程,因此需要對這兩項參數進行實時監控記錄。節流過程中,管道不同位置處的溫度、壓力分布不同,因此需要對實驗管道不同位置處的溫度壓力進行實時記錄,以判斷實驗過程中可能出現冰堵的位置。

實驗過程中,通過CO2泵將CO2流體注入CO2釜中,通過調節泵控制釜內壓力,通過調節水浴溫度控制釜內溫度,使CO2分別達到氣態、密相和超臨界態的不同工況。當釜內溫度、壓力參數穩定后,打開節流閥進行不同工況下的CO2管內節流實驗。實驗過程中采集主管道及節流管段壓力及溫度的動態變化。具體實驗步驟如下:

(1) 先以氣態CO2注入實驗管道掃氣,清除管內空氣,使氣態雜質對實驗CO2產生的組分不確定性影響最小；

(2) 掃氣完成后,打開CO2釜之前的所有進氣閥門和節流閥前閥門,關閉其他閥門；

(3) 氣瓶組中的CO2通過制冷機組冷卻成液態CO2后,經過增壓泵進入高壓釜；

(4) 通過控制CO2泵的工作來調節CO2流體壓力,通過控制恒溫水浴溫度調節CO2流體溫度,直到釜內的CO2達到實驗所需相態,關閉CO2釜進口閥門；

(5) 待釜內溫度壓力參數穩定后,開啟出口閥,然后使CO2進入節流流程，同步采集主管道及節流管段壓力及溫度動態變化數據,直至節流閥后的CO2壓力、溫度趨于穩定；

(6) 實驗結束時要關閉主管道出口閥及其他實驗設備。

溫度傳感器為探針探入式,對管內CO2節流高速流動過程會產生擾動,產生測量誤差。

5 實驗方案設計及結果

5.1 實驗方案

在此基礎上設計實驗方案,以驗證多級節流對安全放空的作用,并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。實驗工況見表1。

第二，對內部資本市場相關法律法規進行完善，建立健全相關集團企業會計準則，提升會計準則的質量，規范會計信息的披露規則，完善相關法律法規制度遏制市場的違規行為，進一步加大處罰力度，增加違規違法成本。

表1 實驗工況

5.2 實驗結果

圖5為氣態CO2節流過程中節流閥后0.2 m處的壓力溫度響應曲線。節流開始前,節流閥前的壓力和溫度分別穩定在5.1 MPa和28.5 ℃左右。節流過程中,突然開閥使高壓CO2迅速流向閥后,導致閥后壓力急劇升高,在7 s內由1.3 MPa迅速升至4.0 MPa,之后高壓CO2逐漸經過實驗環道從出口閥排出,管內壓力下降,下降趨勢整體呈現指數函數變化,最終穩定在1.8 MPa左右。根據節流過程的等焓原理,CO2節流后溫度隨壓力下降而下降,因此節流閥后的溫度在節流過程中出現急劇下降,在15 s內由29.5 ℃降至12.7 ℃,之后又逐漸回升,最后穩定至19.5 ℃左右。

圖5 氣態CO2節流閥后0.2 m處的壓力溫度響應曲線

圖6為超臨界相態CO2節流過程中,節流閥后0.2 m處的壓力溫度響應曲線。節流開始前,節流閥前的壓力和溫度分別穩定在8.0 MPa和38.2 ℃左右。節流過程中,閥后壓力在8 s內由1.9 MPa迅速升至5.6 MPa,之后又逐漸下降,最終穩定在1.9 MPa左右;在開始下降的約75 s內保持0.042 MPa/s的線性下降速率,然后下降速度減小。節流閥后的溫度在節流過程中先急劇下降,在5 s內由25.4 ℃降至18.0 ℃,然后迅速升高至24.4 ℃,之后又緩慢下降,最后逐漸穩定至22.9 ℃左右。出現這種現象的原因是節流后的CO2相態發生了變化,CO2由超臨界態逐漸變為氣態。CO2進入氣液兩相區,大量CO2氣化吸熱,從而使流體的溫度發生了下降,但相對節流溫降而言并不明顯。通過節流閥后的透明管段可以觀察到明顯的兩相流動,驗證了上述分析的準確性。

圖6 超臨界態CO2節流閥后0.2 m處的壓力溫度響應曲線

對比兩組不同相態下的管內節流實驗,可以看出氣態CO2的節流效應明顯強于超臨界CO2,這主要是由于不同相態下CO2的節流系數不同,氣態CO2的節流系數更大,因此溫降效果更明顯。

6 結語

本文設計了一套CO2節流實驗裝置,可以進行不同相態下含雜質CO2管內節流實驗。通過CO2增壓部分調節CO2達到所需的穩定相態,通過節流實驗測試部分分析節流后的溫度和壓力變化。實驗結果表明,不同相態下的管內節流壓降、溫降規律不同,氣態CO2的節流效應明顯強于超臨界CO2,在節流過程更容易使游離水結冰出現凍堵現象；超臨界CO2節流后會發生相變,出現氣液兩相流動。實驗對CO2管道節流安全控制和管道凍堵防治具有指導意義。

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