CO2管道输送工艺技术研究

陆争光

(1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249；2.城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)



CO2管道输送工艺技术研究

陆争光1，2

(1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249；2.城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)

摘要：我国的CO2排放量已居世界首位，碳减排压力巨大。为了控制温室气体的排放，CO2捕捉与封存技术呈现出快速发展的趋势，CO2管道输送相关的工艺技术也备受关注。基于纯CO2物性以及管输CO2中杂质的种类与含量，分析了管输CO2中的杂质会对其混合物性产生的影响规律；从管输相态选择、总体管输工艺、管输CO2杂质预处理、设计压力和流动安全保障等方面，探讨了国内外CO2管道输送工艺技术的发展，并对我国CO2管道输送研究提出了相应的建议。

关键词：CO2管道；物性；相态；工艺技术

为了控制温室气体的排放，CO2捕捉与封存技术(CCS)已被我国列入科技减排重点发展规划。将CO2回注油气藏不仅可以解决CO2封存问题，还可以提高油气采收率，从而达到环境保护与经济效益双赢[1-2]。当CO2气源与油气藏距离较远时，一般需要采用管道输送，而CO2管道输送与天然气管道输送特性差别较大；因此，CO2管道输送相关技术研究备受关注[3]。为此，本文基于纯CO2物性与管道输送CO2物性的分析，结合国外CO2管道输送技术与经验，全面总结了国内外的CO2管道输送工艺与技术，并对我国CO2管道输送研究提出了相应的建议。

1纯CO2与管道输送CO2物性

1.1纯CO2物性

CO2管道输送的相态有3种：气态、液态及超临界状态。目前，世界上大多数CO2管道采用超临界状态输送工艺，运行温度>31.1 ℃，运行压力>7.3 MPa。

处于超临界状态下的纯CO2为单一相态流体，兼有气体和液体的部分属性，其物性具有非常规流体特性与变化规律，主要包括如下几点[4-6]。

1)密度与液体相近，随着单因素压力的增大或温度的减小，密度会呈现线性增大，但≤1 200 kg/m3。当处于临界点附近时，CO2密度会随着压力或温度的小幅变化而发生突变。

2)黏度较小，与气体比较相似。在相同压力条件下，CO2黏度会随着温度的升高，先缓慢降低后增大，且在临界点附近也会发生突变。

3)对乙烯/丙烯共聚物橡胶等多种常用橡胶具有很好的溶解性，是工业上优良的溶剂。

1.2管道输送CO2物性

相关研究表明，管道输送CO2中的杂质含量对管道完整性管理、流动保障、管道运行以及HSE均有不可忽视的影响，具体影响总结分析如图1所示。因此，在进行管道水力和热力计算之前，应充分掌握管道输送CO2的物性及其变化规律。

图1　管道输送CO2中杂质的影响

目前，世界上大多数CO2捕捉的气源来自电厂，CO2捕捉方式主要包括燃烧前捕捉、燃烧后捕捉以及富氧燃烧捕捉等3种。管道输送CO2中杂质的种类和含量主要取决于捕捉工艺、捕捉技术以及电厂使用的能源；此外，电厂当地的环保法律规范和经济发展对管道输送CO2中杂质的种类和含量均会有一定的限制或影响。根据文献调研，总结归纳捕捉电厂CO2气源的组成见表1。

表1　不同捕捉方式下的CO2气源组成　(%)

由表1可知，不同捕捉方式下的CO2气源杂质较多，且CO2气源纯度存在一定的差异，其中，富氧燃烧捕捉的CO2气源纯度波动范围最大，其次是燃烧前捕捉，燃烧后捕捉的CO2气源的纯度波动较小，且纯度中位值最高。此外，管道输送CO2中的杂质会对其混合物性产生一定的影响，主要包括如下几点。

1)临界温度和压力高/低于纯CO2的杂质会使得管道输送CO2的临界温度增高/降低，并在纯相图上/下方形成两相区。

2)SOX、NOX及H2S杂质会使管道输送CO2的密度增大，其余杂质则会使管道输送CO2的密度降低，其中，H2对管道输送CO2的密度影响最大。此外，临界温度与压力比纯CO2低/高的杂质还会使密度突变处的压力升高/降低。

3)临界温度与压力比纯CO2高/低的杂质会使管道输送CO2的黏度增大/减小。在气相区，杂质对管道输送CO2的黏度影响较小，而在超临界区，杂质对管道输送CO2的黏度影响很大。

2CO2管道输送工艺技术

2.1管道输送相态的选择

相关研究表明，超临界输送适用于长距离、大规模CO2管道，其最远输送距离随着管道输量的增加而减小；气态与液态输送适用于短距离、小规模CO2管道，其最远输送距离相对较小，随着管道输量的增加，最远输送距离先增大后减小。目前，世界上大多数CO2管道采用超临界输送，但管道输送相态的选择与CO2气源具体情况、管道输送距离、规模以及沿线环境等均有关，应当根据各相态下的综合运输成本来决定最佳的输送方式。

此外，管道输送CO2建议设计为单相流流动[7]，避免出现两相区，主要原因如下：1)当管道沿线压力降低至饱和蒸汽压以下时，管道中会形成气泡，气泡在管道沿线中可能会形成湍流，对管道及设备产生损坏，进入压缩机后，在高压区气泡会急剧收缩、凝结，对泵叶轮等产生高强度的冲击；2)两相流的压降和物性变化规律比较难以掌握，增加了管道运行操作的难度；3)相对于超临界输送，管道输送过程中两相区的出现会降低管道输量。

2.2管道输送工艺技术

由于超临界CO2管道输送的应用范围较广，更加经济，在此着重介绍超临界CO2管道输送方面的工艺与相关技术，主要从总体管道输送工艺、管道输送CO2杂质预处理、设计压力和流动安全保障等方面进行总结分析。

2.2.1总体管道输送工艺

CO2气源经过预处理、脱水处理后，先进行压缩机增压，然后液化。由于超临界CO2输送过程中压力、温度均会下降，可能进入密相或两相区，因此，在CO2长输管道中应设置中间增压站、加热站，保持其超临界输送状态运行。

与常规输油气管道不同，CO2长输管道首站一般为压缩机增压站，中间增压站为泵站。此外，CO2长输管道还可以根据需要设置相应的清管站、分输站及计量站。输送至管道末端时，管道末站应当根据CO2回注的要求调节压力。

2.2.2管道输送CO2杂质预处理

鉴于管道输送CO2中含有的杂质对管道输送物性等影响较大，借鉴现役CO2管道的设计与运行经验，提出管道输送CO2杂质预处理的相关指标建议，主要有如下几点[8-9]。

1)H2S含量≤0.02%。由于H2S属于有毒气体，且容易与自由水结合进而腐蚀管道，出于健康和安全的考虑，建议至少将H2S含量限制在<0.02%。当管道穿越区人口密度较大时，还应当按照情况调低限制含量。

2)含水量≤0.5 g/m3，且在管道输送过程中不应出现自由水。一方面，H2O容易与H2S、CO2发生交互作用，腐蚀管道和设备；另一方面，管道中出现自由水还可能会形成水合物，堵塞甚至破坏管道和设备。当杂质含量较多时，还应重新考虑含水量的指标限制。

3)N2、H2、CH4、O2及Ar的总含量≤4%。N2、H2、CH4、O2及Ar均属于非可凝气体，会减小管道输送能力，增加管道输送过程中相变控制难度，提高管道设备的承压要求，因此，出于运行操作方面的考虑，应当将这些非可凝气体的总含量控制在<4%。

4)CO、NOX和SOX含量分别≤0.2%、0.01%和0.01%。CO是可燃的有毒气体，会对人体造成较大的伤害甚至死亡。NOX、SOX均属于酸性气体，可以与H2O、O2发生交互作用，进而对管道和设备产生腐蚀。

5)管道输送CO2中的杂质总含量≤4.5%，即管道输送CO2纯度≥95.5%。由杂质对管道输送CO2物性等的影响分析可知，杂质含量较多会导致管道设计和运行的不确定性较大，减小管道输送能力，不利于管道的安全操作运行，因此，需要对杂质总含量加以限制。

2.2.3管道输送CO2设计压力

国外CO2长输管道一般采用超临界单相输送方式。为了保持其单相输送，国外学者总结认为，管道输送设计压力应≥8.3 MPa，一般取值为16～20 MPa，且用于EOR的管道末端压力应保持在>13.95 MPa。国外部分超临界管道的设计压力等参数[10]见表2。在表2中，Central Basi管道外径和设计压力沿线分为4个等级；Weyburn管道外径沿线分为2个等级，设计压力为20.4 MPa。

表2　国外部分超临界管道参数

2.2.4流动安全保障

为了尽可能减少腐蚀、避免管道输送过程中的相变和水合物形成，应计算掌握管道沿线的气质、流体温度、压力以及流量，因此，选取合理的水力、热力计算公式至关重要。

由于超临界CO2属于低黏度、高密度和可压缩液体，相对于沿程摩阻引起的压力变化，高程变化引起的压力变化可能更大，因此，选取的水力计算公式应考虑超临界CO2的特殊物性以及高程差。本文推荐美国天然气协会给出的水力计算公式[11]：

式中，Q是超临界CO2管道的标态流量，单位为m3/d；TB、Tpj分别是基本温度、管道的平均温度，单位为K；PB、PQ、PZ和Ppj分别是基本压力、管道的起点压力、终点压力和平均压力，单位为kPa；ΔH、L分别是管段高程差、管段长度，单位为m；ρ是超临界CO2管道的标态密度，单位为kg/m3；Z是超临界CO2的压缩因子；D是管段内径，单位为mm。

相对于常规天然气管道，超临界CO2管道的热力计算公式还应考虑流体密度突变的影响，推荐相应的热力计算公式如下：

式中，TQ、TZ和TG分别是管道的起点温度、终点温度和周围土壤温度，单位为K；JT是焦耳汤姆逊系数，单位为K/kPa；K是传热系数，单位为W/(m2·℃)；CP是流体比热容，单位为J/(g·℃)。

3对我国CO2管道输送研究的建议

目前，国外CO2管道里程大约为6 000 km，其中大部分管道位于美国，其余分布于挪威、阿尔及利亚、土耳其以及匈牙利，初步建立了比较成熟的CO2管道输送设计体系，积累了丰富的建设与运行经验。然而，我国在CO2管道建设运行方面尚处于空白阶段，CO2管道输送技术相对薄弱。

因此，借鉴国外CO2管道输送工艺与技术经验，结合国内输油气管道工艺与技术特点，对我国CO2管道输送研究提出了如下几点建议：1)管道输送CO2中的杂质会对管道输送CO2物性产生较大的影响，应当充分研究掌握杂质种类与含量对管道输送CO2物性的定性与定量影响，并逐步建立管道输送CO2组分含量相关标准；2)应结合本国国情，根据气源、输送距离等具体情况，研究选择经济合理的输送方式，而不是依靠经验选取常用的超临界输送方式；3)国外研究虽然建立了较多的CO2管道输送经济计算模型，但是经济评估相差较大，我国可以借鉴其模型考虑的CO2非常规管道输送特性、国内输油气管道的经济评估方法，建立初步的经济评估模型；4)国外采用的CO2管道设计和运行标准主要有ANXI/ASME B31.8、CSA-Z662-07等，但没有统一的标准，建议我国开展研究CO2管道设计和运行标准与常规输油气管道标准之间可能存在的差异，进而通过完善已有标准，为今后的CO2管道设计提供设计依据。

4结语

通过上述分析，可以得出如下结论。

1)超临界状态下的纯CO2兼有液态和气态的一些属性，其密度、黏度等物性具有非常规流体特性与变化规律。

2)管道输送CO2的杂质种类和含量与其捕捉工艺、捕捉技术以及电厂使用的能源有关，对管道输送混合物性的影响较大。

3)管道输送CO2相态有气态、液态以及超临界，其选择与CO2气源具体情况、管道输送距离、规模以及沿线环境等有关，应根据综合运输成本来决定优选输送方式。

4)超临界CO2管道输送工艺技术已经比较成熟，主要包括总体管道输送工艺、管道输送CO2杂质预处理、设计压力和流动安全保障。我国应当借鉴国外CO2管道输送工艺技术和丰富的经验，不断研究开发符合我国国情的输送工艺技术。

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责任编辑郑练

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

作者简介：陆争光(1991-)，男，硕士研究生，主要从事油气长距离管道输送技术等方面的研究。

中图分类号：TE 832

文献标志码:A