不同相态管输CO2的节流放空实验
2016-12-08李玉星王武昌胡其会李顺丽
李玉星 滕 霖 王武昌 胡其会 赵 青 李顺丽
1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2.山东省油气储运安全省级重点实验室3.中国石油管道科技研究中心
不同相态管输CO2的节流放空实验
李玉星1,2滕 霖1,2王武昌1,2胡其会1,2赵 青1,3李顺丽1,2
1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2.山东省油气储运安全省级重点实验室3.中国石油管道科技研究中心
李玉星等.不同相态管输CO2的节流放空实验. 天然气工业，2016, 36(10): 126-136.
为了探究管输CO2节流放空过程中的压力、温度响应及相态变化，基于Joule-Thomson效应搭建了橇装实验装置，分别进行了超临界态、液态、气态及含杂质气态CO2多级节流放空实验。通过实验发现：①超临界态及气态实验出口温度先上升后下降，而液态实验出口温度先下降后上升并最终与主管温度变化一致；②主管内CO2的压力、温度随着实验的进行而不断下降，且各截面之间参数差异明显，表明压力扰动传播速度受密度影响；③含杂质N2的CO2放空时出口温度低于纯气态CO2放空，主管内压力随时间变化速率大于纯CO2实验主管压力变化速率；④管外气云逐渐收缩为气锥，气锥随管内压力下降、温度上升逐渐减弱并最终消失。实验结果表明：①在单级节流相同压降下，液态实验产生的温降明显小于超临界态及气态节流温降，但液态CO2全节流过程会因发生相变而使平均节流效应增强；②密度影响内能对外耗散的程度，进而影响节流系数，即密度增大，节流系数降低。进而建议，通过增大泄放速率、节流入口增温、节流出口整流等措施来实现对CO2放空过程的安全控制。
CO2管道 CCS 节流 放空 相态实验 超临界态 节流效应 气云变化 安全控制
碳捕集及埋存技术（Carbon Dioxide Capture, Storage，简称CCS）是实现全球二氧化碳减排的有效方式[1-2]，而CO2管道输送是CCS技术的重要一环。为防止管道出现超压事故，通常需要进行CO2管道的人为放空。放空过程可以近似认为是节流过程。CO2的强节流性质，有可能在放空过程中生成干冰堵塞管道，从而造成管道破裂等一系列危害[3-6]。国内外目前对CO2管道人为放空过程的研究尚不多见。
国外学者在CO2意外泄漏实验研究方面开展了相关工作，Cosham[7]等研究了全尺寸CO2管道断裂，发现临界温度低于CO2的杂质（如N2）会使减压波传播过程中压力保持稳定，不利于管道断裂控制；Koeijera[8]等通过研究液态CO2泄漏过程，发现液态泄漏过程中发生相变，导致减压特性变化。值得一提的是，近年来欧盟第七框架协议资助的CO2PipeHaz项目[9]进行了大量CO2管道失效泄压方面的研究。其中，大连理工大学搭建了273 mm（管径）×20 mm（壁厚）、长256 m的工业规模级别的实验管道，研究了不同相态CO2管道泄放过程中管内的压力及相应相态变化[10]。英国伦敦大学学院（UCL）Mahgerefteh教授的课题组基于CO2PipeHaz项目的实验数据开展了大量瞬变模型研究，分别建立了均相和非均相两相流动模型来描述CO2管道泄压过程管内的瞬变流动[11-13]。国内学者对高压CO2喷射进行了初步探索。中国科学技术大学的Li[14]等搭建了实验室规模的实验环道，研究了不同喷嘴尺寸影响下的超临界CO2泄漏现象，并认为孔模型的预测结果与实验结果更为接近。徐肖肖[15]等建立了跨临界CO2压缩喷射系统的实验台，通过改变工作环境参数及调节节流阀开度，分析喷射器进出口状态参数、喷射系数以及升压比的变化趋势，从而得出不同工况下系统稳定性规律。黄冬平[16]采用针阀代替安全阀，实验研究了CO2安全阀进口干度、阀开度对安全阀及下游管路中流动堵塞的影响。由上述可见，目前还缺乏针对大规模CO2输送管道人为放空过程的研究，尤其是在复杂流道下不同相态CO2节流放空过程中管内压力、温度变化规律还不明确。
为此，笔者进行了不同相态CO2多级节流放空实验，采集分析节流过程中节流管及主管内主要参数变化规律，以期为大规模CO2输送管道放空过程的安全控制技术研究提供可靠的实验数据。
1 管输CO2节流放空实验设计
1.1 实验原理
CO2管道的人为放空过程可以看作是CO2流体从固定容积容器内通过小孔向大气泄放，此过程为节流过程。节流过程的基本原理为Joule-Thomson效应，节流过程的快速大压降会使管内温度发生较大变化，在温度、压力综合变化下，管内CO2流体的相态及密度也发生较大变化。
1.2 实验装置
实验装置包括主管道及节流管段两部分，主管道连接着差压传感器及温度传感器，节流管段包括节流调节阀、温度传感器及压力传感器，用以采集节流后的温度及压力值，实验装置如图1所示。
实验主管道及节流管段均采用304不锈钢建造，其中主管道直径为250 mm，壁厚为12 mm，总长为12 m，管道容积近600 L，外壁设有加热套及保温层，水平节流管总长4 m，内径为50 mm，设三级节流阀，其中为保证各级节流后流体能稳定进入下一级节流，各级节流阀间节流管长1.5 m进行稳流，节流管几何结构简略示意如图1-b所示，其中各级节流阀具体参数如表1所示。
为保证实验安全顺利进行，综合考虑了管道强度、节流管末段稳压、瞬态喷射力及噪声安全防护等。实验过程中，CO2流体将通过气源注入封闭主管道，在封闭主管道内对固定质量CO2流体通过加热装置调节至实验压力温度，该参数下CO2通过主管道出口阀门进入节流流程，进而放空至大气，实验过程采集主管道及节流管段压力及温度动态变化。如图1-a所示，在采集截面设有1个压力采集点，3个温度采集点，这主要是因为管内压力各向相同，而为了克服环境及加热装置对外壁温度不均匀性影响，以3个采集点采集数据的平均值作为该截面CO2温度，采集系统频率为100 Hz。
1.3 实验内容
选取3组初始相态分别是超临界态、液态和气态实验进行分析，同时考虑到杂质对节流放空的影响[17]，还选取了一组含摩尔分数为5%氮气的实验。具体工况如表2所示。
2 实验结果与讨论
图1 节流放空实验装置示意图
表1 节流阀参数表
表2 管理CO2不通相态节流实验工况表
数据采集系统在实验过程中可实现100 Hz的采集频率，为了避免波动，实验压力均以MPa为计量单位，以每秒内100个采集数据的算术平均值作为该时刻的实验值，形成较为平滑的变化曲线，使得节流过程管内压力、温度变化的宏观规律清晰直观。
2.1 不同相态管输CO2节流放空实验结果
2.1.1 超临界态CO2节流实验
2.1.1.1 节流管内参数变化规律
图2为超临界态泄放过程中三级节流管内的压力、温度响应曲线。总体上，节流入口压力随时间变化连续降低，各级节流出口压力在实验开始的较短时间内由环境压力上升至阀门调节的固定出口压力，稳定至各级节流入口压力不再高于调节的出口压力，形成阀门全开工况，此时出口压力的变化规律与上游来流参数基本一致。节流入口温度随时间变化降低，而各级节流出口温度在实验开始时由环境温度迅速下降至较低温度，在整个实验过程中，节流后温度基本为先上升而后随上游温度共同下降规律，不同节流出口温度随时间速率不同。
2.1.1.2 主管内参数及气云变化规律
图2 超临界态CO2泄放压力、温度响应曲线图
图3 为超临界态CO2节流上游主管压力、温度变化曲线。以图2所示采集截面6的参数，即一级节流入口参数为基准参数，分析主管不同界面的温度、压力随时间的变化规律。对节流管下游由管嘴喷射至大气环境中的CO2气云进行观测，气云形成受三级节流后的参数影响，相关分析可以辅助验证节流管内参数变化规律研究。主管内压力及温度变化曲线如图3所示，实验过程中管外各时刻的气云变化见图4。
由图3可知，主管内压力及温度随时间降低，同时随着实验的进行，主管沿程各截面相对位于主管末端节流入口处的基准截面产生正向的压差及温差，距离主管入口越近，相应的压差及温差越大，也就是说，在相同时刻下，主管内各截面压力及温度不同，主管入口截面压力及温度较高，主管末端相应参数较低，且随着实验进行，这些压差及温差的绝对数值将逐渐变大。虽然压差与温差是实际存在的，但最大差值约为70 kPa、1.4 ℃左右，这主要是因为节流实验的系统失压过程较为平缓，且该实验装置的总长度相对较短。
在实验开始时，主管内超临界态CO2经过三级节流阀门及出口管嘴后形成低温CO2并在大气环境中自由膨胀，在环境中进一步形成温度更低的干冰颗粒，在喷射动量的带动下形成扩散状气云；随着主管球阀在20 s内完全开启，各级节流阀门使下游CO2流动稳定，在管嘴之前形成相态参数稳定的CO2，使得喷射气云在自由扩散状中逐渐收缩形成锥状气云；在稳定的三级节流出口压力及较低温度下，锥状气云将在管嘴持续存在；由节流管内温度变化规律可知，随着各级节流入口温度逐渐与主管内温度平衡，三级节流出口温度逐渐升高，在稳定压力及上升温度综合作用下，由CO2固态颗粒形成的气云将逐渐减弱，在观测现象方面可见“气锥”长度变短，颜色由纯白色向透明减弱；当实验进行至400 s以后，主管内的低压CO2经节流流程通过管嘴喷射至大气环境，因此即使存在大气环境中自由膨胀温降，也不
足以使喷射出的CO2在管嘴处形成固体颗粒。总之，超临界态CO2节流过程管外各时刻气云变化符合对装置内压力及温度变化规律的分析。
图3 超临界态CO2节流上游主管压力、温度变化曲线图
图4 超临界态CO2节流下游管外各时刻云图
2.1.2 液态CO2节流实验
2.1.2.1 节流管内参数变化规律
图5为液态CO2节流放空实验三级节流管内压力温度响应曲线。与超临界态实验对比，各级节流维持稳定出口压力的绝对时间较长，但各段时间在液态工况实验中的持续时间比例小于超临界态实验，这表示CO2管道节流过程中放空流量节流过程各参数变化规律。由图5可以看出，液态CO2流经阀门流道更易产生相对较多的局部压损，但各自整体变化规律保持一致。
液态CO2节流实验温度变化规律与超临界态实验不同之处在于，一级节流出口温度与入口温度相差极小，这主要是因为液态工况实验初始参数较低，在一级节流4 MPa的固定出口压力下对液态流体节流效应极弱，因而虽然起到了微小的减压作用，但温降则不如初始参数较高的超临界态节流明显；二级节流出口温度因上一级出口温度下降而开始下降，当一级节流出口参数与主管内参数平衡一致时，二级节流出口温度随时间开始上升并直至与主管内参数一致，这主要是因为节流前后压差变小，进而温差变小直至平衡；同理，三级节流出口温度变化规律同样受上一级出口参数影响；在实验过程后期出现温度平缓稳定现象，主要因为主管道外壁的高温在较长的时间下对管内剩余低温CO2产生了影响，因实际实验过程中不能实现
完全绝热，因而主管内温度不能保持持续下降趋势。
图5 液态CO2节流压力变化曲线图
2.1.2.2 主管内参数及气云变化规律
图6表示液态CO2节流实验主管内压力、温度变化曲线，图7表示管外各时刻云图。
由图6可知，主管内压力及温度大体上随着实验进行而降低，沿程各截面相对基准截面产生正向的压差及温差。与超临界态实验不同在于，液态实验前期各截面之间参数差异不大，而后期各参数差异逐渐变大，这主要是因为前期管内相态为液态，密度较大，压力扰动传播迅速，随着实验的进行，管内CO2逐渐变为气态，密度较小，压力扰动传播变慢，而温度则在压力耦合作用下具有相同的变化规律。
观测管外气云随时间变化现象可以进一步辅证对节流管内压力及温度变化规律的分析结论。液态实验结束后，可以看到在喷射管嘴外壁形成并包裹一层较厚的白色霜粒，可以认为这些白色颗粒既有喷射出的CO2干冰颗粒附着，同时也包含由于喷射过程使管嘴外壁温度极低，空气在外壁凝结成霜而产生的部分附着。根据该现象可以得出结论，在突缩突扩截面上易由于节流及膨胀产生极为剧烈温降，若在复杂流道内，低温产生的CO2固态颗粒易发生堵塞。对比超临界态及液态两组CO2节流实验，超临界态工况较高的初始温度可以更为有效防止干冰在管内生成。
2.1.3 气态纯CO2节流实验
2.1.3.1 节流管内参数变化规律
图6 液态CO2节流上游主管压力、温度变化曲线图
图7 液态CO2节流下游管外各时刻云图
图8 气态纯CO2节流压力、温度变化曲线图
图8 为气态CO2节流放空实验三级节流管内压力、温度响应曲线。气态实验压力整体变化趋势与其他相态实验相似，一级节流入口压力随时间变化连续降低，一级节流及二级节流出口压力迅速由环境压力上升，并分别稳定在阀门调节的2 MPa及1 MPa。就一级节流入口压力而言，压降速率随时间延长逐渐变小。在3.5 MPa以下的气态纯CO2密度随温度变化不大，同时密度随压力变化也远不如超临界态CO2密度变化剧烈。因此气态实验曲线变化相对平滑，因而可以认为气态节流过程比伴随相变的超临界态及液态节流过程相对稳定易控。
节流入口即主管内温度随时间变化平缓降低，各级节流出口温度由环境温度迅速下降，在实验过程中逐渐上升并最终与入口温度平衡一致。一级节流在入口压力下降、节流前后压差减小条件下，出口温度随入口温度的下降而上升，二者之间温差不断减小并最终趋于平衡一致，二级节流出口温度则在固定压差条件下不断上升，而在二级节流不再起节流减压作用时，逐渐趋于主管温度。气态实验总压降不如超临界态实验压降大，因而节流后产生的低温与主管内温度相差也相对较小。
2.1.3.2 主管内参数及气云变化规律
图9表示气态CO2节流实验主管内压力、温度变化曲线，图10表示管外各时刻云图。
由图9可见，与其他相态实验相同之处在于主管道入口截面参数较高，末端较低；不同之处在于气态实验主管道沿程各截面参数差值不如超临界态实验参数波动明显，此外，不同于液态实验之处在于各截面参数的差值不存在增大幅度先小后大现象，这主要因为气态CO2密度较低，压力波动传播速度相对较慢，同时既不存在超临界态密度波动现象，也不存在液态减压过程相变现象。就差值采集而言，各截面压力差值通过差压传感器直接采集，而温度差值则通过采集温度的绝对数值间接采集温差，受
实验装置总长限制，各截面参数绝对差值不大，因而曲线波动在误差范围内，符合实验预期。
图10 气态纯CO2节流下游管外各时刻云图
经管嘴喷射入大气环境并自由膨胀的CO2气云浓度明显低于超临界态及液态实验，气态实验初始压力较低，且两级节流使得末级节流出口温度高于其他相态实验，因而喷射气云在大气环境中消散较快（图10中10 s所示）。随着主管道出口球阀完全开启，实验进入稳定节流减压工况，在固定出口压力下管外形成稳定气锥（图10中40 s所示）；随着出口温度的不断升高并趋于主管内温度，气锥逐渐减弱变短（图10中120 s所示），在管内剩余CO2放空过程中，较低压力的CO2气体泄放出来，自由膨胀性弱，气锥则完全消失。
2.1.4 含杂质气态CO2节流实验
2.1.4.1 节流管内参数变化规律
图11为含5%N2（摩尔分数）气态CO2节流放空实验三级节流管内压力、温度响应曲线。
含杂质气态实验压力整体变化趋势与纯气态实验基本一致，一级节流入口压力随时间变化连续降低，一级节流及二级节流出口压力迅速由环境压力上升并分别稳定在阀门调节的2 MPa及1 MPa，当各级节流入口压力不再高于调节出口压力，出口压力与上游来流参数相近。同时，与纯气态实验过程对比，含杂质气态实验的压降速率更大，这表示含杂质气态CO2与纯CO2相比产生相同压降的时间更短，进而快速率的压降耦合产生的温降更大，也就是说，含杂质气态CO2与纯CO2相比相同压降产生的温降可能更大。
含杂质气态CO2节流实验温度变化规律与纯气态节流相似，图11中所有曲线在稳定工况下连续平滑，这表示实验过程中系统内CO2避开两相流生成条件，始终保持气态。与纯气态实验不同之处在于，相同压差条件下，含杂质气态节流具有相对更低的出口温度，节流前后温差更大，这是因为节流过程将内能转化为动能，N2作为非极性杂质降低了混合气体的密度及热容，因而需要通过增大温差进行补偿以获得相同的动能；一级出口曲线，即二级入口曲线的大幅上升并不能使二级出口曲线具有相同幅度的上升，这表示节流过程中提高入口温度可以有效避免下游出口温度过低，但不能换来等效能量利用，同理，入口温度的大幅下降同样不会使下级出口温度显著降低，这一点在超临界态实验中也有体现。可以认为，多级节流过程中，首级节流过程参数变化波动性强，
末级节流参数变化速率相对平缓，但整个节流过程的最低温通常出现在末级节流，特别是液态CO2及含非极性杂质CO2节流较为明显，因而长期处于低温的系统末端将是安全控制的重要区域。
图11 含杂质气态CO2节流压力、变化曲线图
2.1.4.2 主管内参数变化规律
含杂质气态CO2节流实验初始参数与纯气态实验初始参数相同，节流管内压力、温度变化规律与纯气态实验基本相似，将主管沿程采集各截面参数与纯气态实验对比分析，管外喷射气云随时间变化的观测现象同样基本相似，在没有具体管外采集数据条件下不再做详细描述，主管内压力及温度变化曲线对比情况如图12所示。
由图12可见，含杂质CO2实验主管内压力、温度变化规律与纯CO2实验变化趋势基本一致，各截面产生的压差及温差在差值上相近。N2作为非极性杂质对两相区的改变主要通过泡点线，露点线基本不变，因而含杂质CO2实验主管内压力变化速率较大，在随之耦合作用产生温降的共同作用下，主管内CO2并不生成两相流动；各截面差值相近，一方面说明杂质在混合气体中比例较小，在实验装置总长度有限条件下杂质对密度数值进而对压力扰动传播速度的影响与纯CO2实验相比较小，另一方面则说明含杂质CO2实验中相同实验时刻下管内参数整体低于纯CO2实验。
图12 气态CO2节流上游主管压力、温度变化曲线对比图
2.2 不同相态实验压降—温降响应
图13 不同相态CO2实验初级节流过程温降—压降曲线图
为了研究不同初始相态对节流温降的影响，对比分析不同相态实验结果中压降与所产生温降的对应关系。图13表示不同相态CO2初级节流的压降与温降关系。曲线上散点的疏密程度表示温降及压降产生的速率，各点之间越稀疏，表示温压降发生的速率越大，反之密集散点表示温压降速率相对较小。图13中曲线自大压降处开始，随着主管道阀门开启，温压降逐渐变慢。由图13可见，各相态初级节流过程整体规律相近，温降随节流压降变小而逐渐减小，但不同相态实验温降减小幅度相差不同，超临界态实验在较高的初始压力作用下产生较大温降，而在相同压降作用下，液态产生的温降明显小于超临界态及气态节流温降；随着实验进行，管内超临界态随状态参数变化转变为气态，因而超临界态初级节流过程曲线的后期与气态曲线基本重合。
图14 不同相态CO2实验全节流过程温降—压降曲线图
图14 表示不同相态CO2全节流的压降与温降关系。从图14可以看出，节流放空温度先急降后缓升，这是放空初期压差大、节流效应强所致。液态CO2全节流过程曲线的正向斜率体现了液态CO2不同于单级节流过程，主要是因为液态CO2在节流管内发生相变，相变前保持液态较弱的节流效应，相变后气态CO2节流效应使得全节流过程的平均节流效应增强，因此实验原理中提及的节流效应是不同相态CO2在独立节流过程中表征温降及内能耗散能力的一种特性，由此可知，在工程实际中，多级节流或复杂流道流动的CO2应防止在各级节流之间及流道截面变化处因相变增强节流效应而产生的低温危害。
2.3 CO2节流系数变化规律
式中cp表示定压比热，J/(mol•K)；ρ表示CO2密度，kg/m3；p表示压力，MPa；T表示温度，K。式中的偏导数可以采用PR方程求解[18]。当超临界CO2的相态参数位于临界点附近时，节流系数虽仍然连续变化，但越靠近临界点，相同温度变化引起的节流系数变化幅度越大。
图15表示纯CO2节流系数的实验值和理论值对比。正如式（1）所示，可采用内能和密度来分析节流系数变化规律的产生原因，气态CO2的密度较低，内能的对外耗散体现较大温降，因而节流系数较大；而气态各温度下密度相差不是很大，分子间距大，高温下气态CO2的内能耗散会通过分子的高频振动弥补温度损失，而低温气态CO2的内能耗散主要由温降体现，因此气态CO2低温条件下节流系数较大；液态CO2密度较大，内能的对外耗散对整个系统影响较小，超临界态CO2密度通常介于二者之间，高压下密度增大，节流系数也相对降低，同理，在临界点附近，密度对系统状态参数的敏感性极高，进而使得节流系数的变化性较强。
图15 纯CO2节流系数随压力、温度变化关系图
2.4 CO2管道放空过程安全控制建议
根据对CO2节流放空特性的分析，结合工程实际给出以下安全控制建议：
1）就泄放减压过程安全控制的总体原则而言，增大泄放速率、节流入口增温、节流出口整流可以作为实现目的的主要方式。
2）非纯CO2节流时应控制杂质的含量，当采用多级节流时，较高的初始温度可以防止放空管出口处干冰的形成。
3）采用节流方式对CO2管道进行泄放减压应避免节流管及主管内的状态位于两相区内及临界点附近，从而保持节流过程的平稳流动。
3 结论
1）针对不同相态CO2节流放空过程参数变化规律进行研究，得到了各相态下CO2通过节流方式泄放减压过程中主要参数变化规律及管外气云变化规律。实验发现：超临界态及气态实验出口温度呈现先上升趋于主管内CO2温度而后下降的规律，液态实验出口温度先下降再上升并最终与主管温度一致变化；主管内CO2的压力温度随时间进行不断下降，各截面之间参数差异明显且随时间进行差异增大，表明压力扰动传播速度受密度影响；管外气云变化对应末级节流出口参数变化规律，通过观测可见气云收缩为气锥，气锥随压力下降温度上升逐渐减弱并
最终消失。
2）含杂质气态CO2节流实验节流管内参数随时间变化规律与纯CO2实验基本一致，不同之处在于含杂质CO2实验前期出口温度相比纯CO2实验节流出口温度较低；主管内压力随时间变化速率大于纯CO2实验主管压力变化速率，各截面差值与纯CO2实验差值相近，但整体上各截面温度低于相同实验时刻下纯CO2温度。
3）对不同相态实验压降—温降响应的分析结果表明：在单级节流相同压降下，液态产生的温降明显小于超临界态及气态节流温降；不同相态CO2在全节流过程中温降始终随压降变小而逐渐减小，其中液态CO2全节流过程曲线具有明显斜率呈下降趋势。这表明：液态CO2全节流过程中因为发生相变使平均节流效应增强。
4）采用内能和密度分析节流系数变化规律：气态CO2的密度较低，内能的对外耗散体现较大温降，因而节流系数较大；液态CO2密度较大，内能的对外耗散对整个系统影响较小，超临界态CO2密度通常介于二者之间，高压下密度增大，节流系数也相对降低。最后，对CO2管道放空过程安全控制提出了相关建议。
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（修改回稿日期 2016-07-08 编 辑 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
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
国家自然科学基金项目“含杂质超临界 CO2管道输送安全控制关键技术研究”（编号：51374231）、中央高校基本科研业务费专项资金“超临界CO2管道泄漏扩散机理及安全评价研究”（编号：16CX06005A）、国家科技支撑计划项目“大规模燃煤电厂烟气CO2捕集纯化、输送及安全控制技术研究”（编号：2012BAC24B01）。
李玉星，1970年生，教授，中国石油学会第九届天然气专业委员会委员；主要从事油气安全方面的研究和教学工作。地址：（266580）山东省青岛市黄岛区长江西路66号。电话：（0532） 86981818。ORCID: 0000-0001-6035-1206。E-mail: liyx@upc.edu.cn
