超临界CO2管道多级放空装置设计及实验研究

李玉星, 滕 霖, 胡其会, 赵 青

(1. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580; 2. 中国石油大学(华东) 山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580; 3. 中国石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

仪器设备研制与应用

超临界CO2管道多级放空装置设计及实验研究

李玉星1,2, 滕 霖1,2, 胡其会1,2, 赵 青1,3

(1. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580; 2. 中国石油大学(华东) 山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580; 3. 中国石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

放空流程设计是高压管道设计的必要环节，基于Joule-Thomson效应原理，设计了用于放空过程研究的撬装实验装置，进行了超临界CO2多级放空实验研究。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因素，确保实验安全可靠。实验研究了多级放空过程中管内流动参数的变化规律及管外气云喷射扩散规律，为超临界CO2管道放空设计提供的新思路。

碳捕集及埋存； 超临界CO2管道； 多级放空装置

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]。CO2管道输送是CCS技术的重要一环[2]。研究表明,超临界态输送是最经济的输送方式[3]。为防止管道出现超压事故,通常需要对CO2管道进行人为放空。由于管输的压力通常在10 MPa以上,直接放空到大气压时产生巨大压差，由于节流效应的作用会在放空口处产生巨大温降[4],CO2的温度会低于三相点温度(-56 ℃),从而形成干冰,堵塞管道,造成一系列危害[5-7]。国内外对CO2管道放空的研究尚不多见。

近年来欧盟第七框架协议资助的CO2PipeHaz项目[2]进行了大量CO2管道失效泄压方面的研究。大连理工大学搭建了管径×壁厚为273 mm×20 mm,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响应及相态变化[8]。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[9-11]。但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超临界CO2放空过程中管内压力温度变化规律并不明确。本文基于Joule-Thomson效应原理,设计了用于放空过程研究的撬装实验装置(规格DN250 mm×12 mm,总长为12 m的主管配合内径50 mm、长4 m的放空管)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 实验目的及原理

通常可将CO2管道的放空过程看作是节流过程,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会发生较大变化。图1给出了二氧化碳压力-焓关系曲线,Joule-Thomson系数即节流系数用μJT来表示有

(1)

上式表示等焓H膨胀时温度T随压力p的变化率。纯CO2节流系数见表1[12],当μJT符号转变时对应温度为转变温度,可知CO2的转变温度低于0 ℃。

图1 纯CO2压力-焓关系曲线

超临界条件下CO2节流系数均为正数,这表示管输参数范围内CO2的温度随着压力同向变化。在管道放空过程时,在节流阀处会产生强节流效应,压力的急剧下降使CO2温度急剧下降，进而发生相变并产生固体CO2,更易对管路安全产生影响。

表1 CO2的部分节流系数

2 实验装置设计

实验装置(见图2)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,用以采集节流后温度及压力。

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250 mm,壁厚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50 mm,设三级节流阀,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。各级节流阀具体参数见表2。

图2 节流放空实验装置示意图

表2 节流阀参数

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,为了克服环境及加热装置对外壁温度不均匀性的影响,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。实验装置现场实物图见图3。

为保证实验安全顺利进行,需要综合考虑管道强度，节流管末段稳压、瞬态喷射力及噪声安全防护等。

(1) 主管道安全强度验算。在验算最大安全实验压力时,根据我国输气管道工程设计规范[13]中直管壁厚计算公式(见式(2))反算设计实验装置的允许实验压力,当实际操作压力小于该装置许用压力时可安全进行实验。

(2)

式中：δ为管段计算壁厚,cm；p为设计承压,MPa；D为管段外径,cm；σs为管段材料屈服强度,MPa；F为设计系数,根据地区取0.72；t为钢管温度折减系数；φ为焊缝系数,无缝钢管取1.0。

因此,该管段许用实验压力为

(2) 节流管段及末级稳压设置。水平节流管总长4m,内直径50mm,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1.5m以进行稳流,节流管几何结构见图2(b)。

为控制图2(b)中L4处节流管段末端的流体膨胀压损,在节流管出口处设置孔径为10 mm管嘴,因温度压力传感器设在各级节流阀出口处,三级节流后CO2将直接泄放至大气环境,这样设置可以使实验过程中三级节流后传感器采集到的参数维持节流阀调节开度所产生的出口压力及温度,保证准确采集分析三级节流阀出口参数变化规律。

(3) 瞬态喷射力及噪声安全防护。以最大实验压力作用于节流管段截面上的总压力为实验的瞬态喷射力,因节流管位于主管道上方1.5 m处,对主管道与垂直管段连接处将产生力矩,因此实验装置的外部支架需要能够平衡实验过程中产生的水平方向瞬态喷射力及对连接处产生的力矩,并考虑持续喷射过程对节流管段产生的失稳,其力F与力矩M分别为：

(3)

M=F×L=14 718.75×1.5=22 078 N·m

(4)

其中,p为最大实验压力,D为节流管段截面直径,L为节流管高度。

根据已有经验,节流放空的CO2将在孔口处高速喷射产生噪声,根据高速气体喷射噪声公式[14]有

(5)

其中,L为总噪声级,p1为喷射压力,p0为环境压力,D为孔口直径,D0取1 mm。

实验装置喷射管嘴处噪声为

3 实验步骤

实验过程中,通过气源将CO2流体注入封闭主管道,在封闭主管道内通过加热装置调节一定质量CO2流体的压力温度。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。实验过程中采集主管道和节流管段压力及温度动态的变化。

(1) 实验准备过程,先以气态CO2注入实验主管道扫气,清除管内空气,使气态杂质对实验CO2产生的组分不确定性影响最小。

(2) 根据实验压力温度及管容估算实验用气,扫气过程中先关闭主管道出口球阀,当估算用气量充装主管道之后关闭进口球阀。

(3) 在封闭主管道内通过加热装置调节固定质量CO2流体至实验所需的压力温度,并同时开启全部的出口阀,使超临界态CO2进入节流流程。同步采集主管道及节流管段压力及温度动态变化的数据,直至主管道内CO2压力为环境压力。实验结束时要关闭主管道出口阀。

在实验的不确定性方面,温度传感器为探针探入式,对管内CO2节流高速流动过程会产生扰动,产生测量误差；在节流过程中,随着压力和温度下降,管内CO2会出现两相共存,但因为实验过程较快,因而两相流动对实验影响不大。

4 实验方案设计及结果

4.1 实验方案设计

在此基础上设计实验方案,以验证多级节流对安全放空的作用,并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。实验工况见表3。

表3 管输CO2不同相态节流实验工况

4.2 实验结果

图4为超临界态泄放过程中三级节流管内的压力和温度响应曲线。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,并不再高于调节的出口压力，此时阀门全开,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降至较低温度，在整个实验过程中,节流后温度基本表现为先上升而后随上游温度共同下降得规律,不同节流出口温度随时间变化速率不同。

图4 超临界态CO2泄放压力温度响应曲线

以图2中采集截面6所示参数,即一级节流入口参数为基准参数。分析主管道不同界面的温度和压力随时间的变化规律。观测节流管下游由管嘴喷射至大气环境中的CO2气云,气云的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5所示,实验过程中管外各时刻气云变化见图6。

图6 超临界态CO2管外喷射扩散各时刻云图

由图5可见,主管内压力及温度逐渐降低,同时随着实验的进行,主管沿程各截面相对于主管末端节流入口处的基准截面会产生正向的压差及温差,且距离主管入口越近,相应的压差及温差越大。也就是说,在相同时刻下,主管内各截面的压力和温度不相同,主管入口的截面压力及温度相对较高,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。

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。

5 结语

本文设计了一套用于超临界CO2管道节流放空过程研究的撬装化实验装置,通过管道强度的核算，并考虑了节流管末段稳压、瞬态喷射力及噪声安全防护等因素,确定了实验装置的设计参数。实验结果表明,多级放空装置能够有效控制管道内温降幅度,同时影响管外CO2喷射扩散形态,能有效防止干冰在放空管内形成。从而实现了对超临界CO2管道放空过程的安全防护。

References)

[1] Metz B,Davidson O,De Coninck H,et al. IPCC special report on carbon dioxide capture and storage[R]. Cambridge: Cambridge University Press,2005.

[2] Woolley R M,Fairweather M,Wareing C J,et al. CO2PipeHaz: Quantitative hazard assessment for next generation CO2pipelines[J]. Energy Procedia,2014,63: 2510-2529.

[3] Shafeen A,Carter T. Geological Sequestration of Greenhouse Gases[M]. Environmentally Conscious Fossil Energy Production.,2009: 207-241.

[4] Huang Dongping,Quack H,Ding Guoliang. Experimental study of throttling of carbon dioxide refrigerant to atmospheric pressure[J]. Applied Thermal Engineering,2007,27(11):1911-1922.

[5] Huang Dongping,Ding Guoliang,Quack H. Experimental observation and empirical estimation of formation of solid carbon dioxide in safety valves for refrigerating system[J]. HVAC&R Research,2007,13(1):77-92.

[6] Xie Q,Tu R,Jiang X,et al. The leakage behavior of supercritical CO2flow in an experimental pipeline system[J]. Applied Energy,2014,130(5):574-580.

[7] Mazzoldi A,Hill T,Colls J J. CO2transportation for carbon capture and storage: sublimation of carbon dioxide from a dry ice bank[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2008,2(2):210-218.

[8] 喻健良,郭晓璐,闫兴清,等. 工业规模CO2管道泄放过程中的压力响应及相态变化[J]. 化工学报,2015,66(11):4327-4334.

[9] Mahgerefteh H,Brown S,Denton G. Modelling the impact of stream impurities on ductile fractures in CO2pipelines[J]. Chemical Engineering Science,2012,74(22): 200-210.

[10] Brown S,Martynov S,Mahgerefteh H,et al. A homogeneous relaxation flow model for the full bore rupture of dense phase CO2pipelines[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2013,17: 349-356.

[11] Brown S,Martynov S,Mahgerefteh H,et al. Modelling the non-equilibrium two-phase flow during depressurisation of CO2pipelines[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2014,30: 9-18.

[12] Perry R H,Green D W. Perry’s chemical engineers’ handbook[M]. New York: McGraw-Hill Professional,1999.

[13] 熊庆云等. 天然气长输管道工程设计[M]. 东营：石油大学出版社,1995:154.

[14] 马大猷,李沛滋,戴根华,等. 湍流喷注噪声的压力关系[J]. 物理学报,1978,27(2):121-125.

象与像

·字义辨析·

象指自然界、人或物的形态、样子，如：印象、表象、形象、现象、景象、函数图象等。

像指用模仿、比较等方法制成的人或物的形象，包括由光线形成的与原物相同或相似的图景，如：人像、摄像、画像、肖像、影像、图像、透镜成像等。

《实验技术与管理》编辑部 编录

Design and experimental research on multistage venting device of supercritical CO2pipeline

Li Yuxing1,2, Teng Lin1,2, Hu Qihui1,2, Zhao Qing1,3

(1. College of Storage and Transportation and Architectural Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China ; 2. Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety, Qingdao 266580, China; 3. China Petroleum Pipeline Science and Technology Research Center, Langfang 065000, China)

The design of venting process is a necessary part of the design for the high pressure pipeline. Based on the principle of Joule-Thomson effect, a skid-mounted experimental device is designed for the research on venting process and carrying out the supercritical CO2multistage venting experiment. The factors including the strength of the pipeline, the throttle pipe terminal voltage, the transient jet force, the noise safety protection, etc., are comprehensively considered in order to ensure the safe and reliable experiment. The experimental research is conducted on the changing laws of the inside-pipe flow parameters in the multistage venting process and the diffusion laws of gas cloud spraying outside the pipeline, which provides a new idea for the design of the supercritical CO2pipeline venting design.

carbon capture and storage; supercritical CO2pipeline; multistage venting device

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.017

2016-10-18

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”(51374231)；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”(2012BAC24B01)；中央高校基本科研业务费专项资金项目“超临界CO2管道泄漏扩散机理及安全评价研究”(16CX06005A)

李玉星(1971—)，男，山东莱芜，博士，教授，主要从事油气安全方面的研究和教学.

E-mail：liyx@upc.edu.cn

TQ022.115

A

1002-4956(2017)4-0064-06