CO2管内节流实验装置设计及实验研究

胡其会, 滕 霖, 王财林, 张大同, 叶 晓, 顾帅威, 李玉星

(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)

化石燃料燃烧等人类活动产生了大量以CO2为主的温室气体,加剧了全球性的气候变暖[1]。C捕集及埋存技术(carbon dioxide capture, storage,CCS)是一项重要的温室气体减排解决方案,已被我国列为国家中长期科技发展规划。CO2管输技术是CCS的关键技术之一。节流作为应用最广泛的调压方法,在CO2管输过程发挥重要作用。但CO2气体节流效应较强,节流前后温降远大于一般气体[2],含杂质CO2的节流特性更加复杂[3]。如果CO2管道运行过程中节流压差过大,节流后会出现温度过低现象:当CO2中含水且温度低至冰点以下时,管内游离水会结冰而堵塞管道；当温度低至三相点温度以下时,管内CO2会发生相变,形成干冰堵塞管道,甚至会使管道发生脆断。因此,利用实验测量管输CO2的节流温降,对于CO2管道的节流控制和安全运行具有重要意义。

1 节流研究现状

目前,对于天然气节流温降的研究已经十分成熟。李颖川等[4]基于能量守恒原理和范德华混合规则,导出了天然气节流温降的数学模型。彭世尼等[5]对采用vdW、RK方程直接求导法和理想气体状态方程的修正式求导法求得的焦耳-汤姆逊系数值与实测值、常规方法所得的值进行了对比。李玉星等[6]基于能量守恒原理和BWRS方程,建立了天然气气嘴节流温降模型。针对CO2节流过程的理论研究方面,Huang等[7]建立了高压CO2节流泄放过程中的干冰沉积和消融模型。李顺丽等[2]建立了CO2等焓节流模型,并给出了考虑相变的CO2节流后温度的计算方法。滕霖等[8-9]建立了CO2孔口泄漏的瞬态流动模型和含CO2的多相流节流模型。

在实验研究方面,现有的研究主要集中于节流后CO2的相变特性,包括黄冬平等的针型阀堵塞实验[10]、Yamaguchi等的干冰管内沉积实验[11-12]等。目前,仍未见文献给出CO2稳态节流温降的实验结果,因此CO2节流实验研究仍具有较高科学研究价值,是对CO2节流理论研究和工程应用的有效补充和参考。

本文基于Joule-Thomson效应原理,设计了CO2节流实验装置,进行了不同相态CO2节流实验,采集分析节流过程中管内参数变化情况。该装置可以对含杂质CO2管内节流温降进行研究,对于CO2管道节流安全控制和管道冻堵防治具有借鉴意义。

2 实验原理

2.1 CO2物性

在常温常压下,CO2是一种无色无味气体,密度比空气大。它不可燃、无毒,但高浓度CO2有窒息风险,在空气中达到7%～10%时就会导致人无意识。图1为纯CO2的相态图。纯CO2的临界压力为7.38 MPa,临界温度为31.1 ℃；三相点压力为0.52 MPa,温度为-56 ℃。纯CO2的相态可以分为超临界流体区、密相区、一般液相区、气相区和固相区5个区域。

图1 纯CO2相态图

2.2 节流过程

流体在流道中经过阀门、孔板等突然缩小的断面时,会产生涡流而使压力下降,这种现象称为节流[13]。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。

流体在流道内发生节流时与外界交换的热量很少,可忽略不计,因而可以视为绝热过程。节流部件长度较短,节流前后的位能变化可以忽略。忽略气体对外做功,根据稳定流动方程可以推导出绝热节流的能量方程式为

(1)

式中h1、h2分别为节流前后流体的比焓；c1、c2分别为节流前后流体的速度。在通常情况下,管道内节流前后速度变化不大,绝热节流前后动能之差远远小于焓差,可以忽略不计。

图2为节流后CO2密度与压力关系曲线。对于纯CO2,在临界压力附近的准临界区域内CO2密度变化非常剧烈,易导致物性波动，使流体跨越临界点产生相变。CO2在正常输送工况下进行节流降压时,受节流前后温度、压力的影响,节流过程可能会跨越临界点生成两相流,如果节流压差过大则可能会生成干冰[14]。

入口温度较高的超临界CO2流体从超临界区直接进入气相区,未进入气液两相区。此时CO2经过节流降压后温度和密度均逐渐降低,没有明显突变。整个节流过程温度密度平稳下降,没有形成两相流及干冰。入口温度较低的超临界CO2经节流降压后首先转换为密相或者气相,温度和密度发生缓慢变化；然后产生气液两相,温度和密度发生突变[2]。

2.3 干冰堵塞危害

管内高压CO2将在节流孔口处形成强节流效应,管内温度场发生骤变。当温度降至一定压力条件下的水冰点以下时,可能会出现游离水结冰而冻堵管道的现象；当降至一定压力和温度时,CO2会发生相变而形成干冰,可能会堵塞管道并严重影响管道的正常输送。此外强烈的低温也会对管道及附属设备造成损伤,使钢管更易产生脆断[15]。

3 实验装置设计及建造

实验装置流程图如图3所示。实验装置由CO2增压部分和节流实验测试部分组成。CO2增压部分利用CO2泵和高压釜使来自气瓶CO2的压力达到实验所需节流阀前压力,流入测试部分,在测试部分进行节流,测量阀后不同位置的温度和压力。

图3 实验装置流程图

CO2增压部分由CO2气瓶、冷箱、CO2泵和带水浴的CO2釜组成,实物图见图4(a)。由CO2气瓶流出的CO2经过冷箱的冷却成为液体,通过CO2泵增压,进入CO2釜中。通过本套流程,可将CO2增压至临界压力以上。同时通过调节釜的水浴温度,可间接调节釜内CO2温度,从而保证釜内温度压力的可控性,得到不同相态的CO2。

节流实验测试部分是一段内径为15 mm不锈钢管道,壁厚为3 mm,由总长为10 m的直管段和一个弯管段组成,实物图见图4(b)。管道外壁设有加热套和保温层。管道上设有一个节流阀,节流阀后设有可视透明管段,便于观察节流后管内流动情况和CO2相变情况。管道末端设置有一个分离器,分离器顶端为一个背压阀,用以调节节流阀后压力。管道上不同位置处布有压力温度传感器各9个,可以测量节流阀前后的流体流动参数。

图4 实验装置实物图

4 实验步骤

根据纯CO2三相图可知,CO2必须在临界压力和临界温度之上才能达到超临界态,因此进行超临界状态下节流实验时,一大难点是实验装置必须能够提供足够压力(7.38 MPa以上)。将气态CO2加压为超临界态,并维持稳定，这需要CO2冷箱、CO2泵、恒温水浴匹配协调工作和基于数据采集系统的精准控制。节流过程的监测与控制也是一大难点。管道内的CO2相态不同时,节流方案也不同,安全控制节流过程,主要体现在控制CO2流体在系统内特别是流经节流装置等复杂流动过程中的相态变化,控制其压力及温度变化过程,因此需要对这两项参数进行实时监控记录。节流过程中,管道不同位置处的温度、压力分布不同,因此需要对实验管道不同位置处的温度压力进行实时记录,以判断实验过程中可能出现冰堵的位置。

实验过程中,通过CO2泵将CO2流体注入CO2釜中,通过调节泵控制釜内压力,通过调节水浴温度控制釜内温度,使CO2分别达到气态、密相和超临界态的不同工况。当釜内温度、压力参数稳定后,打开节流阀进行不同工况下的CO2管内节流实验。实验过程中采集主管道及节流管段压力及温度的动态变化。具体实验步骤如下:

(1) 先以气态CO2注入实验管道扫气,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) 扫气完成后,打开CO2釜之前的所有进气阀门和节流阀前阀门,关闭其他阀门；

(3) 气瓶组中的CO2通过制冷机组冷却成液态CO2后,经过增压泵进入高压釜；

(4) 通过控制CO2泵的工作来调节CO2流体压力,通过控制恒温水浴温度调节CO2流体温度,直到釜内的CO2达到实验所需相态,关闭CO2釜进口阀门；

(5) 待釜内温度压力参数稳定后,开启出口阀,然后使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数据,直至节流阀后的CO2压力、温度趋于稳定；

(6) 实验结束时要关闭主管道出口阀及其他实验设备。

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。

5 实验方案设计及结果

5.1 实验方案

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1。

第二，对内部资本市场相关法律法规进行完善，建立健全相关集团企业会计准则，提升会计准则的质量，规范会计信息的披露规则，完善相关法律法规制度遏制市场的违规行为，进一步加大处罚力度，增加违规违法成本。

表1 实验工况

5.2 实验结果

图5为气态CO2节流过程中节流阀后0.2 m处的压力温度响应曲线。节流开始前,节流阀前的压力和温度分别稳定在5.1 MPa和28.5 ℃左右。节流过程中,突然开阀使高压CO2迅速流向阀后,导致阀后压力急剧升高,在7 s内由1.3 MPa迅速升至4.0 MPa,之后高压CO2逐渐经过实验环道从出口阀排出,管内压力下降,下降趋势整体呈现指数函数变化,最终稳定在1.8 MPa左右。根据节流过程的等焓原理,CO2节流后温度随压力下降而下降,因此节流阀后的温度在节流过程中出现急剧下降,在15 s内由29.5 ℃降至12.7 ℃,之后又逐渐回升,最后稳定至19.5 ℃左右。

图5 气态CO2节流阀后0.2 m处的压力温度响应曲线

图6为超临界相态CO2节流过程中,节流阀后0.2 m处的压力温度响应曲线。节流开始前,节流阀前的压力和温度分别稳定在8.0 MPa和38.2 ℃左右。节流过程中,阀后压力在8 s内由1.9 MPa迅速升至5.6 MPa,之后又逐渐下降,最终稳定在1.9 MPa左右;在开始下降的约75 s内保持0.042 MPa/s的线性下降速率,然后下降速度减小。节流阀后的温度在节流过程中先急剧下降,在5 s内由25.4 ℃降至18.0 ℃,然后迅速升高至24.4 ℃,之后又缓慢下降,最后逐渐稳定至22.9 ℃左右。出现这种现象的原因是节流后的CO2相态发生了变化,CO2由超临界态逐渐变为气态。CO2进入气液两相区,大量CO2气化吸热,从而使流体的温度发生了下降,但相对节流温降而言并不明显。通过节流阀后的透明管段可以观察到明显的两相流动,验证了上述分析的准确性。

图6 超临界态CO2节流阀后0.2 m处的压力温度响应曲线

对比两组不同相态下的管内节流实验,可以看出气态CO2的节流效应明显强于超临界CO2,这主要是由于不同相态下CO2的节流系数不同,气态CO2的节流系数更大,因此温降效果更明显。

6 结语

本文设计了一套CO2节流实验装置,可以进行不同相态下含杂质CO2管内节流实验。通过CO2增压部分调节CO2达到所需的稳定相态,通过节流实验测试部分分析节流后的温度和压力变化。实验结果表明,不同相态下的管内节流压降、温降规律不同,气态CO2的节流效应明显强于超临界CO2,在节流过程更容易使游离水结冰出现冻堵现象；超临界CO2节流后会发生相变,出现气液两相流动。实验对CO2管道节流安全控制和管道冻堵防治具有指导意义。

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