超临界-密相，气相二氧化碳管道输送研究

杨 梅，李光荣，彭期耀，廖 帆，武东战

(1 成都师范学院物理与工程技术学院，四川 成都 611130；2 成都优创世纪清洁能源有限公司，四川 成都 610094；3 成都戎途科技有限公司，四川 成都 610094；4 中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

温室气体排放加剧了全球气候变暖，其中，作为主要温室气体的CO2占据了62%的作用。目前，美国的排放量居世界第一，中国的排放量居世界第二，预计到2030年，中国的排放量将达到67×108t，居世界第一[1]。CO2运输是CO2捕集与CO2-EOR的中间环节[2]，在CCUS过程中，均涉及到CO2的输送问题。目前，我国大力发展CCUS，是世界上拥有CCUS试点项目的国家之一，计划2030年完成不低于1000 kmCO2输送干线的技术示范项目。

CO2输送方式一般采用船舶，储罐车，或管道[3-4]。管道输送分为气相输送，液相输送，超临界-密相输送3种状态，由于CO2液相输送时易进入气液两相区，导致压降较大，在人口稀少的情况下，宜采用超临界-密相输送方式，设计时可参考《输油管道工程设计规范》，在人口稠密的地方，宜采用气相输送方式，设计时可参考《输气管道工程设计规范》。

目前CO2管道输送多采用PIPEPHASE，HYSYS等软件进行模拟，本文将采用CFD软件的FLUENT模块进行模拟，研究讨论超临界-密相输送，气相输送2种方式的特征，为CO2管道输送提供理论依据。

1 模拟计算设置

1.1 网格划分

本次模拟的输运管道长度为500 m，管径为355.6 mm，并对管壁附近的网格进行了局部加密。

1.2 数学模型

数值模拟中流动为定常流动，考虑重力的影响。本文的边界包括质量流量进口边界、自由流出口边界、以及固定温度的无滑移壁面。CO2的热物理参数来源于美国国家标准与技术研究所(NIST)的数据库，通过激活FLUENT 19.0中的Nist-real-gas-model进行调用。

1.3 条件设置

为更好的研究CO2运输，需要充分了解CO2相态，CO2分为气态，液态，固态，超临界状态和密相状态。由CO2相态图可知，气相区，压力小于气液线，并且小于7.38 MPa；固态区，温度小于-56.7 ℃，压力大于0.08 MPa；液相区，温度在-56.7～31 ℃之间，压力大于气液线，但小于7.38 MPa；超临界区，温度大于31 ℃，压力大于7.38 MPa；密相区，温度在-56.7～31 ℃之间，压力大于气液线，但小于7.38 MPa。超临界，密相区，气态，液态的交界点温度为31 ℃，压力为7.38 MPa。

参照龙安厚的数据进行数值模拟，取以下两种情况进行计算：(1)超临界CO2输送的参数为：出口压力13 MPa，进口温度为50 ℃，有关研究表明，压力在13.79～20.68 MPa时管道成本较低，而北美一般采用8.8～18.6 MPa的超临界CO2进行输送。(2)气态CO2输送的参数为：出口压力4 MPa，进口温度为25 ℃，这是由于气态输送时进口压力越高，耗能越低，但当其高于4 MPa时，可能发生相变。本次采用的模拟工况为如表1所示。

表1 输送气体条件参数

2 结果与讨论

2.1 超临界-密相输送方式

2.1.1 温度变化与管长的关系

在超临界-密相输送过程中，温度变化如图1所示。

图1 温度沿管长方向变化情况

由图1可见，管道长度在100 m内时，其温度变化最为剧烈，当环境温度为20 ℃时，由进口温度323 K减少为294.13 K，温度差为28.87 K。当环境温度为5 ℃时，由进口温度323 K减少为279.19 K，温度差为43.81 K。气体状态从超临界区域到密相区，出口温度趋于环境温度，随着管道距离的增加，越来越趋近于环境温度。

2.1.2 静压变化与管长的关系

在超临界-密相输送过程中，其静压分布如图2所示。

图2 静压沿管长方向变化情况

由图2可见，当环境温度为20 ℃时，静压差为1 900 Pa，环境温度为5 ℃时，静压差为1900 Pa。其进口压力稍偏离13 MPa，静压压降沿管道长度方向逐渐减小[11]，其压降仅受管道长度影响。

2.1.3 动压变化与管长的关系

在超临界-密相输送过程中，其动压分布如图3所示。

图3 动压沿管长方向变化情况

由图3可见，当环境温度为20 ℃时，，最大动压为70.52 Pa，最小动压为47.42 Pa，最大动压差为23.1 Pa。当环境温度为5 ℃时，最大动压为76.14 Pa，最小动压为43.36 Pa，最大动压差为32.78 Pa。管道长度在前100 m内时，动压变化最为剧烈。

2.1.4 全压变化与管长的关系

在超临界-密相输送过程中，当环境温度为20 ℃时，全压差为1 900 Pa，环境温度为5 ℃时，全压差为2 000 Pa。可见，全压降沿管道长度方向逐渐减小[11]，其压降仅受管道长度影响。

2.1.5 压力损失变化与管长的关系

在超临界-密相输送过程中，当环境温度为20 ℃时，当环境温度为20 ℃时，L=100 m和L=200 m时的压降分别为38 Pa，341 Pa，压降差为303 Pa。当环境温度为5 ℃时，L=100 m和L=200 m时的压降分别为38 Pa，367 Pa，压降差为329 Pa。可见，在L=100 m和L=200 m之间时压力降最大，压降差几乎不受环境温度影响。

2.1.6 粘性，密度变化与管长的关系

同时，管道长度在100 m内时，粘度，密度变化最为激烈，它们对温度均比较敏感。

2.2 气相输送方式

2.2.1 温度变化与管长的关系

在气相输送过程中，温度变化如图4所示。

图4 温度沿管长方向变化情况

由图4可见，管道长度在100 m内时，其温度变化最为剧烈，当环境温度为20 ℃时，由进口温度323 K减少为294.11 K，温度差为28.89 K。当环境温度为5 ℃时，由进口温度323 K减少为282.19 K，温度差为40.81 K。CO2一直处于气体状态，出口温度趋于环境温度，随着管道距离的增加，越来越趋近于环境温度。

2.2.2 静压变化与管长的关系

在气相输送过程中，其静压分布如图5所示。

图5 静压沿管长方向变化情况

由可图5见，当环境温度为20 ℃时，静压差为5 870 Pa，环境温度为5 ℃时，静压差为4 950 Pa。其出口压力稍偏离4 MPa，静压压降沿管道长度方向逐渐减小[11]，其压降仅受管道长度影响，且气体状态下的静压差大于超临界和密相状态下的静压差。

2.2.3 动压变化与管长的关系

在气相输送过程中，其动压分布如图6所示。

图6 动压沿管长方向变化情况

由可图6见，当环境温度为20 ℃时，最大动压为427.04 Pa，最小动压为411.25 Pa，最大动压差为15.79 Pa。当环境温度为5 ℃时，最大动压为419.61 Pa，最小动压为344.48 Pa，最大动压差为75.13 Pa。管道长度在前100 m内时，动压变化最为剧烈。

2.2.4 全压变化与管长的关系

在气相输送过程中，当环境温度为20 ℃时，全压差为5 870 Pa，环境温度为5 ℃时，全压差为5 010 Pa。可见，全压降沿管道长度方向逐渐减小[11]，其压降仅受管道长度影响，且气体状态下的全压差大于超临界和密相状态下的全压差。

2.2.5 压力损失变化与管长的关系

在气相输送过程中，当环境温度为20 ℃时，L=100 m和L=200 m时的压降分别为117.8 Pa，1 170.6 Pa，压降差为1 052.8 Pa。当环境温度为5 ℃时，L=100 m和L=200 m时的压降分别为104.7 Pa，1 002.3 Pa，压降差为897.6 Pa。可见，在L=100 m和L=200 m之间时压力降最大，压降差受环境温度的影响程度较超临界和密相状态大。

2.2.6 粘度，密度变化与管长的关系

同时，管道长度在100 m内时，粘度，密度变化最为激烈，它们对温度均比较敏感。

3 结 论

经研究，得到以下结论：当环境温度为20 ℃/5 ℃时，超临界状态-密相状态和气体状态下，管道长度在前100 m内时，温度变化最为剧烈；静压降，全压降沿管道长度方向逐渐减小，不受温度的影响；管道长度在前100 m内时，动压变化最为剧烈；管道长度在100 m与200 m之间时，压损变化最为剧烈；气体状态下，静压降，全压降，压损变化受环境温度的影响程度较超临界和密相状态大。

所以，超临界-密相状态输送过程中，应尽量保持较高压力，避免进入气相区和液相区。欧美国家在经过40余年的实践应用后，认为超临界-密相运输是最经济高效的方式[12]。在管道进口位置，通过泵或压缩机提高压力，CO2处于超临界状态，输送过程中，气体沿管道方向温度逐渐降低，气体状态由超临界状态变为密相状态，其温度低于临界点温度，压力高于临界点压力，使其一直处于密相状态，各种物理性质，如密度，粘度等也变化缓慢[13]。