管道输送含杂质CO2 的影响因素分析

2022-06-27李凯旋尚文博

天然气化工—C1化学与化工 2022年3期

李凯旋，刘斌，尚文博，滕霖

（1. 石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043；2. 中国石油安徽阜阳销售分公司，安徽阜阳236000；3. 福州大学石油化工学院，福建福州 350108）

目前，我国已成为第一大CO2排放国[1]。一次能源低碳或零碳化前，化石燃料还将继续为经济发展提供原始能量来源[2]。随着《巴黎协定》的签署，我国面临较大碳减排压力[3]。CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术是我国实现双碳目标的重要过渡方案，是实施碳减排最有效、最可行的方法之一[4-5]。CO2捕集地与利用或封存地相距一般较远，管道输送以其输送量大、距离长、成本低成为CO2输送最经济的途径[6-8]。众多工业过程中都可捕集CO2，产生的CO2流可能包含多种杂质[9]。管道输送CO2流的杂质组分及含量对相平衡及物性参数的影响显著。杂质含量较高时，饱和压力增加，密相运输时容易因压降或节流等原因进入两相区，影响输送效率与安全。

LIU等[10-11]研究了高压管道的CO2排放、CO2在复杂地形上的扩散以及影响减压特性的因素，并成功预测了初始变化后的稳定浓度平台。滕霖等[12-13]进行了超临界CO2管道泄漏扩散特性及定量风险评估研究，得到了超临界CO2管道泄漏扩散规律，形成了一套适用的定量风险评估方法。吕家兴等[14]进行了起伏地区超临界CO2管道输送特性及工艺参数经济性研究，发现地形起伏对输送的总压降和温降影响不大，但起伏管道沿线压力和温度存在较大波动。CO2长输管道有多种不同的输送工况，最为常见的是超临界输送，适用于大输量的长输管道，对工况的适应性强。但超临界CO2的压力较高，对管道压力等级要求高，且超临界CO2密度随压力变化产生急剧的变化，因此要求管道沿线人口密集度较低。气相输送安全性较好，但运输成本较高。液相输送适用于小输量、短距离的集输管道，其介质来源属于液相且运行压力较低[15]，CO2管道输送研究中，液相工况相对较少。

本文研究地形起伏条件下不同杂质对液相CO2管道输送的影响。利用Peng-Robinson状态方程预测含CO2流的热力学性质；基于一维管流控制方程，建立含杂质CO2管道输送模型，在此基础上分析不同杂质、管道倾角和含杂比例下的管道输送规律。

1 管道输送模型的建立

1.1 水力模型

管道运行过程中，管内流体性质沿径向和周向变化远小于轴向，因此管输模型可简化为沿管道一维模型，提高计算速率。一维管流质量方程、动量方程和能量方程如下：

式中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；u为流速，m/s；x为距离，m；p为压力，Pa；Cv为定容比热容，J/(kg·K)；g为重力加速度，m/s2；θ为管道倾角，°；f为摩擦系数；D为管道内径，m；k为总传热系数，W/(m2·K)；T为流体温度，K；Ta为壁温，K。

流体与管壁之间的摩阻计算采用考虑了摩擦效应和势能变化的Darcy-Weisbach公式。

Colebrook-White达西摩擦系数计算公式综合了光滑湍流区雷诺数和粗糙湍流区内部粗糙度两方面的影响，目前使用较为广泛[16]。

式中，K为等效砂粒粗糙度；Re为流动雷诺数。

1.2 传热计算方程

在输送过程中，管输流体和周围土壤会产生热交换，总传热系数k反映了CO2与周围土壤之间的传热强弱。忽略土地的热量积累，采用稳态导热计算，得到地面与管道中流体的等效传热系数[17]。

式中，D1为管道内径，m；D2为管道外径，m；λg为管壁传热系数，W/(m2·K)；Db为加保温层后的外径，m；λb为保温层传热系数，W/(m2·K)；z为管道埋地深度，m；λs为土壤传热系数，W/(m2·K)；α为流体侧对流传热系数，W/(m2·K)。

1.3 物性方程

杂质会改变CO2流的热力性质，而准确预测CO2流的热力性质具有重要意义。温度和压力变化范围较大时，采用GERG-2008 非立方状态方程计算热容和焦汤系数具有较大优势[18]。但计算时涉及多次迭代，且可能出现无效点，导致计算时间较长。Peng-Robinson（PR）三次方状态方程精确性高、适用范围广，能有效应用于多种条件下单相、多相系统以及气液平衡计算[19]。使用PR状态方程可以较准确地预测液体性质，计算速度较快。本文采用PR状态方程描述管输含杂质CO2的物性，具体形式如下：

式中，p0为绝对压力，Pa；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；V为摩尔体积，L/mol；a和b分别为考虑了分子间引力和分子体积的经验参数，Z为气体压缩因子。

式中，pc为临界压力，Pa；Tc为临界温度，K；xi为组分i的物质量分数；ω为偏心因子；kij为二元交互系数，表示与理想混合物发生的偏差，组分i和j之间的二进制相互作用参数。

1.4 管线概况

本文管线背景为我国首个百万吨级CCUS项目——齐鲁石化正理庄油田CCUS项目。该管线把齐鲁石化捕集的CO2流输送至胜利油田注入地层封存并驱油。采油厂接收低纯度CO2后，进行液化提纯，然后增压分配至井口，用于EOR驱油，每年可减排CO250 × 104t。利用GIS地理信息系统采集输送过程的运行参数，得到沿线高程变化信息如图1所示，管线长度70 km，管径规格为DN400[15]，该项目已完成初步设计。

图1 管道海拔Fig. 1 Pipeline altitude

1.5 输送条件

在一定的CO2流中杂质性质分布始终处于含H2S和H2的二元混合物之间[9]，且H2S为极性，H2为非极性。因此，为使杂质更具代表性，选取H2S、H2，以及性质分布在这两种混合物之间的CH4作为杂质，杂质最大质量分数为5%。依据该项目输送条件，利用Aspen HYSYS模拟软件，将物性组成设置为CO2、H2、CH4和H2S。以CO2为主要物料，分别添加H2、CH4和H2S，预测其物性变化。

输送部分以GIS软件测得的高程作为参考，建立了70 km的管道模型，读取管道前后物性以及压力的变化。输送过程保持CO2流组分恒定，进口压力6.00 MPa，温度为253.1 K，初始工作状态为液态。

2 结果分析与讨论

2.1 含杂质CO2 物性分析

图2(a)为含H2的CO2流相态，曲线的上半部分为露点线，下半部分为泡点线，相图被露点线和泡点线分成气相区、气液两相区和液相区，可以清楚地反映出CO2流含H2时的相包络线变化，CO2流中的H2含量使露点线延伸向无穷远处。由图2(a)可知，纯CO2的临界压力、温度分别为7.38 MPa、304.2 K，H2含量1%（质量分数，下同）时CO2流临界参数为7.70 MPa、303.9 K，3%时为8.41 MPa、303.5 K，5%时为9.15 MPa、303.2 K。可见，CO2流混入H2后临界压力会增加，临界温度会降低，且随着H2含量增加，变化会更加明显。图2(b)为含CH4的CO2流相态。由图2(b)可知，混入CH4会导致气泡线显著移动，即使在较低的含量下，CH4的存在也会改变CO2的相包络线。CH4含量1%时CO2流临界参数为7.43 MPa、303.4 K，3%时为7.54 MPa、301.9 K，5%时为8.08 MPa、294.2 K。可见，CO2流混入CH4后临界压力会增加，临界温度会降低，且随着CH4含量增加，变化会更加明显。图2(c)为含H2S的CO2流相态。由图2(c)可知，其对CO2流的相图影响较小。

图2 含H2 (a)、CH4 (b)和H2S (c)的CO2 流相态Fig. 2 Phase diagrams of CO2 flow with H2 (a),CH4 (b) and H2S (c)

图3为不同杂质对CO2流密度的影响，其中杂质的质量分数均为5%。由图3(a)可知，CO2流密度随温度增加而减少；温度相同时，纯CO2流密度最大，杂质为H2S时与纯CO2密度较为接近，且随温度升高进一步趋近。由图3(b)可知，CO2流密度随压力增加而增加；杂质为H2时CO2流密度最小，且11.70 MPa时气相才完全消失，故在11.70 MPa前的密度随压力增加急剧上升。

图3 不同杂质对CO2 流密度的影响Fig. 3 Effects of different impurities on CO2 flow density

图4为不同杂质对CO2流比热容的影响。由图4(a)可知，CO2流热容随温度升高而增大。温度较低时，各热容增加缓慢且较为相近，随着温度的升高，热容增加的速率不断增加。其中杂质为CH4时CO2流热容较大且增加速率较大；杂质为H2S时热容增加速率较小且与纯CO2接近。由图4(b)可知，热容随压力升高不断减小。杂质为H2时，初始阶段热容变化速率慢，气相消失后速率变快。

图4 不同杂质对CO2 流比热容的影响Fig. 4 Effects of different impurities on CO2 flow specific heat capacity

图5为不同杂质对CO2流粘度的影响。由图5(a)可知，粘度随温度升高而减小。由图5(b)可知，杂质为H2时CO2流初始粘度大于杂质为CH4时，11.70 MPa前粘度随压力增加不断下降，稳定之后粘度相对最小，其他CO2流粘度随压力升高而增加。

图5 不同杂质对CO2 流粘度的影响Fig. 5 Effects of different impurities on CO2 flow viscosity

2.2 含杂质CO2 流管道运输的影响因素分析

2.2.1 不同杂质对CO2流输送过程的影响

随着输送距离的增加，CO2流的压力减小，温度升高。由图6 可知，随着CH4含量的增加，CO2流的压降梯度增大，温升减小。由图7 可知，H2含量增加也会使CO2流的压降梯度增大，温升减小。由图8 可知，H2S对CO2流管输性质影响较小；H2对CO2流的影响较为明显，纯CO2在70 km处的压降为0.073 MPa，H2杂质含量1%时CO2流在75 km处的压降为0.074 MPa，3%时压降为0.107 MPa，5%时压降为0.134 MPa，5%时比纯CO2在75 km处的压降增加了83%。

图6 杂质CH4 对CO2 流压力(a)和温度(b)的影响Fig. 6 Effect of impurity CH4 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

图7 杂质H2 对CO2 流压力(a)和温度(b)的影响Fig. 7 Effect of impurity H2 on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

图8 杂质H2S对CO2 流压力(a)和温度(b)的影响Fig. 8 Effect of impurity H2S on CO2 flow pressure (a) and temperature (b)

2.2.2 管道倾角对CO2流输送过程的影响

图9为管道输送时倾角与压降的关系，图中高度差大于0 代表管道上倾，高度差小于0 代表管道下倾，高度差的绝对值越大，管道的倾角就越大。由图9 可知，压降与倾角之间的关系为直线，管道上倾时压降随管道倾角的减小而减小，管道下倾时压降的绝对值随倾角的增大而增大。管道无倾角时，由于摩擦损失，管内压降值大于0。

图9 倾角对压力梯度的影响Fig. 9 Effect of inclination on pressure gradient

图10为起伏地形下不同杂质对CO2流压降的影响，其中图10(a)管道前后高差为-220 m，图10(b)管道前后高差为220 m，杂质质量分数均为5%。可见，无论上坡或下坡，H2和CH4的存在都会减小CO2流输送过程的压降，而含H2S几乎不会影响CO2流的输送。图10(a)中，上升管道末端，纯CO2流压降为2.930 MPa，杂质为CH4时压降为2.753 MPa，杂质为H2S时压降为2.919 MPa，杂质为H2时压降为2.531 MPa，杂质为H2时CO2流压降与纯CO2时相差13%。图10(b)中，下降管道末端，纯CO2流压降为-2.769 MPa，杂质为CH4时压降为-2.588 MPa，杂质为H2S时压降为-2.755 MPa，杂质为H2时压降为-1.678 MPa，杂质为H2时CO2流压降与纯CO2时相差39%。

图10 管道上倾(a)和下倾(b)时不同杂质对CO2 流压降的影响Fig. 10 Effect of different impurities on CO2 flow pressure drop in upward (a) and downward (b) inclined pipeline

图11为起伏地形下不同杂质对CO2流温度的影响，其中图11(a)管道前后高差为-220 m，图11(b)管道前后高差为220 m，杂质含量均为5%。可见，无论上坡或下坡，H2和CH4的存在都会减小CO2流输送过程的温升，而含H2S几乎不会影响CO2流的温度。图11(a)中，杂质为CH4、H2S时CO2流温度均升高，杂质为H2时CO2流温度在30 km前先升高，后平稳，最后开始下降，这是由于CO2流在此状态下产生气相，使其温度略微降低。