超临界CO2管道放空特性研究.pdf

第 35卷第 5期 （2016.05）试验研究 油气田地面工程 http:/ 超临界 CO2管道放空特性研究 * 李顺丽 1 潘红宇 1 李玉星 1 滕霖 1 张大同 1 摘要：大规模长距离输送二氧化碳 （CO2） 时一般采用管道输送，管内压降和温降是影 响超临界 CO2管道放空安全问题的重要因素。与天然气管道相比，超临界 CO2管道放 空时 CO2的降压可能导致管道内低温，甚至形成干冰从而对管道及设备造成损伤，危 害管道安全。采用 OLGA 软件对超临界 CO2管道放空过程参数变化规律进行动态模 拟，研究表明：初始压力越高或者初始温度越低，放空时间越长，管内越早产生气液 两相，管内最低温度值越小，生成干冰的风险也越大。超临界 CO2管道放空时宜采取 加热、保温等措施，使管道内流体保持气态泄放，从而有效防止干冰的生成以及管道 低温损伤。 关键词：超临界 CO2；管道输送；放空；干冰；动态模拟 Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2016.5.005 The Blow Down Characteristics of Supercritical CO2Pipeline LI Shunli，Pan Hongyu，LI Yuxing，Teng Lin，Zhang Datong Abstract：Pipeline is commonly used in large-scale long-distance transportation of carbon dioxide (CO2)，pipeline pressure drop and temperature drop are important influence factors of supercritical CO2pipeline blow down issues. Compared with natural gas pipeline， the de- compression of CO2pipeline may cause a low temperature in the pipeline，and even the for- mation of dry ice，which damages the pipeline and equipment. By the OLGA software，the parameters variation in the pipeline during supercritical CO2pipeline blow down is simulated. The results show that： The higher the initial pressure or lower the initial temperature， the longer blow down time，the earlier generation of gas-liquid two-phase in inner tube，and the smaller minimum temperature value，the greater the risk to generate dry iceHeating or insulation and other measures should be taken to keep the gaseous fluid discharge during the blow down of supercritical CO2， thereby the generation of dry ice and pipeline low temper- ature injury can be effectively prevented. Keywords： supercritical CO2； pipeline transportation； blow down； dry ice； dynamic simulation 在实际生产中，当输气管道进行计划放空或事 故泄压时，可以通过放空系统使管道压力尽快泄放 至安全范围内，以防止事故的蔓延、扩大，并为抢 修赢得时间 1。与天然气管道相比，超临界 CO 2管 道放空过程存在特殊性以及一定的安全隐患。超临 界 CO2的放空不仅要考虑 CO2释放到环境中后产生 的高浓度窒息风险以及噪声危害 2，而且还要考虑 对管道完整性的影响。从管道完整性的角度来说， CO2和天然气不同，CO2的临界点温度 （31.1 ） 和三相点温度 （-56 ） 较高，降压时易引起相 变，若降压过快，CO2到达三相点后会导致干冰的 形成以及流动阻塞，而且使钢管变得易碎 3。可见 管内压降和温降是影响超临界 CO2管道放空安全问 题的重要因素。 本文采用 OLGA 软件 4-5对超临界 CO 2管道放空 过程进行模拟，并研究管内参数变化规律，对 CO2 管道放空过程的安全控制和干冰形成预防有一定指 导意义。 *基金论文：国家自然科学基金项目 （51374231） ；国家科技支撑计划项目 （2012BAC24B01） 。 1中国石油大学 （华东） 山东省油气储运安全省级重点实验室 19 试验研究李顺丽等：超临界 CO2管道放空特性研究 油气田地面工程 http:/ 1计算模型 为了保证安全，参考 US DOT CFR 规范，在管 道沿线一般每隔 15 km （最大距离） 设置截止阀和 放空站，在管道破裂或者发生自然灾害时，可以关 闭截止阀，进行维修，充满或放空该管段 6。结合 国内东部平原某示范工程，根据 CO2放空站场的设 置要求建立管段模型进行放空模拟。管道设计输量 为 100 10 4 t/a，即 33 kg/s。忽略地形起伏，需要 放空的管道总长度为 12 km，管径为 300 mm，管内 表 面 粗 糙 度 为 0.028 mm， 管 道 总 传 热 系 数 取 0.9 W/ ( m 2K)。放空管位于管道 11.99 km 处，管 径为 200 mm，高度为 2 m。管道起点采用流量控 制，管道终点和放空管末端采用压力控制。平均大 气温度为 15 ，管道埋地温度为 6 。具体模型 如图 1所示。 图 1CO2管道放空模型 2放空过程管内参数变化规律 进行放空计算时首先打开管道两端截止阀，关 闭放空阀，进行稳态计算以确定初始条件；然后关 闭两端截止阀，打开放空阀开始放空。分别控制初 始温度和初始压力，得到不同超临界工况下放空过 程中管道内温度和压力随时间的变化规律以及管内 相变过程，如图 2、图 3和图 4所示。 2.1管内温度及压力随时间的变化规律 从图 2 可以看出，对于初始温度均为 45 的 超临界 CO2，当以不同初始压力放空时，管内压力 均随时间增加逐渐降低，趋于大气压力。在 3 MPa 之前各工况的压降速度几乎相同。各工况管内温度 首先随压力降低而降低，当温度降到一定值后回 升，逐渐升至管道埋地温度 （6 ） 。初始压力为 8、 10 以 及 12 MPa 时 ， 对 应 的 放 空 时 间 分 别 为 4.6、5.3和 6.1 h，即初始压力越低，放空所需的时 间 越 短 ； 对 应 的 温 度 最 低 点 分 别 达 到 -61.3 （0.37 MPa）、 - 65.3 （0.36 MPa） 和 - 66.6 （0.31 MPa ） ，即初始压力越低，管道内最大温降越小。 图 2相同初始温度下管内温度及压力随时间的变化规律 图 3相同初始压力下管内温度及压力随时间的变化规律 图 4超临界 CO2放空管内相变过程 20 第 35卷第 5期 （2016.05）试验研究 油气田地面工程 http:/ 从图 3可以看出，对于初始压力均为 10 MPa的 超临界 CO2，压力与温度的变化规律与相同初始温 度下的参数变化规律基本一致。当初始温度为 40、50 以及 60 时，对应的放空时间分别为 5.9、 5.0 和 4.5 h，即初始温度越低，放空所需的时间越 长 ； 对 应 的 温 度 最 低 点 分 别 达 到 - 66.6 （0.31 MPa）、 - 64.2 （0.33 MPa） 和 - 61.1 （0.38 MPa） ，即初始温度越低，管道内最大温降 越大。 由上面分析可看出，在其他条件不变的情况 下，超临界 CO2管道放空时初始压力越高，或者初 始温度越低，放空时所需要的时间越长，而且在放 空过程中管道内部达到的最低温度值越小。因此， 适当提高放空前的 CO2温度，或者在放空过程中对 管道进行加热保温，可以有效降低放空时间，减小 管道低温损伤的可能。 2.2管内相变过程 CO2放空与天然气放空的不同之处在于需要考 虑泄放过程可能存在的潜在风险 （如干冰堵塞以及 冻伤） ，研究管内的相变过程可更直观地看出是否 会出现以上风险，对控制干冰生成有一定的指导 作用。 从图 4 可以看出，超临界 CO2从超临界相向气 相过渡时温度和压力没有明显波动，在一定压力之 前保持气相放空。随着压力和温度的继续下降， CO2进入气液共存区，放空过程沿着气液相平衡线 进 行 。 当 放 空 到 达 三 相 点 （0.53 MPa， -56 ） 后，管道内生成干冰。随后压力和温度沿着气固相 平衡线继续降低，当到达 0.30.4 MPa 之间某点 时，从外界吸收的热量足够使管内干冰全部升华成 气相 CO2，于是管内温度发生转折，随压力下降而 逐渐升高至管道埋地温度。 在本文研究的各超临界工况下，管内流体参数 均达到三相点，即产生了干冰。 3结论 对超临界 CO2放空过程可能出现的潜在风险进 行分析后，借助 OLGA 软件对固定容积的超临界 CO2管道的放空进行模拟，分析了管道内部压力和 温度变化规律，得到以下结论： （1） 管内压降和温降是影响超临界 CO2管道放 空安全问题的重要因素。 （2） 超临界 CO2放空时首先从超临界相变为气 相，若生成液相则沿着气液相平衡线继续泄放；若 产生干冰则沿着气固相平衡线继续泄放；当压力降 到一定值后，温度不再随压力继续下降，逐渐升至 管道埋地温度。 （3） 初始压力越高或者初始温度越低，放空时 间越长，管内越早产生气液两相，管内最低温度值 越小，生成干冰的风险也越大。 （4） 超临界 CO2管道放空时宜采取加热、保温 等措施，使管道内流体保持气态泄放，从而有效防 止干冰的生成以及管道低温损伤。 参考文献 1 晏伟输气站场放空系统设计思路J石油工程建设， 2012，38 （6） ：39-43 2 赵立丹天然气长输管道站场放空系统计算J油气田 地面工程，2011，30 （8） ：51-52 3 Det Norske VeritasDesign and operation of CO2pipelines： DNV-RP-J2022010 SOslo：DNV，2010：24-25 4 DE KOEIJER G， BORCH J H， DRESCHER M， et al CO2transport-depressurization， heat transfer and impuri- tiesJEnergy Procedia， 2011 （4） ：3 008-3 015 5 CLAUSEN S，OOSTERKAMP A，STROM KDepressur- ization of a 50 km long 24 inches CO2pipelineJ Energy Procedia， 2012 （23） ：256-265 6 US Department of Transportation，Office of Pipeline Safety Code of Federal Regulation （CFR ） Title 49-Transportation of Hazardous Liquid by PipelineED/OL2010http：/se- tonresourcecenter com/