二氧化碳超临界管道输送模拟计算与分析

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摘 要：从二氧化碳的物理性质出发，比较了密度、运动粘度及质量热容随温度与压力的变化情况。从而分析初出相对于液相和气相，二氧化碳处于超临界状态更有利于管道输送。并对阿克气田分离出来的二氧化碳从水力、热力角度出发，应用 Hysys和Pipephase软件对二氧化碳处于不同状态时的管道输送情况进行模拟，得到管输压降-管道长度、流体温度-管道长度、压降-管线倾角等变化曲线，上述得出的结论为实际工程提供了一定的指导与理论依据。

关键词：超临界 二氧化碳 管道输送 杂质

一、前言

二氧化碳作为第一大类温室气体对环境的影响极大，稳定甚至减少向大气中排放是有其必要性的。二氧化碳输送系统是连接回收与永久储存地点的一个重要环节。通常情况下， 由于二氧化碳注入地点一般远离其回收地点， 采用管道输送方式是最有效的输送方式[1]。

纯二氧化碳通过管道输送时，其状态主要有气态、液态和超临界状态。气态输送由于介质密度低、管输压降高、管道口径大，显然不利于管道输送[2]。液态输送由于介质随着管输压力降低，容易进入气液两相区而导致摩阻增大，且介质注入管道需要二次加压，亦不利于管道输送。超临界二氧化碳具有黏度小， 比重低， 管道输送沿程摩阻极小， 消耗的动力相应也少， 经济性好， 而且超临渗透能力强， 溶解性好等特点，这种物理性质上的变化使其更有利于管道输送。

二氧化碳管道输送广泛采用的操作压力是 7.4～21MPa[3]，在此压力范围内，当温度超过 30.95℃时，二氧化碳处于超临界状态。本文从二氧化碳物理性质入手，运用 Hysys油气加工模拟软件研究其在超临界状态时的变化情况，结合水力、热力计算并运用Pipephase油气管道软件，得出不同条件下输送二氧化碳的管道特性，从而起到指导生产实际的作用。

二、超临界二氧化碳物理性质

当压力高于7.37MPa，温度高于31.05℃的超临界流体状态[4]是指气体在高压下的分子形态变得和液体形态一样的紧密，具有很高的密度，但是像气体一样易于流动，适用于管道输送。因此管道长输过程中，二氧化碳易受环境温度和压降的影响而出现相态变化，易达到超临界状态。这是因为超临界二氧化碳的溶解能力远高于气态，且其扩散系数远超液体状态，可较快渗透到其他体系内部。

1.二氧化碳的密度特性

在压力相同的条件下，二氧化碳密度随着温度的上升而降低；在温度相同的条件下，二氧化碳密度随着压力的上升而增大。当温度、压力增大到一定值时，二氧化碳密度大于水的密度，最大值高于1200Kg/m3。当处于超临界二氧化碳区域内，二氧化碳的密度随着压力或温度的较小变化而发生较大的变化。

2.二氧化碳的粘度特性

通过Hysys软件计算得出二氧化碳粘度随温度和压力曲线如图3所示，可知：

图3 二氧化碳粘度变化曲线

当压力低于7.37MPa时，在相同的温度条件下，超临界二氧化碳的运动粘度较气态大；当压力超过 7.37 MPa时，运动粘度明显减小，与气体状态相近。

3.二氧化碳的比热特性

通过Hysys软件计算得出二氧化碳粘度随温度和压力数据如图4所示，可知：

图4 二氧化碳质量热容变化曲线

当二氧化碳处于非超临界状态时（压力低于 7.37 M Pa、温度低于 30.95 ℃），质量热容为 1～4 kJ/（kg·℃）。但当二氧化碳处于超临界状态时，其质量热容急剧增加，峰值达到14.2 kJ/（kg·℃）。较大的质量热容将导致温度变化减小，故相比于气态和液态二氧化碳输送管道，超临界二氧化碳输送管道的温度受外界环境的影响更小。

综上可见，与气态和液态二氧化碳相比，超临界二氧化碳的密度相对较大，粘度、摩擦阻力、温度敏感度相对较小，因此更利于二氧化碳的管道输送。

三、超临界二氧化碳管道输送计算模型与公式

通过对塔里木阿克气田分离出的二氧化碳，运用Hysys和Pipephase软件模拟二氧化碳的输送过程。计算软件中选择PR状态方程来计算CO2的PVT性质计算。

表1 阿克气田二氧化碳管道输送外部条件

在正常油气田生产过程中，管道内部的沿程摩阻可利用达西公式（Darcy-Weisbach）计算：

式中：hl-沿程摩阻损失，m ；

-水力摩阻因数；

L-管道长度，m ；

d -管道内径，m ；

V-管内流体流速，m/s；

g -重力加速度，取 9.8 m /s2。

压降 P可按公式计算：

式中： P-压降，Pa；

-管内流体密度，kg/m3；

压降 P用CO2摩尔流量表示如下：

考虑高差变化时，管道的压降 P可按下式计算：

式中：H-管道首末端高度差，m；

公式中前一项是由摩阻引起的压降，后一项是由高差引起的压降。取超临界状态二氧化碳输送管道入口条件：压力16MPa，温度50℃。下面是通过用Hysys和Pipephase软件模拟相同的外部条件（表1）下，仅改变二氧化碳本身的压力和温度，研究其在不同状态下的管输压降、温度和热损失参数与管道长度的关系。

1.出口压力与管道长度的关系

图6 出口压力与管道长度变化曲线图

根据Hysys软件的模拟计算可知，随着管道长度的增加，出口压力逐渐降低，且与管道长度成直线关系，如图6所示。

2.出口温度与长度的关系

图7 出口温度与管道长度变化曲线图

管道内二氧化碳初始温度为50℃，环境温度5℃。根据 Hysys软件的模拟计算可知，随着管道长度的增加，出口温度逐渐降低，并最终接近于环境温度。由此可知，超临界二氧化碳输送，需要保证出口温度不低于31.04℃，如图7所示。

3.压降与管道倾角的关系

图8 压降与管道倾角变化曲线图

通过首末端的高度差反映管道的倾角，由图8可知，当管道上倾时，随管道倾角的增加压降也逐渐增大；当管道倾角为零时，压降不为零；当管道下倾时，随着倾角减小到某一值，超临界二氧化碳变成等压输送。

五、结论

1.超临界二氧化碳相对于气态、液态二氧化碳，具有密度大、粘度小、管道沿程摩阻小等特点，因此采用超临界二氧化碳输送最为经济；

2.超临界二氧化碳输送过程中的压降随管道长度、管道倾角的增加而增加，管道出口温度随着管道长度的增加而降低，并最终接近于环境温度。

参考文献

[1]叶建，杨精伟.液态二氧化碳输送管道的设计要点[J].油气田地面工程，2010，29（4）：37-38.

[2]吴暇，李长俊，贾文龙.二氧化碳的管道输送工艺[J].油气田地面工程，2010，29（9）：52-53.

[3]Alberto M ，Tim H ，Jerem y J C. CO2 transportation for carbon capture and storage：Sublim ation of carbon dioxide from a dry ice bank[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2008.

[4]杜磊，湛哲，龙，等.大规模管道长输 CO2技术发展现状[J].油气储运，2010，29（2）：86-89.

作者简介：张健（1989.04）性别：男 民族：满 籍贯：辽宁 助理工程师，本科学历，新疆石油勘察设计研究院天然气工艺所，从事油气集输、天然气加工工艺设计。

庹海忠（1985.09）性别：男 民族：汉 籍贯：湖北 工程师，本科学历，新疆石油勘察设计研究院新技术开发公司，从事油气集输、天然气加工设计及新技术研发管理工作。

杨肇琰（1985.02）性别：男 民族：满 籍贯：辽宁 工程师，本科学历，新疆石油勘察设计研究院，从事油气集输、天然气加工工艺设计。