CO2管道瞬态仿真研究探讨
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【摘 要】 本文根据国内外co2长输管道的发展状况，分析了纯CO2和含杂质CO2体系相态特性，并结合瞬态仿真模型总结分析了CO2管道瞬态仿真研究现状及其涉及的瞬态计算数值方法，对CO2管道瞬态仿真进行了展望：（1）CO2管道输送技术与油气管道输送技术基本类似，由此借鉴寻找CO2管道瞬态仿真技术的研究方向；（2）数值传热相关计算方法可用于CO2管道瞬态仿真；（3）在瞬态仿真的基础上，进行瞬态仿真和优化控制结合，完成管道限压及限时控制等，也将是CO2管道研究的一个重要方向；（4）希望借鉴国外先进技术、引进成熟工艺设备的同时还应该重视挖掘整合国内资源，产学结合。
【关键词】 CCS 相态分析 CO2管道 瞬态仿真
1 引言
碳捕集与封存（CCS）技术已成为世界公认的未来几十年内最有潜力、最有效的减少温室气体排放的方法之一[1]。捕集到的CO2处理方式主要有两种：（1）用于陆地或海洋封存；（2）提高油气藏采收率。提高油气藏采收率的工程需建设长距离CO2管道，输送CO2时，管道内多相流动产生的压降比单相流动的压降大，易造成冲蚀，一般要求输送介质为单相。CO2的临界温度和压力均较低，分别为31.05℃和7.37MPa，输送之前如不采取特殊处理，在长输过程中易因环境温度和压降的影响导致相态变化[2-3]。
为了保证CO2管道的安全、高效运行，必须对管输条件下CO2的物化性质、运动状态等有全面的认识和了解，科学合理地确定管道设计及运行方案。仿真模拟正是解决上述问题的基础和关键。
2 国内外CO2长输管道发展现状
CO2输送与油气运输有一定的相似性，运输方式包括管道、船舶、铁路和公路等，最具应用潜力的应为管道运输。国际上长距离、大规模的CO2输送技术已发展多年，世界上第一条长距离CO2输送管道于20世纪70年代初投入运行。CO2长输管道早已被美国、加拿大、土耳其和特立尼达等国家用于CO2-EOR，而95%以上的CO2-EOR项目在美国，1998美国利用CO2提高采收率技术平均每天已能产出196，000桶石油，随着国外CO2-EOR技术的推广应用，配套的CO2管道持续增长。目前我国还没有CO2长输管道运行投产。
3 CO2相态分析
3.1 纯CO2相态特性
研究CO2的相态特性首先从了解纯CO2的相态特性开始，图1给出了整个压力温度范围内纯CO2体系的相态区域。
CO2管网中存在的杂质如N2、O2、Ar、H2O、SOx、H2S等将影响其相态特性，混合物的组分决定了管输介质的临界条件，介质的临界压力和温度会影响管道的运行条件。喻西崇等[4]通过实验对含杂质CO2体系相态特性分析研究得出：杂质含量越高，体系的泡点压力和露点压力越高；杂质含量是泡点压力受影响的主要部分，露点压力仅与杂质含量有关，而与杂质种类无关。管道运行压力和温度的波动也会影响CO2的相态特性。
3.2 CO2相态计算模型
单向流中不存在相态的转换，立方型状态方程涉及参数少、形式简单、计算精度较高，常被用于实际流体的相态计算。目前油气及CO2行业常用的实际状态方程有BWRS、PR、SRK和RK方程。
建立两相流体之间的相态转化计算模型[5]的目的：（1）保证CO2管道安全可靠运行；（2）预测管道运行过程中产生的压降；（3）建立合适的相态转换模型。
3.2.1 简单模型（如图2所示）
模型中每种相态都有对应的压力P、温度T、化学势μ、速度v。假设气、液态流体有一致的v、P和T，化学势分别为液体为μ1（P，T），气体为μg（P，T）。
模型的建立：
（1）两相流方程主要为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。
（2）相态转换模型。舒张化学势m=km（μl -μg），当化学势相等时没有相态转化，当km趋于无穷时将使流体趋于气液相平衡。0
3.2.2 数理统计理论模型（SRT）
统计力学给出了单分子事件性质
，
由经典动力学理论知。
净通量。
界面面积：
最后得到SRT模型：
将所有常数用表示得到：
4 二氧化碳管道动态仿真
4.1 非稳定工况
当CO2长输管道运行条件发生变化时，流体会从原有的稳态过渡到一个新的稳态，过渡过程就是非稳态过程。管道运行的非稳态工况，可以分为正常和异常工况。正常工况包括了管道启输、压缩机组切换、启停压缩机组、越站二氧化碳、分输用户的气量调整和气源进气量的调整等。异常工况包括了管道泄漏（爆管）、管道堵塞（冰堵）、运行机组故障停运、干线截断阀意外关断、站场故障停运和通讯中断等。通过动态仿真，可以分析管道运行参数的变化规律，制定相应的控制策略，从而有效保证管线的安全稳定运行。
Stefan Liljemark等[6]建立了两个模型对CO2管道进行了动态仿真，一个描述了管道流量和压力的变化；另一个模拟管道内瞬时冷却和非稳定工况下压力波形成及传播过程中的情况。得出如下结论：（1）管道冷却会减缓两相流的形成速度。（2）快速关阀和流量变化引起管道内出现两相流，这种情况在垂直管道（注入管道）中是严格限制出现的；快速关阀引起的压力波动最大幅度可达到3bar。（3）完成二氧化碳管道的启动总共花了12天时间，其中有6天时间二氧化碳流处在两相区。（4）压缩机跳车时水平管道没有发生相态变化。
4.2 瞬态仿真模型
4.2.1 模型I[7]
此为密相CO2管道瞬态仿真。
管输介质：含N2的CO2体系，纯度为98%。分段管道：两段水平管道，一段垂直管道（注入管）总长31.2km。管段1和管段2长度均为15km，管段3长度为1.2km；管道的管径全部为300m。阀1、2、3均为控制阀，阀4为切断阀；阀1、4同时也是止回阀。压缩机的出口温度是40℃，为了保持介质在水平管道（1、2）压力在85bar以上，阀3的开度在整个仿真过程中受到动态控制。如图4所示。
流量和压力的动态变化由Krus和Gunnarsson提出的TLM模型中提出的方程式及移动压力波相关等式建立模型求解。模拟的不稳定工况包括：
（1）管道冷却：CO2补集厂停产时管流压力下降，管道温度逐渐下降到埋深环境温度6℃，在此过程中密度保持不变；40h后形成了气态CO2，首次出现相态变化是50min之后在管道入口处，之后CO2的泡点压力提高到了40bar。该瞬态仿真结果表明一旦停止注入CO2，管内将出现两相流，除非保证管道内压力一直保持在临界压力以上。
（2）压缩机跳车：当压缩机停运8s后将阀1关闭，紧接着在700s时关闭阀4。在整个仿真过程中（历时1500s）水平管内混合流体始终保持液体状态，但在阀3之后压力降到了66bar，垂直管段明显出现了两相流。
（3）负载变化：管道内质量流量以4%/min的速度线性变化，数值变化范围在100kg/s的90%、15%、105%和50%以内。通过阀3时，为了保证水平管道内压力在临界压力以上，管流压力应急剧下降（从85bar下降到了66bar），因此在垂直管道内将出现两相流。
（4）快速关阀：在60s内缓慢关小所有阀的开度，同时让压缩机停运。在每一个单独管段内出现压力波，在阀1和2的出口处压力振荡最明显，压力振荡幅度最大达到3bar（±1.5bar）。在垂直管段质量流速从80kg/s降至10kg/s，水平管段流速低于0.1kg/s，管道内最低压力（65bar）出现在阀3的出口处，该压力比临界压力低15bar故该区域很可能出现两相流。
（5）启动：启动状态10bar，6℃，逐渐过度到操作状态110bar，40℃，整个过程进行了12天。4.5天之后管流进入两相区，9天之后结束全部进入密相状态。压缩机启动后，上下游的流量增大，入站压力下降，出站压力上升，最后达到稳定状态。
4.2.2 模型II[7]
该模型用于二氧化碳管道泄漏时的瞬态分析。
高压管道：操作压力（10-20MPa），管长6000km，管径0.3- 0.7m。
模型简介：
（1）2-相CO2从管道中泄漏出来，包括破裂管道内的CO2流体的瞬变情况。
（2）从管道内喷射出来冲击射流。
（3）释放出的混合气体的相变及固态CO2的升华。
（4）CO2在环境中的扩散。
（5）人类对于二氧化碳溶度的适应度。
模拟结果显示：管道泄漏点上游流量上升，下游流量下降；泄漏点上下游压力均下降较快；如果泄漏量较大或者出现管道爆管情况时将严重影响上下游压缩机站的运行，最后导致全线停运。该模型最后得到的结论有待现场实验证明，只能作为判断管道泄漏点等的理论参考依据。
4.2.3 模型III[8]
Maciej Chaczykowski等根据连续性方程，动量方程和能量方程的基本式建立了管道和压缩机模型。模拟不稳定工况包括：
二氧化碳管道干线截断阀意外关断：在60s内流量由70kg/s下降至0，入口压力保持9.5MPa；20min后打开截断阀，让管道运行状态在60s内实现满流；当截断阀意外关断后，关断点上下游的流量下降都比较快，上游压力上升，下游压力下降。而上游压缩机的运行、下游用户的分输量以及全线的CO2流速都会受到影响，进而导致全线停运。当因工况突变使得截断阀关断后，应立刻采取应急措施：首先快速打开旁通阀室平压，然后再打开主阀。阀门由于故障不能重新打开时，应该调节运行工况，逐渐关停上下游的压缩机，最后停运全线，直至事故处理完毕。CO2碳管道发生严重堵塞以及站场意外停运时的结果与之类似。
4.3 CO2管道瞬态模拟计算方法
瞬变过程分为慢瞬变过程和快瞬变过程，据其不同特点常采用不同的算法，现在CO2管道仿真软件采用的数学方法基本都是数值解法中的隐式中心差分法和特征线法。
隐式中心差分法：不受稳定条件的限制，时间步长对慢瞬变计算精度影响较小，为了减少计算时间，可以增加时间步长；其不适用于复杂的大型管网。特征线法：可以对各种边界条件进行显式处理，易于求解；但时间步长和管段步长要满足稳定条件。增大时间步长，可以减少计算量，而时间步长对慢瞬变计算精度影响较小，所以常采用隐式差分法求解慢瞬变过程；快瞬变中流动状态参数随时间的变化较大，要求较短的时间步长以保证计算精度，常采用显式特征差分法求解快瞬变过程[9]。
5 总结及展望
CO2管道输送技术与油气管道输送技术相似，瞬态模拟方法和模型均可借鉴。文中所述瞬态仿真模型基本涉及CO2管道运行过程中的非稳态工况，我国CO2管道事业需要做的工作还很多，结合国内外CO2管道事业及油气管道的瞬态计算数值方法发展情况提出以下几点展望：
（1）目前国内输气管道瞬变仿真从等温模型、绝热模型逐渐发展为稳态传热模型和非稳态传热模型，瞬态仿真的重点当属热力计算，瞬态仿真理论发展方向是考虑真实气体效应和非稳态传热的非等温流动模型；CO2管道输送技术与之类似，可由此借鉴寻找CO2管道瞬态仿真技术的研究方向。
（2）CO2管道瞬变流动受到压力、温度、流量的变化及网格离散等因素的影响，由此可见数值传热将会密切用于CO2管道瞬态仿真方面，而CO2管道的相关数值计算方法有：半隐式有限体积法、TVD/LW方法和最小二乘谱方法等。
（3）进行瞬态仿真和优化控制结合，完成管道限压力控制、限时间控制等对管道运行的安全性、可靠性、平稳性、经济性提供参考，也是CO2管道研究的一个重要方向。
（4）在我国油气管道发展历程中关于管道瞬态仿真技术发展已相对成熟，故在学习国外先进技术引进成熟工艺设备的同时还应该重视挖掘整合国内资源，产学结合。
参考文献：
[1]朱发根，陈磊.我国CCS发展的现状、前景及障碍[J].能源技术经济，2011（01），Vol.23（1）：46-49.
[2]董华松，黄文辉.CO2捕捉与地质封存及泄漏检测技术现状与进展[J].资源与产业，2010（04），Vol.12（2）：124-128.
[3]杜磊，湛哲等.大规模管道长输CO2技术发展现状[J].油气储运，2010，Vol.29（2）：86-92. [4]喻西崇，李玉星等.含杂质CO2体系相态特性及CO2低温液态储存蒸发特性实验研究.中国海上油气，2009，Vol.21（3）：196-199.
[5]Halvor Lund and Peder Kristian Aursand. Two-Phase Flow of CO2with Phase Transfer. Department of Energy and Process Engineering， NTNU 2011-06-16.
[6]Stefan Liljemark，Kenneth Arvidsson.Dynamic simulation of a carbon dioxide transfer pipeline for analysis of normal operation and failure modes.Energy Procedia，2011，Vol.4：3040-3047.
[7]Menso Molag，Corina Dam.Modelling of accidental releases from a high pressure CO2 pipeline.Energy Procedia，2011，Vol.4：2301-2307.
[8]Maciej Chaczykowski， Andrzej J. Osiadacz. Dynamic simulation of pipelines containing dense phase/supercritical CO2-rich mixtures for carbon capture and storage. International Journal of Greenhouse Gas Control，2012，Vol.9：446-456.
[9]WangHai ，Liu Xiaojing ， Zhou Weiguo. Transient flow simulation of municipal gas pipelines and networks using semi implicit finite volume method.Engineering Procedia，2011，Vol.12：217-223.