CO2输送管道工程设计标准的探讨

黄 辉 周 晶 粟科华

中国石化石油勘探开发研究院

我国碳排放总量目前已位居世界首位。作为最主要的一种温室气体，对CO2大规模利用（如驱油［1－2］、驱气［3－4］、压裂［5］等）和储存的需求催生了全球特别是欧美地区 CO2输送管道的发展［6－8］，而国内 CO2输送管道的建设尚处于起步阶段。

目前，我国尚未制订针对CO2输送管道的建设设计标准。已建或在建CO2输送管道工程大多参考油气领域相关标准，但由于CO2独特的物理化学性质，CO2输送管道与天然气管道存在较大差别。因此，亟待制订CO2输送管道工程设计标准。

1 国内外CO2输送管道现状

1.1 国外CO2输送管道工程现状

国外CO2输送管道工程建设始于20世纪60年代，早期建设的管道主要用于将CO2输往油田进行驱油以提高原油采收率，后期则随着对温室气体排放的重视，部分管道被用于向地下封存其他装置产生的CO2以减少碳排放。

目前，国外CO2输送管道主要分布在美国。据不完全统计，美国CO2输送管道长度在2008年就已经超过了5 800km，年输送量5 000×104t，大部分采用超临界相输送，以满足长距离大输送量要求。其中，Cortez管道是目前最长的CO2管道，全长808km，管径为762mm，压力为13.8MPa，年输气量为1 930×104t。挪威Snohvit管道则是世界首条海底CO2管道，150km管道位于330m深的海底，输气压力为20 MPa，年输气量为70×104t。用于将岸上LNG液化厂生产的CO2返注回油田。国外主要CO2输送管道统计情况见表1。

1.2 国内CO2输送管道工程现状

与国外相比，我国的CO2管道输送技术起步较晚、规模小，尚无成熟的长距离输送管道。个别油田利用自身距CO2气源点较近的优势，采用气态或液态将CO2输送至注入井的井场，达到提高油田采收率的目的。如大庆、胜利、吉林等油田先后开展了CO2驱油的工程建设项目。

国内CO2输送管道特点：①主要分布在油田周边，用于CO2驱油，提高采收率；②输送距离短、输量小；③输送工艺以气相输送为主。国内CO2输送管道相关数据见表2。

表1 国外主要长距离 CO2 输送管道统计结果表［6－7，9－10］

表2 国内主要CO2输送管道统计表

2 国内外CO2管道相关标准

2.1 国外CO2管道相关标准

目前国际上没有统一的CO2输送管道行业标准。国外涉及CO2的管道标准共有4部，其中美国、欧洲、加拿大在现有标准修订时增加了有关CO2的技术规定，挪威船级社编制了《CO2管道的设计与操作》DNV－RP－J202，对CO2管道的设计和操作提出了一些基本的建议和要求，但均不涉及工艺计算、安全距离等内容。国外CO2管道相关标准见表3。

表3 国外CO2管道相关标准统计表［11－12］

2.2 国内CO2管道相关标准

国内尚无涉及CO2管道输送的相关设计标准；已建CO2输送管道工程大多参考GB 50350《油气集输设计规范》和GB 50251《输气管道工程设计规范》等标准，但现有标准基于易燃易爆气体，在防火间距、安全等级上要求较高，而且未考虑CO2物性对输送工艺、管线材质、防腐工艺等方面的影响。国内CO2管道相关标准见表4。

表4 国内CO2管道相关标准统计表

3 标准编制的原则和技术路线

3.1 编制原则

CO2输送管道工程设计标准的编制，应贯彻国家的有关法规和方针政策，统一技术要求，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。根据我国CO2输送管道发展现状，标准的适用范围为陆上CO2输送管道工程设计。在标准编制时，应遵循保护环境、及时吸收采用国内外先进技术、尽量优化设计方案的原则。

标准内容应充分考虑CO2与天然气的物理化学性质差异，以物性差异带来的管道设计不同为重点，通过规范计算方法、警示危险因素、明确安全措施等手段，来对CO2输送管道设计建设过程进行指导，以达到降低建设投资，增加建设运行过程的安全性，促进我国CO2输送管道发展的目的。

3.2 技术路线

首先应对国内外工程现状和相关标准进行研究，认识掌握CO2输送管道的特点和现有标准的不足之处；然后针对调研中发现的问题进行分析，确定哪些问题需要重点研究，哪些问题可以直接采用国内外现有标准；对于需要重点研究的问题，通过组织技术力量进行攻关，或吸收利用国内外科研单位的相关研究成果的方式加以解决。在此基础上，编写征求意见稿。经过与科研、设计、建设、运行单位结合讨论修改后，最终形成CO2输送管道工程设计标准。

4 标准需探讨的问题

1）标准涵盖的相态范围。CO2的管道输送存在气相、液相、超临界3种输送相态，在标准编制前需要首先研究相态与输送量、管长的关系，明确是针对3种相态单独制订标准，还是结合多种输送相态编制统一标准。

2）CO2的纯度标准。与天然气类似，采用管道输送时需要对CO2的纯度以及CO2中杂质的种类、含量等进行规定，只有当气体组成满足输送工艺要求，不发生相变和堵塞，不含有危害管道和设备正常运行的杂质时才能允许通过管道输送。

3）确定工艺计算方法。与常规油气管道不同，CO2存在多种输送相态，不同相态间的密度、黏度、比热等物性相差极大，在特定条件下相态间能互相转化［13］。因此，需要明确现有的气液状态方程和水力学方程是否适用于对应相态下的CO2计算，并与其他计算方法对比计算精度和计算难易程度，优选出不同相态下的CO2状态方程和水力学计算方法，从而对CO2输送管道的设计进行指导和规范。

4）研究CO2输送管道正常运行工况下的流动保障手段。不论采用何种相态输送，CO2对组分变化和温压条件变化均比较敏感。因此，在标准中需要给出相应的保障措施，比如增加温度、压力、组分传感器布置密度等。

5）CO2特有的危险因素。对在天然气管道输送中不会出现，但CO2管道输送时则可能发生的危险因素进行警示。如超临界CO2会溶胀橡胶和塑料导致密封失效，气相CO2放空时可能会形成干冰堵塞管阀件等。

6）CO2输送管道的经济性问题。CO2不具有可燃性和爆炸性，仅具有窒息性，比天然气相对安全。但国内CO2管道设计时大多参照天然气管道的安全距离，如某油田CO2输送管道两侧的设计安全距离即沿用了30m的天然气管道标准要求。对于这一问题，标准应在国内外相关研究的基础上，通过数值模拟和室内、现场试验等多种形式，确定适用于CO2输送管道的安全距离，并在标准中体现。

7）CO2输送管道的安全性问题。CO2无色、无味，其主要威胁是造成人员窒息、中毒。因此在CO2管道设计中应采取一些安全措施，如在管道沿线及站场设置CO2气体泄漏检测和报警系统，在管道中加入适量安全臭味剂等方法加以预防。

5 结论及建议

1）根据我国CO2输送管道工程设计及应用情况，建议以国外标准中CO2有关内容为基础，利用国内外CO2输送领域的研究成果，参照国内的油气管道标准模式，编制CO2输送管道设计标准。

2）通过分析研究，建议目前编制的CO2管道标准适用于陆上CO2输送管道工程设计，适用气相、液相两种输送相态。随着超临界相在国内的建设与其技术的发展，再将其内容补充进标准中。

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