二氧化碳输送工艺分析

梁海宁，邵长彬

1. 中石化石油工程设计有限公司；2. 胜利油田技术检测中心，山东 东营 257000

一、概述

全球气候变暖是由于温室气体排放到大气中引起的，而CO2在其中占了非常重要的作用。据国际Wirtschaftsforum再生能源（IWR）组织发布的报告，2009年全球CO2排放量313×108t，其中中国CO2排放量为74.3×108t，居世界第一位。同时，中国政府郑重承诺：2020年比2005年单位GDP的CO2排放强度要下降40%~45%。因此CO2的处理和利用方式引起了人们的广泛关注。其中，将CO2捕集、运输后注入地下油藏是一种有效的方式。这种方法不仅可以将CO2变废为宝，保护环境，而且可以开发石油资源，提高原油采收率。

CO2的输送方式分为管道输送、轮船输送以及槽车输送3种。这3种输送方式分别适用于不同的条件和场合。管道输送适合大容量、长距离、负荷稳定的定向运输；轮船运输适合大容量、超远距离的海上运输；槽车运输适合中短距离、小容量的运输。而对于胜利电厂百万吨CO2项目，年最大输量100×104t，总长度80km，且定向运输到纯梁采油厂，因此利用管道输送较为合适。作为目前国内规模最大的CO2管道输送项目，相关安全输送长度和最大输量的研究较少。本文针对此项工程，利用PIPEPHASE软件，研究分析了不同的管径、入口温度和设计压力对安全输送长度和最大输量的影响，旨在为今后的设计研究工作提供一定的基础。

二、大规模管道长输CO2技术发展现状

CO2管道自上世纪70年代起，开始在气驱采油工业中应用。世界上约有6 000km的CO2管道，其总输量达到150Mt/a，其中大部分CO2管道位于美国，其他分部在加拿大、挪威和土耳其。我国的CO2管道输送技术起步较晚，尚无成熟的长距离输送管道，国内已见报道的仅有大庆油田在萨南东部过渡带进行的CO2-EOR先导性试验中所建的6.5kmCO2输送管道，用于将大庆炼油厂加氢车间的副产品CO2低压输送至试验场地。此外，个别油田利用自身距CO2气源点较近的优势，采用气态或液态管道输送CO2至注入井井场，达到提高油田采收率的目的，如江苏油田、吉林油田等。

图1 不同管径和地温下CO2安全输送距离

图2 不同管径和地温下CO2最大输量

三、CO2输送管道计算与分析

胜利电厂捕集后的CO2含有99.492%的CO2、0.480%的N2、0.027%的SO2和0.001%的H2O，年工作时间为8 000h，计算过程中采用PR状态方程进行CO2的PVT性质计算。

?1.管径的影响

管径对CO2输送管道的安全输送距离和最大输量起着至关重要的作用，因此应选择合理的管径。影响管径的因素很多，如流量、单位长度的压降、CO2的物性参数、高程的变化等。

(1)安全输送距离

胜利勘察设计研究院

图3 不同入口温度和地温下CO2安全输送距离

图4 不同入口温度和地温下CO2最大输量

固定进口压力14.2MPa，出口压力8.0MPa，管径D250mm，输量120×104t/a，年工作时间为8 000h，中间不加压，保证沿程不发生相变时，考察两种典型地温下不同管径对安全输送长度的影响。不同管径和地温下CO2管道安全输送距离见图1所示。

从图中可以看出，在一定的输量下，随着管径的增大，CO2管道的安全输送距离逐渐增大，这是因为管径越大，相同输量下流速越小，沿程摩阻也就越小，所以同样的输量下安全输送距离越长。不同管径的安全输送长度差距很大，在管径为D200mm时，安全输送长度为65km，而在管径为D350mm时，安全输送距离可达到1 200km。但是，管径增大会增加管道的建设成本，因此，要综合分析，选择工艺上可行并且经济性较好的管径。此外，同一管径在不同地温下的安全输送长度差别不大，只是地温为5℃时的安全输送长度比地温为25℃时略有增加。

(2)最大输量

固定入口温度20℃，进口压力14.2MPa，出口压力8.0MPa，管道长度为80km，考察两种典型地温下不同管径对最大输量的影响。

从图中可以看出，随着管径的增大，CO2最大输量逐渐增大，此外，不同地温下输送时对相同管径下最大输量影响不大，两条曲线基本重合，地温为5℃时的最大输量比地温为25℃时的略有增加。

2.CO2入口温度的影响

(1)安全输送距离

固定进口压力14.2MPa，出口压力8.0MPa，管径D250mm，输量120×104t/a，年工作时间为8 000h，中间不加压，保证沿程不发生相变时，考察两种典型地温下不同的入口温度对安全输送长度的影响。不同入口温度和地温下CO2的安全输送距离如图3所示。

从图中可以看出，随着CO2入口温度的升高，安全输送的距离逐渐减小，并且入口温度每升高10℃，安全输送距离减小10km左右。与地温为25℃相比，地温为5℃时的安全输送距离较大。入口温度低于40℃时，同样的入口温度下，地温为5℃的最大安全输送距离比地温为25℃增大5km左右；而当温度高于40℃时，地温为5℃的最大安全输送距离比地温为25℃增大15km左右。这表明地温越低安全输送距离越远。综上所述，低温入口输送和较低的地温均有利于增加安全输送距离，在长距离输送时可以减少中间加压站的数量，但是入口温度较低时会增加冷却的费用，因此要通过经济对比选择合适的入口温度输送。

(2)最大输量

固定进口压力14.2MPa，出口压力8.0MPa，管径D250mm，管道长度为80km，考察两种典型地温下不同入口温度对最大输量的影响（图4）。

从图中可以看出，随着CO2入口温度的升高，最大输量逐渐减小。当入口温度低于40℃时，入口温度每升高10℃，最大输量减小4×104t/a左右；当入口温度高于40℃时，入口温度每升高10℃时，最大输量减小10×104t以上。这表明CO2在低温输送时最大输量较大，同时温度超过40℃时，入口温度的升高引起最大输量的降低幅度较大，因此在输送时入口温度应尽量低于40℃。此外，地温为5℃时的最大输量比地温为25℃时的最大输量要大，这表明地温较低时有利于CO2的输送。综上所述，较低入口温度和地温有利于增加管道最大输量，这一规律与安全输送距离的结论一致。

3.设计压力的影响

(1)安全输送距离

固定管径D250mm，管道入口温度20℃，出口压力8.0MPa，输量为120万t/a，年工作时间为8 000h，中间不加压，保证沿程不发生相变时，考察两种典型地温下不同设计压力对安全输送长度的影响。不同设计压力和地温下CO2的安全输送距离见图5所示。

从图中可以看出，随着设计压力的升高，安全输送的距离逐渐增大，当设计压力高于12MPa时才能输送80km以上，这表明压力的升高有利于增加CO2安全输送距离，并且每升高1MPa，安全输送距离增加14km左右。此外，与地温为25℃相比，地温为5℃时的安全输送距离较大，并且压力越高时，不同的地温影响越明显。综上所述，高压输送有利于增加安全输送距离，在长距离输送时可以减少中间加压站的数量，延长安全输送长度，但压力较高时增加管道投资等费用，因此要通过工艺分析和经济对比选择合适的压力输送。

(2)最大输量

固定管径D250mm，管道长度为80km，进口温度为20℃，出口压力8.0MPa，考察两典型地温下不同设计压力对最大输量的影响（图6）。

从图中可以看出，随着CO2入口压力的升高，最大输量逐渐增大，当入口压力低于11MPa时，最大输量低于120万t/a，当入口压力高于11MPa时，每增加1MPa，最大输量增加14万t左右，这表明CO2的高压输送时最大输量较大。此外，不同地温下输送时对相同压力下安全输送长度影响不大，只是地温为5℃时的最大输量比地温为25℃时的略有增加。

四、结论

由以上分析结果可知，增大管径、提高设计压力、减小入口温度均可以增加安全输送长度和最大输量，这为今后设计中温度、压力和管径的选取提供一定的依据，但是这些都会增加工程费用，因此在设计中要根据整个系统的实际情况进行综合分析和评价，以确定最优输送方案。

图5 不同设计压力和地温下CO2安全输送距离

图6 不同设计压力和地温下CO2最大输量

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