超临界-密相CO2 管道输送工艺仿真及优化

王超，赵建帮

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063；2.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116006）

1 引言

因温室气体排放造成的全球气候变化问题日益严峻，控制温室气体排放已成为各国争相实现的目标。2020 年9 月，我国提出二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，并努力争取2060 年前实现碳中和。虽然可以通过大力发展清洁能源技术、提高自然生态系统固碳能力等措施实现，但未来几十年化石能源仍将是人类最主要的能量来源，而二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）是化石能源实现低碳化利用应对碳达峰和碳中和目标的唯一技术选择[1]。

二氧化碳（CO2）输送是CCUS 的中间关键环节，具体是指将捕集的CO2输送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，可分为罐车运输、船舶运输和管道运输。但无论是在陆地上还是在海上，CO2的超临界相/ 密相管道输送都是长距离规模化运输CO2的有效且安全的方法。

2 超临界-密相CO2 管道输送工艺简介

CO2的相态图如图1 所示。CO2的超临界相是指其温度和压力均大于临界压力和温度的状态，具有低黏度、高密度以及常见杂质对其影响小的特点，而CO2的密相是指其压力高于临界压力而温度低于临界温度的状态。在许多工程中，超临界CO2管道后段随着温度的降低会转变为密相输送[2]。对于大输量、长距离、途经人烟稀少区域的CO2管道，优先采用超临界或者密相输送[3]。但为了确保CO2管道的输送安全和低运行成本，需要控制管输介质在输送过程中维持稳定的相态，避免出现气液两相流。当采用超临界或者密相输送时，其输送压力应保证末端压力不小于8 MPa[4-5]。

3 工艺仿真对象及参数

超临界-密相CO2相态复杂多变，物性易受参数、杂质、环境等影响，对其输送工艺的设计优化需要借助于仿真模拟软件。通过调研国内外研究进展和相关工程数据，采用模拟软件对超临界-密相CO2管道输送特性的一般规律进行稳态仿真，并根据仿真结果反馈对输送工艺进行设计优化。

3.1 仿真模型及参数

仿真以某CO2输送管道为模型，管道长30 km，起点通过压缩机增压后进行输送，中途不另设增压装置。相关基础参数见表1，CO2组分数据见表2。

表1 基础参数

表2 CO2 组分数据

除上述基础参数外，仿真考虑不同运行和环境参数变量对管道输送的影响。相关参数变量选取见表3。

表3 参数变量表

3.2 CO2 状态方程选择

目前，用于CO2性质计算的状态方程主要有：Soave-Redlich-Kwong（SRK）、PRSV、Benedict-Webb-Rubin-Starling（BWRS）以及Peng-Robinson（P-R）等。参照国内外已建工程的设计运行经验以及相关规范[6]，模拟采用P-R 状态方程用于计算CO2流体的相态及物性。

3.3 仿真软件

本设计仿真选用OLGA 软件。OLGA 由挪威的SINTEF和IFE 联合开发，是目前世界领先的用于模拟烃类流体在管道中瞬、稳态多相流动的软件，其计算结果为世界各大石油公司所认可，并被广泛应用在可行性研究、工程设计和运行模拟中。

4 仿真结果及优化

典型的软件仿真结果见图2（1 bar=0.1 MPa），图2 中表示CO2介质温度、压力和液相体积分数沿管线长度的变化曲线。CO2压力一般沿管线长度逐渐减小；当CO2温度高于环境温度时，其温度也沿管线长度逐渐降低；液相体积分数则随温度压力等参数变化而发生变化，图2 中管道入口处介质处于超临界相状态，当压力和温度沿管线长度降低后，CO2逐渐转为密相状态。

图2 典型软件仿真结果

4.1 管道敷设和保温形式的影响

管道埋地或架空敷设形式以及是否保温等会对CO2介质的输送特性产生影响，不保温（架空）、保温（架空，玻璃棉50 mm）、埋地3 种不同形式下的管道介质温度、压力和液相体积分数沿管道长度变化见图3～图5。其他模拟参数：起始压力10 MPa（100 bar）；起始温度50 ℃；环境温度15 ℃；管道直径DN200。

图3 不同敷设及保温形式下介质温度沿管道长度变化

图4 不同敷设及保温形式下介质压力沿管道长度变化

图5 不同敷设及保温形式下介质液相体积分数沿管道长度变化

对比管道未保温（架空）、保温（架空）和埋地3 种不同敷设方式，可见在采取保温后，管道介质温降显著减小，全管段CO2均为超临界相，未转变为密相。但是，保温后的介质压降反而增加。

4.2 起始压力的影响

不同起始压力下的管道介质温度沿管道长度变化见图6，不同起始压力下的管道介质压降见图7。其他模拟参数：管道保温：未保温（架空）；起始温度：50 ℃；环境温度：15 ℃；管道直径：DN200。

图6 不同起始压力下介质温度沿管道长度变化

图7 不同起始压力下介质压降

对比管道3 种不同起始压力，可见较高起始压力的管道介质温降较大而压降较小。

4.3 起始温度的影响

不同起始温度下的管道介质压力和液相体积分数沿管道长度变化见图8～图9。其他模拟参数：管道保温为未保温（架空）；起始压力为10 MPa（100 bar）；环境温度为15 ℃；管道直径为DN200。

图8 不同起始温度下介质压力沿管道长度变化

图9 不同起始温度下介质液相体积分数沿管道长度变化

对比管道3 种不同起始温度，可见较高起始温度的管道介质压降较大。不同起始温度下的介质相态变化也不同，其中起始温度为20 ℃时，管道介质全段为密相。

4.4 环境温度的影响

不同环境温度下的管道介质压力和液相体积分数沿管道长度变化见图10～图11。其他参数模拟参数：管道保温为未保温（架空）；起始压力为10 MPa（100 bar）；起始温度为50 ℃；管道直径为DN200。

图10 不同环境温度下介质压力沿管道长度变化

图11 不同环境温度下介质液相体积分数沿管道长度变化

对比3 种不同环境温度，可见较高环境温度的管道介质压降较大。环境温度越高，介质也越难从超临界相转成密相。

4.5 管道直径的影响

不同管道直径下的管道介质压力沿管道长度变化见图12。其他模拟参数：管道保温为未保温（架空）；起始压力为10 MPa（100 bar）；起始温度为50 ℃；环境温度为15 ℃。

图12 不同管道直径下的介质压力沿管道长度变化

对比管道3 种不同管道直径可见，较大管道直径的管道介质压降较小。

4.6 最佳设计工况

上述仿真针对管道敷设和保温形式、起始压力、起始温度、环境温度和管道直径等不同运行和环境参数对管道输送的影响进行了仿真，仿真分析及设计优化结果如下。

1）管道介质在采取保温后的压降相比架空或埋地等不保温形式的介质压降反而增加。管道保温后，管道介质温降较小，介质保持超临界相而未转变为密相，可见密相状态的CO2介质其单位阻力损失比超临界状态要小。因此，为减少管道输送压力损失，管道并不需要保温，其敷设方式可根据需求采用架空或埋地敷设。本设计推荐采用埋地敷设。

2）较高起始压力的管道介质温降较大而压降较小。但由于高起始压力管道所需要的压缩能耗更高，因此，在保障管道不发生气化的前提下，管道起始压力越低越好。本设计推荐采用10 MPa（100 bar），以保证末端压力不小于8 MPa（80 bar）。

3）较高起始温度的管道介质压降较大。管道更高的起始温度，其介质更难从超临界相转变为密相状态，而由于密相状态的CO2介质其单位阻力损失比超临界状态要小，因此，管道介质压降更大。此外，更高的起始温度还意味着起始能耗更高。本设计推荐20 ℃。

4）较高环境温度的管道介质压降较大。环境温度越高，其介质更难从超临界相转变为密相状态，因此管道介质压降更大。

5）较大管道直径的管道介质压降较小。管道直径越大，管道流速越低，压降也越低。但管径直径过大会提高管道投资，降低经济性，因此，宜选用经济流速下的管道直径。本设计推荐DN250。

5 结论

本文选用OLGA 模拟软件针对管道保温形式、起始压力、起始温度、环境温度和管道直径等不同运行和环境参数对管道输送特性的影响进行了仿真，根据仿真结果建议如下。

1）密相状态的CO2介质其单位阻力损失比超临界状态要小。因此，为减少管道输送压力损失并降低管道造价，管道并不需要保温。

2）较高起始压力管道所需要的压缩能耗更高，因此，在保障管道不发生气化的前提下，管道起始压力越低越好。

3）更高的起始温度或环境温度，其介质更难从超临界相转变为密相状态，因而管道介质压降更大。

4）较大的管道直径会降低管道输送成本但增加初始投资，因此，宜选用经济流速下的管道直径。