1、二氧化碳超临界管道输送模拟计算与分析摘 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
2、。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
3、用的操作压力是 7.421MPa3，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
4、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
5、，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 14 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
6、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 -
7、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
8、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
9、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. 3Alberto M ，Tim H ，J
10、erem y J C. CO2 transportation for carbon capture and storage：Sublim ation of carbon dioxide from a dry ice bankJ. International Journal of Greenhouse Gas Control，2008. 4杜磊，湛哲，徐发龙，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。
