二氧化碳管道输送技术经济模型研究.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/7二氧化碳管道输送技术经济模型研究秦晶晶（中咨工程有限公司，北京 100080）【摘要】碳捕集与封存技术是减缓温室气体排放尧加强气候治理尧实现碳中和目标的关键技术袁是传统行业实现低碳转型的重要手段遥 就 6 种用于估算二氧化碳管道成本的技术经济模型进行探究袁 认为各模型输出结果存在差异袁通过构建一个新的二氧化碳管道输送技术经济模型袁该模型仅是二氧化碳质量流速和管道长度的函数袁可为二氧化碳管道输送科学决策提供一定的参考遥【关键词】二氧化碳曰输送管道曰碳捕集与封存技术曰技术经济曰成本模型【中图分类号】TE832【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）07-0169-030 引言化石燃料（如煤和天然气）、发电厂的发电是二氧化碳排放的主要来源，预计在未来的一段时间，化石能源仍会是主要的能源来源。因此，碳捕集与封存（carbon capture and storage,CCS）技术将为减少发电厂的二氧化碳排放和实现全球二氧化碳排放目标做出重要贡献。CCS 技术不仅可以用来减少环境污染，减缓人为温室效应，还可以提高经济效益。其中涉及的二氧化碳运输可选用管道运输，是最经济、最方便的二氧化碳运输方式，具有大吞吐量和可长距离运行等特点。国内外学者针对二氧化碳管道输送技术经济模型展开了相应研究。Van Den Broek 等1使用与管道直径、长度有关的线性成本来计算投资成本；赵东亚等2在二氧化碳管道运输工程模型的基础上，建立了投资成本模型与运行维护成本模型；吕家兴等3通过对比分析 4 种二氧化碳管径计算公式，建立超临界二氧化碳管道输送技术经济评价模型。但文献中的成本模型参数选取较为复杂，各模型之间差异较大，为了优化二氧化碳管道输送技术经济模型，有必要建立新的技术经济评估模型，合理高效计算二氧化碳输送管道的成本。1 研究思路结合 Ogden4、MIT5、Ecofys6、IEA GHG PH4/67、IEA GHG 2005/28和 IEA GHG 2005/39这 6 种二氧化碳管道输送技术经济模型，本文使用相同的关键参数对这些模型进行比较，探讨不同模型中相同参数的相似性和差异性。并基于此，通过在二氧化碳质量流速和管道长度范围内对这些模型的成本估算进行平均，构建一个新的二氧化碳管道输送技术经济模型，该模型仅是二氧化碳质量流速和管道长度的函数，可以更为准确地估算管道资本成本。2 对所有模型输入相同的数值由于上述 6 种技术经济模型使用的假设和数值不同，不能进行同类对比。因此，通过复制上述研究的模型，并对其使用相同的基础参数。表 1 为复制各种模型时输入的数值。表 1 所列举的参数已经被使用于一项或多项原始研究，具有一定的参考意义，因此被选中作为本文研究的基础参数。在对 Ogden 等 6 种模型输入相同数值后，计算管道直径、资本成本和平准化成本的方程式，并将其作为新模型重二氧化碳质量流速和管道长度的函数。二氧化碳质量流速为 1 00020 000 t/d；管道长度为 100500 km。工厂能力系数/%80管道入口压力/MPa15.2管道出口压力/MPa10.3二氧化碳温度/益25二氧化碳密度/（kg m-3）884二氧化碳密度/（kg Nm-3）1.965二氧化碳的黏度/（N-s/m2）6.06伊10-5参考成本年份2005欧元对人民币的转换10.1美元对人民币的转换8.1运行寿命/年20折现率/%10位置因素1.00设计参数数值地形因素1.20电力成本/元 （kW h）-10.32表 1 复制各种模型时输入的数值低碳经济169LOW CARBON WORLD 2023/7实验中，每个模型都表现出相同的趋势，即随着二氧化碳质量流速变大，管道直径和资本成本增加，而平准化成本下降。另外，在更高的流速下，各模型之间的管道直径和资本成本差异增加，但平准化成本的差异减少。将每个模型计算的管道直径与平均数相比较，可以得出，IEA GHG 2005/3 和 IEA GHG PH4/6 模型估计的管道直径高于平均数，而 Ecofys、MIT、Ogden和 IEA GHG 2005/2 模型估计的管道直径则低于平均数。通常认为估计的管道直径低于平均水平将导致估计的资本成本低于平均水平，但实际上情况并不一定与上述规律相符，例如，Ecofys 和 Ogden 模型估计的管道直径低于平均水平，但估计的资本成本却高于平均水平；相反，尽管 IEA GHG PH4/6 估计的管道直径高于平均水平，但其估计的资本成本低于平均水平。最后，平准化成本图的趋势几乎与资本成本图相同，IEA GHG 2005/3、Ogden 和 Ecofys 模型估计的平准化成本高于平均水平，而 MIT、IEA GHGPH4/6 和 IEA GHG PH 2005/2 估计的成本则低于平均水平。考虑管道直径与管道长度的关系，管道直径通常随着管道的变长而增加，但在 IEA GHG 2005/2 和IEA GHG 2005/3 模型中除外，因为这些模型中计算管道直径的方程式不是管道长度的函数，所以所有管道的直径都是一样的。管道直径的趋势同样影响到每单位长度资本成本的趋势。除了 IEA GHG2005/2 和 IEA GHG 2005/3 模型，资本成本通常随着管道长度的增加而增加。对于 IEA GHG 2005/3 模型，计算资本成本的方程式实际上不是管道直径的函数，所以所有管道长度的期望资本成本都是恒定的。然而，实际情况并非如此，因为随着管道长度的增加，16 km 管道调整距离的意义逐渐变小。对于IEA GHG 2005/2 模型，资本成本在管道长度达到200 km 时就会增加，如前文所述，在复制这些模型时，除非管道长度达到 200 km 或以上，否则不需要设置增压站。从实验数据中得到，在 200 km 处设置增压站会增加资本成本，但随着管道变长，增压站的成本占比减小，从而导致资本成本相对于管道长度有所下降。最后，作为管道长度函数的平准化成本趋势与作为二氧化碳质量流量函数的平准化成本趋势相似，IEA GHG 2005/3、Ogden 和 Ecofys 模型估计的平准化成本高于平均水平，而 MIT、IEA GHG PH4/6和 IEA GHG PH 2005/2 估计的平准化成本则低于平均水平。平准化成本随着管道的延长而增加。3 构建新的成本模型本文研究的主要目标是创建新的模型。以上文提及的模型为基础，在不同的二氧化碳质量流速和管道长度下，比较 6 种模型相同的输出条件，取其平均值。创建的模型与 Ogden 模型相同，仅是二氧化碳质量流速和管道长度的函数，而不是管道直径。图 1为平均管道资本成本与管道长度、二氧化碳质量流速的关系。图 1 表明，每单位长度的资本成本随着管道长度和二氧化碳质量流速的增加而增加。此外，对管道长度的依赖度在较高流速下会增加。这一点通过比较不同流速下的最佳拟合功率回归方程得到了证实，回归方程如下：CPCC=71 784伊m0.35伊L0.13。（1）式中：CPCC管道资本成本，元/km；m二氧化碳质量流速，t/d；L管道长度，km。通过式（1），可以根据两个通常情况下已知的数据（二氧化碳质量流速和管道长度）来估计每单位长度的管道资本成本。通过这种方式来计算资本成本，无须事先计算管道直径。如上文所述，不同的模型使用不同的方法来计算管道直径，而且大部分情况下最终的结果会有所不同。此外，明显不同的直径也可能导致资本成本和平准化成本出现明显的不同。因此，使用直径以外的数据来估计资本成本更加准确。式（1）是计算管道资本成本的可靠方程式，因为其是图 1 平均管道资本成本与管道长度尧二氧化碳质量流速的关系1伊1062伊1063伊1064伊1065伊1066伊1067伊1060010020030040050060020 000 t/d10 000 t/d5 000 t/d1 000 t/d管道长度 L/kmCpc=2 301 674伊L0.1414Cpc=1 721 592伊L0.1351Cpc=1 323 662伊L0.1280Cpc=804 989伊L0.1074低碳经济170LOW CARBON WORLD 2023/7从其他 6 个管道模型中得出的，而这些模型都是最新的和可靠的。不同研究模型所计算的管道资本成本有很大差异。因此，可研究其高低值，使本研究的管道资本成本方程符合实际情况。平均管道资本成本与其他研究的高位和低位估计比较如图 2 所示。在既定流速下，低成本值只是由任意一项研究计算出的最小值。高成本值是以类似的方式找到最大值。低位值和高位值的公式如下。CPCCL=69 700伊m0.35伊L0.06；（2）CPCCH=33 620伊m0.5伊L0.13。（3）式 中：CPCCL管 道 资 本 成 本 低 位 值，元/km；CPCCH管道资本成本高位值，元/km；m二氧化碳质量流速，t/d；L管道长度，km。高位值方程和低位值方程并不是平均成本方程的简单倍数，实验中的高位成本线、低位成本线和平均成本线并不是相互平行的。在这个意义上，高位成本线和低位成本线不应被视为类似于置信区间，约束平均数的上限和下限范围。相反，高点和低点仅仅代表在既定流速下计算的最大成本和最小成本。因此，二氧化碳管道资本成本的不确定性很大。4 结语（1）文献调研显示，尽管石油和天然气行业已经存在大量的实地经验，但计算二氧化碳管道运输成本的不确定性非常高。成本估算巨大差异是由各种研究使用的不同方法和模型，以及它们假设的不同输入条件造成的。本文通过将所有模型放在相同参数基础上进行同类对比来抵消不同输入假设的影响，但各类模型变化的可能性仍然很高。（2）基于 6 个模型的回归分析，构建了一个计算管道资本成本的技术经济模型，该模型仅是二氧化碳质量流速和管道长度的函数，可用于 CCS 技术中二氧化碳管道输送技术经济成本的估算，为决策者提供参考。同时，还给出了二氧化碳管道资本成本上限和下限的方程式。综上所述，减少二氧化碳输送管道成本估算变化的最好方法是获取更多的二氧化碳捕集、运输和储存的经验。参考文献1 VAN DEN BROEK M,BREDERODE E,RAMI鸳REZ A,etal.Designing a cost谣effective CO2storage infrastructure usinga GIS based linear optimization energy modelJ.Environm谣ental modelling&software,2010，25（12）:1754-1768.2 赵东亚，张建，刘海丽，等.CO2管道运输的工程经济模型J.石油工程建设，2013，39（5）：1-3.3 吕家兴，侯磊，王昕，等.超临界 CO2管道输送管径技术经济性评价J.油气储运，2022，41（1）：114-120.4 OGDEM J M.Conceptual design of optimized fossil energySystems with capture and sequestration of carbon 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