不同进口条件下超临界-密相二氧化碳管道输送研究.pdf

节能基础科学36节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023不同进口条件下超临界-密相二氧化碳管道输送研究杨梅1 雷钦1 熊山文1 杨慧琳1 李光荣2 彭期耀2 廖凡3 武东战4（1.成都师范学院物理与工程技术学院，四川 成都 611130；2.成都优创世纪清洁能源有限公司，四川 成都 610094；3.成都戎途科技有限公司，四川 成都 610094；4.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）摘要：运用CFD软件进行超临界-密相二氧化碳管道输送仿真模拟，进口压力分别取11 MPa、12 MPa、13 MPa和14 MPa，进口温度分别取40、50、55 和60，比较不同进口压力和温度条件下沿管长方向温度、静压和动压的变化。结果显示：当管道长度大于50 m时，进口压力为13 MPa时的流体温度曲线和动压曲线最低，进口温度为50 时的流体温度曲线和动压曲线最低，不同进口压力和温度条件下静压差异不大。研究表明，在实际的超临界-密相二氧化碳管道输送中，选择进口压力为13 MPa，进口温度为50。关键词：管道输送；超临界-密相CO2；进口压力；进口温度中图分类号：U173 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0036-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.010Research on supercritical-dense phase CO2 tube transportation under different inlet conditionsYANG Mei LEI Qin XIONG Shan-wen YANG Hui-lin LI Guang-rongPENG Qi-yao LIAO Fan WU Dong-zhanAbstract：Computational Fluid Dynamics(CFD)software was employed for simulation and analysis of supercritical-dense phase carbon dioxide tube transportation.Inlet pressures of 11 MPa,12 MPa,13 MPa,and 14 MPa,as well as inlet temperatures of 40,50,55,and 60,were investigated.The variations in temperature,static pressure,and dynamic pressure along the pipe length were compared under different inlet pressures and temperatures.The results show that when the pipeline length exceeds 50 m,the fluid temperature and dynamic pressure curves are at their lowest with an inlet pressure of 13 MPa and an inlet temperature of 50.The differences in static pressure under various inlet pressure and temperature conditions are negligible.The study indicates that,in practical supercritical-dense phase carbon dioxide tube transportation,selecting an inlet pressure of 13 MPa and an inlet temperature of 50 is advisable.Key words:tube transportation;supercritical-dense phase CO2;inlet pressure;inlet temperature引言为了遏制全球变暖，减少温室气体排放，部分国家提出碳中和概念，大力发展碳捕集、利用和封存(CCUS)技术，并开展了多个示范工程。CCUS技术涉及以下4个过程1-2：第一，CO2捕集及纯化，即收集和浓缩的CO2。第二，CO2运输，即将浓缩的CO2输送到指定的封存地点。第三，二氧化碳驱油技术(CO2-EOR)，将CO2注入油气井以提高采收率，或注入煤层获得甲烷，或注入废弃油气田、地下咸水层和海底储存。超临界CO2的溶解能力高于气体状态，与液态的溶解能力相当，但其扩散系数远超液体状态，能够更快地渗透到其他体系，使得在进行CO2驱油时，原油中的轻质部分被抽提，原油和二氧化碳间的界面张力被降低，从而提高了采收率3；第四，CO2封存，CO2-EOR是CO2封存的有效路径之一。为更好地进行CO2运输，需要充分了解CO2相态。CO2分为气态、液态、固态、超临界状态和密相状态3-5。由CO2相态图可见，超临界、密相区、气态、液态交界点的温度为31，压力为7.38 MPa6-8。目前，液化石油气(LNG)的船运技术比较成熟，也适用于液态CO2的船运；CO2储罐车运输不适用于大规模的CO2运输。在长距离输送过程中，CO2相态容易受到环境温度变化和压降的影响，出现气体状态，长距离输送方式分为低压输送(9.6 MPa)，避免CO2在输送过程中发生相态变化10。在CO2输送过程中，CO2管道易产生纵向折裂，每隔500 m需加装制动器；当CO2的气体压力由大于8.3 MPa降到大气压时，由作者简介：杨梅（1981），女，博士，高级工程师，研究方向为电厂节能环保。收稿日期：2023-02-27引用本文：杨梅，雷钦，熊山文，等.不同进口条件下超临界-密相二氧化碳管道输送研究 J.节能，2023，42（12）：36-38.节能基础科学37NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION于降温效应，局部管道温度可达到-78.9，此时除了采用特制放空阀外11，还可采用逐级变压的方式改善10。文中研究CO2的高压输送，讨论不同进口压力和进口温度对超临界-密相输送的影响。1模拟计算1.1网格划分模拟管道输送长度为500 m，管径为355.6 mm。为了更好地研究温度、静压、动压、全压、压降的变化，对网格进行局部加密，网格划分方式如图1所示。1.2数学模型采用Standard k-湍流模型；采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合方程；动量方程、动能方程均采用二阶迎风格式处理；湍流脉动能方程、湍流耗散率方程均采用一阶迎风格式处理。湍流动能方程的计算收敛误差设定为10-6，连续性方程、运动方程以及其他方程的计算收敛误差均设定为0.001。模拟计算过程中，CO2热物理参数通过激活Fluent 19.0软件中的Nist-real-gas-model调用，取自美国国家标准与技术研究所(NIST)的数据库。2模拟设计数值模拟参照龙安厚3等的数据进行，超临界CO2输送的进口参数为：温度分别取 40、50、55 和60；压力分别取11 MPa、12 MPa、13 MPa和14 MPa。输送CO2的管道材质为碳钢，管径为355.6 mm，流量为1 000 kg/h，保温层厚度为0.01 m，环境温度20。3结果与分析3.1不同进口压力对超临界-密相输送的影响3.1.1不同进口压力下流体温度与管长的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口压力下流体温度沿管长方向变化情况如图2所示。由图 2 可知，进口压力分别为 11 MPa、12 MPa、13 MPa和14 MPa时，管道流体温度差异较大。管道长度小于50 m时，不同进口压力下的流体温度曲线几乎重合；管道长度大于50 m时，进口压力为13 MPa时的流体温度曲线最低，其次为进口压力14 MPa、12 MPa和11 MPa时。3.1.2不同进口压力下流体温度与静压的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口压力下静压沿管长方向变化情况如图3所示。由图 3 可知，进口压力为 11 MPa 时，其静压差为1 800 Pa，当进口压力为12 MPa时，其静压差为1 898 Pa，当进口压力为13 MPa时，其静压差为1 900 Pa，当进口压力为14 MPa时，其静压差为1 966 Pa，四种进口压力下静压的差异不大。3.1.3不同进口压力下流体温度与动压的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口压力下动压沿管长方向变化情况如图4所示。由图 4 可知，进口压力分别为 11 MPa、12 MPa、13 MPa和14 MPa时，动压差异较大。管道长度小于50 m时，进口压力为 14 MPa 时的动压曲线与进口压力为13 MPa时的动压曲线几乎重合；进口压力为11 MPa时的动压曲线高于进口压力为12 MPa时的动压曲线。管道长度大于50 m时，进口压力为11 MPa时的动压曲线略高于进口压力为12 MPa时的动压曲线，进口压力为12 MPa时动压曲线略高于进口压力为14 MPa时的动压曲线，进口压力为13 MPa时动压曲线最低。3.2不同进口温度对超临界-密相输送的影响3.2.1不同进口温度下流体温度与管长的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口温度下温度沿管长方向变化情况如图5所示。由图5可知，管道长度大于50 m时，进口温度为40 和50时的流体温度明显小于进口温度为55 和60 时的流体温度；进口温度图1网格划分方式图3不同进口压力下静压沿管长方向变化情况图4不同进口压力下动压沿管长方向变化情况图2不同进口压力下流体温度沿管长方向变化情况节能基础科学38节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023为55 时的流体温度略小于进口温度为60 时的流体温度；进口温度为50 时的流体温度略小于进口温度为40 时的流体温度；进口温度为 50 时的流体温度最小。3.2.2不同进口温度下流体温度与静压的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口温度下静压沿管长方向变化情况如图6所示。由图6可知，进口温度分别为40、50、55 和60 时，流体温度差异不大，流体温度沿管长方向变化的曲线几乎重合。3.2.3不同进口温度下流体温度与动压的关系在超临界-密相输送过程中，不同进口温度下动压沿管长方向变化情况如图7所示。由图7可知，进口温度为40 和50 时的动压明显小于进口温度为 55 和 60 时的动压；进口温度为55 时的动压略小于进口温度为60 时的动压；进口温度为50 时的动压最小。4结语超临界状态-密相状态下，进口压力分别取11 MPa、12 MPa、13 MPa 和 14 MPa，当管道长度大于 50 m 时，进口压力为13 MPa时的流体温度曲线和动压曲线最低，4 种情况下的静压差异不大；进口温度分别取 40、50、55 和60，当管道长度大于50 m时，进口温度为50 时的流体温度曲线和动压曲线最低，4种情况下的静压差异不大。在实际的超临界-密相二氧化碳管道输送中，选择进口压力为13 MPa，进口温度为50。参考文献1 黄维和，宫敬，王军.碳中和愿景下油气储运学科的任务 J.油气储运，2022，41（6）：607-613.2 李凯旋，刘斌，尚文博，等.管道输送含杂质CO2的影响因素分析 J.天然气化工（C1化学与化工），2022，47（3）：94-100.3 龙安厚，狄向东，孙瑞艳，等.超临界二氧化碳管道输送参数的影响因素 J.油气储运，2013，32（1）：15-19.4 鲁岑.CO2管道输送规律及运行参数 J.油气储运，2015，34（5）：493-496.5 李家强，梁海宁，刘建武.国内二氧化碳长输管道建设安全性分析 J.油气田地面工程，2014，33（4）：30-31.6 盖晓鹏，李和清，路遥军，等.超临界-密相CO2管输特性模拟计算研究 J.油气田地面工程，2020，39（11）：22-27.7 杨富方，刘航滔，杨震，等.超临界二氧化碳循环工质热物性研究进展J.热力发电，2020，49（10）：21-29.8 王全德.超临界CO2管道输送研究现状 J.云南化工，2018，45（12）：120-121.9 刘建武.二氧化碳输送管道工程设计的关键问题 J.油气储运，2014，33（4）：369-373.10 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）：86-92.11 李顺丽，潘红宇，李玉星，等.杂质对管输CO2节流过程的影响 J.油气储运，2016，35（7）：742-746.图5不同进口温度下温度沿管长方向变化情况图6不同进口温度下静压沿管长方向变化情况图7不同进口温度下动压沿管长方向变化情况