中石化二氧化碳管道输送技术及实践

陈霖中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026

中石化二氧化碳管道输送技术及实践

陈霖
中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026

二氧化碳管道输送是保证碳源与碳汇合理匹配的关键，在碳捕集、利用与封存项目中起着重要的作用，但二氧化碳管道输送技术仍面临诸多挑战。主要介绍了中石化近几年在二氧化碳管道输送方面，包括管输工艺、安全泄放、管材断裂韧性指标、基于地理信息数据的二氧化碳管道设计与优化、行业标准规范编制等方面取得的一些成果；还对进行了前期研究设计工作的3项二氧化碳输送工程进行了说明，为行业内开展相似的研究工作提供参考和借鉴。

二氧化碳；管道输送；中石化；碳捕集与封存

随着近期我国能源政策与结构发生调整，天然气的消费量将有较大增长，同时煤化工、发电等行业也有较多的二氧化碳排放。加强碳排放监管，减少工业过程的碳排放，不仅要对二氧化碳源头进行碳捕集，更重要的是实现碳封存，而大规模碳源与碳汇的合理匹配离不开二氧化碳管道输送。本文将从管输工艺、安全泄放、断裂韧性以及设计标准和工程实例等几个方面介绍中石化近几年在二氧化碳管道输送方面取得的主要成果，为行业内开展相似的研究工作提供参考和借鉴。

1 二氧化碳管道输送概况

二氧化碳的输送状态主要是气态、超临界状态、液态、固态。从大规模运输的可行性来看，流体态（气态、超临界状态和液态）更便于运输。输送方式主要有罐车输送、轮船输送和管道输送三种。

国际上已有大量的二氧化碳管道输送工程实践。据统计，美国正在运营的二氧化碳干线管网长度超过6 000 km。目前，我国二氧化碳的输送主要以低温储罐公路运输为主，二氧化碳管道输送方面的技术研究刚刚起步［1］。

2 二氧化碳管道输送待深入研究的问题

二氧化碳管道输送与油气管道输送技术相似，主要差别在于二氧化碳输送管道对运行操作和材料防腐等方面有特殊要求。尽管国外已有大量的工程实践，但二氧化碳输送过程的技术问题还有待深入研究。主要有：

（1）二氧化碳流体的物理性质与压力、温度以及杂质组分与含量的关系。由于二氧化碳在输送中容易发生相变，为保证稳定运行，在输送过程中需严格控制输送压力、温度以及杂质限值。

（2）二氧化碳定量分析和管道风险评估。尽管二氧化碳管道事故发生的频率较低，但其危害性与泄漏扩散情况仍需进一步深入研究。工业规模的二氧化碳管道泄放试验数据对建立二氧化碳管道泄漏扩散模型非常关键。目前，国际上仅有几家单位开展过该类试验，BP和Shell分别于2006年和2010年与挪威船级社联合开展相关研究；在国内，大连理工大学在辽河油田也开展了一些研究。

（3）二氧化碳管输低温工况与减压波影响对材料性能的要求。超临界二氧化碳管道在快速泄压的工况下，材料可能暴露在温度低于三相点（-56.6℃）情况下，给管材、设备以及密封材料的低温性能提出更高的要求。此外，超临界二氧化碳管道更容易出现快速传播的韧性断裂，给管材的断裂性能也提出了额外的要求［2］。

（4）我国二氧化碳管道输送标准规范及法律法规不完善。目前我国还没有专门针对二氧化碳输送管道的标准规范和相应的法规，在工程设计中，二氧化碳被列为危险化学品，只能通过提高管道安全设计等级来保证二氧化碳管道输送的安全性。

3 中石化二氧化碳管道输送技术进展

针对二氧化碳管道输送技术面临的挑战，中石化近几年在管道输送领域进行了相应的技术攻关，主要研究内容包括以下几方面。

3.1管输工艺

（1）不同压力、温度对二氧化碳的物理性质的影响。在进行二氧化碳临界点、密度、黏度、比热容、焓等参数计算时，由于每种数学模型都有特定的适应条件，需对计算数学模型进行选择。通过理论计算和实验研究数据对比分析，确定采用PR方程进行二氧化碳物性参数计算［3］。各物性参数间的相互关系分别见图1～4。

图1　不同压力下密度温度关系曲线

图2　不同温度下密度压力关系曲线

图3　不同压力下黏度温度关系曲线

图4　不同温度下黏度压力关系曲线

（2）不同杂质组分与含量对二氧化碳流体性质的影响。不同类型以及不同含量的杂质对二氧化碳的相平衡、准临界区、密度、黏度都有一定影响，对相平衡的影响见图5。为了确保输送过程中不发生相变，在管道设计时，首先要对上游介质组分进行相应的物性计算分析，明确管输二氧化碳相图中的关键参数，以指导实际工程设计与运行管理［4-5］。

（3）通过工艺可行性、安全性和经济性等指标综合评估，明确提出了气相、一般液体、超临界/密相输送等不同输送相态的适应性。

气相输送适应性：

图5　不同杂质不同含量对相平衡影响

（1）运行压力较低，操作安全性高。

（2）管道不需要保温，对不同输量适应性强，管径大，投资高。

（3）适用于小输量、短距离长输管道，介质来源属于气相的工况，且与超临界相比更适合于人口密集区域。

一般液体相态输送适应性：

（1）运行压力较低，管道需要保冷，投资费用较高。

（2）适用于小输量、短距离的油田内部集输管道，介质来源属于液相的工况。

超临界/密相输送相态适应性：

（1）运行压力高，投资较低，管道不需要保温，对不同输量适应性强。

（2）适用于大输量、长距离的长输管道，介质压力较高。

（3）国外已建管道基本采用超临界输送，且管道沿线人口密集度较低。

3.2安全泄放

与大连理工大学联合开展工业级的二氧化碳管道泄放试验，考察管道内二氧化碳相变规律、管内瞬态流动规律以及泄漏场区扩散浓度分布，用于指导安全体系设计，包括安全距离、放空、紧急关断方案以及泄漏应急预案等［6］。试验平台由长约260 m、管径DN250的管道主体、双膜可控爆破泄压装置以及传感探头与数据采集系统构成。试验内容包括了气相、密相、超临界相态下的不同孔径小孔泄漏以及全尺寸断裂泄漏模拟。对于泄漏后的浓度限值影响范围，通过布设在扩散区域的二氧化碳浓度探头进行区域监测。通过后期对海量实测数据的分析，在泄放区域内二氧化碳的浓度分布呈现椭圆形态。通过对温度监测发现，泄放口的温度能够降至-40～-60℃；通过浓度监测数据发现，泄漏口径越小，监测数据波动越剧烈，浓度受风速影响越大。风速的增大，导致浓度限值的影响范围和持续时间都迅速减小；无风条件危害最大。

3.3管材断裂韧性指标

中石化先后与钢研集团、中石油、DNV-GL、日本JFE、宝钢、清华大学、意大利CSM等科研和生产单位就二氧化碳超临界输送状态下的管材断裂韧性指标以及止裂技术措施等进行了技术交流与咨询，但因该项研究国内目前处于空白，国外也未能形成系统性的理论体系，个别科研单位尚处于技术研发与验证阶段。因此，大口径、高钢级、大输量的二氧化碳管道管材断裂韧性指标研究进展较为缓慢，目前正处于与有关科研机构结合具体研究方案编制阶段［7］。

3.4基于地理信息数据的二氧化碳管道设计与优化

中石化基于地理信息数据平台开展管道路由三维设计。依托三维设计平台中的影像与高程数据，开展管道沿线的路由设计，可以满足数字化、智能化管道建设的数字化移交要求。同时可依托三维设计平台中的二氧化碳淹没分析模块以及高程数据，开展管道沿线重点敏感区域（高后果区）的二氧化碳淹没分析，能够较为准确地分析管道泄漏时的危险区域，满足管道完整性管理的要求，为二氧化碳管道的安全运营及事故抢维修提供设计技术保障。

3.5设计标准

中石化正在开展《二氧化碳管道输送工程设计规范》行业标准的编制，并参与了国际标准化组织WG2-二氧化碳运输标准（ISO 27913）编制工作。

前期开展的几项二氧化碳管道输送工程可行性研究主要涉及标准规范使用方面，气相输送管道参照GB50251《输气管道工程设计规范》［8］、液体和超临界输送管道参照GB50253《输油管道工程设计规范》、ASME B31.4《液态烃和其他液体管线输送系统》和DNV-RP-J202［9］“Design and Operation of CO2Pipelines”等国内外设计标准进行设计。

4 中石化二氧化碳管道输送实践

中石化对3项二氧化碳管道输送工程进行了前期研究设计，具体为：

（1）齐鲁石化至胜利油区50万t/a二氧化碳管道工程。该工程管输距离72 km，二氧化碳气源来自齐鲁石化第二化肥厂煤制气装置的低温甲醇洗单元，二氧化碳质量分数为91％，设计输量62.1万t/a（折合质量分数为99％的二氧化碳50万t/a）。对于该工程，三种输送相态的建设投资差距不大；考虑到工程所经区域人口密集，对安全性要求较高，而气相输送压力低、密度低；因此选择气相输送，管径DN 400，设计压力4MPa。

（2）胜利电厂至胜利油区100万t/a二氧化碳管道工程。该工程管输距离80 km，二氧化碳气源来自于胜利燃煤发电厂新建600 MW机组烟气，二氧化碳质量分数为14％，设计输量为100万t/a。通过不同输送状态的经济性比选和适应性分析，管道工程采用超临界输送方式，管径DN 250，设计压力为12 MPa。

（3）华东油气田二氧化碳驱工业化应用输送管道工程。该工程管输距离69 km，二氧化碳气源（液态）来自于黄桥二氧化碳气田，二氧化碳质量分数99.5％，利用二氧化碳井口压力非增压外输，设计输量68万t/a。采用液相输送（密相），管径DN 250，设计压力10 MPa。

5 二氧化碳管道输送前景

碳源与碳汇之间的二氧化碳运输是实现二氧化碳大规模减排的必要条件。根据碳源、汇的平均距离以及运输系统的优化水平，国际能源机构（IEA）估算了运输管道的部署潜力［10］。

2020年和2050年，全球二氧化碳输送管道总长度将分别为1万km、20万km，管道投资需求分别为150亿美元、8 250亿美元［11］。

“十三五”期间，随着西部地区煤制气、煤化工的规模化发展，将初步形成区域性的碳源，结合西部地区沉积盆地形成的碳汇资源，建议适时启动此区域内二氧化碳源与利用及封存汇示范性工程的前期研究，初步形成区域性的管网规划概念，以便形成支撑CCUS全流程示范工程的大规模输送成套技术，为未来20～30年二氧化碳的管网布局做好整体规划的基础研究。

［1］宁雯宇，陈磊，韩喜龙，等.CO2管道输送技术现状研究［J］.当代化工，2014，43（7）：1 280-1 282.

［2］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.

［3］梁海宁，邵长彬.二氧化碳输送工艺分析［J］.山东化工，2014，43 （4）：88-91.

［4］吴瑕，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.

［5］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.

［6］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.

［7］李昕.二氧化碳输送管道关键技术研究现状［J］.油气储运，2013，32（4）：343-346.

［8］GB 50251-2015，输气管道工程设计规范［S］.

［9］DNV-RP-J202，Design and operation of CO2pipelines［S］.

［10］SERPA J，MORBEE J，TZIMAS E.Technical and Economic Characteristics of a CO2Transmission Pipeline Infrastructure ［R］.JTC Scientific and TechnicalReport.EUR 24731 EN 2011.

［11］CHARLES D.ENERGY RESEARCH：Stimulus Gives DOE BILLIONS for Carbon-Capture Projects［J］.Science，2009，323（5 918）：1 158.

Transmission TechnologyofCO2Pipeline and Practice in Sinopec

CHEN Lin
Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

CO2transmission by pipelines is the key to ensure reasonable matching of CO2source and carbon sink，which plays an important role in CCUS.Transmission technology of CO2pipeline still faces many challenges.This paper mainly introduces some results of CO2transmission that Sinopec has achieved these years，including transmission process，safe discharge，pipe material fracture toughness index，pipeline design and optimization based on geographic information，editing of industry standard and code.It makes a brief description of three CO2pipeline transmission projects，for which Sinopec has carried out the pilot study.

CO2；pipeline transmission；Sinopec；CCUS

图片报道：国外某油田CO2驱油集采配注站

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.002

陈霖（1982-），男，湖南涟源人，高级工程师，2004年毕业于中国石油大学（华东）油气储运工程专业，现从事石油天然气与二氧化碳长输管道工程设计工作。Email：slecccl@163.com

2016-02-10