超临界CO2管道停输过程中安全控制研究

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 5年第 4 3卷第 2期 _ 管道工程 超 临界 C O 2管道停输过程 中安全控 制研究 赵 青 李玉星 李秋扬 ( 1 中国石油大学 ( 华东)储运与建筑 工程 学院2 中国石油管道公 司) 摘要 ：鉴于 目前对超临界 C O ：管道停输过程 中管内温度变化及压力流量脉动冲击相关研究较 少的现状 ，结合 C O 准临界特性，研究了停输工况下超 临界 C O 管道 内流体 的变化规律 ，并针对 停输及启输过程提 出了相应的安全控制建议。研究结果表 明，进入准临界 区的 C O 密度将在温度 微小变化下发生剧烈波动，密度的剧烈波动使 管内 C O 流体体积波动变化，在管道 固定体积约束 下，剧烈波动的 C O 流体将对管道产生剧烈的脉 动冲击，危害管道安全；超临界 C O 对管道轴 向 的波动变化体现为密闭管道 内流体 的脉动流量，管 内C O 的脉动流量 出现 时间与脉动压力 出现 时 间完全对应 ；超临界 C O ， 管道停输时间存在危险时间范围，在危险时间范围到来之前结束停输可 以避免对管道系统的冲击危害。 关键词 ：超临界 C O ， ；管道输送 ；停输工况 ；准临界特性；安全控制；密度波动；脉动流量 中图分类号 ：T E 8 3 2 文献标识码 ：A d o i ：1 0 1 6 0 8 2 j c n k i i s s n 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 5 0 2 0 2 4 Re s e a r c h o n S a f e t y Co n t r o l f o r S h ut d o wn o f Su p e r c r i t i c a l CO2 Pi p e l i n e Z h a o Q i n g L i Y u x i n g L i Q i u y a n g ( 1 C o l l e g e o fP i p e l i n e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofP e t r o l e u m( H u a d o n g ) ；2 P e t r o C h i n a P i p e l i n e C o m p a n y ) Abs t r a c t：Th e r e a r e f e w r e s e a r c h e s o n p i p e l i n e t e mp e r a t u r e c ha n g e a n d p r e s s u r e flo w p u l s a t i o n i mp a c t d u r i n g s h u t d o wn o f t h e s u p e r c r i t i c a l CO2 p i p e l i ne Th i s p a p e r d i s c us s e s t h e v a r i a t i o n pa t t e r n o f flu i d s i n t he s u pe r c r i t i c a l CO2 p i p e l i ne u n d e r t h e c o n di t i o n o f s hu t d o wn c o ns i d e r i n g t h e p s e u d o c r i t i c a l CO2 c h a r a c t e r i s t i c s， a n d p r o p o s e s a p pr o p r i a t e s a f e t y c o n t r o l s u g g e s t i o n s f o r s h u t d o wn a nd s t a r t u p Th e r e s u l t s s h o w t h a t ， d e n s i t y o f CO2 i n t h e p s e u d o c r i t i c a l a r e a wi l l flu c t u a t e s e v e r e l y i n c a s e o f s u b t l e t e mpe r a t u r e c h a n g e S O a s t o c ha n g e pi pe l i n e CO2 flu i d v o l u me； u n d e r t h e r e s t ric t i o n o f fi x e d p i p e l i n e v o l u me ，s h a r p l y c h a n g e d C O2 fl u i d s w i l l c a u s e s e v e r e p u l s a t i n g i mp a c t o n t h e pi pe l i n e t o a d v e r s e l y a f f e c t pi p e l i n e s a f e t y； p u l s a t i n g flo w o f flu i d s i n t h e c l o s e d p i p e l i n e c a n i nd i c a t e a x i a l f l u c t u a t i o n o f s u p e r c r i t i c a l CO2 a n d t h e p ul s a t i ng flo w o f CO2 i n t h e p i p e l i n e ha s t h e s a me o c c u r r e n c e t i me wi t h p u l s a t i n g pr e s s u r e； s h ut d o wn o f t h e s u p e r e r i t i c a l CO2 p i p e l i n e h a s a r a n g e o f t i me a t r i s k， S O t he pi pe l i n e s h a l l b e s h u t d o wn b e f o r e t he t i me a t r i s k t o a v o i d i mp a c t o n t h e p i p e l i n e s y s t e m Ke y wor ds： s u p e r c r i t i e a l CO2； p i p e l i n e t r a n s mi s s i o n； s h u t d o wn c o n d i t i o n； p s e u d o c r i t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ； s a f e t y c o n t r o l ； d e n s i t y fl u c t u a t i o n；p ul s a t i n g fl o w 0 引 言 碳捕 集 与封 存 ( C a r b o n C a p t u r e a n d S t o r a g e ) 即 C C S技术作为一种有效的减排技 术受 到越来越 多的关注。为 了降低 C C S的高能耗 与高成 本，提 出 了 C C U S ( C a r b o n C a p t u r e ，U t i l i z a t i o n a n d S t o r a g e )技术 ，即增加 C O ： 利用环节形成碳捕集利用 基金项 目：国家科技支撑计划项 目 “ 大规模燃煤 电厂烟气 c 0 2捕集纯化 、输送及安全控制技术研 究” ( 2 0 1 2 BA C 2 4 B 0 1 ) ；国家 I t 然 科学基金项 目 “ 含杂质超I缶 界二氧化碳管道输送安全控制关键技术研究” ( 5 1 3 7 4 2 3 1 ) ；中央高校基本科研业务费专项资金项 目 “ 天然气及 二氧化碳 安全高效输送关键技术研究 ” ( 1 3 C X 0 5 0 1 2 A) 。 2 0 1 5年 第4 3卷第 2期 赵青等：超临界 C O 2管道停输过程中安全控制研究 与封存 。安全输送则是 C C U S技术 中关键 的纽带 ， 管道输送被认为是陆上输送 C O 的最优形式 ，全 世界有超过 3 5 0 0 k m的 C O ：管道 输送 天然或人为 气源的 C O 2 。 根据管道输送 C O 的工程 经验 ，超 临界 C O 被认为是最经济高效 的管输方式 J 。当管道输送 超临界 C O ，时 ，高压下 的安全 问题尤 为重要 ，若 发生泄漏事故 ，管道应尽快启动紧急停输流程。在 事故紧急停输到停输管道启输过程 ，停输工况及启 停操作都有可能在管道内形成瞬变流动，对管道及 设备形成冲击 ，造成损伤，危害管道安全 。在瞬变 流动研究方 面 ，M a h g e r e f t e h等 通 过特征线 法求 解守恒方程 的数值解 ，得 到了 C O 管道破裂时 的 瞬态模拟结果 ，比较了相同条件下 C O 及天然气 管道破裂时的参数变化情况 ，2条管道 的泄压过程 相似 ，但 C O ， 管道 的气体排放速率 明显高于天然 气管道 。Mu n k e j o r d等 借助于 S R K方程及漂移 流 动模型 研 究 了含 甲烷 C O 的 输 送 及 泄 压 过 程。 L i e m a r k a等l 6 J 对含 甲烷 2 ( 体积分数 )的 C O 输送过程中由于瞬变及温降引起的相变过程进行了 风 险评 估 。 然而 ，目前对 超临界 C O 管道停 输过程 中管 内温度变化及压力流量脉动 冲击的相关研究较少 ， 笔者将结合 C O 准临界特性 ，描述停输工况下超 临界 C O 管道 内流体变化规律 ，针对停输及启输 过程提 出相应安全控制建议 。 1 超临界 C O ， 准临界性质 常温下 C O 为无色无味 的气体 ，将 C O 的饱 和液相线与饱和气相线交点定义为临界点 ，对应的 温度 3 1 1和压力 7 3 8 MP a 分别定义为临界温度 和临界压力 l 。C O ，的物性参数在临界点附近会发 生 突变 ，根据 C O ，物性参数在 临界点附近发 生突 变现象 ，将物性参数变化剧烈 、靠近临界点的区域 定义为准临界 区域 ，定义定压力下 比热容达到峰值 或密度变化最大时对应的温度为准临界温度 。管输 纯 C O ， 准临界温度的数学关系式为 ： T = 一 6 3 61 + 21 7 2 p 一 1 4 8 8 p。 + 0 0 3 8 9 7 p 一0 0 0 0 0 9 9 2 3 p ( 1 ) 式 中 流体温度 ， ； p 管 内压力 ，MP a ，取 7 3 8 p 1 4 0 0 。 在研究 C O ，相态 问题 过程 中，密相与超 临界 相之间没有明显边界 ，由密相转变为超临界相也是 渐变而非突变过程 ，因而在密相与超临界相之间以 准临界区域描述此类相态过渡特性具有实际意义。 式 ( 1 )给出的温度压力关系是大规模管输纯 C O 密度波动最剧烈处的管输条件 ，在实际工程 中需避 免管 内温度压力接近该 区域 。 当管道发生泄漏时 ，泄漏 口上、下游将关闭 ， 截断阀室 ，压缩机停输 ，非泄漏段管道将维持恒定 压力 ，在非保温管道中，管 内流体温度将趋于环境 温度 。在天然气管道中，由于天然气不存在准临界 区 ，所以管内天然气在停输过程 中不存在物性参数 突变导致压力脉 动现象 。但 超临界 C O ，管道在停 输过程中，在非保温管道条件下管内流体温度趋于 环境温度 ，环境温度一般低于超临界 C O 管道 的 运行温度 ，这使得管 内 C O ： 在温 降过程 中接近并 进入准临界区。进入准临界 区的 C O ， 密度将在温 度微小的变化下发生剧烈波动 ，密度的剧烈波动使 管内 C O ， 流体体积波动变化 ，在管道 固定体积约 束下 ，剧烈波动 的 C O ：流体将对管道产生剧烈 的 脉动冲击 ，危害管道安全。 2 停输过程中管内参数波动规律 在研究超临界 C O 管道管 内流体温度、压力 及物性参数关系时采用状态方程进行计算分析。一 般推荐使用 P e n g R o b i n s o n方程 ，表达式如下 ： P =RT ( 一b ) 一 r 1 1 口 ( ) I ( + b ) +b ( 一 b ) I ( 2 ) L J 其中 ： 。 ( T )=0 O ( T )=0 4 5 7 2 4 R ( ) p ( 3 ) b=0 0 7 7 8 0 R p ( 4 ) r 1 2 ( )=l 1 + ( 1 一 ) l ( 5 ) = 0 3 7 4 6+1 5 4 2 2 w一0 2 6 9 9 2 ( 6 ) 式中 ， 表示 比体积 ， =1 v；下标 c表示 临界值 含义 ， 表示 对 比温 度 ，T r =T ； 表 示偏 心 因子 。 国内相关部 门及企业共同参与，计划近年在国 土东部平原地区首先完成示范工程 ，设超临界 C O 管道输送 参数 为 ：管 段长 8 0 k m，管径 3 0 0 mm， 计划年输量 1 0 0万 t ，管 内表 面粗糙度 0 0 2 8 mm， 为维持超临界状态输送全段管道选用较好保温材 料 ，总传热 系数取 0 1 5 w ( m K) ，平均环境 温度 1 5 ，忽略地势起伏 。同时设停输过程工况 为 ：管道 以超临界态输送纯 C O ，人 口温度 4 0 c lC、 石 油机械 2 0 1 5年第4 3卷第 2期 压力 1 1 M P a ，稳定输送 2 h后停输 ，管段 内维持停 输压力 9 M P a ，停输一段时间后再启输 ，恢复正常 输送工况 ，取管段 内 4 0 、6 0及 7 0 k m节点处 ，分 析停输时间内管内温度、压力及流量变化规律 。采 用 H Y S Y S软件 中动态工艺包模拟 ，结合 B B M模型 及苏霍夫公式耦合 ，将停输 2 5 h管内沿程参数变 化规律在图 1 、图 2及图 3中表示。 40 3 8 3 6 3 4 p 3 2 越 3 0 赠 2 8 26 2 4 2 2 2 O 图1 停输 2 5 h管段 内节点处温度变化规律 Fi g 1 Va r i a t i o n p a t t e r n o f t e mpe r a t u r e a t n o de o f pi p e l i n e f o r 2 5 h s hu t do wn 9 5 9 4 93 9 2 9 1 9 0 蓄8 9 8 8 87 86 b D 咖 媲 U 4 8 1 Z l 6 Z U Z 4 2 j 2 3 6 时间 h 图 3 停 输 2 5 h管段 内节点 处流量 变化规律 F i g 3 Va r i a t i o n p a t t e r n o f fl o w a t n o d e o f p i p e l i n e f o r 2 5 h s h u t d o w n 由图 1可知 ，管道输送过程 中由于沿程温降的 产生，因此在停输时距离管道人 口越远 ，停输时管 内流体温度越低 。管 内较低 的 C O ，温度在沿程压 降的耦合作用下 ，使得管内 C O ， 越 接近并易进入 准临界区，其热物理参数变化越剧烈，对外换热越 强 ，反作用于管 内 C O 温度 ，使温度进一步下降。 因此 ，管段末段相 比其他节点处更容易出现波动冲 击 ，危及管道 的稳定与安全。 由图 2可知 ，在停输前期 ，管内压力维持停输 压力 ，在该停输阶段内，恒定压力条件下温度变化 使管 内 C O ，密度 的变化不大 ，因而管 内流体 对密 闭管道产生的冲击压力可以忽略。随着停输时间延 长，管 内温度在趋于环境温度 的过程中使管内 C O 相态经过准临界区，在准临界 区内管 内 C O ， 密度 在微小温度变化条件下产生剧烈波动 ，在密闭管道 固定体积约束下对管道形成脉动压力冲击 ，在脉动 冲击过程中再启输管道属于危险操作 ，对管道系统 及操作站场的安全均会造成危害。 在停输 出现压力脉动期 内，管 内 C O ， 在 密度 波动过程中，在管道径 向的波动变化体现为对管壁 的压力脉动冲击 ，在管道轴 向的波动变化则体现为 密闭管 道 内流体 的脉动流量 。由图 3可知 ，管 内 C O ， 的脉动流量 出现时间与脉动压力 现时间完全 对应 ，距离管段入 口越远 ，脉动流量越明 ，且脉 动过程 中存在回流现象 ，图中负流量表示向管段入 口方向的回流。 综上 ，管道在停输过程 中，下游管内参数接近 准临界 区，容易 出现剧烈波动 ；在停输后期易因温 度变化使得管 内 C O 在压力耦 合作用下形成压力 与流量 的脉动现象。 3 停输时间对安全控制过程的影响 由上述计算分析可知 ，对于该管段而言 ，管内 开始出现脉动冲击现象发生在停输 2 0 h左右，因 而停输时间的长短将对超 临界 C O ：管道停输过程 的安全控制会产生影响。将该管段在外部条件不变 的情况下仅改变停输时间，管段 内不 同节点处压力 及流量 变 化规律 如 图 4图 7所示 。 图 4 、图 5分别给出了稳定运行 2 h后停输 3 0 h管段 内4 0 、6 0和 7 0 k m节点处压力及流量变化 规律 。由图可知，就该管段而言，管内脉动冲击现 象出现在停输后 2 02 5 h之 间，停输 2 5 h以后 ， 管内 C O 温度趋 于环境温度 ，C O 的温度 、压 力 开始远离准临界线 ，相态不再位于准临界区内，此 时温度的微小变化不能引起管 内 C O ，密度 的剧烈 波动 ，管内压力趋于稳定 ，径向上对管壁不再产生 O O 0 O O 0 0 0 0 5 4 3 2 2 0 1 5年第4 3卷第 2期 赵青等：超临界 C O 管道停输过程中安全控制研究 脉动冲击 ，轴向上也不再存在脉动流量及部分回流 现象 。 9 5 9 4 9 3 9 2 9 1 妻 9 0 出 8 9 8 8 8 7 8 6 5 0 4 0 3 0 。? 2 0 兰 1 0 霆 。 一 1 。 2 0 图6 停 输 1 8 h管段 内节点处压 力变化规律 F i g 6 Va r i i o n p a U e m o f p r e s s u r e a t n o d e o f pi p e l i ne f 0 r 1 8 h s h ut d o wn 由此可知，该管段停输时间存在危险时间范 围，一方面在该危险时间范围内不宜结束停输计划 对管道进行再次启输 ；另一方面需严格控制此危险 时间范围内的脉动压力 ，特别是对管道下游宜设有 并在停输时启用压力安全阀及部分泄压流程 ，以保 证整个停输过程中管段 的安全。 当超临界 C O ： 管道 需要停输 时，如能在 管 内 C O 相态接近并进入准临界区之前结束停输 ，管内 压力将维持停输压力并保持稳定，不会产生脉动压 力及流量 ，也不会对管道造成冲击 。图 6 、图 7分 别给出了稳定