超临界二氧化碳管道调试过程中的压力上升路径与相位控制

《The Journal of Supercritical Fluids》：Pressure-Rise Path and Phase Control During Commissioning of Supercritical CO 2 Pipelines

超临界二氧化碳管道在启动过程中存在显著的相变和压力温度波动，研究通过数值模拟与实验验证提出两种压力上升路径：气相直接进入超临界相（推荐路径）和气相经气液共存相、液相最终进入超临界相。关键控制参数包括环境温度≥9.6℃、入口质量流量≥5.2kg/s和注入温度≥32℃。研究揭示了不同相态下的密度变化规律，为管道安全高效启动提供理论支撑。

　　

李新泽|王德忠|惠子怡|邢晓凯

摘要

与传统管道相比，超临界二氧化碳（CO₂）管道在调试过程中表现出显著的多相变化，压力和温度波动较大。目前，这一过程中的协调变化模式缺乏实验验证和控制方法的理论支持。基于一个中国示范项目（长度61公里，DN250，压力12 MPa），本研究结合数值模拟和实验验证来研究相变机制和压力上升控制。研究确定了两种压力上升路径：气相→超临界相（无液相）和气相→气液共存→液相→密相（有液相）。在后一种情况下，密度逐步变化，而压力几乎保持不变，这需要相当长的时间。为了节省时间、减少二氧化碳（CO₂）消耗并避免突然的密度变化，建议采用气相→超临界相的路径。较高的环境温度和初始质量流量是避免液相形成的关键。该项目的关键阈值如下：环境温度≥9.6℃，入口质量流量≥5.2 kg/s，注入温度≥32℃。研究结果为超临界二氧化碳（CO₂）管道的安全高效调试提供了理论和工程指导。

引言

近年来，二氧化碳（CO₂）作为影响全球变暖的主要温室气体，受到了各国政府的重视。根据国际能源署（IEA）在《净零路线图—2023年更新》中的权威分析，碳捕获、利用和储存（CCUS）技术对于实现全球气候目标具有不可替代的战略意义[1]。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）也强调，CCUS是实现《巴黎协定》温度控制目标（1.5℃）的重要技术途径，并估计到2050年CCUS将贡献全球累计碳排放减少量的15%[2]。2020年，中国政府向世界庄严宣布，将在2030年前实现“碳峰值”，并在2060年前实现“碳中和”，其中CCUS技术将是这些努力的核心[3]。CCUS的重要性不仅在于直接减少碳排放，还在于保障能源安全、推动产业转型以及促进负排放技术的发展。它已被确立为全球气候治理体系中的关键基础设施，在从传统能源向新能源转型的过渡期内提供了实用解决方案，使得在开发新技术的同时能够利用更清洁的化石能源。

二氧化碳（CO₂）管道运输被认为是CCUS产业链中的关键环节之一。超临界二氧化碳（S-CO₂）兼具气体的低粘度和高流动性以及液体的高密度；因此，超临界二氧化碳（CO₂的管道运输目前被视为国际上长距离、大规模运输二氧化碳（CO₂最安全、最经济的方法。在管道投入正常运行之前，必须进行管道调试过程。超临界二氧化碳（CO₂的运输要求其操作压力和温度分别超过临界压力（7.38 MPa）和临界温度（31.05℃）。二氧化碳（CO₂）可以存在于多种相态中，包括气相、液相、密相和超临界相。管道内的二氧化碳（CO₂流体在相图中遵循一条移动轨迹，即压力上升路径。在超临界二氧化碳（CO₂管道的调试过程中，由于压力和温度的显著变化，初始的气态二氧化碳（CO₂会发生相变进入超临界状态，可能存在多种潜在的压力上升路径。如果压力上升过程控制不当，管道内的二氧化碳（CO₂可能会进入液相区域，伴随剧烈的密度变化，从而威胁管道安全。

关于超临界二氧化碳（CO₂管道复杂瞬态水力和热过程的研究相对不足，尤其是在管道调试过程中的压力上升路径和相控制方面。本研究提出采用实验和模拟方法相结合的方式。将分析超临界二氧化碳（CO₂管道调试过程中压力、温度、密度和相态等参数的时空变化规律；探讨调试过程中二氧化碳（CO₂温度和压力的协调变化机制；确定压力上升路径的演变过程及其关键控制因素；阐明由气液相变引起的密度变化规律。通过科学合理的压力上升过程中相变路径的预先规划，最终将制定出基于压力上升路径和相控制的超临界二氧化碳（CO₂管道安全调试方法。

章节片段

超临界二氧化碳（CO₂管道在调试过程中的流动参数和相变

许多学者对输送原油、精炼油和天然气等传统介质的管道调试过程进行了广泛研究。不同介质的管道调试重点各不相同：对于原油管道，主要关注调试过程中油的温度变化，以防止因固化导致的管道堵塞。原油管道的调试过程本质上是土壤温度场的变化过程

工程案例

选择了一个百万吨级超临界二氧化碳（CO₂管道的示范项目作为分析对象。该管道总长度为61公里，外径273.1毫米，壁厚8毫米，内壁绝对粗糙度30微米，设计压力12 MPa，设计年吞吐量为250万吨。整个管道沿线安装了三个中间阀门室。管道铺设在地下，沿线的地形

影响压力上升路径的因素分析

结合管道内的参数和调试过程中的相变规律，确定了可能影响压力上升过程中相变路径演变的因素，包括四个方面：环境温度、初始站注入介质的质量流量、初始站注入介质的温度以及管道的初始背压。基于示范项目的基本参数，控制

结论

（1）在管道调试过程中，从初始站注入的调试介质将管道内的现有二氧化碳（CO₂背压介质挤出时，管道各点的压力通常会增加，而温度变化则存在显著差异。在某一时刻，管道内可能同时存在多种相态。从管道入口开始，相态依次为气相、气液共存相和

CRediT作者贡献声明

惠子怡：可视化、验证、研究。王德忠：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、正式分析、数据管理、概念化。李新泽：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、软件、资源、项目管理、资金筹集、数据管理、概念化。邢晓凯：可视化、监督。

利益冲突声明

• 1.
  作者之间不存在利益冲突。
• 2.
  本项目得到了中国国家自然科学基金区域基金（52562047）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（2023D01A19）、新疆维吾尔自治区“天池人才”引进计划项目（TCYC12）、新疆天山高效油气管道运输技术研发与应用创新团队（2022TSYCTD0002）以及新疆维吾尔自治区“一例一策”战略人才引进计划的支持

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金区域基金（52562047）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（2023D01A19）、新疆维吾尔自治区“天池人才”引进计划项目（TCYC12）、新疆天山高效油气管道运输技术研发与应用创新团队（2022TSYCTD0002）以及新疆维吾尔自治区“一例一策”战略人才引进计划的支持