超临界二氧化碳输电主干管道低温释放特性研究

《Fuel》：Study on low-temperature release characteristics of supercritical CO 2 transmission main pipeline

本研究建立sCO2管道泄漏模拟系统，分析初始温度、压力、阀门开度及管长对泄漏过程中热力学行为的影响。结果表明压力先骤降后稳降，温度先降至最低后回升，CO2发生超临界-液态-气液-气态-固态等多相转变，可能导致干冰生成。优化操作参数可有效缓解低温区域形成，降低管道冻裂风险。

　　

丁高雅|曹学文|曹恒光|刘星阳|边江

中国石油大学（华东）管道与土木工程学院，青岛266580，中国

摘要

了解超临界二氧化碳（sCO₂）在泄漏和释放过程中的热力学特性对于确保sCO₂输送管道的安全以及促进碳捕获、利用与封存（CCUS）技术的大规模发展至关重要。因此，本研究建立了一个sCO₂管道释放系统，以研究初始温度、初始压力、释放阀开度以及输送管道长度变化对sCO₂释放过程中流体热力学行为的影响。结果表明，在释放过程中，sCO₂输送管道内的压力首先急剧下降，随后稳定降低；而温度则先降至最低点，然后逐渐升高。此外，管道内的二氧化碳会经历复杂的相变，包括超临界相、液态相、气液相、气相，甚至气固相。因此，在释放过程中，管道的某些位置可能会形成干冰。研究还表明，通过调节操作参数（如初始二氧化碳温度、输送管道长度和释放阀开度），可以减少sCO₂释放过程中管道内极低温度区域的出现，从而降低管道冻结和脆性断裂等风险。

引言

碳捕获、利用与封存（CCUS）技术是目前全球范围内为减少温室气体排放而采取的重要举措[1]、[2]、[3]、[4]。在全球变暖趋势加剧的背景下，2024年成为全球平均气温首次超过工业化前水平1.5°C的年份。为应对这一全球气候危机，各国必须尽早采取措施控制二氧化碳排放[5]。

二氧化碳的管道运输是整个CCUS产业链的重要组成部分，对于促进CCUS技术的大规模、安全、高效发展具有重要意义。由于超临界/密集相二氧化碳的粘度低、密度高，这种类型的二氧化碳通过管道运输是最经济且最有效的方式[6]。这种方法能够实现二氧化碳从捕获源到储存或利用点的高效安全运输，用于石油置换或地质封存。因此，CCUS技术进步的关键在于开发提高超临界/密集相二氧化碳管道运输安全性的措施。在日常生产中，当设备和管道发生事故或需要维护时，通常会释放管道内的气体，以确保管道压力尽快恢复到安全范围[7]、[8]、[9]。同时，由于腐蚀等因素，管道在长期运行过程中可能会出现穿孔和泄漏[10]。这些情况可能导致超临界/密集相二氧化碳管道需要立即减压。与天然气管道释放不同，超临界/密集相二氧化碳管道释放具有特殊性：二氧化碳的焦耳-汤姆逊效应和汽化热效应可能引发管道内温度的突然下降，严重时可能导致低温损坏甚至管道断裂。此外，二氧化碳的临界点（7.38 MPa，31.2 ℃）和三相点（0.53 MPa，–56 ℃）处的压力和温度相对较高，因此压力的显著下降可能引发管道内的相变。过快的压力下降甚至可能导致管道内形成干冰，从而带来流动安全风险[11]、[12]、[13]，并限制二氧化碳的利用和封存。因此，为了确保二氧化碳释放系统的安全运行并准确评估相关风险，必须全面了解二氧化碳管道减压过程中的热力学行为，深入研究影响管道低温释放特性的关键因素[14]。

近年来，全球范围内开展了大量关于二氧化碳释放特性的研究。例如，Clausen等人[15]研究了长度为50公里、内径为600毫米的密集相二氧化碳管道的释放过程，并测量了管道两端的压力和温度变化。对OLGA模型的验证表明，尽管整个减压过程中的压力和温度变化是同步的，但在两相释放阶段仍存在显著偏差。Waring等人[16]发现，随着气流的膨胀，排放口处的温度迅速下降至马赫盘温度，随后立即升高至三相点温度，在此过程中形成了干冰。随着膨胀波的进一步传播，气体温度偏离三相点并逐渐升高。Woolley等人[17]发现，在二氧化碳管道泄漏点附近形成了高度欠膨胀的射流，并在其中生成了干冰。Koeijer等人[18]也证明了OLGA模型在模拟二氧化碳管道释放过程中的准确性和优越性。Xiao等人[19]、[20]建立了一个非平衡相变计算模型，用于表征液态二氧化碳的减压过程。该模型考虑了相间的滑移速度，并通过引入松弛时间系数来控制相间的物质传递。他们讨论了高压液态二氧化碳的初始状态参数（密度、速度和温度）对管道内瞬态行为的影响。值得注意的是，该模型使用Span-Wagner状态方程来计算液态、气态和亚稳态二氧化碳的热力学参数。随后，Wang等人[21]研究了释放孔径对高压液态二氧化碳释放过程的影响，而Zhang[22]构建了一个二氧化碳管道泄漏测试装置，以研究上游压力、温度和释放孔径变化对二氧化碳管道泄漏瞬态特性的影响。Li等人[23]、[24]、[25]使用预先设计的二氧化碳节流测试装置，研究了纯二氧化碳和含杂质二氧化碳不同相态的节流效应，并有效验证了已建立的管道节流释放过程模型。Yu等人[26]、[27]、[28]构建了一个工业规模的二氧化碳实验管道（直径273毫米，壁厚20毫米，长度256米），并在其中进行了释放实验，分析了实验过程中内部流体的压力变化和相应的相变。

目前关于二氧化碳管道释放过程的研究主要集中在二氧化碳的扩散过程上，尤其是不同环境条件下的安全扩散范围和噪声研究。因此，关于超临界/密集相二氧化碳释放过程对阀门腔室之间输送管道（二氧化碳输送干线）影响的研究较少，这需要进一步探讨。因此，在本研究中，我们基于双流体模型构建了一个超临界二氧化碳（sCO₂）管道释放系统，模拟了超临界/密集相二氧化碳从干线的减压和释放过程，以及释放事件后sCO₂干线内的流动和热力学演变。同时，分析了影响超临界/密集相二氧化碳管道低温释放特性的关键因素，并阐明了管道内的二氧化碳相变过程。本研究为进一步优化超临界/密集相二氧化碳管道释放系统的设计和运行条件提供了理论指导。

模型构建

当sCO₂从管道中释放时，管道内会发生复杂的相变过程。因此，在计算排放管道内的压力和温度时，应考虑气液两相流动。为了简化计算，我们采用了简化的一维（1D）流动方法，仅考虑沿流动方向的变化。

有两种常见的两相流动计算模型：均匀平衡模型和更复杂的双流体模型

释放过程中的管道热力学特性

利用二氧化碳释放模型，我们研究了sCO₂管道破裂或释放后的减压行为，假设释放阀完全打开（100%）。释放前的管道初始压力为10 MPa，初始温度为35 ℃。根据图4所示的二氧化碳相图，在这种条件下，二氧化碳处于超临界状态。通过模拟，我们研究了管道内的压力、温度和相态的变化

结论

sCO₂在管道中的释放过程涉及复杂的相变过程，可能导致管道内出现低温现象。在极端情况下，这种运行条件可能导致管道冻结、堵塞或低温脆性断裂，从而危及管道系统的整体结构完整性和安全运行。本研究基于双流体模型构建了一个sCO₂管道释放系统，并对其准确性进行了验证

作者贡献声明

丁高雅：撰写——初稿，研究，概念构思。曹学文：方法论，研究，概念构思。曹恒光：方法论，研究，概念构思。刘星阳：验证，研究，正式分析。边江：撰写——审稿与编辑，方法论，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U21B2087）和国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1406704）的支持。