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CO2管道瞬态仿真研究探讨 　　【摘 要】 本文根据国内外CO2长输管道的发展状况，分析了纯CO2和含杂质CO2体系相态特性，并结合瞬态仿真模型总结分析了CO2管道瞬态仿真研究现状及其涉及的瞬态计算数值方法，对CO2管道瞬态仿真进行了展望：（1）CO2管道输送技术与油气管道输送技术基本类似，由此借鉴寻找CO2管道瞬态仿真技术的研究方向；（2）数值传热相关计算方法可用于CO2管道瞬态仿真；（3）在瞬态仿真的基础上，进行瞬态仿真和优化控制结合，完成管道限压及限时控制等，也将是CO2管道研究的一个重要方向；（4）希望借鉴国外先进技术、引进成熟工艺设备的同时还应该重视挖掘整合国内资源，产学结合。 　　【关键词】 CCS 相态分析 CO2管道 瞬态仿真 　　1 引言 　　碳捕集与封存（CCS）技术已成为世界公认的未来几十年内最有潜力、最有效的减少温室气体排放的方法之一[1]。捕集到的CO2处理方式主要有两种：（1）用于陆地或海洋封存；（2）提高油气藏采收率。提高油气藏采收率的工程需建设长距离CO2管道，输送CO2时，管道内多相流动产生的压降比单相流动的压降大，易造成冲蚀，一般要求输送介质为单相。CO2的临界温度和压力均较低，分别为31.05℃和7.37MPa，输送之前如不采取特殊处理，在长输过程中易因环境温度和压降的影响导致相态变化[2-3]。 　　为了保证CO2管道的安全、高效运行，必须对管输条件下CO2的物化性质、运动状态等有全面的认识和了解，科学合理地确定管道设计及运行方案。仿真模拟正是解决上述问题的基础和关键。 　　2 国内外CO2长输管道发展现状 　　CO2输送与油气运输有一定的相似性，运输方式包括管道、船舶、铁路和公路等，最具应用潜力的应为管道运输。国际上长距离、大规模的CO2输送技术已发展多年，世界上第一条长距离CO2输送管道于20世纪70年代初投入运行。CO2长输管道早已被美国、加拿大、土耳其和特立尼达等国家用于CO2-EOR，而95%以上的CO2-EOR项目在美国，1998美国利用CO2提高采收率技术平均每天已能产出196，000桶石油，随着国外CO2-EOR技术的推广应用，配套的CO2管道持续增长。目前我国还没有CO2长输管道运行投产。 　　3 CO2相态分析 　　3.1 纯CO2相态特性 　　研究CO2的相态特性首先从了解纯CO2的相态特性开始，图1给出了整个压力温度范围内纯CO2体系的相态区域。 　　CO2管网中存在的杂质如N2、O2、Ar、H2O、SOx、H2S等将影响其相态特性，混合物的组分决定了管输介质的临界条件，介质的临界压力和温度会影响管道的运行条件。喻西崇等[4]通过实验对含杂质CO2体系相态特性分析研究得出：杂质含量越高，体系的泡点压力和露点压力越高；杂质含量是泡点压力受影响的主要部分，露点压力仅与杂质含量有关，而与杂质种类无关。管道运行压力和温度的波动也会影响CO2的相态特性。 　　3.2 CO2相态计算模型 　　单向流中不存在相态的转换，立方型状态方程涉及参数少、形式简单、计算精度较高，常被用于实际流体的相态计算。目前油气及CO2行业常用的实际状态方程有BWRS、PR、SRK和RK方程。 　　建立两相流体之间的相态转化计算模型[5]的目的：（1）保证CO2管道安全可靠运行；（2）预测管道运行过程中产生的压降；（3）建立合适的相态转换模型。 　　3.2.1 简单模型（如图2所示） 　　模型中每种相态都有对应的压力P、温度T、化学势μ、速度v。假设气、液态流体有一致的v、P和T，化学势分别为液体为μ1（P，T），气体为μg（P，T）。 　　模型的建立： 　　（1）两相流方程主要为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。 　　（2）相态转换模型。舒张化学势m=km（μl -μg），当化学势相等时没有相态转化，当km趋于无穷时将使流体趋于气液相平衡。0μg，km=k0ml，若液体完全蒸发成气体是km=0，压缩气体冷凝时，μlμg，km=k0mg，且气体完全冷凝成液体时，km=0。 　　3.2.2 数理统计理论模型（SRT） 　　统计力学给出了单分子事件性质 　　， 　　由经典动力学理论知。 　　净通量。 　　界面面积： 　　最后得到SRT模型： 　　将所有常数用表示得到： 　　4 二氧化碳管道动态仿真 　　4.1 非稳定工况 　　当CO2长输管道运行条件发生变化时，流体会从原有的稳态过渡到一个新的稳态，过渡过程就是非稳态过程。管道运行的非稳态工况，可以分为正常和异常工况。正常工况包括了管道启输、压缩机组切换、启停压缩机组、越站二氧化碳、分输用户的气量调整和气源进气量的调整等。异常工况包括了管道泄漏（爆管）、管道堵塞（冰堵）、运行机组故