超臨界CO2管道瞬態輸送工藝研究進展及方向

李欣澤 袁 亮 張 超 王梓丞 邢曉凱 熊小琴陳曉玲 尚 妍 張文輝 陳 潛

（1. 中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油新疆油田公司開發公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國石油新疆油田公司基本建設工程處，新疆 克拉瑪依 834000；4. 中國石油新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5. 長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

0 引 言

大力發展CCUS（Carbon Capture Utilization and Storage）技術是未來中國減少CO2排放、保障能源安全和產業發展的必要選擇，在中國碳中和、碳達峰目標實現過程中將發揮重要托底作用［1-7］。由于CO2源匯分布的空間特性，CO2管輸將是連接CCUS產業鏈上下游的關鍵樞紐。國際上在CO2管輸方面已有近半個世紀的工程實踐，現有CO2管道超過10 000 km，主要集中在北美和歐洲［8］。中國CO2管輸技術發展緩慢，CO2輸送以低溫儲罐公路運輸為主［9-10］。

CO2可分為超臨界（密度200～600 kg/m3）、密相（密度600～1 200 kg/m3）、液相（密度600～1 200 kg/m3）、氣相（密度1～200 kg/m3）、固相（密度1 560 kg/m3）共5 個相態。當壓力和溫度均高于臨界壓力和臨界溫度時CO2處于超臨界狀態，此時CO2既具有氣體的低黏度和高流動性，又具有液體的高密度［11］。CO2驅油和地質封存是實現大規模CO2管道輸送的主要需求，超臨界態管輸是目前國際上進行CO2長距離、大規模碳運輸的最安全經濟方式［12］。黃維和等［13］認為碳中和前需構建區域間的干線管道，形成輸送規模10×108t 級、總里程約6×104km 的國家輸碳管網。中國新疆、山東、陜西等省份已啟動超臨界CO2管道規劃或建設。由于CO2物性與原油、天然氣存在顯著差異，現有管道運行技術無法直接套用，CO2相態突變導致的超高壓、超低溫等問題為管道運行帶來挑戰。長距離超臨界CO2管道瞬態輸送的核心技術還有待突破，模型和方法亟需工業規模示范工程的驗證及修正。

1 超臨界CO2管道水力熱力特性

目前純CO2物性及相特性計算較成熟，密度、黏度等物性參數可通過流體相平衡試驗測得，通過對比不同理想狀態方程，推薦使用彭-羅賓森（Peng-Robinson）方程作為CO2相平衡及物性參數的研究模型［14］。捕集的CO2氣源含多種雜質，包括極性雜質H2S 以及非極性雜質H2、CH4、N2、O2等氣體，雜質會對物性（密度、黏度、比熱容、導熱系數等）和相特性（氣液平衡線、臨界壓力、臨界溫度、準臨界等）產生影響，可改變設計條件和管道運行機制［15］。含雜質CO2物性及相特性計算仍需基于實驗數據對現有計算方程進行修正和完善［16］。行業標準SH/T 3202—2018《二氧化碳輸送管道工程設計標準》［17］未明確雜質含量要求，需盡快制定CO2管輸組分技術標準。國外相關研究機構對CO2氣源組分要求給出了推薦值［18］，成果是否適用于中國CO2管道需要進一步研究。

國內外學者［19-20］對CO2管道穩態輸送工藝進行了研究，提出了CO2管輸穩態水力熱力模型，給出了CO2輸送過程水力熱力特性的試驗檢測方法，得到了不同相態輸送條件下管內壓力、溫度和物性參數的變化規律?，F有含雜質CO2多元體系物性、相特性模型及管輸穩態水力熱力模型建立技術路線如圖1 所示。

圖1 含雜質CO2多元體系物性、相特性模型及管輸穩態水力熱力模型建立的技術路線Fig. 1 Technical roadmap of establishing physical and phase characteristics models for CO2 multi-component systems containing impurities and steady-state hydraulic and thermodynamic models for pipeline transportation

長距離超臨界CO2管道在運行過程中難免會遇到計劃停輸、事故停輸、水擊、泄漏、計劃放空、緊急放空等瞬態工況，相比穩態輸送，瞬態輸送過程的危險及危害性更大。管道輸量、壓力、溫度等運行參數發生劇變，CO2將在管道內形成瞬變流動，由瞬態壓力和溫度確定的相態點可能降低至泡點線之下并進入氣液兩相區，CO2氣化會導致壓力大幅上升，對管道造成沖擊［21-22］。

為描述管內瞬態流動過程，許多學者［23-30］建立了CO2管道瞬態流動模型，結合熱力學關系式和狀態方程，在瞬間時間和空間域對非穩定流的控制方程進行求解，基于瞬態壓力和溫度，評估了CO2管輸過程中瞬變和相變風險。但現有模型普遍存在4 個問題：①假設過于簡化，忽略了管道壁面的摩擦阻力、流體的溫度變化等；②對管道的入口和出口（流量、壓力）等邊界條件處理不準確；③對管內流動特性描述不準確，忽略了管內流動的三維特性（渦旋、湍流等）；④對管材腐蝕和磨損考慮不足。亟需通過實驗準確地研究出多雜質超臨界CO2相變特性管道輸送工藝設計所需的水力熱力計算模型，便于對瞬變工況的形成、發展以及后果進行預測?；诰珳暑A測，提出管道運行階段瞬態過程的安全控制建議、詳細操作準則及參數控制指標，形成一套運行安全控制技術，制定相應技術標準，指導CO2管道的設計、運行與管理，避免管道內CO2介質發生相變，引發水擊、管道緊急放空操作等，降低運行維護成本（管道發生泄漏損失、管道泄漏后維修、防護成本等）。同時提前做好事故工況的應急響應預案，為管道運維保駕護航，確保管道安全平穩運行，也為操作人員的生命安全提供保障。

2 超臨界CO2管道瞬態輸送過程

2.1 管道停輸再啟動

區別于原油和天然氣管道，CO2管道的停輸再啟動存在相態特性變化的問題。有學者［31-32］借助商業軟件，結合山東等省份的超臨界CO2管道示范工程參數，通過建立仿真模型獲得管道停輸及再啟動過程中管內溫度、壓力、密度及相態協同變化波動規律，發現管內流體相變、超壓、水合物生成等風險。對于超臨界CO2管道在停輸時應采取的保護措施研究相對較少，現有保護策略主要包括調整管道停輸前工藝參數、停輸過程工藝參數監測、啟用壓力安全閥及部分泄壓流程、合理設置加壓站等［33-36］。已有商業軟件工藝計算數據庫均為油氣管道，計算模型缺乏CO2管道實驗數據的驗證［37］。仿真模型并沒有包含壓縮機/泵元件，僅是通過設置閥門的關閉和開啟來模擬管道的停輸和再啟動，與實際工況存在差異［38］。

超臨界CO2管道在停輸過程中，流體相態轉變路徑為超臨界相→密相→液相→氣液平衡線，溫度和壓力存在協同變化關系?？蓪⒂绊懝艿劳］數囊蛩胤譃? 類：一類是管道運行參數（如停輸前管道運行壓力、溫度、輸量等）；另一類是管道周圍環境參數（如土壤環境溫度、管土總傳熱系數、管道有無保溫層等）。在臨界點附近，CO2密度將在溫度微小變化下發生劇烈波動，密度的劇烈波動使管內CO2流體體積波動變化，在管道固定體積約束下，劇烈波動的CO2流體將對管道產生劇烈的脈動沖擊，危害管道安全。說明超臨界CO2管道同樣存在安全停輸時間約束，應在管內流體發生相變之前，結束停輸以避免對管道系統的沖擊危害。而目前對于超臨界CO2管道的安全停輸時間，并沒有明確的科學定義和說明，尚缺乏相關標準［39］。CO2相態由溫度和壓力2 個參數共同決定，對于超臨界CO2管道，不僅要關注管道在停輸過程和再啟動過程中沿程溫度變化，還需要同時關注壓力和溫度協同作用下的CO2相態變化。因此可將超臨界CO2管道安全停輸時間定義為從管道停輸開始至管內任一點流體即將進入氣液共存區的時間，將安全停輸時間問題轉化為避免輸送體系中超臨界CO2到氣相轉變發生的問題。

現有關于超臨界CO2管道停輸再啟動過程溫壓協同變化機理與安全控制研究還需要進一步完善。有必要構建多因素協同作用下的管道安全停輸時間數據庫，擬合出半經驗公式或利用BP 神經網絡等智能算法建立預測模型，方便工程應用。以往研究多關注流體的溫度、壓力，而密度、相態、壓力波速的時空演化規律也是停輸再啟動過程分析的關鍵。為保障管道安全停輸，可試圖給出夏季和冬季允許停輸時間對應的管道穩態運行參數范圍，以保證在管道停輸穩定后，管內CO2相態將維持在密相或者液相，不會進入氣液兩相共存區。管道再啟動壓力的組成也需要明確，并給出基于位置和時間變量的壓力波速表達函數。目前中國的示范工程管道長度均在200 km 內，管道沿線無需設置中間泵站，而對于今后多泵站管道運行場景，需要基于管內CO2流體不發生相變的原則，優化管道再啟動時各泵站啟動時機和啟動時序。

2.2 管道水擊瞬變流動

超臨界CO2管道密閉輸送流程使全線成為一個統一的水力系統，超臨界CO2具有液體的高密度，按照以往原油、成品油管道水擊的認識，超臨界CO2管道水擊分析必不可少?？焖匍_關閥門、啟停增壓設備或輸量大幅調整等可能會引起水擊工況，流體將在管道內形成瞬變流動，管道系統內不穩定流產生的瞬變壓力波沿管道傳播，瞬變壓力疊加在管道原來的壓力分布上，造成沿線輸送參數（輸量、壓力）的不穩定，增壓波有可能使管內壓力超過管道運行的最大工作壓力，引起強度破壞，減壓波有可能使下游泵站進站壓力降低，泵發生氣蝕。

為了更好地描述CO2管道水擊瞬變流動過程，有學者通過自編程序或使用商業軟件建立超臨界CO2管道瞬態水力熱力模型并開展計算分析工作，但相關實驗研究工作較少［20-21，40］。模擬結果表明，在上游氣源供應中斷情況下，可觀察到液相CO2的減壓和氣化現象；在中間截斷閥門快速關閉的情況下，閥前后壓力和流量變化劇烈，每個隔離管段都產生壓力波，但與以往原油管道瞬變流動規律不同，閥前升壓速率緩慢，運行單位有充足時間處理事故工況。根據儒可夫斯基的水擊理論［41］，由流速瞬間變化直接產生的壓力脈動與壓力波的波速密切相關。超臨界態CO2體積彈性系數小于原油，壓力波在超臨界態CO2的傳播速度為400～800 m/s，在原油中為1 000～1 200 m/s。在流速變化量相等的情況下，原油管道直接瞬變壓力值是超臨界CO2管道的1.2～3.0 倍，說明超臨界CO2管道的水擊危害程度小，這也和已有的模擬計算結果相對應。

CO2存在相變問題，閥門誤關閉等操作會在管內產生瞬變壓力脈動，在水力瞬變過程中，存在管道充裝、壓力波的衰減和壓力波的疊加，壓力、溫度等工藝參數的變化可能導致CO2發生相變，這將引起新的管道瞬變流動。滕霖［42］研究發現在管線放空初期或在準臨界區域，管內流速劇烈變化，產生水擊現象。相變的發生，尤其是CO2氣化會在很大程度上降低壓力波的傳播速度，這些情況使瞬變流動的分析和計算大大復雜化。在水擊保護措施方面，盡管行業標準SH/T 3202—2018《CO2輸送管道工程設計標準》［17］強調了采用液相和超臨界輸送CO2管道的設計應進行水擊分析，但并沒有給出具體的分析方法和水擊保護措施。目前超臨界CO2管道水擊及控制理論還不成熟，水擊形成機制和保護措施還未得到統一的認識?，F有研究或許可以從求解模型的數值解來對參數變化進行分析，總結水擊事故工況下各節點流動參數的時變規律，然后為超臨界CO2管道的瞬變流動與控制提供參考。

2.3 管道放空

當超臨界CO2管道放空時，CO2會通過放空系統直接釋放到大氣中，管內介質將依次經歷大/小管嘴淹沒出流、跨相態多級節流、無限空間氣體紊流淹沒射流等物理過程，如圖2 所示。其中，大/小管嘴淹沒出流涉及管嘴大小的界定和泄流段的壓差計算；跨相態多級節流涉及不同相態狀態方程的選用、物性參數和當地聲速的計算；無限空間氣體紊流淹沒射流涉及到CO2放空時的溫度、壓力、流量等參數以及噪聲和激振問題。由于巨大的壓差和節流作用，介質溫度會急劇下降，甚至可降至CO2的三相點以下，過低的溫度會導致材料變脆，對管道和設備造成損害。此外，如果管嘴和放空管道內形成干冰，還可能堵塞管道，造成嚴重危害［43］。

圖2 超臨界CO2管道干線放空物理過程示意Fig. 2 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline blowdown

目前國內外對于超臨界CO2管道放空的研究，主要集中于管道放空過程中CO2流動特性變化規律和安全放空系統設計。流動特性變化規律涉及干線管內、管嘴泄流、放空閥節流、自由射流等過程相態和流動參數變化以及放空管外擴散和CO2體積分數時空分布等。研究表明，管內CO2相態會經歷超臨界、氣液兩相共存和氣相3 個過程；管內壓力取決于放空初始壓力和放空管形態，管內溫降速率受放空速率影響，最低溫度受初始溫度影響；多級節流放空能夠有效控制管內溫降幅度，同時影響管外CO2噴射擴散形態；放空管附近區域易出現全線溫度最低點，也是最易出現冰堵的區域［44-49］。

安全放空系統的設計目標是解決在放空過程中出現的冰堵、材料冷脆、噪聲污染、放空系統激振等問題，同時，在足夠安全距離的前提下，放空時間要盡量短，使得維搶修工作能夠盡快開展?，F有標準只是給出了要重點考慮放空管放空能力、溫降控制、防止干冰堵塞和噪聲等原則，缺乏對放空管設計的具體指導和要求。為實現超臨界CO2管道放空過程的安全防護，一些學者結合放空試驗和模擬，給出了3 點安全控制建議［50-54］：①增大泄放速率、節流入口增溫和節流出口整流；②當采用多級節流時，設置較高的初始溫度，避免節流管及主管內的狀態位于兩相區內及臨界點附近；③減緩閥門開啟速率同時配合采用放空管局部加熱。同時也提出了多級節流泄放、人為調整放空前工藝參數、放空管級間局部加熱、保溫、增設緩沖罐等措施。

而現有超臨界CO2管道放空過程流動特性研究的不足在于：研究工況相對單一，導致放空過程涉及到的相變路線不全面；相態間的非平衡轉變問題研究欠缺；壓力衰減和溫降間的協同關系不明確；固相生成規律及風險控制的研究不足；夾雜液相甚至固相的管外擴散過程研究不足。另外，針對安全泄放提出的部分措施缺少現場工程應用實踐，如在高放空速率工況下，級間流體是否與外部電伴熱帶等提溫措施有足夠長的換熱時間，以達到有效控制干冰生成的目的。安全控制存在一定的局限性，缺少放空管低溫低應力校核分析、安全放空自控程序以及放空系統設計壓力確定依據等。為確保超臨界CO2管道示范工程安全泄放，應盡快制定CO2安全泄放技術手冊、標準或規范，明確安全閥選型方法、節流級數、放空系統閥門開關時序、放空過程不同時期閥門開度控制等，以達到既安全放空又有效控制投資的目的。

2.4 管道泄漏

CO2管道泄漏過程可分為管道內減壓過程、近場射流膨脹過程和遠場擴散過程3 個部分［55］，如圖3 所示。對于管內減壓階段，泄漏瞬間產生減壓波沿管道傳播，熱力學參數發生變化，明確CO2管內泄漏特性是開展CO2管道泄漏近場射流的基礎［56］。對于架空管道來說，泄漏孔處的CO2以高速噴射或射流形式從管道中噴出，形成近場射流，泄漏口周圍溫度急速下降［57］。射流膨脹后，CO2進一步擴散到遠離泄漏源的區域，形成遠場擴散。CO2持續泄漏可能產生大量干冰堆積在地面，形成新的擴散源。而對于埋地管道，CO2會在泄漏初期數秒內在土壤孔隙中以射流擴散，泄漏孔周圍會形成凍土球，其內部由干冰球和凍土層構成。多孔介質結構會改變射流方向并降低射流動量，在泄漏口處由于壓力分層而出現負壓區域，但在極短時間內接近大氣壓，擴散形式變為均勻擴散［58］。包裹在泄漏孔周圍形成的凍土球成為另一個擴散源［59］。

圖3 超臨界CO2管道泄漏物理過程示意Fig. 3 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline leakage

現有大部分CO2管道泄漏特性實驗為中小規模，受尺度效應限制無法完全還原工程實際工況。國內外學者對于管內溫度和相態變化已有基本認識，大致明確了管內熱傳遞方向。沿管道長度，溫度從泄漏孔到遠端逐漸降低，遠端管道底部溫度最低，管內溫度與泄漏口徑有關，泄漏口徑越大管道末端溫度越低［60］。管內產生干冰時溫度可達到-80 ℃，極有可能引起脆性斷裂。若CO2減壓波波速低于管道斷裂擴展速度，會造成管體裂紋快速持續擴展，進而造成更嚴重的損失。

由于CO2管道泄漏近場射流階段的高流速和高沖擊力，導致實驗測量中可采用的方法有限且容易存在誤差；考慮到射流中可能會伴隨干冰顆粒的生成和升華以及管內干冰的射出，在模擬研究中仍存在一定難度。實驗研究表明，在泄漏口周圍可觀察到典型的高度欠膨脹射流結構，夾雜著大量干冰顆粒［61］。CO2管道泄漏近場射流膨脹過程涉及到復雜的激波、壓力和溫度的急劇變化以及氣液、氣液固三相流動，目前對近場射流階段的認識較少，在CO2管道近場射流階段激波結構變化、射流結構及變化、干冰生成數量及范圍等方面仍需繼續探索。

在泄漏遠場擴散方面，由近場射流攜帶的大量干冰、氣相CO2及卷吸的空氣等介質進入遠場區域持續擴散，在低洼處形成高濃度區域。研究表明，在超臨界CO2釋放中射流和凝華的干冰顆粒、氣相CO2、空氣和冷凝水的混合物形成了復雜的可見云形態［62］。泄漏源強度影響著可見云的擴散速度，而擴散過程中的風速、風向、地形以及地面障礙物等影響了可見云的形狀、位置以及運動方向?？紤]到放空出口一般高于地表20～30 m，而泄漏口埋于地下或緊貼地表，因此只可借鑒放空研究的方法，不可將泄漏遠場擴散與放空研究結論混淆。架空管道泄漏時會在地面上生成干冰堆，埋地管道泄漏時會生成干冰球和凍土球，在后續研究過程中需要考慮干冰升華的影響。

目前CO2管道泄漏研究主要集中在管道架空方面，針對埋地管道的研究甚少。一些研究表明，泄漏口周圍大部分土壤被沖開，可觀察到較大的空腔。土壤區會形成凍土球將泄漏孔包裹在內，由內向外分別是干冰球和凍土球2 部分［63］?？紤]到CO2介質、土壤及管道的相互作用使得埋地管道泄漏規律與架空管道存在很大不同，涉及到土壤滲流場、溫度場、濃度場等多場耦合問題，其泄漏過程相較架空管道更為復雜。目前，對CO2埋地管道泄漏的研究尚處于起步階段，只有一些定性的初步認識，有待進一步深入研究。迄今為止，中國現存的管道完整性管理或風險識別規范都是只針對油氣管道，還未見專門針對CO2管道的風險管理規范。同時，針對CO2管道定量風險評估的研究也較少。由于CO2是一種無色無味無毒氣體，與天然氣的危險性相比，盡管不易燃、不易爆，但CO2屬于窒息性氣體，密度較空氣大，泄漏后易在低洼地帶或密閉空間聚集，為搶險人員生命安全帶來巨大挑戰。CO2具有很強的焦爾-湯姆遜效應，導致泄漏口附近的溫度急劇降低并產生大量干冰，使管道產生低溫脆性，加劇裂紋的擴展。對運行單位來說，在管道泄漏后，需要明確超臨界CO2管道泄漏/擴散后人員應急搶險實施步驟、人員防護裝備配置要求及搶險機具要求等。國外管道運行單位大多制定適合本單位所轄管道和自身維搶修力量的應急搶險指南手冊，可借鑒意義不大。

3 超臨界CO2管道輸送研究方向

3.1 超臨界CO2管流數學模型

目前CO2管道設計多參考天然氣管道設計規范，然而CO2物性、相特性與天然氣差異明顯，CO2存在多種相態，且臨界點較低，相態是由溫度和壓力2 個參數共同決定的。已有CO2管道穩態仿真模型的控制方程基本是基于輸氣管道流動控制方程的思路進行推導的，而涉及停輸再啟動、水擊及放空等瞬態輸送過程的水力熱力計算研究較為匱乏。為保障管道在瞬態運行工況下的安全，需要開展超臨界CO2管流數學模型構建及算法研究，并基于CO2相變和熱力學特性，構建全相態、全工況的CO2物性參數數據庫。以CO2管流控制方程為基礎，考慮管道運行參數的非線性和時滯性，運行參數、物性參數與介質相態三者的相互耦合，以及管內流體與周圍環境的傳熱傳質規律，建立超臨界CO2管道穩態和瞬態流動水力熱力仿真數學模型。

針對超臨界CO2管道流動過程中出現的亞聲速流、聲速流、反向流等個性化快、瞬變流動慢的特征，結合CO2物性參數階躍變化特征和管內介質相態分布規律，提出高效穩健的求解算法。以上數學模型的構建及算法研究可以為超臨界CO2管道的設計、正常工況運行以及水擊、停輸再啟動、泄漏、放空等事故或作業工況的流動安全保障提供理論基礎。

3.2 管道流動安全保障技術

探究溫度、壓力及相態協同變化機理，理清管道內流體溫度變化及壓力流量脈動沖擊變化規律，形成停輸再啟動、放空過程安全控制理論；掌握多相態工況下管道水擊的形成機制及主控因素；建立埋地管道泄漏、滲流及遠場擴散模型，理清泄漏CO2的時空分布規律。通過開展管道停輸再啟動、水擊、放空、泄漏/擴散工況計算，分析瞬態工況變化規律，明確超臨界CO2管道輸送安全技術邊界，形成超臨界CO2管道運行安全保障技術，指導CO2管道運行與管理?？傮w技術路線見圖4。

圖4 管道流動安全保障技術路線Fig. 4 Technical roadmap of safety assurance for pipeline flow

3.2.1 管道停輸再啟動溫壓協同變化機理與安全控制技術

建立CO2管道停輸再啟動管內流體瞬變流動模型，研究不同管道長度、輸量、管徑、停輸時壓力、停輸時間、管道總傳熱系數、環境溫度等多因素協同作用下管道停輸及再啟動過程中管內任意位置流體壓力、溫度、流量、密度、相態、壓力波等時空演化規律。探究溫度、壓力及相態協同變化機理，理清管道內流體溫度變化及壓力流量脈動沖擊變化規律，掌握多相態工況下管道脈動沖擊形成機制及主控因素。形成管道停輸及再啟動過程水力、熱力計算方法，給出管道停輸再啟動的影響因素及各因素的技術界限，確定允許停輸時間對應的管道穩態運行參數范圍，給出安全停輸時間預測公式，為管道不同工況下安全停輸時間、停輸過程中安全保護措施、再啟動壓力控制措施的制定等提供理論依據，技術路線見圖5。

圖5 超臨界CO2管道停輸及再啟動安全控制技術路線Fig. 5 Technical roadmap of safety control for supercritical CO2 pipeline shutdown and restart-up

3.2.2 水擊瞬變過程溫壓及相態協同變化機理和安全控制技術

建立超臨界CO2管道的水擊工況動態仿真模型，研究不同管道輸量下線路截斷閥誤關閉、不同線路截斷閥關閉時間、泵以及壓縮機事故停運、站場失電等水擊工況下管內不同位置CO2相變、壓力波傳遞、反射和衰減等特性，并驗證超前保護、泄放系統等水擊保護措施的有效性。研究水擊瞬態過程中產生的CO2物性參數突變、相變、低溫、壓力波傳遞等特性，掌握多相態工況下管道水擊形成機制及主控因素；給出水擊壓力計算模型；形成考慮水擊工況的超臨界CO2管道輸送的壓力、溫度安全技術邊界確定方法；提出技術可行、安全可控的水擊保護措施，技術路線見圖6。

圖6 超臨界CO2管道水擊保護技術路線Fig. 6 Technical roadmap of water hammer protection for supercritical CO2 pipeline

3.2.3 管道放空節流特性及安全放空保護技術

建立基于CO2管道節流放空特性的計算模型，研究不同條件下（壓力、溫度、相態）泄放過程中管內、節流閥內以及管外的流動和相變特性。明確泄放過程中CO2溫度、壓力的時空分布規律、相態演變規律及管外環境中CO2的擴散范圍及擴散規律。分析不同放空管規格、多級節流等影響因素下超臨界CO2節流相變特性；分析站場在不同放空管規格、多級節流、放空閥開度等條件下放空過程的總時間、放空速率、最大溫降等關鍵參數，總結提出管道放空速率與各因素的關系?；诔R界CO2管道節流放空特性算法模型，以不產生干冰為前提，設計優化放空管規格、放空閥選型、放空過程節流級數，給出放空過程中放空閥開度等操作控制建議，以控制主干線軸向溫降為主要目的，形成超臨界CO2管道安全放空技術。技術路線見圖7。

圖7 超臨界CO2管道安全放空保護技術路線Fig. 7 Technical roadmap of safety blow-off protection for supercritical CO2 pipeline

3.2.4 埋地管道泄漏特性及應急搶險技術

建立超臨界CO2埋地管道泄漏、滲流及遠場擴散模型，揭示高壓CO2泄漏過程中管外近場出現的干冰層、射流云等物理現象及遠場溫度場、濃度擴散規律、擴散范圍，理清泄漏CO2時空分布規律。研究不同泄漏位置（向上、水平）、泄漏口徑、泄漏口規格（圓形和矩形）、泄漏量、泄漏時間等條件下，超臨界CO2管道泄漏形貌、泄漏口區域溫度場分布及干冰產生條件。探究各初始參數對泄漏過程以及隨后管道外土壤滲流和大氣遠場擴散規律?；谛狗胚^程中的壓力、溫度和濃度的時空分布規律，對泄放中可能造成的低溫及濃度危害進行預測和評估。明確超臨界CO2管道泄漏/擴散后人員應急搶險實施步驟、人員防護裝備配置要求及搶險機具要求等。指導應急搶險人員根據泄漏形貌特征快速定性判斷泄漏口徑、泄漏位置等關鍵信息參數，方便后續應急搶險工作的開展，技術路線見圖8。

圖8 超臨界CO2管道泄漏/擴散應急搶險技術路線Fig. 8 Technology roadmap of emergency rescue measures for supercritical CO2 pipeline leakage/diffusion

3.3 管輸模擬的可靠性

CO2管輸瞬態過程非常復雜，目前的研究多依賴OLGA、LEDAFLOW、TACITE/PIPEPHASE 等商業軟件，P.Aursand 等［21］認為現有軟件主要是針對油氣水三相流動仿真而開發，原則上適用于CO2管輸，但含雜質CO2管輸模擬的準確性需要進行驗證。商業軟件的優勢在于建模速度快，工藝輸出參數類別豐富，管道沿線壓力、溫度、持液率、氣相密度、液相密度等參數可以在同一張圖顯示，便于判斷流體不同相態的轉變時刻。但弊端在于商業軟件好比是“黑箱”，在不掌握軟件內核的情況下，結果的輸出取決于初始條件和邊界條件的設置。為從源頭上分析問題、解決問題，通過自行編程計算是不錯的方法，但CO2物性特殊，在臨界點附近，可能微小的溫度變化將導致密度等物性劇烈變化，在編程計算時含雜質CO2全區域（特別是跨相態區域）物性數據庫的建立需要額外注意。另外，試驗是驗證模型有效性的必要手段，而試驗平臺建設難點在于：①如何實現超臨界CO2流體在環道內循環流動；②實際埋地管道周圍土壤存在蓄熱作用，如何保證試驗架空環道停輸過程管周環境與實際工況相接近，這直接影響管內流體的溫降和壓降速率；③介質在流動過程中存在壓縮溫升，如何實現循環流動的溫度控制，避免流體溫度持續上升；④CO2屬于無毒窒息性氣體，如何采取有效防護措施保障試驗人員生命安全。建議首先明確驗證工藝的現場應用場景（原因、位置、參數等），再準確描述并簡化試驗場景。試驗的重點在于研究機理，不能一味追求物理模型尺度與工業級管道接近，否則不僅是帶來試驗設備的巨大投資，也將對試驗的組織開展帶來風險和挑戰。

4 結 論

（1）超臨界CO2管道在停輸過程中，流體相態轉變路徑為超臨界相→密相→液相→氣液平衡線，溫度和壓力存在協同變化關系，需明確安全停輸時間科學定義，給出安全停輸時間對應的管道穩態運行參數范圍；CO2相變產生水擊現象，引起新的瞬變流動，需形成考慮水擊工況的壓力、溫度安全技術邊界確定方法，提出水擊保護措施。

（2）放空過程中易出現冰堵、材料冷脆、噪聲污染、放空系統激振等問題，需設計安全放空系統，編制操作規程；埋地CO2管道泄漏規律涉及到土壤滲流場、溫度場、濃度場等多場耦合問題，需制定應急搶險實施方案。