含杂质超临界二氧化碳管道输送安全控制关键技术研究

This subject has a significant meaning in the development of CCS and transportation of supercritical CO2 in pipeline.It makes the research on the key theories of supercritical CO2 to establish the basic theory for flow assurance in pipeline and risk evaluation system, break through the key technology of safe controlling, based on the study of impurities influence on physical property and phase characteristics, moisture content of supercritical CO2 with impurities, hydraulic and thermodynamic characteristics, transient flow and water hammer. The mathematical model of hydraulic and thermodynamic characteristics and characteristic of dissolved water in anthropogenic CO2 will be established, according to the study of anthropogenic CO2 phase characteristics and flow process, moisture content of supercritical CO2 with impurities. The transient and propagation characteristic due to subcritical change will be studied. This subject has a deeper research on solid phase change and transient in pipeline due to man-made pressure release and accidental leakage, and the mathematical model of man-made pressure release rateand basic theory of safe controlling will be optimized. Above all,it will provide support for safety controlling of anthropogenic CO2 pipeline transportation and technological choice for CCUS development and national important strategy of energy security safeguard.

为符合我国CCUS技术的发展趋势，填补超临界二氧化碳管道输送方面的空白，该项目的研究具有重要意义。通过对超临界二氧化碳管道输送过程中杂质对物性相态的影响、含杂质二氧化碳含水率、水力热力特性、管内瞬变流动及水击等方面进行研究，建立与安全相关的基本理论及风险评估体系，突破超临界二氧化碳管道安全控制的关键技术。通过研究含杂质二氧化碳流体的相特性及流动过程，建立二氧化碳水力热力数学模型；同时通过对含杂质二氧化碳含水率的研究，建立含不同杂质二氧化碳对水溶解特性的计算模型；进而研究超临界二氧化碳在输送过程中跨临界产生的瞬变规律及压力传播特性；在泄漏和放空方面，研究站场放空及意外泄漏条件下管内固态相变及瞬态压力传播，建立最优放空速率计算模型及安全控制基本理论；最终，为含杂质多组分二氧化碳管道安全输送提供理论支持，为CCUS技术的发展和国家能源保障及战略提供基本理论依据。

二氧化碳安全管输技术是碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的重要组成部分，也是应对全球气候变暖的关键技术之一。本课题针对含杂质超临界CO2管道输送中的基础问题，采用理论、实验和模拟相结合的方法，形成了一套超临界CO2管道安全输送技术。通过研究：（1）完成了含杂质CO2流体相特性及流动特性的研究，同时建立了适合超临界CO2管道的水力热力模型。优选了适合计算含杂质CO2物性的状态方程，得到了杂质对CO2相特性的影响规律；提出了两种CO2流体含水率计算方法（热力学模型法和经验公式法），分析了杂质对含水率的影响规律。（2）完成了CO2管道多级节流放空实验，得到了节流管内参数变化规律；建立了含杂质CO2管道节流模型，研究了管内相变机理，提出用类气液线表征超临界CO2相特性气液倾向权重平衡，对CO2超临界区进行定义划分；并进行了节流放空过程敏感性分析，形成了一套高压CO2管道安全泄放控制技术。（3）完成了超临界CO2管道泄漏扩散实验，采集到管内瞬变和管外扩散关键数据；建立了含杂质超临界CO2管道减压模型，研究了失压过程中管内瞬变流动规律；基于均相流假设，建立了适合工程应用的含杂质CO2减压波快速计算算法。同时，对超临界CO2管道停输及启动过程中的管内流动参数变化过程进行了分析。（3）建立了基于管内-近场-远场三级联动的超临界CO2管道风险评估模型。研究了近场泄漏过程CO2含复杂相变跨音速流动机理，得到了近场泄漏过程干冰浓度及粒径分布规律。通过数值模拟，得到风速、大气稳定度、泄漏速率、地表粗糙度等对CO2扩散的影响规律，绘制了超临界CO2管道泄漏风险等值线。本课题的研究，为含杂质多组分二氧化碳管道安全输送提供理论支持，为CCUS技术的发展和国家能源保障及战略提供了基本理论依据。