超临界相CO2输送管道经济流速计算方法

作     者：程昱涵 李长俊 贾文龙 高谦 付仕雄 张雯琴 

作者机构：西南石油大学石油与天然气工程学院 

出 版 物：《油气储运》 (Oil & Gas Storage and Transportation)

年 卷 期：2025年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目“稠密水合物浆体气液固三相混输流动机制及其对管道冲蚀规律研究” 51974269 

主　　题：二氧化碳管道 超临界相 经济流速 数学模型 遗传算法 

摘      要：【目的】碳捕集、利用及封存技术（Carbon Capture， Utilization and Storage， CCUS）被广泛视为温室气体减排最佳解决方案之一，而管道输送是大规模、长距离输送CO2的最佳选择。在超临界相CO2管道输送过程中，当管输压力低于临界压力（7.38 MPa）时，CO2会发生相变，导致管道发生冲蚀，影响CO2的稳定输送和管道的安全运行。管道流速会影响CO2管输压力，流速过低会增加压降，导致压力低于临界点，流速过高则会增大摩擦损失，增加能耗。同时流速与管径密切相关，影响管道建设和运行费用。因此，有必要研究超临界相CO2输送管道的经济流速。【方法】以“增压站+管道组合为研究对象，建立了计算CO2管道经济流速的优化模型。模型以管道年投资总费用为目标函数，约束条件以保持单一相态输送的二氧化碳相态约束为基础，包含管道沿程压力约束、管道强度约束、管道稳定性约束。利用遗传算法对优化模型进行求解。【结果】通过设定一系列经济参数，绘制了超临界相CO2输送管道各标准管径在输量1000～10000 t/d和增压站间距50～150 km情况下的管道年投资总费用和经济流速范围。在输量较小时，管道年投资总费用随管径增大呈现线性增加的趋势，输量不断增加时呈现先降低后升高的趋势；当管径一定时，输量越大其管道年投资总费用越大；管道经济流速随着输量增加呈现波动上升的趋势。同时分析了管材和电价对经济流速的影响。【结论】超临界相CO2输送管道经济流速范围为1.1～2.35 m/s；电价显著影响经济流速，管道材料对经济流速的影响较弱。通过改变实例的运行参数，设计出9种运行方案，运用模型进行评价和优选，得到了最优方案，验证了经济流速的准确性。研究结果可为管道优化设计提供参考。（图5，表4，参22）