超临界CO2管道瞬态输送工艺研究进展及方向

李欣泽 袁 亮 张 超 王梓丞 邢晓凯 熊小琴陈晓玲 尚 妍 张文辉 陈 潜

（1. 中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆 克拉玛依 834000；2. 中国石油新疆油田公司开发公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国石油新疆油田公司基本建设工程处，新疆 克拉玛依 834000；4. 中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；5. 长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

0 引 言

大力发展CCUS（Carbon Capture Utilization and Storage）技术是未来中国减少CO2排放、保障能源安全和产业发展的必要选择，在中国碳中和、碳达峰目标实现过程中将发挥重要托底作用［1-7］。由于CO2源汇分布的空间特性，CO2管输将是连接CCUS产业链上下游的关键枢纽。国际上在CO2管输方面已有近半个世纪的工程实践，现有CO2管道超过10 000 km，主要集中在北美和欧洲［8］。中国CO2管输技术发展缓慢，CO2输送以低温储罐公路运输为主［9-10］。

CO2可分为超临界（密度200～600 kg/m3）、密相（密度600～1 200 kg/m3）、液相（密度600～1 200 kg/m3）、气相（密度1～200 kg/m3）、固相（密度1 560 kg/m3）共5 个相态。当压力和温度均高于临界压力和临界温度时CO2处于超临界状态，此时CO2既具有气体的低黏度和高流动性，又具有液体的高密度［11］。CO2驱油和地质封存是实现大规模CO2管道输送的主要需求，超临界态管输是目前国际上进行CO2长距离、大规模碳运输的最安全经济方式［12］。黄维和等［13］认为碳中和前需构建区域间的干线管道，形成输送规模10×108t 级、总里程约6×104km 的国家输碳管网。中国新疆、山东、陕西等省份已启动超临界CO2管道规划或建设。由于CO2物性与原油、天然气存在显著差异，现有管道运行技术无法直接套用，CO2相态突变导致的超高压、超低温等问题为管道运行带来挑战。长距离超临界CO2管道瞬态输送的核心技术还有待突破，模型和方法亟需工业规模示范工程的验证及修正。

1 超临界CO2管道水力热力特性

目前纯CO2物性及相特性计算较成熟，密度、黏度等物性参数可通过流体相平衡试验测得，通过对比不同理想状态方程，推荐使用彭-罗宾森（Peng-Robinson）方程作为CO2相平衡及物性参数的研究模型［14］。捕集的CO2气源含多种杂质，包括极性杂质H2S 以及非极性杂质H2、CH4、N2、O2等气体，杂质会对物性（密度、黏度、比热容、导热系数等）和相特性（气液平衡线、临界压力、临界温度、准临界等）产生影响，可改变设计条件和管道运行机制［15］。含杂质CO2物性及相特性计算仍需基于实验数据对现有计算方程进行修正和完善［16］。行业标准SH/T 3202—2018《二氧化碳输送管道工程设计标准》［17］未明确杂质含量要求，需尽快制定CO2管输组分技术标准。国外相关研究机构对CO2气源组分要求给出了推荐值［18］，成果是否适用于中国CO2管道需要进一步研究。

国内外学者［19-20］对CO2管道稳态输送工艺进行了研究，提出了CO2管输稳态水力热力模型，给出了CO2输送过程水力热力特性的试验检测方法，得到了不同相态输送条件下管内压力、温度和物性参数的变化规律。现有含杂质CO2多元体系物性、相特性模型及管输稳态水力热力模型建立技术路线如图1 所示。

图1 含杂质CO2多元体系物性、相特性模型及管输稳态水力热力模型建立的技术路线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

长距离超临界CO2管道在运行过程中难免会遇到计划停输、事故停输、水击、泄漏、计划放空、紧急放空等瞬态工况，相比稳态输送，瞬态输送过程的危险及危害性更大。管道输量、压力、温度等运行参数发生剧变，CO2将在管道内形成瞬变流动，由瞬态压力和温度确定的相态点可能降低至泡点线之下并进入气液两相区，CO2气化会导致压力大幅上升，对管道造成冲击［21-22］。

为描述管内瞬态流动过程，许多学者［23-30］建立了CO2管道瞬态流动模型，结合热力学关系式和状态方程，在瞬间时间和空间域对非稳定流的控制方程进行求解，基于瞬态压力和温度，评估了CO2管输过程中瞬变和相变风险。但现有模型普遍存在4 个问题：①假设过于简化，忽略了管道壁面的摩擦阻力、流体的温度变化等；②对管道的入口和出口（流量、压力）等边界条件处理不准确；③对管内流动特性描述不准确，忽略了管内流动的三维特性（涡旋、湍流等）；④对管材腐蚀和磨损考虑不足。亟需通过实验准确地研究出多杂质超临界CO2相变特性管道输送工艺设计所需的水力热力计算模型，便于对瞬变工况的形成、发展以及后果进行预测。基于精准预测，提出管道运行阶段瞬态过程的安全控制建议、详细操作准则及参数控制指标，形成一套运行安全控制技术，制定相应技术标准，指导CO2管道的设计、运行与管理，避免管道内CO2介质发生相变，引发水击、管道紧急放空操作等，降低运行维护成本（管道发生泄漏损失、管道泄漏后维修、防护成本等）。同时提前做好事故工况的应急响应预案，为管道运维保驾护航，确保管道安全平稳运行，也为操作人员的生命安全提供保障。

2 超临界CO2管道瞬态输送过程

2.1 管道停输再启动

区别于原油和天然气管道，CO2管道的停输再启动存在相态特性变化的问题。有学者［31-32］借助商业软件，结合山东等省份的超临界CO2管道示范工程参数，通过建立仿真模型获得管道停输及再启动过程中管内温度、压力、密度及相态协同变化波动规律，发现管内流体相变、超压、水合物生成等风险。对于超临界CO2管道在停输时应采取的保护措施研究相对较少，现有保护策略主要包括调整管道停输前工艺参数、停输过程工艺参数监测、启用压力安全阀及部分泄压流程、合理设置加压站等［33-36］。已有商业软件工艺计算数据库均为油气管道，计算模型缺乏CO2管道实验数据的验证［37］。仿真模型并没有包含压缩机/泵元件，仅是通过设置阀门的关闭和开启来模拟管道的停输和再启动，与实际工况存在差异［38］。

超临界CO2管道在停输过程中，流体相态转变路径为超临界相→密相→液相→气液平衡线，温度和压力存在协同变化关系。可将影响管道停输的因素分为2 类：一类是管道运行参数（如停输前管道运行压力、温度、输量等）；另一类是管道周围环境参数（如土壤环境温度、管土总传热系数、管道有无保温层等）。在临界点附近，CO2密度将在温度微小变化下发生剧烈波动，密度的剧烈波动使管内CO2流体体积波动变化，在管道固定体积约束下，剧烈波动的CO2流体将对管道产生剧烈的脉动冲击，危害管道安全。说明超临界CO2管道同样存在安全停输时间约束，应在管内流体发生相变之前，结束停输以避免对管道系统的冲击危害。而目前对于超临界CO2管道的安全停输时间，并没有明确的科学定义和说明，尚缺乏相关标准［39］。CO2相态由温度和压力2 个参数共同决定，对于超临界CO2管道，不仅要关注管道在停输过程和再启动过程中沿程温度变化，还需要同时关注压力和温度协同作用下的CO2相态变化。因此可将超临界CO2管道安全停输时间定义为从管道停输开始至管内任一点流体即将进入气液共存区的时间，将安全停输时间问题转化为避免输送体系中超临界CO2到气相转变发生的问题。

现有关于超临界CO2管道停输再启动过程温压协同变化机理与安全控制研究还需要进一步完善。有必要构建多因素协同作用下的管道安全停输时间数据库，拟合出半经验公式或利用BP 神经网络等智能算法建立预测模型，方便工程应用。以往研究多关注流体的温度、压力，而密度、相态、压力波速的时空演化规律也是停输再启动过程分析的关键。为保障管道安全停输，可试图给出夏季和冬季允许停输时间对应的管道稳态运行参数范围，以保证在管道停输稳定后，管内CO2相态将维持在密相或者液相，不会进入气液两相共存区。管道再启动压力的组成也需要明确，并给出基于位置和时间变量的压力波速表达函数。目前中国的示范工程管道长度均在200 km 内，管道沿线无需设置中间泵站，而对于今后多泵站管道运行场景，需要基于管内CO2流体不发生相变的原则，优化管道再启动时各泵站启动时机和启动时序。

2.2 管道水击瞬变流动

超临界CO2管道密闭输送流程使全线成为一个统一的水力系统，超临界CO2具有液体的高密度，按照以往原油、成品油管道水击的认识，超临界CO2管道水击分析必不可少。快速开关阀门、启停增压设备或输量大幅调整等可能会引起水击工况，流体将在管道内形成瞬变流动，管道系统内不稳定流产生的瞬变压力波沿管道传播，瞬变压力叠加在管道原来的压力分布上，造成沿线输送参数（输量、压力）的不稳定，增压波有可能使管内压力超过管道运行的最大工作压力，引起强度破坏，减压波有可能使下游泵站进站压力降低，泵发生气蚀。

为了更好地描述CO2管道水击瞬变流动过程，有学者通过自编程序或使用商业软件建立超临界CO2管道瞬态水力热力模型并开展计算分析工作，但相关实验研究工作较少［20-21，40］。模拟结果表明，在上游气源供应中断情况下，可观察到液相CO2的减压和气化现象；在中间截断阀门快速关闭的情况下，阀前后压力和流量变化剧烈，每个隔离管段都产生压力波，但与以往原油管道瞬变流动规律不同，阀前升压速率缓慢，运行单位有充足时间处理事故工况。根据儒可夫斯基的水击理论［41］，由流速瞬间变化直接产生的压力脉动与压力波的波速密切相关。超临界态CO2体积弹性系数小于原油，压力波在超临界态CO2的传播速度为400～800 m/s，在原油中为1 000～1 200 m/s。在流速变化量相等的情况下，原油管道直接瞬变压力值是超临界CO2管道的1.2～3.0 倍，说明超临界CO2管道的水击危害程度小，这也和已有的模拟计算结果相对应。

CO2存在相变问题，阀门误关闭等操作会在管内产生瞬变压力脉动，在水力瞬变过程中，存在管道充装、压力波的衰减和压力波的叠加，压力、温度等工艺参数的变化可能导致CO2发生相变，这将引起新的管道瞬变流动。滕霖［42］研究发现在管线放空初期或在准临界区域，管内流速剧烈变化，产生水击现象。相变的发生，尤其是CO2气化会在很大程度上降低压力波的传播速度，这些情况使瞬变流动的分析和计算大大复杂化。在水击保护措施方面，尽管行业标准SH/T 3202—2018《CO2输送管道工程设计标准》［17］强调了采用液相和超临界输送CO2管道的设计应进行水击分析，但并没有给出具体的分析方法和水击保护措施。目前超临界CO2管道水击及控制理论还不成熟，水击形成机制和保护措施还未得到统一的认识。现有研究或许可以从求解模型的数值解来对参数变化进行分析，总结水击事故工况下各节点流动参数的时变规律，然后为超临界CO2管道的瞬变流动与控制提供参考。

2.3 管道放空

当超临界CO2管道放空时，CO2会通过放空系统直接释放到大气中，管内介质将依次经历大/小管嘴淹没出流、跨相态多级节流、无限空间气体紊流淹没射流等物理过程，如图2 所示。其中，大/小管嘴淹没出流涉及管嘴大小的界定和泄流段的压差计算；跨相态多级节流涉及不同相态状态方程的选用、物性参数和当地声速的计算；无限空间气体紊流淹没射流涉及到CO2放空时的温度、压力、流量等参数以及噪声和激振问题。由于巨大的压差和节流作用，介质温度会急剧下降，甚至可降至CO2的三相点以下，过低的温度会导致材料变脆，对管道和设备造成损害。此外，如果管嘴和放空管道内形成干冰，还可能堵塞管道，造成严重危害［43］。

图2 超临界CO2管道干线放空物理过程示意Fig. 2 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline blowdown

目前国内外对于超临界CO2管道放空的研究，主要集中于管道放空过程中CO2流动特性变化规律和安全放空系统设计。流动特性变化规律涉及干线管内、管嘴泄流、放空阀节流、自由射流等过程相态和流动参数变化以及放空管外扩散和CO2体积分数时空分布等。研究表明，管内CO2相态会经历超临界、气液两相共存和气相3 个过程；管内压力取决于放空初始压力和放空管形态，管内温降速率受放空速率影响，最低温度受初始温度影响；多级节流放空能够有效控制管内温降幅度，同时影响管外CO2喷射扩散形态；放空管附近区域易出现全线温度最低点，也是最易出现冰堵的区域［44-49］。

安全放空系统的设计目标是解决在放空过程中出现的冰堵、材料冷脆、噪声污染、放空系统激振等问题，同时，在足够安全距离的前提下，放空时间要尽量短，使得维抢修工作能够尽快开展。现有标准只是给出了要重点考虑放空管放空能力、温降控制、防止干冰堵塞和噪声等原则，缺乏对放空管设计的具体指导和要求。为实现超临界CO2管道放空过程的安全防护，一些学者结合放空试验和模拟，给出了3 点安全控制建议［50-54］：①增大泄放速率、节流入口增温和节流出口整流；②当采用多级节流时，设置较高的初始温度，避免节流管及主管内的状态位于两相区内及临界点附近；③减缓阀门开启速率同时配合采用放空管局部加热。同时也提出了多级节流泄放、人为调整放空前工艺参数、放空管级间局部加热、保温、增设缓冲罐等措施。

而现有超临界CO2管道放空过程流动特性研究的不足在于：研究工况相对单一，导致放空过程涉及到的相变路线不全面；相态间的非平衡转变问题研究欠缺；压力衰减和温降间的协同关系不明确；固相生成规律及风险控制的研究不足；夹杂液相甚至固相的管外扩散过程研究不足。另外，针对安全泄放提出的部分措施缺少现场工程应用实践，如在高放空速率工况下，级间流体是否与外部电伴热带等提温措施有足够长的换热时间，以达到有效控制干冰生成的目的。安全控制存在一定的局限性，缺少放空管低温低应力校核分析、安全放空自控程序以及放空系统设计压力确定依据等。为确保超临界CO2管道示范工程安全泄放，应尽快制定CO2安全泄放技术手册、标准或规范，明确安全阀选型方法、节流级数、放空系统阀门开关时序、放空过程不同时期阀门开度控制等，以达到既安全放空又有效控制投资的目的。

2.4 管道泄漏

CO2管道泄漏过程可分为管道内减压过程、近场射流膨胀过程和远场扩散过程3 个部分［55］，如图3 所示。对于管内减压阶段，泄漏瞬间产生减压波沿管道传播，热力学参数发生变化，明确CO2管内泄漏特性是开展CO2管道泄漏近场射流的基础［56］。对于架空管道来说，泄漏孔处的CO2以高速喷射或射流形式从管道中喷出，形成近场射流，泄漏口周围温度急速下降［57］。射流膨胀后，CO2进一步扩散到远离泄漏源的区域，形成远场扩散。CO2持续泄漏可能产生大量干冰堆积在地面，形成新的扩散源。而对于埋地管道，CO2会在泄漏初期数秒内在土壤孔隙中以射流扩散，泄漏孔周围会形成冻土球，其内部由干冰球和冻土层构成。多孔介质结构会改变射流方向并降低射流动量，在泄漏口处由于压力分层而出现负压区域，但在极短时间内接近大气压，扩散形式变为均匀扩散［58］。包裹在泄漏孔周围形成的冻土球成为另一个扩散源［59］。

图3 超临界CO2管道泄漏物理过程示意Fig. 3 Schematic diagram of physical process of supercritical CO2 pipeline leakage

现有大部分CO2管道泄漏特性实验为中小规模，受尺度效应限制无法完全还原工程实际工况。国内外学者对于管内温度和相态变化已有基本认识，大致明确了管内热传递方向。沿管道长度，温度从泄漏孔到远端逐渐降低，远端管道底部温度最低，管内温度与泄漏口径有关，泄漏口径越大管道末端温度越低［60］。管内产生干冰时温度可达到-80 ℃，极有可能引起脆性断裂。若CO2减压波波速低于管道断裂扩展速度，会造成管体裂纹快速持续扩展，进而造成更严重的损失。

由于CO2管道泄漏近场射流阶段的高流速和高冲击力，导致实验测量中可采用的方法有限且容易存在误差；考虑到射流中可能会伴随干冰颗粒的生成和升华以及管内干冰的射出，在模拟研究中仍存在一定难度。实验研究表明，在泄漏口周围可观察到典型的高度欠膨胀射流结构，夹杂着大量干冰颗粒［61］。CO2管道泄漏近场射流膨胀过程涉及到复杂的激波、压力和温度的急剧变化以及气液、气液固三相流动，目前对近场射流阶段的认识较少，在CO2管道近场射流阶段激波结构变化、射流结构及变化、干冰生成数量及范围等方面仍需继续探索。

在泄漏远场扩散方面，由近场射流携带的大量干冰、气相CO2及卷吸的空气等介质进入远场区域持续扩散，在低洼处形成高浓度区域。研究表明，在超临界CO2释放中射流和凝华的干冰颗粒、气相CO2、空气和冷凝水的混合物形成了复杂的可见云形态［62］。泄漏源强度影响着可见云的扩散速度，而扩散过程中的风速、风向、地形以及地面障碍物等影响了可见云的形状、位置以及运动方向。考虑到放空出口一般高于地表20～30 m，而泄漏口埋于地下或紧贴地表，因此只可借鉴放空研究的方法，不可将泄漏远场扩散与放空研究结论混淆。架空管道泄漏时会在地面上生成干冰堆，埋地管道泄漏时会生成干冰球和冻土球，在后续研究过程中需要考虑干冰升华的影响。

目前CO2管道泄漏研究主要集中在管道架空方面，针对埋地管道的研究甚少。一些研究表明，泄漏口周围大部分土壤被冲开，可观察到较大的空腔。土壤区会形成冻土球将泄漏孔包裹在内，由内向外分别是干冰球和冻土球2 部分［63］。考虑到CO2介质、土壤及管道的相互作用使得埋地管道泄漏规律与架空管道存在很大不同，涉及到土壤渗流场、温度场、浓度场等多场耦合问题，其泄漏过程相较架空管道更为复杂。目前，对CO2埋地管道泄漏的研究尚处于起步阶段，只有一些定性的初步认识，有待进一步深入研究。迄今为止，中国现存的管道完整性管理或风险识别规范都是只针对油气管道，还未见专门针对CO2管道的风险管理规范。同时，针对CO2管道定量风险评估的研究也较少。由于CO2是一种无色无味无毒气体，与天然气的危险性相比，尽管不易燃、不易爆，但CO2属于窒息性气体，密度较空气大，泄漏后易在低洼地带或密闭空间聚集，为抢险人员生命安全带来巨大挑战。CO2具有很强的焦尔-汤姆逊效应，导致泄漏口附近的温度急剧降低并产生大量干冰，使管道产生低温脆性，加剧裂纹的扩展。对运行单位来说，在管道泄漏后，需要明确超临界CO2管道泄漏/扩散后人员应急抢险实施步骤、人员防护装备配置要求及抢险机具要求等。国外管道运行单位大多制定适合本单位所辖管道和自身维抢修力量的应急抢险指南手册，可借鉴意义不大。

3 超临界CO2管道输送研究方向

3.1 超临界CO2管流数学模型

目前CO2管道设计多参考天然气管道设计规范，然而CO2物性、相特性与天然气差异明显，CO2存在多种相态，且临界点较低，相态是由温度和压力2 个参数共同决定的。已有CO2管道稳态仿真模型的控制方程基本是基于输气管道流动控制方程的思路进行推导的，而涉及停输再启动、水击及放空等瞬态输送过程的水力热力计算研究较为匮乏。为保障管道在瞬态运行工况下的安全，需要开展超临界CO2管流数学模型构建及算法研究，并基于CO2相变和热力学特性，构建全相态、全工况的CO2物性参数数据库。以CO2管流控制方程为基础，考虑管道运行参数的非线性和时滞性，运行参数、物性参数与介质相态三者的相互耦合，以及管内流体与周围环境的传热传质规律，建立超临界CO2管道稳态和瞬态流动水力热力仿真数学模型。

针对超临界CO2管道流动过程中出现的亚声速流、声速流、反向流等个性化快、瞬变流动慢的特征，结合CO2物性参数阶跃变化特征和管内介质相态分布规律，提出高效稳健的求解算法。以上数学模型的构建及算法研究可以为超临界CO2管道的设计、正常工况运行以及水击、停输再启动、泄漏、放空等事故或作业工况的流动安全保障提供理论基础。

3.2 管道流动安全保障技术

探究温度、压力及相态协同变化机理，理清管道内流体温度变化及压力流量脉动冲击变化规律，形成停输再启动、放空过程安全控制理论；掌握多相态工况下管道水击的形成机制及主控因素；建立埋地管道泄漏、渗流及远场扩散模型，理清泄漏CO2的时空分布规律。通过开展管道停输再启动、水击、放空、泄漏/扩散工况计算，分析瞬态工况变化规律，明确超临界CO2管道输送安全技术边界，形成超临界CO2管道运行安全保障技术，指导CO2管道运行与管理。总体技术路线见图4。

图4 管道流动安全保障技术路线Fig. 4 Technical roadmap of safety assurance for pipeline flow

3.2.1 管道停输再启动温压协同变化机理与安全控制技术

建立CO2管道停输再启动管内流体瞬变流动模型，研究不同管道长度、输量、管径、停输时压力、停输时间、管道总传热系数、环境温度等多因素协同作用下管道停输及再启动过程中管内任意位置流体压力、温度、流量、密度、相态、压力波等时空演化规律。探究温度、压力及相态协同变化机理，理清管道内流体温度变化及压力流量脉动冲击变化规律，掌握多相态工况下管道脉动冲击形成机制及主控因素。形成管道停输及再启动过程水力、热力计算方法，给出管道停输再启动的影响因素及各因素的技术界限，确定允许停输时间对应的管道稳态运行参数范围，给出安全停输时间预测公式，为管道不同工况下安全停输时间、停输过程中安全保护措施、再启动压力控制措施的制定等提供理论依据，技术路线见图5。

图5 超临界CO2管道停输及再启动安全控制技术路线Fig. 5 Technical roadmap of safety control for supercritical CO2 pipeline shutdown and restart-up

3.2.2 水击瞬变过程温压及相态协同变化机理和安全控制技术

建立超临界CO2管道的水击工况动态仿真模型，研究不同管道输量下线路截断阀误关闭、不同线路截断阀关闭时间、泵以及压缩机事故停运、站场失电等水击工况下管内不同位置CO2相变、压力波传递、反射和衰减等特性，并验证超前保护、泄放系统等水击保护措施的有效性。研究水击瞬态过程中产生的CO2物性参数突变、相变、低温、压力波传递等特性，掌握多相态工况下管道水击形成机制及主控因素；给出水击压力计算模型；形成考虑水击工况的超临界CO2管道输送的压力、温度安全技术边界确定方法；提出技术可行、安全可控的水击保护措施，技术路线见图6。

图6 超临界CO2管道水击保护技术路线Fig. 6 Technical roadmap of water hammer protection for supercritical CO2 pipeline

3.2.3 管道放空节流特性及安全放空保护技术

建立基于CO2管道节流放空特性的计算模型，研究不同条件下（压力、温度、相态）泄放过程中管内、节流阀内以及管外的流动和相变特性。明确泄放过程中CO2温度、压力的时空分布规律、相态演变规律及管外环境中CO2的扩散范围及扩散规律。分析不同放空管规格、多级节流等影响因素下超临界CO2节流相变特性；分析站场在不同放空管规格、多级节流、放空阀开度等条件下放空过程的总时间、放空速率、最大温降等关键参数，总结提出管道放空速率与各因素的关系。基于超临界CO2管道节流放空特性算法模型，以不产生干冰为前提，设计优化放空管规格、放空阀选型、放空过程节流级数，给出放空过程中放空阀开度等操作控制建议，以控制主干线轴向温降为主要目的，形成超临界CO2管道安全放空技术。技术路线见图7。

图7 超临界CO2管道安全放空保护技术路线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应急抢险技术

建立超临界CO2埋地管道泄漏、渗流及远场扩散模型，揭示高压CO2泄漏过程中管外近场出现的干冰层、射流云等物理现象及远场温度场、浓度扩散规律、扩散范围，理清泄漏CO2时空分布规律。研究不同泄漏位置（向上、水平）、泄漏口径、泄漏口规格（圆形和矩形）、泄漏量、泄漏时间等条件下，超临界CO2管道泄漏形貌、泄漏口区域温度场分布及干冰产生条件。探究各初始参数对泄漏过程以及随后管道外土壤渗流和大气远场扩散规律。基于泄放过程中的压力、温度和浓度的时空分布规律，对泄放中可能造成的低温及浓度危害进行预测和评估。明确超临界CO2管道泄漏/扩散后人员应急抢险实施步骤、人员防护装备配置要求及抢险机具要求等。指导应急抢险人员根据泄漏形貌特征快速定性判断泄漏口径、泄漏位置等关键信息参数，方便后续应急抢险工作的开展，技术路线见图8。

图8 超临界CO2管道泄漏/扩散应急抢险技术路线Fig. 8 Technology roadmap of emergency rescue measures for supercritical CO2 pipeline leakage/diffusion

3.3 管输模拟的可靠性

CO2管输瞬态过程非常复杂，目前的研究多依赖OLGA、LEDAFLOW、TACITE/PIPEPHASE 等商业软件，P.Aursand 等［21］认为现有软件主要是针对油气水三相流动仿真而开发，原则上适用于CO2管输，但含杂质CO2管输模拟的准确性需要进行验证。商业软件的优势在于建模速度快，工艺输出参数类别丰富，管道沿线压力、温度、持液率、气相密度、液相密度等参数可以在同一张图显示，便于判断流体不同相态的转变时刻。但弊端在于商业软件好比是“黑箱”，在不掌握软件内核的情况下，结果的输出取决于初始条件和边界条件的设置。为从源头上分析问题、解决问题，通过自行编程计算是不错的方法，但CO2物性特殊，在临界点附近，可能微小的温度变化将导致密度等物性剧烈变化，在编程计算时含杂质CO2全区域（特别是跨相态区域）物性数据库的建立需要额外注意。另外，试验是验证模型有效性的必要手段，而试验平台建设难点在于：①如何实现超临界CO2流体在环道内循环流动；②实际埋地管道周围土壤存在蓄热作用，如何保证试验架空环道停输过程管周环境与实际工况相接近，这直接影响管内流体的温降和压降速率；③介质在流动过程中存在压缩温升，如何实现循环流动的温度控制，避免流体温度持续上升；④CO2属于无毒窒息性气体，如何采取有效防护措施保障试验人员生命安全。建议首先明确验证工艺的现场应用场景（原因、位置、参数等），再准确描述并简化试验场景。试验的重点在于研究机理，不能一味追求物理模型尺度与工业级管道接近，否则不仅是带来试验设备的巨大投资，也将对试验的组织开展带来风险和挑战。

4 结 论

（1）超临界CO2管道在停输过程中，流体相态转变路径为超临界相→密相→液相→气液平衡线，温度和压力存在协同变化关系，需明确安全停输时间科学定义，给出安全停输时间对应的管道稳态运行参数范围；CO2相变产生水击现象，引起新的瞬变流动，需形成考虑水击工况的压力、温度安全技术边界确定方法，提出水击保护措施。

（2）放空过程中易出现冰堵、材料冷脆、噪声污染、放空系统激振等问题，需设计安全放空系统，编制操作规程；埋地CO2管道泄漏规律涉及到土壤渗流场、温度场、浓度场等多场耦合问题，需制定应急抢险实施方案。