“管”中送“碳”——技术创新让二氧化碳管输更稳定、更高效、更安全

七月的齐鲁大地骄阳似火，一条管道长龙蜿蜒百公里，一头连接“化工碳源企业”，一头连接“油田碳汇企业”，在超临界压力下源源不断地输送着工业级、高纯二氧化碳——作为我国首条百万吨、百公里高压常温密相二氧化碳输送管道，齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS示范项目二氧化碳输送管道自开工建设以来就一直备受瞩目，每一步进展都振奋人心。

齐鲁石化碳捕集装置区日常使用10个罐车充装接驳位，没建管道之前，每天前来充装的罐车络绎不绝，将满载的高纯液态二氧化碳运往纯梁采油厂用于驱油。

“罐车容积大多在360公斤，高峰时每天会有70辆车前来充装，一年下来运输车辆就需要4万车次，车用燃料达到200万标方。”中石化石油工程设计公司齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS示范项目二氧化碳输送管道BEPC项目副经理孙大勇算了一笔账，车载运力除了受下游注入需求的变化影响外，在人口密集的山东，公路运输的安全风险以及对交通资源的占用，也是影响运输成本的重要因素。“我们的管道投运后，节省了车辆、人工、燃料，高压下的二氧化碳液体通过深埋于地下的管道输送，也比每天穿梭于繁忙的公路来得更平稳、更高效、更安全！”

对比石油天然气，二氧化碳的特点就是“相态多变”，通俗来说，就是受温度和压力变化的影响大、在液态和气态两种相态之间频繁变换，且保温易、保冷难。“要在109公里的输送过程中寻求最安全高效的输送办法，即便是掌握了先进成熟的油气长输管道设计技术，我们也确实毫无经验可循，依旧需要破解诸多难题。”该工程管输技术团队成员、BEPC项目设计部经理梁海宁说。

作为管道建设者，为了让管道更平稳、更高效、更安全，石油工程设计公司二氧化碳管输技术团队潜心攻关，系统掌握了二氧化碳管输设计、建设和投运等系列核心技术，凭借过硬的技术优势保障了项目高质量建设、高质量运行。

面对极高的建设要求，技术团队顶住压力，瞄准建设目标积极开展工作，实现了长距离二氧化碳输送技术突破，建成了百万吨级百公里超临界输送压力条件下的二氧化碳密相输送管道，并实现了“三个首次”——首次实现了二氧化碳低温增压泵、40MPa级高压注入泵等关键装备的国产化研制与应用，从而实现了超临界压力条件下密相二氧化碳“泵到泵”的输送与超临界相态条件下的注入模式；首次构建了二氧化碳管道输送技术体系和标准体系，定义并实现了二氧化碳管道超临界压力输送模式；首次实现了二氧化碳管道输送计算软件的国产化和数字孪生技术的突破。一系列技术成果的取得，充分展示了公司在大规模、长距离二氧化碳运输关键技术方面过硬能力水平。

“管道建设，首先要考虑安全性！管线埋深2米，是经过综合考虑和反复论证的。”梁海宁说，液态二氧化碳一旦泄露，首先要确保管道沿线的农田、林地、鱼塘不受低温冻土伤害。同时，二氧化碳遇水形成碳酸，极易对碳钢管道造成腐蚀，所以管输来液对含水率有着相当严格的要求。此外，还要考虑来液纯度和杂质对输送效果的影响，以及工程的造价、安全、质量等多重因素，设计团队努力探索，寻找着那个满足各方要求的“平衡点”，最终确定了“高压+常温+密相”的管输设计思路。

关键核心技术要立足自主研发，管输技术团队成功应用自主研发的以“多元杂质组分物性分析与管输水力、热力计算模型”为核心的二氧化碳管道输送工艺和流动保障技术，制定出既安全合理、又同时满足捕集、输送、注入三方要求的最经济输送方案；自主研发的以“CO2-H2O体系腐蚀控制、基于减压波的管材止裂、管道泄放扩散迁移模拟、实时在线泄露监测预警”等为特色的二氧化碳管道安全综合控制技术，可有效应对管道泄漏、停输工况及启停操作等对管道及设备可能造成的冲击和损伤，把对环境的影响降到了最低。

“如此重要的工程，怎样保证投产一次成功？我们的动态工艺仿真模拟系统发挥了巨大作用，依靠它的虚拟推算和彩排功能，我们对三套投产方案进行了充分预演，最终比选出最佳投产方案。”该工程管输技术团队成员、石油工程设计公司智能油气田室李其锐介绍说。

通过数据驱动机理模型，技术人员练出了一手“能掐会算”的本事，他们首次完成了二氧化碳站线一体化动态工艺仿真模拟，演绎出管道安全停输、投产、全情景泄放等多种典型工况，这种在虚拟现实中的反复演练和试错，对工程建设实践起到了极强的事故预警和风险规避作用，堪称工程建设中的“平安符”。

“‘平安符’只有握在自己手里，才能真平安。”为了从源头和底层解决关键技术问题，技术团队建立了二氧化碳稳态水力热力模型、减压波传播特性模型、非稳态水力热力模型，在机理模型国产化研发方面迈出关键一步，不断打造“双碳”工程高质量建设和数智运维的“国产驱动力”。

基于二维动态工艺仿真系统，技术团队进一步打造了具有自主知识产权的三维数字孪生平台，大到管输系统的整体优化，小到一个阀门的异常工况处理，都可以通过数字孪生平台高效完成，对运维人员快速获取多维信息，高效处理异常，提高智能运维能力实现了质的提升。

“为了最优质地实现‘管’中送碳，我们的管道建设体现出了‘新、高、快、全’的特点，”该工程管输技术团队成员、BEPC项目部副经理范振宁总结说，“新”是指进军绿色低碳新领域、采用“技术创新+工程示范”新模式、实现了管输介质由油气向二氧化碳转变的新突破；“高”是指管道设计压力12兆帕、年输量100万吨、管道距离109公里等参数均达到国内最高水平，应用“五化+标准化工地” 高标准开展工程建设，管道建设质量达到新的高度，一次焊接合格率达99.5%；“快”是指仅用3个月完成施工图设计，克服疫情影响，用时8个月实现高效建设，同时技术服务与现场问题处置做到了快速响应；“全”是指技术团队参与了二氧化碳管输技术的研发、转化和应用的全过程，打通了二氧化碳捕集、输送、注入的全链条，服务范围涵盖了工程建设、投产和运维的全周期。

“管”中送碳，送出的是贯彻落实党的二十大报告中关于“广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转”重要指示的具体实践，送来是石油工程设计公司在大规模、长距离二氧化碳运输关键技术的攻关及技术应用方面“从无到有、从基础研究到工程应用、从十万吨到百万吨”的成功跨越。目前，该公司已形成了包含低成本高效二氧化碳捕集技术、大规模二氧化碳管输技术、二氧化碳驱油封存及地面工程技术、与碳排放权交易与CCER相关的配套保障技术、CCUS全流程标准体系建设等在内的“CCUS全产业链技术”，打造了一支具有超强战斗力的CCUS技术创新团队，为CCUS产业链发展提供了充分的技术策源支撑，有效助推国家“双碳”目标的实现。

本文来源 | 中石化石油工程设计有限公司

本文作者 | 尹倩