ISO/TR 27925:2023 — 二氧化碳捕集、运输和地质封存 — CO₂运输与注入的流动保障

一、CO₂系统流动保障概述

流动保障是确保流体在所有预期操作条件下从一个点可靠地输送到另一个点的学科。对于CCS应用中的CO₂运输和注入系统，流动保障面临着区别于常规油气流动保障的独特挑战。CO₂的热力学性质——特别是其在31°C和7.38 MPa的临界点及其复杂的相变行为——引入了碳氢化合物系统中不存在的流动保障风险。ISO/TR 27925:2023全面应对了这些挑战。

该技术报告由ISO/TC 265制定，涵盖了从捕集设施出口通过运输管道到注入井口的整个CO₂流动链。它涉及相态预测、水合物生成与抑制、固体输运与沉积、瞬态流动管理以及操作风险评估。标准提供了适用于陆上和海上气态、液态和密相CO₂运输系统的指导。

与天然气管道不同，CO₂管道在接近热力学临界点的条件下运行，温度和压力的微小变化即可引起流体性质的剧烈变化。这一独特特性使得流动保障分析对于安全高效的CO₂运输至关重要。

二、CO₂相变行为与流体性质

2.1 相包络线表征

标准强调，准确表征CO₂流的相包络线是所有流动保障分析的基础。CO₂流中存在的杂质（N₂、O₂、H₂、CH₄、H₂S、Ar、H₂O）与纯CO₂相比会显著改变相包络线。即使是某些杂质的低浓度也可能导致相包络线急剧变宽，在纯CO₂保持单相的区域产生两相流条件。标准要求相包络线计算使用经验证的适用于含杂质富CO₂混合物的状态方程，如GERG-2008状态方程或针对纯CO₂的Span-Wagner模型。

杂质	典型浓度	对相包络线的影响
氮气（N₂）	0.1 – 3.0%	收窄相包络线，提高饱和压力
氧气（O₂）	0.01 – 0.5%	与N₂类似，对相行为影响较小
氢气（H₂）	0.01 – 2.0%	显著加宽相包络线，升高临界冷凝压力
甲烷（CH₄）	0.1 – 2.0%	略微提高饱和压力
硫化氢（H₂S）	0.001 – 0.5%	提高临界温度，加宽包络线
水（H₂O）	饱和水平	可能形成游离水相，产生腐蚀风险

2.2 密相运输

大多数CO₂管道在密相条件下运行（压力高于7.38 MPa，温度低于31°C但高于饱和温度），以避免两相流并最大化运输效率。标准提供了设计密相运行管道的详细指导，包括需要在管道所有点保持压力高于饱和压力，考虑高程变化、摩擦压降和与环境的传热。一个关键的设计考虑是密相CO₂的高密度（600-900 kg/m³）在起伏地形中会产生显著的水静压力梯度，必须仔细建模。

正常运行期间必须避免CO₂管道中的两相流。气相和液相的同时存在会导致流型转变（段塞流、分层流）、压力波动、运输效率降低以及水积聚和腐蚀风险增加。标准提供了关于高于饱和压力的最小操作压力裕量的指导。

三、水合物生成与预防

3.1 CO₂水合物特性

CO₂水合物（CO₂分子被捕获在水晶格中的笼形化合物）可以在远高于水冰点的温度下形成，具体取决于压力条件。在5 MPa下，CO₂水合物可在高达10°C的温度下形成——这是管道操作中常见的条件。水合物形成可导致管道部分或完全堵塞、阀门故障和仪表故障。标准提供了水合物预测方法的全面指导，包括热力学模型和行业关联式。

3.2 水合物预防策略

ISO/TR 27925审阅了适用于CO₂系统的多种水合物预防策略。CO₂流脱水是最有效的方法——如果水露点保持在最低操作温度以下，水合物就无法形成。标准规定了典型的水含量目标（密相系统低于50 ppmv）。使用热力学抑制剂（甲醇、MEG）或低剂量水合物抑制剂（LDHIs）的化学抑制提供了额外保护，特别是在启动或关停等瞬态操作期间。标准强调抑制剂选择必须考虑抑制剂在密相CO₂中的独特溶解行为。

预防方法	有效性	运行成本	最佳应用
脱水（甘醇或分子筛）	高（如达到水露点目标）	中	连续运行
甲醇注入	高（足够浓度下）	中高	瞬态操作、寒冷地区
MEG（单乙二醇）注入	高	中	海上、大型系统
低剂量水合物抑制剂（LDHIs）	中高	低中	连续低剂量保护
加热/保温	中	高（能源成本）	短管道、海底管线

四、瞬态流动与操作风险管理

4.1 瞬态流动场景

标准讨论了对CO₂系统构成特定风险的瞬态流动条件。管道泄压是最关键的瞬态——压力快速下降通过焦耳-汤姆逊效应导致温度降低，可能达到足以使管道钢材脆化或引起干冰（固体CO₂）形成的低温。标准提供了受控泄压速率、放空系统加热要求和瞬态建模方法的指导。其他瞬态场景包括管道启动（升温和升压）、关停（降温和降压）以及不同CO₂质量流的批量注入。

4.2 风险评估方法

ISO/TR 27925推荐了考虑CO₂运输独特危害的系统性风险评估方法。关键风险场景包括管道破裂伴随快速CO₂释放（密相CO₂在转变为气体时猛烈膨胀）、在低洼地区积聚（CO₂气体密度大于空气）以及脆性断裂扩展。标准引用了适用于CO₂特定危害的方法，如HAZOP、蝴蝶结分析和定量风险评估（QRA）。

从工程设计角度看，ISO/TR 27925最有价值之处在于其综合性的CO₂流动保障方法。标准没有将流动保障视为一门独立学科，而是将其与管道机械设计、材料选择和操作规划相结合。这确保流动保障风险在从前期设计到运行的项目全生命周期中得到识别和处理。

五、固体输运与沉积

标准讨论了CO₂流中固体颗粒的输运和沉积问题，包括腐蚀产物、垢颗粒和脱水装置的干燥剂粉末。固体颗粒可能在低点积聚、在弯头和阀门处侵蚀管道组件，并干扰仪表和控制阀。标准提供了侵蚀速度限值、颗粒尺寸公差和过滤要求的指导。对于固体含量显著的系统，标准建议定期清管或清洗操作以保持管道完整性和流动效率。

六、常见问题解答

问1：维持单相CO₂流动所需的最小管道压力是多少？
答：最小压力取决于CO₂流组成和温度。对于典型操作温度（10-30°C）下的纯CO₂，维持密相条件的最小压力约为5-7 MPa。杂质的存在可能显著改变这一要求——标准建议对特定CO₂组成使用经验证的状态方程。

问2：ISO/TR 27925如何处理干冰形成风险？
答：标准通过指导受控泄压速率、放空系统预热和瞬态热建模来解决干冰形成问题。建议在所有计划操作期间保持温度高于CO₂三相点（-56.6°C）。

问3：从流动保障角度看，现有天然气管道能否改造用于CO₂输送？
答：可以，但改造需要详细的流动保障分析。关键考虑因素包括：不同的压力-温度操作包络线、更高密度影响水静压力梯度、不同的水合物形成条件以及避免两相流的需求。现有管道高程剖面必须针对CO₂工况重新分析。

问4：密相CO₂的推荐水含量规格是多少？
答：标准引用了密相CO₂的典型规格为水含量低于50 ppmv，以防止水合物形成和腐蚀。但确切限值应根据最低操作温度和其他杂质的存在情况确定。