超临界CO2管道泄放过程管内减压行为研究进展

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2024-1643

化工进展 ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (11): 6627-6641.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2024-1643

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超临界CO₂管道泄放过程管内减压行为研究进展

张文辉¹^,²^,³(), 邢晓凯¹^,²^,³(), 庞新宇², 巫美静², 张宇², 穆春宇², 谢余萱², 刘然²

^1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249
^2.中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依 834000
^3.新疆多介质管道安全输送重点实验室，新疆乌鲁木齐 830000

收稿日期:2024-10-12 修回日期:2025-01-18 出版日期:2025-11-25 发布日期:2025-12-08
通讯作者: 邢晓凯
作者简介:张文辉（1994—），男，硕士研究生，研究方向为油气管道输送工艺、多相流与地面集输。E-mail：zhangwh@cupk.edu.cn。
基金资助:
新疆天山创新团队项目(2022TSYCTD0002);克拉玛依市创新环境建设（创新人才）项目(2024hjcxrc0057);新疆维吾尔自治区“一事一议”引进战略人才项目(XQZX20240054)

A review on depressurization behavior during the discharge of supercritical CO₂ pipelines

ZHANG Wenhui¹^,²^,³(), XING Xiaokai¹^,²^,³(), PANG Xinyu², WU Meijing², ZHANG Yu², MU Chunyu², XIE Yuxuan², LIU Ran²

^1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
^2.School of Engineering, China University of Petroleum (Beijing) at Karamay, Karamay 834000, Xinjiang, China
^3.Xinjiang Key Laboratory of Multi-Medium Pipeline Safety Transportation, Urumqi 830000, Xinjiang, China

Received:2024-10-12 Revised:2025-01-18 Online:2025-11-25 Published:2025-12-08
Contact: XING Xiaokai

摘要/Abstract

摘要：

超临界CO₂管道泄放时管内介质会发生闪蒸，属于含相变的两相流动行为，这一复杂过程受非平衡相变、流动沸腾传热及临界流动等多因素的影响。在焦耳-汤姆逊效应和相变潜热的作用下，超临界CO₂管道泄放过程中管内可能出现低温问题，会诱发管道脆断或形成冰堵，这是限制CO₂安全泄放的关键问题之一。本文从实验研究、数值模拟和理论分析等角度综述了超临界CO₂管道泄放时管内减压过程的研究进展，系统地梳理了该过程中管内CO₂的相态、温度及压力的变化规律，分析了实验研究和数值模拟中存在的不足之处，归纳了影响建立CO₂减压过程数学模型的关键因素，重点阐述了非平衡相变和流动沸腾传热对该过程的影响，展望了亟待开展的研究内容，包括高频温度传感器应用的必要性、爆破片和阀门泄放的差异性分析、管周向上不同位置泄放的差异性分析、CO₂的非均相成核和流动沸腾传热机理研究、减压波传播特性、超临界CO₂管道泄放二维流动与传热模型以及相关工程应用研究。

关键词: 超临界CO₂管道, 减压, 数值模拟, 非平衡效应, 流动沸腾传热

Abstract:

Upon the discharge of supercritical CO₂ pipelines, the medium within the conduit is prone to flashing, thereby exhibiting two-phase flow behavior characterized by phase transition. This intricate process is influenced by a multitude of factors, including non-equilibrium phase change, flow boiling heat transfer, and critical flow dynamics. Under the combined effects of the Joule-Thomson phenomenon and latent heat of phase transformation, the internal environment of the pipeline during the discharge of supercritical CO₂ may encounter low-temperature anomalies, which in turn could precipitate pipeline brittle fracture or the formation of ice blockages. This constitutes one of the pivotal issues constraining the secure discharge of CO₂. This paper provided a comprehensive review of the advancements in understanding the pressure reduction process within pipelines during the discharge of supercritical CO₂, drawing upon experimental research, numerical simulation, and theoretical analysis. It meticulously elucidated the patterns of variation in the phase state, temperature, and pressure of CO₂ within the pipeline throughout this process. The study also critically examined the limitations inherent in current experimental and numerical approaches, identified the salient factors that impacted the formulation of mathematical models for the CO₂ pressure reduction process, and underscored the significant influence of non-equilibrium phase change and flow boiling heat transfer on this process. Furthermore, the study anticipated several critical areas of future research, such as the imperative for high-frequency temperature sensor applications, a comparative analysis of the discharge characteristics of rupture disks versus valves, an investigation into the discharge disparities at various circumferential positions along the pipeline, an in-depth study of the non-homogeneous nucleation and flow boiling heat transfer mechanisms of CO₂, an exploration of the propagation characteristics of pressure reduction waves, the development of two-dimensional flow and heat transfer models for the discharge of supercritical CO₂ pipelines, and the pursuit of relevant engineering application research.

Key words: supercritical CO₂ pipeline, depressurization, numerical simulation, non-equilibrium effect, flow boiling heat transfer

中图分类号:

TE89

张文辉, 邢晓凯, 庞新宇, 巫美静, 张宇, 穆春宇, 谢余萱, 刘然. 超临界CO₂管道泄放过程管内减压行为研究进展[J]. 化工进展, 2025, 44(11): 6627-6641.

ZHANG Wenhui, XING Xiaokai, PANG Xinyu, WU Meijing, ZHANG Yu, MU Chunyu, XIE Yuxuan, LIU Ran. A review on depressurization behavior during the discharge of supercritical CO₂ pipelines[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2025, 44(11): 6627-6641.

图/表 13

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规范名称	压力范围	温度范围	相态名称	管输工艺
ISO 27913: 2016 Carbon dioxide capture, transportation and geological storage—Pipeline transportation systems	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	密相输送
	—	-56℃<T<31.1℃	液相	密相输送
DNVGL-RP-F104—2021 Design and operation of carbon dioxide pipelines	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	超临界输送
	—	-56℃<T<31.1℃	液相	液相输送
SH/T 3202—2018《二氧化碳输送管道工程设计标准》	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	超临界输送
	p>7.38MPa	-56℃<T<31.1℃	密相	超临界输送
	p<7.38MPa	-56℃<T<31.1℃	液相	液相输送

规范名称	压力范围	温度范围	相态名称	管输工艺
ISO 27913: 2016 Carbon dioxide capture, transportation and geological storage—Pipeline transportation systems	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	密相输送
	—	-56℃<T<31.1℃	液相	密相输送
DNVGL-RP-F104—2021 Design and operation of carbon dioxide pipelines	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	超临界输送
	—	-56℃<T<31.1℃	液相	液相输送
SH/T 3202—2018《二氧化碳输送管道工程设计标准》	p>7.38MPa	T >31.1℃	超临界	超临界输送
	p>7.38MPa	-56℃<T<31.1℃	密相	超临界输送
	p<7.38MPa	-56℃<T<31.1℃	液相	液相输送

文献来源	规格参数	压力传感器参数	温度传感器参数	初始压力/MPa	初始温度/℃	介质类型（质量分数）/%	相态类型	泄放方式及口径	主要研究内容
Drescher等^[22]	ϕ12mm×1mm、长139m泄放管道	5kHz	80Hz	12	20	CO₂-N₂（0~30）	超临界相	阀门，9.5mm	对比了均匀平衡（HEM）模型对泄放过程中温度、压力及干度预测的准确性，探讨了温度被低估的原因
Cosham等^[23]	ϕ168.3mm×10.97mm、长144m泄放管道	快速响应传感器	文献中未见相关描述	3.58~15.29	4.9~35.6	CO₂-N₂、H₂、O₂、SO₂、CH₄（0~11.71）	气相、液相和超临界相	爆破片，146.36mm	探讨了等熵减压模型的可行性，比较了CO₂或富含CO₂的气体与天然气减压行为的异同
Vree等^[24]	长30m、高1.3m、内径5.08cm 螺旋管	50Hz	1Hz	12	20	CO₂	液相	阀门，3mm/6mm/12mm	提出了减压路径可以近似根据等熵过程判断，实验结果表明从管道上侧放空会带来更低的温度
Han等^[25]	长51.96m、内径3.86mm泄放管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	8.5	20	CO₂-N₂（2~8）	液相	阀门，3.86mm	采用量纲为1方法分析了压降过程
Clausen等^[26]	长50km、内径60.96cm，埋置在地下0.9m处，两端各连接 2.5m长和内径20.32cm竖直放空管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	8.1	31	CO₂-N₂、H₂S、H₂O、CH₄（0.86）	超临界相	阀门，203.2mm	提供了一条实际超临界CO₂管道放空的工程数据，验证了OLGA软件分析超临界CO₂管道放空的可行性
顾帅威等^[19-20]	规格ϕ21mm×3mm、长14.85m回路管道	高频压力传感器	快速响应温度传感器	7.5~9	40	CO₂-N₂（2~6）	超临界相	阀门，1mm/2mm/2.76mm/3.57mm	明确了泄放口径和泄放时间的关系；建立了不同泄放口径和初始压力下管内压力随泄漏时间变化的经验公式，明确了N₂杂质对放空时间和管内最低温度的影响
李玉星等^[27]	主管道长22m，内径187mm	1kHz	0.5s	8.9/9	40	CO₂-CH₄/N₂（0~3）	超临界相	爆破片，17mm	明确了初始温度对超临界CO₂管道泄放过程中温度、压力和相态的影响；CH₄和N₂杂质对超临界CO₂放空过程中管内温度、压力及相态的影响
李康等^[28-29]	ϕ40mm×5mm、长23m循环回路管道	文献中未见相关描述	1Hz	9	40	CO₂	超临界相	阀门，1mm/3mm/5mm	提出了利用量纲为1传热参数确定泄放口内部壅塞流强度的方法；通过实验分析了不同相态泄放时管内温度、压力、流速等的变化规律；分析了泄放口径对泄放流动与传热过程的影响
刘锋^[30]	25L储罐外接长2m、内径4mm管道	<0.2s	<1s	6.17~8.81	16.0~41.6	CO₂	气相、液相和超临界相	阀门，0.54mm/0.89mm/1.20mm/1.38mm	明确了液相或密相泄放时管内的相态变化；提出了判断管内出现相变的临界焓值理论；建立了等熵阻塞流泄漏速率模型；建立了可视化实验装置；揭示了泄放过程的流型变化
喻健良等^[31-35]	ϕ273mm×20mm、长258m的工业规模管道	100kHz	100ms	4~9	20~40	CO₂	气相、液相和超临界相	爆破片，15mm/50mm/100mm/233mm	明确了不同初始状态下减压时的相变路径；分析了气泡成核对压力和温度的影响；建立了泄放速率零维预测模型；分析了传热对泄放过程的影响
Botros等^[36-38]	ϕ63.5mm×6mm、长42m实验管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	12~38	6~15	CO₂-H₂、N₂、CO、O₂、CH₄（0.5~10）	密相、超临界相	爆破片，38.1mm	GERG—2008和（Peng-Robinson）（PR）方程均能很好地预测减压过程的平台压力；H₂介质会影响所有状态方程对减压波速预测的准确性；分析了开始气化点对减压平台的影响
Munkejord等^[4,39-40]	ϕ48.3mm×3.75mm、长61.67m实验管道	100kHz	1Hz	12~13	24~26	CO₂-N₂/He（2）	密相	爆破片，50mm	证明了CO₂减压过程存在非平衡气化和液化现象，明确了减压过程中两相流动规律及初始温度对减压波特性和非平衡效应的影响；考虑摩擦换热和两相流流型构建了减压模型；分析了HEM模型预测的准确性
Holt等^[41]、Witlox等^[42]	200m长的管道，管径1321mm	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	98.4~105	2.9~13.7；-10~14	CO₂	液相、密相	爆破片，10~150mm	建立了根据压差和温度估计泄放速度的模型，明确了两相流动沿着气液平衡线进行
Martynov等^[43]	长256m、内径233mm、壁厚29mm	快速响应传感器	文献中未见相关描述	36~86	3~39	CO₂-空气（0/0.2）	超临界相、饱和气液两相	爆破片，50mm	建立了考虑泄放口壅塞流的三相流动预测模型；提出了HEM模型不适用于分层流；分析了干冰的形成对减压过程动力学参数的影响

文献来源	规格参数	压力传感器参数	温度传感器参数	初始压力/MPa	初始温度/℃	介质类型（质量分数）/%	相态类型	泄放方式及口径	主要研究内容
Drescher等^[22]	ϕ12mm×1mm、长139m泄放管道	5kHz	80Hz	12	20	CO₂-N₂（0~30）	超临界相	阀门，9.5mm	对比了均匀平衡（HEM）模型对泄放过程中温度、压力及干度预测的准确性，探讨了温度被低估的原因
Cosham等^[23]	ϕ168.3mm×10.97mm、长144m泄放管道	快速响应传感器	文献中未见相关描述	3.58~15.29	4.9~35.6	CO₂-N₂、H₂、O₂、SO₂、CH₄（0~11.71）	气相、液相和超临界相	爆破片，146.36mm	探讨了等熵减压模型的可行性，比较了CO₂或富含CO₂的气体与天然气减压行为的异同
Vree等^[24]	长30m、高1.3m、内径5.08cm 螺旋管	50Hz	1Hz	12	20	CO₂	液相	阀门，3mm/6mm/12mm	提出了减压路径可以近似根据等熵过程判断，实验结果表明从管道上侧放空会带来更低的温度
Han等^[25]	长51.96m、内径3.86mm泄放管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	8.5	20	CO₂-N₂（2~8）	液相	阀门，3.86mm	采用量纲为1方法分析了压降过程
Clausen等^[26]	长50km、内径60.96cm，埋置在地下0.9m处，两端各连接 2.5m长和内径20.32cm竖直放空管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	8.1	31	CO₂-N₂、H₂S、H₂O、CH₄（0.86）	超临界相	阀门，203.2mm	提供了一条实际超临界CO₂管道放空的工程数据，验证了OLGA软件分析超临界CO₂管道放空的可行性
顾帅威等^[19-20]	规格ϕ21mm×3mm、长14.85m回路管道	高频压力传感器	快速响应温度传感器	7.5~9	40	CO₂-N₂（2~6）	超临界相	阀门，1mm/2mm/2.76mm/3.57mm	明确了泄放口径和泄放时间的关系；建立了不同泄放口径和初始压力下管内压力随泄漏时间变化的经验公式，明确了N₂杂质对放空时间和管内最低温度的影响
李玉星等^[27]	主管道长22m，内径187mm	1kHz	0.5s	8.9/9	40	CO₂-CH₄/N₂（0~3）	超临界相	爆破片，17mm	明确了初始温度对超临界CO₂管道泄放过程中温度、压力和相态的影响；CH₄和N₂杂质对超临界CO₂放空过程中管内温度、压力及相态的影响
李康等^[28-29]	ϕ40mm×5mm、长23m循环回路管道	文献中未见相关描述	1Hz	9	40	CO₂	超临界相	阀门，1mm/3mm/5mm	提出了利用量纲为1传热参数确定泄放口内部壅塞流强度的方法；通过实验分析了不同相态泄放时管内温度、压力、流速等的变化规律；分析了泄放口径对泄放流动与传热过程的影响
刘锋^[30]	25L储罐外接长2m、内径4mm管道	<0.2s	<1s	6.17~8.81	16.0~41.6	CO₂	气相、液相和超临界相	阀门，0.54mm/0.89mm/1.20mm/1.38mm	明确了液相或密相泄放时管内的相态变化；提出了判断管内出现相变的临界焓值理论；建立了等熵阻塞流泄漏速率模型；建立了可视化实验装置；揭示了泄放过程的流型变化
喻健良等^[31-35]	ϕ273mm×20mm、长258m的工业规模管道	100kHz	100ms	4~9	20~40	CO₂	气相、液相和超临界相	爆破片，15mm/50mm/100mm/233mm	明确了不同初始状态下减压时的相变路径；分析了气泡成核对压力和温度的影响；建立了泄放速率零维预测模型；分析了传热对泄放过程的影响
Botros等^[36-38]	ϕ63.5mm×6mm、长42m实验管道	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	12~38	6~15	CO₂-H₂、N₂、CO、O₂、CH₄（0.5~10）	密相、超临界相	爆破片，38.1mm	GERG—2008和（Peng-Robinson）（PR）方程均能很好地预测减压过程的平台压力；H₂介质会影响所有状态方程对减压波速预测的准确性；分析了开始气化点对减压平台的影响
Munkejord等^[4,39-40]	ϕ48.3mm×3.75mm、长61.67m实验管道	100kHz	1Hz	12~13	24~26	CO₂-N₂/He（2）	密相	爆破片，50mm	证明了CO₂减压过程存在非平衡气化和液化现象，明确了减压过程中两相流动规律及初始温度对减压波特性和非平衡效应的影响；考虑摩擦换热和两相流流型构建了减压模型；分析了HEM模型预测的准确性
Holt等^[41]、Witlox等^[42]	200m长的管道，管径1321mm	文献中未见相关描述	文献中未见相关描述	98.4~105	2.9~13.7；-10~14	CO₂	液相、密相	爆破片，10~150mm	建立了根据压差和温度估计泄放速度的模型，明确了两相流动沿着气液平衡线进行
Martynov等^[43]	长256m、内径233mm、壁厚29mm	快速响应传感器	文献中未见相关描述	36~86	3~39	CO₂-空气（0/0.2）	超临界相、饱和气液两相	爆破片，50mm	建立了考虑泄放口壅塞流的三相流动预测模型；提出了HEM模型不适用于分层流；分析了干冰的形成对减压过程动力学参数的影响

参数	数值
干线管段1长度/km	30
干线管段1内径/mm	257
泄放点位置/km	29.5
总传热系数/W·m^-2·℃^-1	2.5
放空阀1通径/mm	134
干线截断阀1处温度/℃，压力/MPa	40，10
干线截止阀2处压力/MPa	9.5

超临界CO₂管道泄放过程管内减压行为研究进展

A review on depressurization behavior during the discharge of supercritical CO₂ pipelines

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模型名称	控制方程	典型研究	非平衡效应的表征	主要研究内容
HEM	混合相连续方程、混合相动量方程、混合相能量方程	Lund等^[45]	气液两相处于机械和热力平衡状态	讨论了不同平衡假设对声速的影响，对比了数值方法对模拟结果准确性的影响，分析了声速不连续对减压过程的影响
		Munkejord等^[40]		明确了HEM模型计算单相和两相声速的准确度，明确了HEM模型对减压平台预测的准确度，明确了HEM模型对温度压力预测结果的准确度
		Log等^[11]		结合HEM模型和实验数据分析了非平衡气化现象，利用气泡成核理论计算过了气化过热极限值，分析了初始温度对均相成核和非均相成核的影响
HRM	混合相连续方程、混合相动量方程、混合相能量方程	Brown等^[49]	机械平衡，热力不平衡，利用松弛因子和相间驱动力来修正相间传质速率，松弛因子为常数	探讨了松弛时间对减压过程中的压力、气相体积分数、密度及速度的影响规律；利用实验数据对比分析了HEM和HRM模型的准确性
HRM	混合相连续方程、混合相动量方程、混合相能量方程	Log等^[11]	机械平衡，热力不平衡，利用松弛因子和相间驱动力来修正相间传质速率，松弛因子与初始状态和流体三相点和临界点参数有关	改进了HRM模型，建立了不同初始工况下的松弛时间关系式，分析了不同初始温度对松弛时间的影响
HFM	混合相连续方程、混合相动量方程、混合相能量方程	Log等^[9]	机械平衡，热力不平衡，引入气泡数密度输运方程和界面密度输运方程，考虑气泡成核、聚并、破碎及生长过程建立相间质量通量	利用经典成核理论建立了均相成核模型，考虑均相成核和非均相成核建立了HFM模型，分析了温度对闪蒸过程的影响，分析了均相成核和非均相成核对模拟结果的影响
DEM	混合相连续方程、混合相动量方程、混合相能量方程	De Lorenzo等^[47]	机械平衡，热力不平衡，引入亚稳相，假设其与饱和相压力相同，但具有更高的温度，状态参数由气相、液相和亚稳相混合计算	分析了DEM、Moody、Henry-Fauske以及HEM模型对不同尺寸孔口及喷嘴的临界流动流量和临界压力的预测准确度
TFM	气液相连续方程、气液相动量方程、气液相能量方程	Brown等^[43,50]	气液两相处于机械和热力均不平衡的状态，在相间传质速率和相间作用力项中采用不同的方法考虑非平衡效应	分析了松弛因子、相间滑移系数及流体与管道间的传热对模拟结果准确性的影响
		Munkejord等^[39]		对比了GERG—2008和PR两个状态方程对密度、声速以及相包络线等参数计算的准确性；对比了HEM和TFM模型计算结果，分析了不同传热模型对模拟准确度的影响

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[2]	张鸿武, 胡其会, 赵雪峰, 李玉星, 孟岚, 张利军, 朱建鲁, 王武昌. 陆上CO₂管道泄漏风险研究进展[J]. 化工进展, 2025, 44(S1): 462-477.
[3]	谷嘉进, 陈彩霞, 夏梓洪. 气液鼓泡塔内多气泡上升运动的直接数值模拟[J]. 化工进展, 2025, 44(S1): 51-57.
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