摘" " 要：為研究埋地二氧化碳管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的分布規(guī)律，基于齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道，建立管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)數(shù)值模型，采用Fluent軟件對(duì)二氧化碳三種輸送相態(tài)（低壓液相、高壓液相、超臨界）下的典型工況土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。在低壓液相輸送的基礎(chǔ)上分析管道周?chē)寥纼鼋Y(jié)范圍的季節(jié)變化規(guī)律及不同埋深、不同運(yùn)行溫度對(duì)管道周?chē)寥纼鼋Y(jié)范圍的影響，研究結(jié)果表明：隨著埋深增大，管道周?chē)嗄陜鐾练秶龃螅竟?jié)性凍土范圍受影響較?。欢S著起點(diǎn)溫度的升高，管道周?chē)嗄陜鐾梁图竟?jié)性凍土范圍都減小，當(dāng)溫度升高至0 ℃時(shí)將不再形成凍土。在高壓液相輸送和超臨界輸送的基礎(chǔ)上，以小麥為例分析管道運(yùn)行溫度變化對(duì)地表植被的影響，研究結(jié)果表明：為使土壤溫度能滿足沿線農(nóng)作物生長(zhǎng)需求，二氧化碳高壓液相輸送時(shí)，其管輸介質(zhì)溫度不宜低于5 ℃，超臨界輸送時(shí)不宜高于50 ℃。

關(guān)鍵詞：二氧化碳管道；土壤溫度場(chǎng)；CCUS；數(shù)值模擬

Soil temperature field around buried carbon dioxide pipelines under different transport phases

ZHANG Xiangwei YAN Feng FAN Zhenning OUYANG Xin LIANG Haining HU Qihui

1. Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Dongying 257000， China

2. PipeChina Research Institute of Science and Technology， Tianjin 300000， China

3. China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266000， China

Abstract：In order to study the distribution law of the soil temperature field around the buried carbon dioxide pipeline， a numerical model of the soil temperature field around the pipeline was established based on the carbon dioxide transportation pipeline of million-ton carbon capture， utilization and storage （CCUS） demonstration project of Qilu Petrochemical Company-Shengli Oilfield.The soil temperature field in typical conditions under three transport phases of carbon dioxide （low-pressure liquid phase， high-pressure liquid phase， and supercritical phase） was calculated by Fluent software. On the basis of low-pressure liquid phase transportation， the seasonal variation of the soil freezing range around the pipeline and the influence of different buried depths and different operating temperatures on the soil freezing range around the pipeline were analyzed. The results show that with the increase in buried depth， the range of permafrost around the pipeline increases， and the range of seasonal frozen soil is less affected.With the increase in the starting temperature， the range of permafrost and seasonal frozen soil around the pipeline decreases， and frozen soil will no longer form when the temperature rises to 0 ℃. On the basis of high-pressure liquid phase transportation and supercritical transportation， the influence of the operating temperature of the pipeline on surface vegetation is analyzed， with wheat as an example. The results show that to make the soil temperature meet the growth requirements of crops along the pipeline， the medium temperature should not be lower than 5 ℃ during high-pressure liquid phase transportation of carbon dioxide and should not be higher than 50 ℃ during supercritical transportation.

Keywords：carbon dioxide pipeline; soil temperature field; CCUS; numerical simulation

在全球積極應(yīng)對(duì)氣候變化和國(guó)內(nèi)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的導(dǎo)向下，二氧化碳捕集、輸送與封存利用（Carbon Capture， Utilizationand Storage，以下簡(jiǎn)稱“CCUS”）被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全球溫控目標(biāo)和我國(guó)碳中和愿景不可或缺的關(guān)鍵途徑。二氧化碳管輸作為連接CCUS上游捕集和下游封存的最高效方式，是CCUS技術(shù)的重要組成部分。國(guó)外二氧化碳管道建設(shè)起步較早，在役長(zhǎng)度超過(guò)8 000 km，主要分布于美國(guó)、加拿大等地，輸送相態(tài)以液相和超臨界相為主。國(guó)內(nèi)已建二氧化碳管道以小規(guī)模、短距離氣相輸送為主，近年來(lái)逐漸向輸送能力百萬(wàn)噸、輸送長(zhǎng)度百公里級(jí)別發(fā)展，如齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道工程、勝利電廠200 × 104 t/a二氧化碳輸送管道工程等。受限于國(guó)內(nèi)二氧化碳管輸技術(shù)成熟度和碳源碳匯的空間分布格局[1]，我國(guó)現(xiàn)階段規(guī)劃或在建二氧化碳管道項(xiàng)目多位于東部排放源密集區(qū)域，輸往百公里范圍的油田進(jìn)行驅(qū)油利用和地質(zhì)封存，管道沿線生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，地表植被豐富。二氧化碳液相輸送時(shí)，為避免發(fā)生相變，管輸溫度有時(shí)需要保持在0 ℃以下，可能會(huì)導(dǎo)致土壤凍結(jié)，不利于環(huán)境保護(hù)與管道安全運(yùn)行；超臨界輸送時(shí)，管輸溫度可能高達(dá)40～50 ℃，高溫同樣會(huì)引起沿線農(nóng)作物減產(chǎn)。在此背景下，二氧化碳管道輸送方案的確定勢(shì)必要考慮管道運(yùn)行對(duì)周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的影響。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于埋地管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)已經(jīng)開(kāi)展了一系列研究[2-6]，但是大多針對(duì)熱油管道與周?chē)寥罁Q熱[7-9]，或以多年凍土區(qū)長(zhǎng)輸管道周邊土壤的凍脹問(wèn)題為研究對(duì)象[10-11]。二氧化碳液相或超臨界輸送時(shí)的密度和原油、成品油介質(zhì)的密度相近，但其黏度更接近氣體[12]，除了提高二氧化碳管輸效率、降低沿程摩阻外，也使二氧化碳與周?chē)h(huán)境的換熱效率有別于傳統(tǒng)油氣管道[13-14]。目前缺乏與二氧化碳輸送管道工程實(shí)際情況相近的埋地管道土壤熱力系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究成果，無(wú)法為示范工程的開(kāi)展提供技術(shù)支持及決策參考。

本文依托于齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，建立埋地二氧化碳管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的數(shù)值模型。充分結(jié)合二氧化碳介質(zhì)特點(diǎn)，將不同相態(tài)二氧化碳輸送方案考慮在內(nèi)，從凍土形成與沿線植被生長(zhǎng)角度，分析管道埋深、輸送溫度等參數(shù)變化對(duì)管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的影響，以期為二氧化碳管道工程建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。本文的研究成果已在齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道工程上得到了應(yīng)用，對(duì)于其他二氧化碳管道輸送工程有一定的借鑒意義。

1" " 數(shù)值模型建立

1.1" " 物理模型

齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道位于山東省淄博市境內(nèi)。管道基礎(chǔ)參數(shù)如下：外徑D=323.9 mm，壁厚δ=12.5 mm，管頂浮土厚度h=1.5 m。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立埋地管道土壤溫度場(chǎng)計(jì)算的物理模型，如圖1所示。通常將埋地管道水平軸線方向10 m外的土壤換熱情況視為絕熱[15]，考慮到管道土壤物理模型的對(duì)稱性，故使用半模型（沿著管道中心線豎直面剖開(kāi)）[16]。

1.2" " 理論模型

管道周?chē)寥纼鐾料嘧?、土壤?nèi)水分遷移、土壤變形等因素均會(huì)對(duì)埋地二氧化碳管道周邊土壤傳熱造成影響。為便于將土壤溫度場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為易于求解的數(shù)學(xué)模型，本文在確保求解結(jié)果精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下假設(shè)：

1）假設(shè)溫度場(chǎng)計(jì)算模型中土壤為不可壓縮介質(zhì)；

2）忽略管道與土壤間的接觸熱阻；

3）假設(shè)溫度場(chǎng)計(jì)算模型中土壤為各向同性介質(zhì)；

4）假設(shè)土壤邊界沒(méi)有水分補(bǔ)給及排泄現(xiàn)象，不考慮水分的遷移。

建立模型時(shí)，還需要確定土壤恒溫層深度和溫度，前人已有大量研究表明[18]，當(dāng)土壤深度超過(guò)10 m后其溫度場(chǎng)受季節(jié)變化的影響已非常小。因此設(shè)定土壤恒溫層深度H=10 m，溫度T=15 ℃[19]。

1.3" " 邊界條件

邊界條件主要結(jié)合圖1給出的二氧化碳管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)物理模型進(jìn)行說(shuō)明，從上到下、從左至右依次為上、下、前、后和管壁邊界條件。

1.3.1" " 上邊界條件

上邊界條件主要為二氧化碳管道地表與大氣的對(duì)流傳熱問(wèn)題，地表溫度隨大氣溫度的變化在管道全年運(yùn)行過(guò)程中不斷變化，將上邊界設(shè)定為第三類邊界條件：

1.3.2" " 下邊界條件

已有大量研究表明大氣溫度對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響深度有限，可將地表以下一定深度的土壤溫度看做恒定值[18]，因此將下邊界歸類為第一類邊界條件：

1.3.3" " 前邊界條件

因?yàn)閷?duì)稱性，管道及土壤中心線豎直面的熱流密度均為0，設(shè)定為第二類邊界條件：

1.3.4" " 后邊界條件

由于土壤溫度場(chǎng)模型中的側(cè)邊邊界距管道中心線的距離大于管道周?chē)寥罒崃τ绊憛^(qū)的距離，因此將其設(shè)定為絕熱邊界，即第二類邊界條件：

1.3.5" " 管道內(nèi)壁邊界條件

管道內(nèi)壁邊界條件是管壁與二氧化碳流體之間的對(duì)流換熱問(wèn)題，受管輸二氧化碳相態(tài)、溫度、壓力、流量等諸多因素影響，為第三類邊界條件：

1.4" " 模型求解

在確定物理模型、理論模型和邊界條件后，需要通過(guò)數(shù)值求解法模擬管道土壤傳熱情況。本文利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。Fluent軟件采用的是有限體積法，其基本原理是：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)互不重復(fù)的控制體；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積分，從而得到一組離散方程，通過(guò)假定因變量在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律求解控制體積分。該軟件對(duì)于導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、相變傳熱問(wèn)題都能通過(guò)合理的設(shè)置完成求解。

在ICEM-CFD軟件中完成建模及網(wǎng)格劃分，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)75 500個(gè)，模型及網(wǎng)格質(zhì)量如圖 2所示。網(wǎng)格質(zhì)量為1（網(wǎng)格質(zhì)量最差用0表示，最優(yōu)用1表示），隨后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算。

1.5" " 模型驗(yàn)證

因缺少實(shí)際運(yùn)行的二氧化碳管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)依據(jù)文獻(xiàn)[20]中數(shù)據(jù)，采取上述方法進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)比1月、4月、7月和9月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，二者誤差在±1.5 ℃以內(nèi)，證明模型具有一定的可靠性。

2" " 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1" " 典型工況參數(shù)設(shè)置

典型工況各參數(shù)設(shè)定情況如下。

2.1.1" " 二氧化碳管輸參數(shù)

純二氧化碳臨界壓力為7.38 MPa，臨界溫度為31.4 ℃，三相點(diǎn)壓力為0.52 MPa，溫度-56 ℃，其相態(tài)可分為超臨界相、高壓液相、低壓液相、氣相、固相5個(gè)區(qū)域，如圖 3所示。

管輸二氧化碳可以是氣相、液相、超臨界相，但為防止二氧化碳性質(zhì)發(fā)生階躍式突變，管輸過(guò)程應(yīng)避免相變，且控制壓力不處于臨界壓力1.1倍區(qū)域內(nèi)[21]。前人研究[22-24]普遍認(rèn)為管輸液相和超臨界相二氧化碳更為經(jīng)濟(jì)，盡管也有學(xué)者認(rèn)為輸送氣相的二氧化碳在較低質(zhì)量流量和短距離管道中具有成本效益[25]，基于本文研究背景，主要針對(duì)三種典型工況展開(kāi)研究。

典型工況1：低壓液相輸送，管輸二氧化碳溫度T1=-20 ℃，壓力P1=6.0 MPa。

典型工況2：高壓液相輸送，管輸二氧化碳溫度T2=0 ℃，壓力P2=10.0 MPa。

典型工況3：超臨界輸送，管輸二氧化碳溫度T3=40 ℃，壓力P3=10.0 MPa。

上述三種典型工況下的二氧化碳輸量均按100 ×104 t/a考慮。

2.1.2" " 大氣溫度

大氣溫度的變化可能會(huì)影響管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)分布情況，因此考慮大氣溫度的周期性變化。在中國(guó)氣象網(wǎng)上獲取管道所處區(qū)域內(nèi)全年的大氣溫度數(shù)據(jù)，取每個(gè)月的平均溫度作為當(dāng)月的溫度值，獲得的月平均氣溫見(jiàn)表1。

2.1.3" " 土壤參數(shù)

土壤參數(shù)的確定需結(jié)合管道沿線的地質(zhì)資料，具體設(shè)置如下：密度ρ = 1 480 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λs =1.65 W/（m·℃），比熱容CP = 1 070 J/（kg·℃）。

2.1.4" " 土壤和大氣對(duì)流傳熱系數(shù)αs

2.1.5" " 管道參數(shù)

管道相關(guān)參數(shù)選擇如下：管材密度ρ = 7 900 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λs = 76.6 W/（m·℃），比熱容CP = 450 J/（kg·℃）。

2.1.6" " 土壤溫度初場(chǎng)

在實(shí)際運(yùn)行中，土壤溫度場(chǎng)不是穩(wěn)態(tài)的，而是隨著季節(jié)溫度的變化而不斷變化的。為使計(jì)算結(jié)果盡量與實(shí)際接近，在考慮二氧化碳管道運(yùn)行的影響之前，利用Fluent軟件進(jìn)行10年的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，其中非穩(wěn)態(tài)步長(zhǎng)設(shè)定為86 400 s（1 d），以30 d為節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤溫度場(chǎng)的變化，直到相同年份相同位置的土壤溫度不再發(fā)生變化，此時(shí)的溫度場(chǎng)作為計(jì)算時(shí)的土壤溫度初場(chǎng)[26]，如圖 4所示。

2.2" " 典型工況計(jì)算結(jié)果

2.2.1" " 工況1：低壓液相輸送

二氧化碳低壓液相輸送工況下不同月份管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)分布如圖 5所示。根據(jù)管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)云圖可知，土壤溫度場(chǎng)整體表現(xiàn)為靠近管壁和地表處等溫線比較密集；除了1月份，其余月份地表溫度基本都在0 ℃以上，且1～12月份管道周?chē)紩?huì)形成低于0 ℃區(qū)域，其半徑在1～3 m不等?？傮w可見(jiàn)，此工況下二氧化碳管道運(yùn)行會(huì)對(duì)周?chē)寥罍囟葓?chǎng)產(chǎn)生較大影響。

圖 6給出了不同月份管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的凍結(jié)范圍。由圖 6可知，在大氣溫度和管道輸送介質(zhì)溫度的共同作用下，1月份管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)的凍結(jié)面積最大；管道下方縱向最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在4月份，此時(shí)大氣平均溫度大于0 ℃，說(shuō)明管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)主要受管道內(nèi)低溫流體影響；之后管道周?chē)竟?jié)性凍土開(kāi)始不斷融化，6、7、8月份管道周?chē)鷥鐾练秶静辉侔l(fā)生變化。模擬結(jié)果表明，該基礎(chǔ)工況下管道周?chē)寥罆?huì)形成半徑1 m左右的多年凍土，而季節(jié)性凍土范圍為2～4 m，在最嚴(yán)重的1、2月份，土壤發(fā)生嚴(yán)重凍結(jié)現(xiàn)象且凍結(jié)區(qū)域已連成片。

管道周?chē)鷥鐾恋拇嬖谝环矫嬖斐蓛雒?、融沉進(jìn)而破壞管道結(jié)構(gòu)，另一方面也會(huì)對(duì)管道沿線地表植被生長(zhǎng)情況造成損害。因此有必要進(jìn)一步研究管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的影響因素，總結(jié)其變化規(guī)律，為選取控制措施提供依據(jù)。

2.2.2" " 工況2：高壓液相輸送

二氧化碳高壓液相輸送工況下不同月份管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)分布如圖 7所示。計(jì)算結(jié)果表明高壓液相輸送時(shí)，管道運(yùn)行對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響相對(duì)較小，不會(huì)形成凍土，但是管道周?chē)寥罍囟热缘陀诠艿肋\(yùn)行前溫度，因此對(duì)于地表植被的影響還需進(jìn)一步分析。

2.2.3" " 工況3：超臨界輸送

二氧化碳超臨界輸送工況下不同月份管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)分布如圖 8所示。二氧化碳超臨界輸送時(shí)，管道影響范圍內(nèi)土壤溫度顯著升高，管道運(yùn)行對(duì)地表植被的影響還需進(jìn)一步分析。

3" " 計(jì)算結(jié)果分析

3.1" " 土壤凍結(jié)范圍影響因素分析

對(duì)土壤凍結(jié)范圍的分析主要是針對(duì)典型工況1展開(kāi)的，管道周?chē)鷥鐾令愋涂煞譃榧竟?jié)性凍土和多年凍土。季節(jié)性凍土受季節(jié)低溫影響，在冬季凍結(jié)并在夏季全部融化；而多年凍土為常年保持低溫冰凍狀態(tài)的土壤，形成多年凍土的年平均溫度為-2.5～-0.1 ℃，最低可達(dá)-5～-4 ℃[27]。

3.1.1" " 管道埋深的影響

分別建立覆土層厚度1.0、1.5、2.0、2.5 m的二氧化碳管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)計(jì)算模型并求解，如圖 9所示。

取1、8月份土壤溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，分析管道埋深對(duì)土壤長(zhǎng)年凍土和季節(jié)性凍土的影響情況。計(jì)算結(jié)果如圖 10、圖 11所示，其中藍(lán)色區(qū)域代表凍土生成范圍。計(jì)算結(jié)果顯示，增加管道埋深對(duì)緩解土壤凍結(jié)沒(méi)有幫助，隨著管道埋深的增加，季節(jié)性凍土半徑變化較小，在大氣溫度的共同作用下依然會(huì)出現(xiàn)大面積凍結(jié)現(xiàn)象；并且隨著管道埋深的增加，管道周?chē)嗄陜鐾涟霃揭苍龃?。其原因可能是埋深增加使大氣溫度?duì)管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)的影響程度減弱，導(dǎo)致部分凍土無(wú)法在夏季融化。

3.1.2" " 輸送溫度的影響

調(diào)整二氧化碳輸送溫度為-20、-15、-10、-5、0 ℃，并對(duì)管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖 12、圖 13所示。從圖中可知，輸送溫度變化對(duì)管道周?chē)寥纼鼋Y(jié)范圍有較大影響，季節(jié)性凍土和多年凍土半徑均顯著減小。當(dāng)輸送溫度大于-10 ℃時(shí)，管道周?chē)纬傻亩嗄陜鐾涟霃叫∮?.5 m；但是在冬季仍會(huì)形成較大范圍的季節(jié)性凍土；當(dāng)輸送溫度增加到0 ℃時(shí)，管道周?chē)寥酪巡粫?huì)形成凍土，此時(shí)土壤溫度場(chǎng)主要受大氣溫度的影響。

3.2" " 輸送溫度對(duì)地表植被的影響

齊魯石化-勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范項(xiàng)目二氧化碳輸送管道所處地區(qū)主要以旱地（主要為小麥）為主，故本文以小麥為例，分析管道運(yùn)行對(duì)地表植被的影響。小麥的根系主要分布在地表下方0.5 m的區(qū)域，已有研究表明冬小麥根區(qū)溫度2～4 ℃，根系有微弱的生長(zhǎng)，10 ℃以上根系生長(zhǎng)比較活躍，12～16 ℃生長(zhǎng)最好，超過(guò)30～35 ℃根系生長(zhǎng)受到阻礙[28]。故本文設(shè)定土壤溫度最小容許值為2 ℃，最大容許值為30 ℃。分別改變典型工況2、3下的輸送溫度，分析地表以下0.5 m處土壤溫度值。

3.2.1" " 高壓液相輸送

調(diào)整二氧化碳輸送溫度為0、5、10 ℃并進(jìn)行數(shù)值模擬，每隔30 d監(jiān)測(cè)管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度，得到該處全年土壤溫度變化如圖 14所示。輸送溫度為0 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為1～18 ℃，其中1月份最低溫度低于2 ℃，全年有6個(gè)月份溫度低于10 ℃，分別是1～4月、11～12月；輸送溫度為5 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為2～18 ℃，位于小麥生長(zhǎng)容許溫度區(qū)間內(nèi)，其中1～4月和12月溫度低于10 ℃；輸送溫度為10 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為4～18 ℃，其中1～4月和12月溫度低于10 ℃，總體溫度有所升高。由此可見(jiàn)，為使管道運(yùn)行不對(duì)地表植被造成太大影響，二氧化碳高壓液相輸送時(shí)，其管輸介質(zhì)溫度不宜低于5 ℃。

3.2.2" " 超臨界輸送

調(diào)整二氧化碳輸送溫度為40、50、60 ℃并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，每隔30 d監(jiān)測(cè)管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度，得到該處全年土壤溫度變化，如圖 15所示。輸送溫度為40 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為10～28 ℃，位于小麥生長(zhǎng)容許溫度區(qū)間內(nèi)，其中3～9月份溫度高于16 ℃；輸送溫度為50 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為14～30 ℃，位于小麥生長(zhǎng)容許溫度區(qū)間內(nèi)，其中2～10月份溫度高于16 ℃；輸送溫度為60 ℃時(shí)，管道中心線處地表以下0.5 m處土壤溫度區(qū)間為16～34 ℃，其中6、7、8月份土壤溫度超過(guò)30 ℃，除12月份外，其余月份溫度均高于16 ℃。由此可見(jiàn)，為使管道運(yùn)行不對(duì)地表植被造成太大影響，二氧化碳超臨界輸送時(shí)，其管輸介質(zhì)溫度不宜高于50 ℃。

4" " 結(jié)論

本文建立埋地二氧化碳管道與周?chē)寥赖臄?shù)值模型，在保證計(jì)算精度的前提下對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、優(yōu)選邊界條件并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性；考慮大氣溫度周期性變化條件下，對(duì)二氧化碳低壓液相、高壓液相、超臨界埋地輸送管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到其全年瞬態(tài)溫度變化情況并進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1）低壓液相輸送時(shí)，埋地二氧化碳管道周?chē)鷷?huì)形成凍土。增加管道埋深對(duì)緩解土壤凍結(jié)作用不大，反而會(huì)增大管道周?chē)嗄陜鐾涟霃剑欢淖兂稣緶囟饶苡行Ц纳乒艿乐車(chē)寥纼鼋Y(jié)問(wèn)題，當(dāng)輸送溫度升高到0 ℃時(shí)，管道周?chē)鷮⒉粫?huì)形成凍土。

2）以小麥為例分析二氧化碳管道運(yùn)行對(duì)沿線植被的影響，結(jié)果表明，高壓液相輸送時(shí)，當(dāng)管輸二氧化碳溫度低于5 ℃時(shí)，地表以下0.5 m處的土壤溫度低于小麥生長(zhǎng)的容許下限值；超臨界輸送時(shí)，當(dāng)管輸二氧化碳溫度高于50 ℃時(shí)，地表以下0.5 m處的土壤溫度高于小麥生長(zhǎng)的容許上限值。為使土壤溫度能滿足沿線農(nóng)作物生長(zhǎng)的需求，高壓液相輸送時(shí)輸送溫度宜≥5 ℃，超臨界輸送時(shí)輸送溫度宜≤50 ℃。

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作者簡(jiǎn)介：

張湘瑋（1996—），女，湖南岳陽(yáng)人，2021年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油與天然氣專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事氫氣、二氧化碳管道工程設(shè)計(jì)工作。Email：1472958867@qq.com

收稿日期： 2024-05-24