管径与出口流量对液态CO2输送过程特性影响

吴 虎，亓冠圣

(山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

煤自燃作为矿井火灾的主要灾害之一[1]，威胁矿井人员的生命安全[2-3]，同时也给煤矿企业带来巨大的经济损失。目前，在煤自燃防治技术手段中，向采空区灌注液态CO2是一种良好的防治煤自燃方法[4-5]。液态CO2注入采空区后迅速气化，吸收大量的热量，从而大幅度减少采空区总体温度。同时气化后CO2的密度高于空气的密度，附着在采空区煤层上，抑制煤的氧化进程，从而可以有效地防治煤自燃现象[6]。目前，井下CO2防灭火主要有钻孔输送液态CO2[7]、地面气化管路灌注[8]和井下移动式灌注[9]3种方式。钻孔经济成本比较高，并且只能注入到一个采空区，缺乏灵活性；
地面气化管路因为向采空区注入气态CO2，对管道直径规格要求较大，故管道成本要求较高，且气态CO2在输送过程中会产生较大压降，需要在管路中增加增压泵等辅助设施，增加成本；
井下移动式灌注灵活性较高，但不能大流量灌注。因此有必要设计一种长距离管路输送系统，能够快速进行大流量的灌注，使其在最短的时间内完成火区治理工作。但由于液态CO2在输送过程中影响因素较多，通过管道远距离输送CO2进行灭火时，液态CO2容易发生相变，产生干冰堵塞管道，其工艺实现困难。

在设计CO2防灭火输送系统过程中，需要考虑在矿井复杂条件中维持CO2的温度和压力处在纯液相区域内，否则可能会由于CO2的沸腾产生管道冰堵、震动等危害，影响管道输送系统的正常输送。影响CO2管道输送安全的因素有很多，如管道的管径、入口流量、入口温压等，其中，对于管道输送过程中管径的研究是基础的部分[10]，管径选择直接关系到管路成本与输送过程中的安全性。同时，对于不同管径，液态CO2的出口流量设置是增加CO2输送距离的主要因素，因此根据实际的矿井环境，选择合适的液态CO2输送系统，不仅能够保证液态CO2在输送过程的安全性，还能够有效减少CO2管道的材料成本。

Aspen HYSYS V8.4是一款基于稳态动态结合设计的流程模拟软件[11]，其对于管输气液状态下的温度压力参数计算具有较高的准确性和科学性。因此，本文将基于此对管输液态CO2过程进行模拟，研究管径大小与液态CO2出口流量对于液态CO2输送距离以及输送过程中温压特性影响，得出了不同管径最优的流量范围，为液态CO2直注系统提供理论依据。

在研究CO2管道输送过程中沿程参数时，需要对CO2的物理性质进行精确表示，采用RK方程作为管输状态方程。对管道参数、热力学参数以及流体的成分等参数进行输入，在模拟中，采用纯CO2进行模拟，不包含杂质成分，对于入口温度以及入口压力，入口温度设置为-20 ℃，入口压力为2.2 MPa.管道参数的设置包括了管径、壁厚、管长、高度差等管道基本特征参数，还包括了热力学相关的参数，如管道周围介质种类及属性，保温层的相关设置等。热力学参数的设置用来计算管道的传热系数，热传递方式主要包括了热传递、热辐射以及热对流，管道系统处于低热辐射条件下，因此，在模拟中不考虑热辐射的影响。一般来说，环境的温度一般比管内液态CO2的温度要高，根据热力学第二定律，管内的流体会自发地吸收周围环境的热量，导致液态CO2流体的温度在管内随着输送逐渐升高，由能量守恒定律得，三个部分的传热相等。热传导的计算由傅里叶定律给出：

(1)

式中：q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，W/ m2；
比例常数K为热导率,是一个输运特性，W/m·k-1；
T为温度,K；
x为在导热面上的坐标，m.

本文基于商业模拟软件Aspen HYSYS V8.4对液输CO2过程进行模拟，首先研究不同管道直径对于CO2在输送过程中的温压特性影响与输送距离的变化关系。其中,对于CO2最大安全输送距离，文中定义为液态CO2在输送过程中，发生相变时的水平输送距离；
对于不同管道规格，文章采用公称直径为DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50的管道分别计算液态CO2在输送过程中的温降与压降梯度，并计算不同公称直径下的输送距离；
再研究了CO2出口流量对于液态CO2输送距离的影响与温压特性变化规律，并通过模拟得到不同管道规格最优的流量范围。

2.1 管径对于输送距离以及输送过程中温压影响

液态CO2输送过程中，为了确定管径对输送距离的影响程度，防止液态CO2在输送过程中发生相变，需要研究因管径变化引起的温压变化规律与液态CO2输送距离的变化关系。利用 HYSYS软件进行模拟，对于管道设置为水平管道，管道采用公称直径为32(DN32)管道，管道中间不设分输站，管道周围环境参数设置包括环境温度15 ℃、环境的介质(空气)、风速设置为1 m/s，保温层厚度参数为9 mm，对于液态CO2入口参数:入口温度设置为-20 ℃，入口压力为2.2 MPa，输量为3 000 kg/h，通过改变管径(DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50)，分别计算不同工况下CO2管道输送距离、压降梯度和与温度梯度变化如图1所示。

图1 输送距离、压降梯度、温降梯度随管径的变化曲线

由图1可见，CO2当液态形式输送时，在输送过程中，随着管径的增大，CO2能够输送的最大安全距离先增大，到达峰值后减少。当采用DN15管径输送时，最大安全距离仅为19 m，当采用DN40管道输送时，其最大安全输送距离达到最大，为740 m.且随着管径增大， DN20-DN65压降梯度由3 287.2 Pa/m减少到6.837 Pa/m，说明压降梯度随管径变化较明显。随着管径增大时，温降梯度逐渐上升，与压降梯度相比， 这说明在输量一定的条件下，管径过小会造成较大的压力损失，管径过大温降也越大，其最大的输送距离并不是最大；
且随着管径越大，其管道成本也越高。因此对于输送液态CO2,应合理选择管径。在该条件下，DN40为较理想的管径，此时的管道输送的安全距离最长，且压降与温降也较少。故过小的管径会使CO2的输送流量过大，在CO2输送过程中会导致较大的压降并且产生噪声，还会增加了CO2在管道内侵蚀速率，压降达到一定值会导致液态CO2在输送过程中，由于压力的降低不能保持为液相而发生相变；
液态CO2气化过程中吸收大量热量，会使得管内温度急速降低，产生干冰堵塞管路。CO2管径过高，会导致CO2在输送过程中流速过慢，与周围环境换热更充分，CO2温度上升到一定程度时，液态CO2会发生相变。对于过大的管径，其管道成本以及维护成本会有所增加。

2.2 CO2出口流量对于输送距离以及输送过程中温压影响

为了研究CO2不同出口流量对CO2输送过程中的温压变化特性与能够达到最大输送距离关系，在入口温度为-20 ℃，入口压力为2.2 MPa，采用DN32管道，保温棉厚度为9 mm，环境温度为15 ℃，风速为1 m/s条件下，采用水平管道，通过改变CO2出口流量(1 000 kg/h、1 500 kg/h、2 000 kg/h、2 500 kg/h、3 000 kg/h、3 500 kg/h、4 000 kg/h)，计算不同工况下管道输送距离、压降梯度和与温度梯度变化如图2所示。

图2 输送距离、压降梯度、温降梯度随输量的变化曲线

由图2可知，CO2在整个输送过程中处于液态状态下运行时，随着输量的增加，其最大输送距离先增加后减小，压降梯度增加，温降梯度不断减小。液态CO2的出口流量增大，会使得管道内流速增加，此时单位质量CO2的温度变化减少，管道的摩擦阻力增大，在此过程中，液态CO2的最大输送距离随着CO2出口流量增加而增大，当随着CO2出口流量增大到2 500 kg/h时，此时的输送距离达到最大，为532 m.综合上述分析，输量过小，在输送过程中所产生的温降梯度较大，不利于液态CO2输送，此时的安全输送距离较少；
输量过大会使得液态CO2在输送过程中造成较大的压力损失，故对于DN32管道，2 300～3 000 kg/h 是该条件下比较理想的管输流量。对于矿井环境，通常选用管道的材质设定为粗糙度为4.572×10-5m的低碳钢。考虑矿井深度与井下到采空区的距离，常选用规格为DN10、DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50的管道。对于不同规格的管道，表1给出内外径大小，同时通过HYSYS模拟，得出不同公称直径下液态CO2较理想流量范围。

表1 不同规格的管道的外径和内径与流量设置

本文研究了液态CO2出口流量与管径大小对于液态CO2输送过程中温压特性影响与输送距离的变化关系，得出不同管道规格下的温降与压降梯度与输送距离的变化关系；
过小的管径会使CO2的输送流量过大，在CO2输送过程中产生较大压降；
CO2管径过高，会导致CO2在输送过程中流速过慢，与周围环境换热更充分，CO2温度上升到一定程度时，液态CO2会发生相变，对于过大的管径，其管道成本以及维护成本会有所增加；
对于不同规格管道应设置不同的CO2的出口流量，将有利于CO2安全高效运输。