技术领域
[0001] 本发明属于二氧化碳输送实验技术领域，尤其涉及一种多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统及方法。
相关背景技术
[0002] 目前CCUS(碳捕集、利用与封存)技术被高度重视。CCUS产业链由二氧化碳捕集、压缩、运输、利用或封存等多个环节组成，需要所有环节高度集成与协同发展。而二氧化碳运输是CCUS产业链的重要环节之一，因此必将依托于长距离的二氧化碳管道及其配套基础设施建设。
[0003] 国际上正在运营超过50条独立的二氧化碳管道，管网的长度近万公里。国内二氧化碳管输技术发展缓慢，二氧化碳输送以低温储罐公路运输为主。2023年，国内投产第一条长距离高压密相二氧化碳管道，管道干线长度109km，管径DN300，设计压力12MPa，设计输量170万吨/年。
[0004] 目前，二氧化碳管道多借鉴天然气管道设计及输送经验，尚无统一的二氧化碳管输行业标准，国外部分标准只是提出了管输二氧化碳工作守则、技术要求等，内容以定性的通用描述为主，无工艺及技术细节。
[0005] 二氧化碳管道输送就输送方式而言，可以分为气态输送、液态输送、密相输送和超临界输送。其中(1)气态输送：输送过程中二氧化碳在管道内保持气相状态，通过压缩机压缩升高输送压力，管道是否敷设保温层需要通过热力核算确定。(2)液态输送：输送过程中二氧化碳在管道内保持液相状态，通过泵送升高输送压力以克服沿程摩阻与地形高差，管道是否敷设保温层需要通过热力核算确定。(3)密相输送：当二氧化碳所处的压力高于临界点压力7.38MPa，温度高于三相点温度‑56℃低于临界点温度31.4℃时，二氧化碳处于密相状态，输送过程中二氧化碳在管道内保持密相状态。(4)超临界输送：输送过程二氧化碳在管道内保持超临界状态(温度、压力均高于临界值)，通过压缩机压缩升高输送压力。
[0006] 现有的原油管道停输后，管内油温逐渐下降，在一定温度下原油转变为非牛顿流体并具有触变性和屈服应力。若停输时间较长，管道再启动所需压力将超过管道允许最高工作压力。已有的原油管道停输再启动判定准则均基于“最小再启动压力超限”和“流量恢复困难程度”。湿天然气管道在停输过程中，管内介质与周围环境进行热交换，停输时间过长可能会导致水合物的形成，严重时会堵塞管道，造成再启动困难。可通过比对水合物形成条件(压力、温度)与停输后管内压力、温度参数来确定管道安全停输时间。与原油、天然气管道的停输再启动工况不同，二氧化碳的相态由温度和压力两个参数决定。
[0007] 对于二氧化碳管道，不仅要关注管道在停输过程和再启动过程中沿程温度变化，还需同时关注压力和温度协同作用下的二氧化碳相态变化。目前，对于超临界二氧化碳管道的安全停输时间并没有科学定义，在二氧化碳长距离管输过程中，杂质、温压、地形、操作等要素会诱发二氧化碳温度和压力波动，接近临界点时，流体气化，管内气泡不断生成和泯灭，形成冲击性段塞流，管内压力瞬间突变，造成水击和管道震动。
[0008] 二氧化碳管道在停输过程中，从运行安全角度，应避免流体发生气化，即在气化前应完成管道再启动操作。对于二氧化碳管道停输过程，现有研究并没有给出：(1)二氧化碳管道在停输过程中，压力、温度、密度、相态的协同变化规律；(2)停输过程二氧化碳跨相态的迁移路径线；(3)二氧化碳初始气化时的压力和温度预测公式；(4)二氧化碳气化后的持液率变化预测公式；(5)允许的管道最长停输时间。由于无法对管道停输过程温压及相态变化规律进行预测，从而无法判断管道运行安全状态。现场操作人员不能掌握管道停输过程的风险隐患，在进行管道停输操作时，没有操作依据。
[0009] 而对于二氧化碳管道再启动过程，现有研究并没有给出：(1)管道内流体已发生气化后的管道再启动安全方案；(2)二氧化碳流体持液率(气化率)大小与管道再启动风险的对应关系，即是否是气化程度越高，管道再启动的风险越大。管道发生气化后的再启动风险不明确；(3)管道再启动的时机，即允许的最晚再启动时刻；(4)管道再启动压力组成、计算公式以及压力波传递规律。无法判定再启动压力是否高于管道设计压力，再启动操作可能造成管道超压破裂泄漏风险；(5)在进行管道再启动操作时，新注入液相二氧化碳会挤压管内已有气液混相二氧化碳。不明确管内流体温度、压力上升速率与新注入液相二氧化碳质量流量对应关系、气液混相二氧化碳向液相二氧化碳转变规律、液相二氧化碳向密相二氧化碳转变规律、密相二氧化碳向超临相二氧化碳转变规律等。
[0010] 由于无法对管道再启动过程温压及相态变化规律进行预测，从而无法判断管道运行安全状态。现场操作人员不能掌握管道再启动过程的风险隐患，在进行管道再启动操作时，安全风险较大。
具体实施方式
[0074] 以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0075] 下面参考附图描述根据本发明的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统。
[0076] 如图1至图3所示，在本发明的实施例中，多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统包括注入设备、主管道设备2、减压控温设备3和再启动充装设备4，注入设备包括并联设置的两条充注支路1，两条充注支路1用于连接二氧化碳运输槽车；主管道设备2包括主管道201和依次设置于主管道201末端的排气阀202、质量密度计203和干线截止阀204，两条充注支路1的末端汇聚于主管道201的首端，主管道201上以第一间隔设置有多个温压测量组件205，温压测量组件205用于检测主管道201内的二氧化碳高频压力、二氧化碳低频压力、二氧化碳温度以及管道壁面温度，主管道201上以第二间隔设置有多个呈透明状的相态观察视窗206、主管道201外包裹有对主管道201进行加热的加热带207；减压控温设备3包括减压管道301和设置于减压管道301上的减压阀302、冷却器303、入口截止阀304，减压管道301的首端连接主管道201的末端；再启动充装设备4包括再启动管道401、旁通管道402和设置于再启动管道401上的立式低温储罐403、出口截止阀404、低温高压柱塞泵405、单向阀406、加热前截止阀407、加热器408、加热后截止阀409、质量流量计410和流量计截止阀411，旁通管道402上设置有旁通截止阀412，旁通管道402一端连接于加热前截止阀407和单向阀406之间的管路上，旁通管道402的另一端连接加热后截止阀409和质量流量计410之间的管路上，再启动管道401的首端连接减压管道301的末端，再启动管道401的末端连接主管道201上的再启动接口，再启动接口靠近注入设备设置。
[0077] 多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统可开展多相态二氧化碳管道停输和多相态二氧化碳管道再启动试验，适应范围广。向主管道201注入试验要求的足量液相二氧化碳，主管道201内二氧化碳流体通过加热带207加热，升温升压，可以达到液相、密相、超临界相。主管道201可开展多相态二氧化碳停输试验，停输前管道内二氧化碳压力、温度、相态是可以根据试验需要进行调整。停输过程中管内流体通过保温层和大气热传导换热，自然降温，模拟停输过程，检测并记录停输过程流体气化前、初始气化时、气化后主管道201沿线各温压测量组件205的低频压力、管顶流体温度、管底流体温度、管壁温度，通过起点、中点、末点相态观察视窗206观察流体相态，计算持液率，可探究二氧化碳温压、相态、持液率协同变化规律，为绘制二氧化碳相态迁移路径提供基础数据，为推导二氧化碳气化前温度、压力和密度的函数关系式、初始气化时刻压力和温度预测公式、气化后持液率变化预测公式提供基础数据。可定量描述停输过程气化前后温压、相态及持液率，能为管道停输和再启动提供操作指导，降低管道停输和再启动风险。
[0078] 还可以开展不同相态二氧化碳管道停输至超临界相、密相或液相的再启动试验。包括：
[0079] (1)停输前管道内二氧化碳为超临界相态。
[0080] ①试验停输至超临界相后再启动充装
[0081] ②试验停输至密相后再启动充装
[0082] ③试验停输至液相再启动充装
[0083] ④试验停输至气液混相(包括不同持液率)后再启动充装
[0084] (2)停输前管道内二氧化碳为密相态。
[0085] ①试验停输至密相后再启动充装
[0086] ②试验停输至液相再启动充装
[0087] ③试验停输至气液混相(包括不同持液率)后再启动充装
[0088] (3)停输前管道内二氧化碳为液相态。
[0089] ①试验停输至液相后再启动充装
[0090] ②试验停输至气液混相(包括不同持液率)后再启动充装
[0091] 再启动充装试验方面，立式低温储罐403能存储‑20℃、2MPa的液相二氧化碳，可通过低温高压柱塞泵405提高流体压力，通过泵后的加热器408提高流体温度。通过低温高压柱塞泵405和加热器408的组合工作方式，根据试验需求，可以向主管道201充装超临界相、密相、液相或气相二氧化碳，满足多相态二氧化碳气源注入需求，具有较高的适应性。
[0092] 需要说明的是，温压测量组件205能检测管道内二氧化碳高频压力(研究减压瞬间减压波)、管道内二氧化碳低频压力(研究整个减压过程压力随时间变化)、管道内二氧化碳温度、管道壁面温度。在试验测量过程中，考虑到管道轴向不同位置处上述参数的变化，为便于系统测量上述参数变化，采用在主管道201上每隔一段距离(如10m)设置温压测量组件205的方案布置传感器。
[0093] 在沿管道环向设置4个传感器接头，用以安装压力参数传感器2051、管顶温度传感器2052、管底温度传感器2053和管壁温度传感器2054，其中温度传感器可采用铠装式热电偶或贴片式热电偶。能测量管道压力、管道底部和顶部流体温度、管壁温度。其中高频压力和低频压力共用一个传感器接头，根据需要进行更换。为了提高传感器安装的扩展性，安装于主管道201的传感器均采用统一的连接型式，即M20×1.5外螺纹连接类型，故在主管道201的壁面，需设置M20×1.5内螺纹接头，传感器接头通过插入式焊接与管壁成为一体。可通过目测和人工量取相态观察视窗206的方式来计算管道某位置的持液率。
[0094] 在排气阀202打开状态下，主管道201能够与大气连通，在向主管道201输入气相二氧化碳以进行洗气的过程中，通过打开排气阀202，能够使主管道201内的其他气体排出管外。在向主管道201注入液相二氧化碳的过程中，通过打开排气阀202，能够加快液相二氧化碳的注入速率。质量密度计203测定二氧化碳的密度值，可通过密度值判断其二氧化碳的相3 3
态。二氧化碳各相态密度如下，超临界态：200～600kg/m，密相态：600～1200kg/m ，液相态：
3 3
600～1200kg/m，气相态：1～200kg/m。在启动低温高压柱塞泵405，向主管道201泵送液相二氧化碳的充装憋压阶段，干线截止阀204一直处于关闭状态。当通过质量密度计203判断二氧化碳的相态为试验要求相态，再打开干线截止阀204。
[0095] 再启动充装设备4的立式低温储罐403：提供再启动试验下泵向管道注入的液相二氧化碳，装有压力2.0MPa、温度‑20℃的气液混相二氧化碳。立式低温储罐403的罐底标高高于主管道201和低温高压柱塞泵405。低温高压柱塞泵405的入口处设置有温度传感器TT和压力传感器PT，能测量入口处的温度和压力。
[0096] 出口截止阀404，在低温高压柱塞泵405启动之前，处于关闭状态，低温高压柱塞泵405用于液相二氧化碳增压，将低温高压柱塞泵405入口处二氧化碳(压力2.0MPa，温度‑20℃)增压到超临界态/密相/液相要求的压力。低温高压柱塞泵405可变频调速，调速范围为额定流量的50％‑100％。低温高压柱塞泵405的出口处设置有压力传感器PT和温度传感器TT，可测量低温高压柱塞泵405的出口处的压力和温度。单向阀406可防止单向阀406后的流体倒流入低温高压柱塞泵405。加热前截止阀407具有开关功能。加热器408的入口处设置有温度传感器TT，能测量加热器408的入口处流体温度，加热器408能将低温高压柱塞泵405出口的二氧化碳的温度加热到超临界态/密相/液相二氧化碳要求的温度。加热器408的出口处设置有温度传感器TT，用于测量加热器408的出口处流体温度。加热后截止阀409具有开关功能。质量流量计410能测定介质为超临界态/密相/液相二氧化碳，用于检测向主管道
201充装的二氧化碳质量流量。旁通截止阀412具有开关功能。流量计截止阀411具有开关功能。通过低温高压柱塞泵405提高流体压力，通过加热器408提高流体温度，能获得超临界态/密相/液相/气相二氧化碳。
[0097] 二氧化碳各相态压力和温度要求是：
[0098] 气相态：压力3.0‑6.0MPa，温度25‑45℃。液相态：压力4.5‑6.0MPa，温度‑20‑5℃。
[0099] 密相态：压力8.1‑12.0MPa，温度‑20‑20℃。
[0100] 超临界态：压力8.1‑12.0MPa，温度35‑45℃。
[0101] 减压控温设备3的减压阀302的前后端均设置有压力传感器PT和温度传感器TT，能测量减压阀302入口/出口处的压力和温度，减压阀302通过节流的方式，将主管道201系统的二氧化碳来液减压至2MPa，冷却器303将减压阀302的出口二氧化碳降温至‑20℃，确保在循环流动过程中，进入立式低温储罐403的二氧化碳流体温度始终为‑20℃。冷却器303的出口设置有温度传感器TT，能测量冷却器303的出口流体温度，入口截止阀304，在干线截止阀204打开前，处于关闭状态。
[0102] 在一实施例中，通过多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统进行多相态二氧化碳管道停输试验：
[0103] 供气前检查，包含检现场供电情况、数据采集工作情况、阀门开闭情况、加热带207工作情况，一旦发现问题，立刻进行维修。
[0104] 洗气，打开主管道201末端的排气阀202，关闭干线截止阀204、流量计截止阀411，打开气相充注支路上的注入阀103，开始往主管道201内灌装气相二氧化碳。
[0105] 检查系统气密性，灌装几分钟后，关闭排气阀202，检查所有的阀门、各类螺纹连接头有无漏气情况，若有漏气情况，将管内二氧化碳排空，待压力降为0后，进行修理，修理好之后重新灌气，检查是否还漏气。
[0106] 灌装气相二氧化碳，当检查确认没有漏气点后，继续灌装气相二氧化碳，当主管道201内压力和二氧化碳运输槽车平压后，停止灌气；
[0107] 灌装液相二氧化碳，打开液相充注支路上的注入阀103，并保证气相充注支路上的注入阀103也处于开启状态，开始灌装液相二氧化碳，同时打开排气阀202，加快灌装速率；
[0108] 根据试验要求的相态(超临界态/密相/液相/气相)的压力、温度和密度和主管道201的体积，计算出充满主管道201所需要的二氧化碳质量；
[0109] 通过称重磅的计量，判断已充装的液相二氧化碳质量，当灌装二氧化碳质量达到停输试验所需质量，关闭排气阀202、气相充注支路上的注入阀103和液相充注支路上的注入阀103，停止灌装；
[0110] 加热升温，启动加热带207，通过温压测量组件205和相态观察视窗206观察管内压力和温度，当压力达到预期压力而温度未达到预期温度时，打开排气阀202排出多余二氧化碳，防止管道超压；
[0111] 静置，当管内压力和温度达到预期试验条件要求时，关闭加热带207，静置至少1小时，保证管内压力和温度分布均匀；
[0112] 将所有的采集设备准备好，各相态温度和压力要求：超临界态(压力8.1MPa至12.0MPa，温度35℃至45℃)、密相(压力8.1MPa至12.0MPa，温度‑20℃至20℃)、液相(压力
4.5MPa至6.0MPa，温度‑20℃至5℃)、气相(压力3.0MPa至6.0MPa，温度25℃至45℃)。
[0113] 开始停输试验，管内流体自然降温，模拟停输过程；
[0114] 检测并记录停输过程流体气化前后管道沿线各温压测量组件205的低频压力、管顶流体温度、管底流体温度、管壁温度，通过起点、中点、末点相态观察视窗206观察流体相态，计算持液率；
[0115] 停输一段时间后，流体达到试验预期的压力、温度、持液率，试验结束。
[0116] 多相态二氧化碳管道再启动充装试验方法：
[0117] 再启动充装试验前设备检查，包含检查现场供电情况、数据采集工作情况、干线截止阀204是否关闭、再启动充装设备4内的阀门是否关闭、减压控温设备3的阀门是否关闭，一旦发现问题，立刻进行维修；
[0118] 再启动充装试验前管内流体工艺参数确认，确认管道停输状态为再启动充装试验前所需的工艺参数、相态和持液率，再进行再启动充装试验，如要求二氧化碳流体为气液混相，压力6.1MPa，温度22.7℃，持液率0.9；
[0119] 灌装低温高压柱塞泵405，打开出口截止阀404，立式低温储罐403内液相二氧化碳将低温高压柱塞泵405灌满；
[0120] 向主管道201充装液相二氧化碳，干线截止阀204保持关闭状态，启动低温高压柱塞泵405，同时打开旁通截止阀412和流量计截止阀411，关闭加热前截止阀407；
[0121] 低温高压柱塞泵405将立式低温储罐403流出的液相二氧化碳加压至所需压力后，越过加热器408，直接注入主管道201；
[0122] 新注入的低温液相二氧化碳对管道内已停输一段时间的流体进行充装憋压，管道压力和温度不断升高；
[0123] 通过管道各温压测量组件205检测流体的温度和压力，可判断流体所处相态；通过起点、中点和末点的相态观察视窗206可计算流体持液率，可判断持液率变化；通过质量流量计410可以检测低温高压柱塞泵405的排量；通过低温高压柱塞泵405的变频装置可以调控低温高压柱塞泵405的排量；
[0124] 通过设备前后的压力、温度传感器TT可以检测压力和温度，在充装过程中，气相二氧化碳完成向液相二氧化碳的转变，当二氧化碳流体压力高于7.38MPa，液相二氧化碳完成向密相二氧化碳的转变；
[0125] 向主管道201充装超临界相二氧化碳，当管道内流体相态为密相，压力达到9MPa，打开加热前截止阀407、加热后截止阀409，关闭旁通截止阀412，启动加热器408，控制加热器408流体出口温度为超临界态二氧化碳所需温度，如40℃；即加热器408的出口处二氧化碳流体为超临界相，从加热器408的出口进入主管道201的超临界相二氧化碳将推动管内密相二氧化碳向下游移动；
[0126] 当管道内流体压力达到12MPa，打开干线截止阀204，启动减压控温设备3，减压阀302投入使用，启动冷却器303，打开入口截止阀304，主管道201末端的密相二氧化碳流经减压阀302，流体压力由12MPa减压至2MPa，流经冷却器303，实现流体温度降低至‑20℃。经过降压和降温的流体进入立式低温储罐403，流体实现循环流动。通过主管道201末端的温压测量组件205检测流体的温度和压力，通过质量密度计203检测流体密度。当判定干线截止阀204前流体相态为超临界态，可确定加热器408后的超临界态二氧化碳已由管道起点流动至管道末点，管道再启动成功，试验结束。
[0127] 在一实施例中，多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统还包括设置于主管道201上的爆破片208，爆破片208向外连接有爆破接管，爆破片208一旦压力达到了爆破压力能自动启爆。爆破压力可为15MPa，低于主管道201的设计压力，主管道201的设计压力为
16MPa。为了安全，爆破片上方接出来1m的管子，竖直向大气泄放。在主管道201的截面设置1个DN50规格的爆破接管，用于安装设计爆破压力为15MPa的爆破片。为了避免爆破片意外爆破潜在的伤害，爆破接管外伸高度设置约为1m。当主管道201发生超压时，可通过爆破片208破裂来泄压。爆破片208采用可毫秒级开裂的爆破片208控制管道泄漏开启。可避免由于焦耳‑汤姆逊效应，二氧化碳流体以大压差流经安全阀时生成干冰堵塞安全阀，并引发危险事故的情况，能提高泄压安全性。
[0128] 具体地，多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统还包括控制器和用于所对二氧化碳运输槽车进行称重的称重磅，充注支路1包括充装软管101和刚性注入管102，充装软管101，一端连接二氧化碳运输槽车的连接口；刚性注入管102，充装软管101另一端连接刚性注入管102的一端，刚性注入管102的另一端连接主管道201，刚性注入管102上设置有注入阀103，注入阀103和控制器电连接，控制器被配置为：
[0129] 根据称重磅的称重信息，关闭注入阀103。
[0130] 二氧化碳运输槽车，用压力2.0MPa、温度‑20℃的气液混相二氧化碳作为介质来源。称重磅可计量二氧化碳运输槽车的重量变化，来计算二氧化碳运输槽车向主管道201注入二氧化碳的质量，充注支路1的接口固定于二氧化碳运输槽车上，用于连接可拆卸式充注支路1。刚性注入管102，可采用钢管，作为固定装置，用于接收充装软管101的来气/来液，注入阀103，用于控制二氧化碳的注入流量；注入过程中，先注入气相二氧化碳将主管道201排空降温后，再注入液相二氧化碳，通过称重磅可以得知注入气液的质量。注入结束后，关闭气相充注支路上的注入阀103和液相充注支路上的注入阀103，停止注气。
[0131] 多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统还包括温度控制箱、加热带207以及保温层组成。采用“液相二氧化碳注入——加热升温升压”的方法使二氧化碳达到设定的初始试验压力及初始试验温度。通过温度控制箱控制加热带207温度提升管内流体温度，从而提升压力，达到符合条件的二氧化碳初始相态。加热带207通过缠绕方式贴在管道壁面上，相邻两圈加热带207之间相距约200mm。多个加热带207的启闭及温度由多个温度控制箱设定控制。加热带207将热量传递给管道外壁，再通过热传导的方式提高管内流体温度，由于温度的升高，导致流体内部分子热运动增加，受热膨胀，压力随之升高。
[0132] 需要说明的是，加热带207外包裹有保温层和阻火层，加热带207包括从内向外依次嵌套的加热导线、绝缘层和保护套。
[0133] 在一实施例中，加热带207由铜芯导线、聚乙烯绝缘层、塑料保护套等组成，加热带207的功率20‑40W/m。加热带207的外部由保温层包裹，保温层由岩棉和防火防水的玻璃丝布组成，厚度约60mm，从而保证保温棉防水且防电，避免意外发生。加热带207在‑20℃、2MPa满载工况下，4h内可将二氧化碳加热至温度60℃。加热带207成本较低，且结构简单，操作安全。。
[0134] 具体地，温压测量组件205包括沿主管道201的周向间隔设置的压力参数传感器2051、管顶温度传感器2052、管底温度传感器2053和管壁温度传感器2054，压力参数传感器
2051用于检测二氧化碳高频压力和二氧化碳低频压力，压力参数传感器2051、管顶温度传感器2052、管底温度传感器2053和管壁温度传感器2054均和主管道201插接连接。
[0135] 具体地，充注支路1沿第一方向延伸，主管道201包括横向首管段2011、横向末管段2012和中间管段，横向首管段2011和横向末管段2012均沿第一方向延伸，且横向首管段
2011和横向末管段2012沿第二方向相对设置，横向首管段2011连接注入设备，横向末管段
2012连接减压管道301。在一实施例中，第一方向为长度方向，即水平面上的左右方向，第二方向为宽度方向，即水平面上的前后方向，第一方向和第二方向相互垂直。
[0136] 本实施例中的温压测量组件205(每10m布置)，主管道201采取在相同水平面高度上往返的布置方式。主管道201选用无缝钢管，由长直管、弯管、短直管组成。主管道201由支架架空敷设，管道中心距离地面高度为1m‑1.5m，支架间隔在8m‑10m范围内。支架包括钢筋混凝土地基、地脚螺栓(预埋)、垫板、支撑板、筋板、下夹紧环、上夹紧环、夹紧板及螺栓螺母等结构组成。
[0137] 在一实施例中，中间管段包括两个竖向段2013和连接于两个竖向段2013之间的折弯段2014，折弯段2014向靠近减压管道301的方向突出。折弯段2014呈U形设置，能提高多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统的管道紧凑性。
[0138] 本发明还提出一种多相态二氧化碳管道停输试验方法，多相态二氧化碳管道停输试验方法应用于如上的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，两条充注支路1分别为气相充注支路和液相充注支路，多相态二氧化碳管道停输试验方法包括：
[0139] 打开排气阀202，关闭干线截止阀204和流量计截止阀411，通过气相充注支路向主管道201灌装气相二氧化碳；
[0140] 灌装第一预设时长后，关闭排气阀202；
[0141] 确定多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统未漏气的情况下，继续向主管道201内灌装气相二氧化碳，直至主管道201内的压力和二氧化碳运输槽车的压力相同；
[0142] 通过气相充注支路和液相充注支路向主管道201灌装气相二氧化碳和液相二氧化碳，同时打开排气阀202，直至充装预设充装重量的液相二氧化碳，关闭排气阀202并停止气相充注支路和液相充注支路的二氧化碳灌装；
[0143] 启动加热带207，使加热带207对主管道201内的二氧化碳进行加热，直至主管道201内的二氧化碳压力达到预期压力，二氧化碳温度达到预期温度；
[0144] 关闭加热带207，静置第二预设时长并对主管道201内的二氧化碳进行模拟降温，通过温压测量组件205检测并记录主管道201内的温压参数，同时通过相态观察视窗206采集主管道201内二氧化碳的持液率。
[0145] 本实施例中，多相态二氧化碳管道停输试验方法可开展多相态二氧化碳管道停输试验，适应范围广。向主管道201注入试验要求的足量液相二氧化碳，主管道201内二氧化碳流体通过加热带207加热，升温升压，可以达到气相、液相、密相、超临界相。主管道201可开展多相态二氧化碳停输试验，停输前管道内二氧化碳压力、温度、相态是可以根据试验需要进行调整。
[0146] 本发明还提出一种多相态二氧化碳管道再启动试验方法，多相态二氧化碳管道再启动试验方法应用于如上的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，多相态二氧化碳管道再启动试验方法包括：
[0147] 确定再启动实验所需的启动时刻的二氧化碳相态和启动完成后的二氧化碳相态；
[0148] 在启动时刻二氧化碳相态为气液混相或气相，启动完成后要求二氧化碳相态为超临界二氧化碳，通过减压控温设备3和再启动充装设备4依次向主管道201内灌装液相二氧化碳、密相二氧化碳和超临界二氧化碳；
[0149] 在启动时刻二氧化碳相态为气液混相或气相，启动完成后要求二氧化碳相态为密相二氧化碳，通过减压控温设备3和再启动充装设备4依次向主管道201内灌装液相二氧化碳、密相二氧化碳；
[0150] 在启动时刻二氧化碳相态为气液混相或气相，启动完成后要求二氧化碳相态为液相二氧化碳，通过减压控温设备3和再启动充装设备4向主管道201内灌装液相二氧化碳。
[0151] 本实施例中，多相态二氧化碳管道再启动试验方法可开展多相态二氧化碳管道道再启动试验，适应范围广。
[0152] 在一实施例中，在启动时刻二氧化碳相态为气液混相或气相，启动完成后要求二氧化碳相态为超临界二氧化碳，通过减压控温设备3和再启动充装设备4依次向主管道201内灌装液相二氧化碳、密相二氧化碳和超临界二氧化碳包括：
[0153] 确认主管道201内的二氧化碳当前参数与再启动时刻所需参数相同的情况下，通过立式低温储罐403向低温高压柱塞泵405灌装二氧化碳，直至将低温高压柱塞泵405灌满；
[0154] 打开旁通截止阀412和流量计截止阀411，关闭加热前截止阀407和干线截止阀204，通过低温高压柱塞泵405将立式低温储罐403流出的液相二氧化碳加压至所需压力，越过加热器408注入主管道201，直至主管道201内的二氧化碳完成向密相二氧化碳的转变；
[0155] 打开加热前截止阀407、加热后截止阀409，关闭旁通截止阀412，启动加热器408，控制加热器408的出口温度为超临界态二氧化碳所需温度，从加热器408进入主管道201的超临界相二氧化碳推动密相二氧化碳向下游移动；
[0156] 确定主管道201内的流体压力达到超临界再启动压力，打开干线截止阀204，启动减压阀302和冷却器303，打开入口截止阀304，使主管道201内的二氧化碳流经减压阀302、冷却器303后进入立式低温储罐403，直至干线截止阀204流出的二氧化碳为超临界态。
[0157] 具体地，确定多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统漏气的情况下，停止二氧化碳灌装，并将主管道201内的二氧化碳通过排气阀202排出，直至主管道201内的二氧化碳压力下降至排空压力。
[0158] 在一实施例中，主管道201的长度为100m，管外径为114.3mm，壁厚为10mm，设计压力为16MPa。利用多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统获得超临界态二氧化碳(压力12MPa，温度40℃)管道停输过程的压力、温度、持液率随时间变化数据，可获取二氧化碳温压、相态、持液率协同变化规律。即管道停输前，主管道201内流体需要为超临界态，压力
12MPa，温度40℃。
[0159] 可模拟大气环境温度2℃，预先计算出该相态下试验管道需充注的二氧化碳质量为471kg，利用二氧化碳运输槽车向管道注入足量液相二氧化碳，通过加热带207对管壁进行加热，将二氧化碳流体升温升压至所需试验条件(压力12MPa，温度40℃)。
[0160] 关闭充注支路1上的注入阀103、干线截止阀204，关闭加热带207，管内流体通过保温层与大气热传导换热，自然降温，试验模拟停输过程。利用二氧化碳运输槽车向管道注入足量液相二氧化碳，最好多充装2％，通过加热带207加热，当温度达到试验要求后，压力可能会比试验要求的高，这时打开排气阀202，排掉部分液态二氧化碳防止管道超压。防止注入的液相二氧化碳少了，可能出现压力达到试验要求，但温度没有达到试验要求。
[0161] 在一实施例中，超临界态二氧化碳停输试验方法：
[0162] 进行供气前检查，包括现场供电情况、数据采集工作情况、阀门开闭情况、加热带207工作情况，一旦发现问题，立刻进行维修。
[0163] 洗气，以将管内空气排净，将二氧化碳运输槽车停在称重磅上，打开排气阀202，关闭干线截止阀204、流量计截止阀411，打开气相充注支路上的注入阀103。通过二氧化碳运输槽车开始往主管道201内灌装气相二氧化碳。
[0164] 检查系统气密性，灌装几分钟后，关闭排气阀202，检查所有的阀门、各类螺纹连接头有无漏气情况，若有漏气情况，将管内二氧化碳排空，待压力降为0后，进行修理，修理好之后重新灌气，检查是否还漏气。
[0165] 灌装气相二氧化碳，确认没有漏气点后，继续灌装气相二氧化碳，当主管道201内压力和二氧化碳运输槽车平压后，停止灌气。
[0166] 灌装液相二氧化碳，打开液相充注支路上的注入阀103，并保证气相充注支路上的注入阀103也处于开启状态，开始灌装液相二氧化碳，同时打开排气阀202，可加快灌装速率。
[0167] 根据试验要求的超临界态的压力、温度(压力12MPa，温度40℃)和主管道201的体积，可以事先计算出超临界态二氧化碳密度以及注入主管道201所需要的二氧化碳质量(471kg)。
[0168] 通过称重磅的计量，可以判断主管道201已充装的液相二氧化碳质量是否达到了所要求的质量(471kg)。当灌装二氧化碳质量达到停输试验所需质量(471kg)，关闭排气阀202、气相充注支路上的注入阀103和液相充注支路上的注入阀103，停止灌装。
[0169] 加热升温，启动加热带207，试验人员可通过温压测量组件205和相态观察视窗206，观察管内压力和温度，当压力达到12MPa而温度未达到40℃时，打开排气阀202，排出多余二氧化碳流体，以防超压。
[0170] 静置，当管内压力达到12MPa和温度达到40℃时，关闭加热带207，静置至少1小时，保证管内压力和温度分布均匀，在此期间，将所有的采集设备准备好。
[0171] 开始停输过程中管内流体通过保温层和大气热传导换热，自然降温，模拟停输过程，检测并记录停输过程流体气化前、初始气化时、气化后主管道201沿线各温压测量组件205的低频压力、管顶流体温度、管底流体温度、管壁温度，通过起点、中点、末点相态观察视窗206观察流体相态，计算持液率，可探究二氧化碳温压、相态、持液率协同变化规律，为绘制二氧化碳相态迁移路径提供基础数据，为推导二氧化碳气化前温度、压力和密度的函数关系式、初始气化时刻压力和温度预测公式、气化后持液率变化预测公式提供基础数据。可定量描述停输过程气化前后温压、相态及持液率，能为管道停输和再启动提供操作指导，降低管道停输和再启动风险。停输一段时间后，当二氧化碳流体已经发生了气化，如压力为
6.1MPa和温度为22.7℃时，试验结束。
[0172] 超临界态二氧化碳管道停输至气液混相后再启动充装试验实施方案：
[0173] 立式低温储罐403，设计压力为2.5MPa，设计温度为‑30℃，容积为1.2m3。作为管道再启动时的气源来源，立式低温储罐403内储存液相二氧化碳，压力2.0MPa，温度‑20℃。
[0174] 低温高压柱塞泵405，用于液相二氧化碳增压，将泵入口处的液相二氧化碳(压力2.0MPa，温度‑20℃)增压到合适压力，泵入口设计压力为2.5MPa，设计温度为‑30℃；泵出口
3
设计压力为12MPa，设计温度为20℃；泵最大排量为0.1kg/s(0.01m/s，0.31m/h)，可变频调速，调速范围为额定流量的50％‑100％。将0.1kg/s液相二氧化碳从2MPa增压到12MPa，计算功率1.3kW。
[0175] 加热器408，入口最低温度为‑15℃，出口最高温度为45℃，按照0.1kg/s(0.01m/s)，二氧化碳比热容取2.3KJ/(kg·℃)，功率14kW。质量流量计410，测定介质为液相/密相/超临界二氧化碳，用于检测注入主管道201的多相态二氧化碳流量，设计压力为16MPa。减压阀302，用于将阀前12MPa、33℃、质量流量0.1kg/s流体减压至2MPa。经计算，因减压阀302节流温降，阀后计算温度为‑18.8℃。冷却器303，用于将减压阀302后质量流量0.1kg/s、‑18.8℃二氧化碳流体进一步冷却至‑20℃后，再流入立式低温储罐403。
[0176] 开展超临界态二氧化碳管道停输至气液混相(持液率为0.9)的再启动充装试验，通过试验获得液率为0.9的气液混相二氧化碳管道再启动过程相态迁移路径，评估管道停输至不同持液率下的气液混相后再启动的风险，并结合低温高压柱塞泵405的流量变参数控制，给出安全再启动操作方案。
[0177] 根据试验获得低温高压柱塞泵405后压力(再启动压力)数据，分析再启动压力组成，类比原油管道，给出再启动压力计算公式。超临界二氧化碳管道(起点压力12MPa，温度40℃)停输一段时间，管内流体已发生了气化。以管道起点气液混相流体压力为6.1MPa，温度为22.7℃作为再启动充装试验的初始条件，此时流体持液率为0.9，即有10％的流体发生了气化。
[0178] 在再启动充装试验过程，保证干线截止阀204始终关闭，启动低温高压柱塞泵405，新注入的低温液相二氧化碳对管道内已停输一段时间的流体进行充装憋压，管道压力和温度不断升高，气相二氧化碳完成向液相二氧化碳的转换，液相二氧化碳完成向密相二氧化碳的转换。
[0179] 当管道末端压力达到12MPa，温度达到40℃，说明管道起点的超临界态二氧化碳已流动至管道末点，管道恢复至停输前的输送状态，管道再启动成功，试验结束。
[0180] 超临界态二氧化碳管道停输至气液混相(持液率为0.9)的再启动充装试验方法：
[0181] 再启动充装试验前设备检查，包含现场供电情况、数据采集工作情况、干线截止阀204是否关闭、再启动充装设备4内的阀门是否关闭、减压控温设备3的阀门是否关闭，一旦发现问题，立刻进行维修。
[0182] 再启动充装试验前管内流体工艺参数确认，确认管道停输至再启动充装试验前所需的工艺参数、相态和持液率，再进行再启动充装试验，如要求二氧化碳流体为气液混相，压力6.1MPa，温度22.7℃，持液率0.9。
[0183] 灌装低温高压柱塞泵405，打开出口截止阀404，立式低温储罐403内液相二氧化碳将低温高压柱塞泵405灌满。
[0184] 向主管道201充装液相二氧化碳，干线截止阀204保持关闭状态，启动低温高压柱塞泵405，同时打开旁通截止阀412和流量计截止阀411，关闭加热前截止阀407，低温高压柱塞泵405将立式低温储罐403的液相二氧化碳加压至所需压力后，越过加热器408，直接注入主管道201。
[0185] 在充装过程中，新注入的低温液相二氧化碳对管道内已停输一段时间的流体进行充装憋压，管道压力和温度不断升高。部分气相二氧化碳达到液化压力，完成向液相二氧化碳的转变。当二氧化碳流体压力高于7.38MPa，液相二氧化碳完成向密相二氧化碳的转变。
[0186] 通过管道各温压测量组件205检测流体的温度和压力，判断流体所处相态；
[0187] 通过起点、中点和末点的相态观察视窗206可以计算流体持液率，从而判断持液率变化；
[0188] 通过质量流量计410可以检测注入主管道201的流量；
[0189] 通过低温高压柱塞泵405的变频装置可以调控低温高压柱塞泵405的排量。
[0190] 通过设备前后的压力传感器PT、温度传感器TT可以检测压力和温度。
[0191] 向主管道201充装超临界相二氧化碳，当管道内流体压力达到9MPa，相态为密相，打开加热前截止阀407、加热后截止阀409，关闭旁通截止阀412，启动加热器408。控制加热器408流体出口温度为超临界态所需温度，如40℃。即加热器408出口的二氧化碳流体为超临界相。从加热器408的出口进入主管道201的超临界相二氧化碳将推动管内密相二氧化碳向下游移动。由于干线截止阀204处于关闭状态，新注入流体对管内已有流体有憋压作用，主管道201末端流体温度会不断上升。
[0192] 打开干线截止阀204，当管道内流体压力达到12MPa，主管道201末端流体温度为33℃(模拟计算值)，打开干线截止阀204。
[0193] 启动减压控温设备3，减压阀302投入使用，启动冷却器303，打开入口截止阀304。
[0194] 主管道201末端的密相二氧化碳流经减压阀302，流体压力由12MPa减压至2MPa，流体温度由33℃降低至‑18.8℃之后，流体流经冷却器303，冷却器303将流体温度降低至‑20℃，经过降压和降温的流体流入立式低温储罐403。
[0195] 再启动充装试验结束，通过主管道201末端的温压测量组件205检测流体的温度和压力，通过质量密度计203检测流体密度，当判定干线截止阀204前的流体相态为超临界态，可知加热器408出口处的超临界态二氧化碳已由管道起点流动至管道末点，试验结束。
[0196] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0197] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0198] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0199] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
