Ferdinand Uilhoorn, Maciej Chaczykowski, Andrzej J. Osiadacz, Tomasz Bleschke, Łukasz Kotyński
DOI: 10.15199/17.2025.10.1, GWiTS 10/2025, październik 2025
Pobierz w PDF (Open Access)
Streszczenie:
Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) odgrywa kluczową rolę w ograniczaniu emisji CO2 z elektrowni opalanych paliwami kopalnymi oraz z przemysłu wysokoemisyjnego. W łańcuchu CCS istotne znaczenie ma projektowanie i bezpieczna eksploatacja rurociągów transportujących CO2. Rurociągi te są wyposażone w systemy zabezpieczające, które monitorują warunki transportu oraz skład mieszaniny CO2. Automatycznie przerywają pracę w przypadku przekroczenia dopuszczalnych limitów zanieczyszczeń. Nagłe zamknięcie zaworu, często określane jako uderzenie hydrauliczne, powoduje powstanie fali ciśnienia, która może prowadzić do poważnych uszkodzeń systemu. Scenariusze związane z uderzeniami hydraulicznymi, szczególnie w rurociągach o dużych średnicach transportujących zanieczyszczone CO2, zostały dotychczas słabo przebadane. W niniejszym artykule opracowano model jednorodnego przepływu, w celu analizy ryzyka wystąpienia przemiany fazowej podczas uderzenia hydraulicznego. Wymianę ciepła między strumieniem CO2 a otoczeniem modelowano przy użyciu okresowych warunków brzegowych. Uwzględniono zanieczyszczenia pochodzące z technologii wychwytywania dwutlenku węgla przed i po spalaniu oraz ich mieszanki.
Słowa kluczowe: uderzenie hydrauliczny, transport CO2 rurociągiem, zanieczyszczenia, równanie stanu, rurociąg podmorski
Abstract:
Carbon capture and storage (CCS) plays a key role in reducing CO2 emissions from fossil fuel-fired power plants and high-emission industries. The design and safe operation of CO2 transport pipelines are crucial in the CCS chain. These pipelines are equipped with safety systems that monitor transport conditions and the composition of CO2 streams. They automatically shut down if permissible contamination limits are exceeded. Sudden valve closure, often referred to as water hammer, causes a pressure wave that can lead to serious damage to the system. Scenarios involving water hammer, especially in large-diameter pipelines transporting contaminated CO₂, have been poorly studied to date. In this article, a homogeneous flow model was developed to analyze the risk of phase transition during water hammer. Heat exchange between the CO2 stream and the environment was modeled using periodic boundary conditions. Contaminants from pre – and post-combustion carbon capture technologies and mixtures thereof were considered.
Keywords: hydraulic shock, CO2 pipeline transport, contamination, equation of state, offshore pipeline
Bibliografia
[1] Barletta, A., Zanchini, E., Lazzari, S., & Terenzi, A. 2008. „Numerical study of heat transfer from an offshore buried pipeline under steady-periodic thermal boundary conditions”. Applied Thermal Engineering, 28(10), 1168–1176.
[2] Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 7th Edition. John Wiley & Sons.
[3] Borges, R., Carmona, M., Costa, B., & Don, W. S. 2008. “An improved weighted essentially non-oscillatory scheme for hyperbolic conservation laws”. Journal of Computational Physics, 227(6), 3191–3211.
[4] Chinello, G., Arellano, Y., Span, R., van Putten, D., Abdulrahman, A., Joonaki, E., Arrhenius, K., & Murugan, A. 2024. “Toward standardized measurement of CO2 transfer in the CCS chain”. Nexus Netw. J., 1(2), 100013.
[5] CO2 reduction through storage under the North Sea. Available: https://www.porthosco2.nl/en/ [Accessed: 16-Oct-2024].
[6] Collier, J. G., & Thome, J. R. 1994. Convective Boiling and Condensation. Clarendon Press.
[7] Fang, Y., De Lorenzo, M., Lafon, P., Poncet, S., & Bartosiewicz, Y. 2018. «An Accurate and Efficient Look-up Table Equation of State for Two-Phase Compressible Flow Simulations of Carbon Dioxide”. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(22), 7676–7691.
[8] Friedel, L. 1979. Improved friction pressure drop correlation for horizontal and vertical two-phase pipe flow. European Two-Phase Group Meeting, Ispra, Italy.
[9] Hu, H., Xu, R., Ho, M., Wiley, D., & Jiang, P. 2018. Investigation of Dynamic Phase Changes in High-Pressure Pipelines During Flexible CO2 Transport. 14th Greenhouse Gas Control Technologies Conference Melbourne 21-26 October 2018 (GHGT-14).
[10] Jiang, G.-S., & Shu, C.-W. 1996. “Efficient implementation of weighted ENO schemes”. Journal of Computational Physics, 126(1), 202–228.
[11] Kiuchi, T. 1994. “An implicit method for transient gas flows in pipe networks”. International Journal of Heat and Fluid Flow, 15(5), 378–383.
[12] Korteweg, V. D. 1878. «Ueber die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in elastischen Röhren’. Annalen Der Physik, 241(12), 525–542.
[13] Kumar, P., Sanderse, B., Esquivel, R., & Henkes, R. A. W. M. 2024. Numerical modelling of two-phase CO2 flow in pipes. Proceedings of the 12th North American Conference on Multiphase Production Technology, MPNA 2024, 387–402.
[14] Liu, X.-D., Osher, S., & Chan, T. 1994. “Weighted essentially non-oscillatory schemes”. Journal of Computational Physics, 115(1), 200–212.
[15] Makogon, T. Y. 2019. Handbook of Multiphase Flow Assurance. Gulf Professional Publishing.
[16] Nazeri, M., Maroto-Valer, M. M., & Jukes, E. 2016. ’’Performance of Coriolis flowmeters in CO2 pipelines with pre-combustion, post-combustion and oxyfuel gas mixtures in carbon capture and storage’’. International Journal of Greenhouse Gas Control, 54, 297–308.
[17] Royal Haskoning DHV. (2020). Aanvraag Mijnbouwvergunning pijpleiding op zee. Porthos CO2 transport en opslag (No. BF8260).
[18] Rp, A. 2001. Recommended Practice for Analysis, Design, Installation, and Testing of Basic Surface Safety Systems for Offshore Production Platforms. American Petroleum Institute.
[19] Shu, C.-W., & Osher, S. 1988. “Efficient implementation of essentially non- -oscillatory shock-capturing schemes”. Journal of Computational Physics, 77(2), 439–471.
[20] Toro, E. F. 2009. Riemann Solvers Numerical Methods Fluid Dynamics: Practical Introduction. Springer.
[21] Toro, E. F., Spruce, M., & Speares, W. 1994. “Restoration of the contact surface in the HLL-Riemann solver”. Shock Waves, 4(1), 25–34.
[22] Watters, G. Z. 1979. Modern analysis and control of unsteady flow in pipelines. Butterworth-Heinemann.
[23] Yang, Z., Fahmi, A., Drescher, M., Teberikler, L., Merat, C., Solvang, S., Rinde, O. J., Norstrøm, J. G., Dijkhuizen, W., Haugset, T., Brigadeau, A., Langsholt, M., & Liu, L. 2021, March 24). Improved Understanding of Flow Assurance for CO2 Transport and Injection. Proceedings of the 15th Greenhouse Gas Control Technologies Conference 15-18 March 2021.
[24] Zhang, W., Shao, D., Yan, Y., Liu, S., & Wang, T. 2018. “Experimental investigations into the transient behaviours of CO2 in a horizontal pipeline during flexible CCS operations”. International Journal of Greenhouse Gas Control, 79, 193–199.
[25] Zhu, J., Wu, J., Xie, N., Li, Z., Hu, Q., & Li, Y. 2024. „Study on water hammer phase transition characteristics of dense/liquid phase CO2 pipeline”. Energy, 311(133470), 133470