本发明属于二氧化碳输送实验，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。
背景技术：
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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。
9、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。
技术实现思路
1、本发明的主要目的是提出一种多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统及方法，旨在解决现有技术中二氧化碳管道停输和再启动操作风险大的技术问题。
2、为了实现上述目的，本发明提供一种多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，所述多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统包括：
3、注入设备，包括并联设置的两条充注支路，两条所述充注支路用于连接二氧化碳运输槽车；
4、主管道设备，包括主管道和依次设置于所述主管道末端的排气阀、质量密度计和干线截止阀，两条所述充注支路的末端汇聚于所述主管道的首端，所述主管道上以第一间隔设置有多个温压测量组件，所述温压测量组件用于检测所述主管道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，所述主管道上以第二间隔设置有多个呈透明状的相态观察视窗、所述主管道外包裹有对所述主管道进行加热的加热带；
5、减压控温设备，包括减压管道和设置于所述减压管道上的减压阀、冷却器、入口截止阀，所述减压管道的首端连接所述主管道的末端；
6、再启动充装设备，包括再启动管道、旁通管道和设置于所述再启动管道上的立式低温储罐、出口截止阀、低温高压柱塞泵、单向阀、加热前截止阀、加热器、加热后截止阀、质量流量计和流量计截止阀，所述旁通管道上设置有旁通截止阀，所述旁通管道一端连接于所述加热前截止阀和所述单向阀之间的管路上，所述旁通管道的另一端连接所述加热后截止阀和所述质量流量计之间的管路上，所述再启动管道的首端连接所述减压管道的末端，所述再启动管道的末端连接所述主管道上的再启动接口，所述再启动接口靠近所述注入设备设置。
7、在本发明实施例中，所述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所述主管道上的爆破片，所述爆破片向外连接有爆破接管。
8、在本发明实施例中，所述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所述二氧化碳运输槽车进行称重的称重磅，所述充注支路包括：
9、充装软管，一端连接所述二氧化碳运输槽车的连接口；
10、刚性注入管，所述充装软管另一端连接所述刚性注入管的一端，所述刚性注入管的另一端连接所述主管道，所述刚性注入管上设置有注入阀，所述注入阀和所述控制器电连接，所述控制器被配置为：
11、根据所述称重磅的称重信息，关闭所述注入阀。
12、在本发明实施例中，所述加热带外包裹有保温层和阻火层，所述加热带包括从内向外依次嵌套的加热导线、绝缘层和保护套。
13、在本发明实施例中，所述温压测量组件包括沿所述主管道的周向间隔设置的压力参数传感器、管顶温度传感器、管底温度传感器和管壁温度传感器，所述压力参数传感器用于检测二氧化碳高频压力和二氧化碳低频压力，所述压力参数传感器、所述管顶温度传感器、所述管底温度传感器和所述管壁温度传感器均和所述主管道插接连接。
14、在本发明实施例中，所述充注支路沿第一方向延伸，所述主管道包括横向首管段、横向末管段和中间管段，所述横向首管段和所述横向末管段均沿第一方向延伸，且所述横向首管段和所述横向末管段沿第二方向相对设置，所述横向首管段连接所述注入设备，所述横向末管段连接所述减压管道。
15、在本发明实施例中，所述中间管段包括两个竖向段和连接于两个所述竖向段之间的折弯段，所述折弯段向靠近所述减压管道的方向突出。
16、本发明还提出一种多相态二氧化碳管道停输试验方法，所述多相态二氧化碳管道停输试验方法应用于如上所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，两条所述充注支路分别为气相充注支路和液相充注支路，所述多相态二氧化碳管道停输试验方法包括：
17、打开排气阀，关闭干线截止阀和流量计截止阀，通过所述气相充注支路向所述主管道灌装气相二氧化碳；
18、灌装第一预设时长后，关闭排气阀；
19、确定所述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，继续向所述主管道内灌装气相二氧化碳，直至所述主管道内的压力和所述二氧化碳运输槽车的压力相同；
20、通过所述气相充注支路和所述液相充注支路向所述主管道灌装气相二氧化碳和液相二氧化碳，同时打开排气阀，直至充装预设充装重量的液相二氧化碳，关闭排气阀并停止所述气相充注支路和所述液相充注支路的二氧化碳灌装；
21、启动加热带，使所述加热带对所述主管道内的二氧化碳进行加热，直至所述主管道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；
22、关闭加热带，静置第二预设时长并对所述主管道内的二氧化碳进行模拟降温，通过所述温压测量组件检测并记录所述主管道内的温压参数，同时通过所述相态观察视窗采集所述主管道内二氧化碳的持液率。
23、本发明还提出一种多相态二氧化碳管道再启动试验方法，所述多相态二氧化碳管道再启动试验方法应用于如上所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，所述多相态二氧化碳管道再启动试验方法包括：
24、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；
25、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，通过所述减压控温设备和所述再启动充装设备依次向所述主管道内灌装液相二氧化碳、密相二氧化碳和超临界二氧化碳；
26、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，通过所述减压控温设备和所述再启动充装设备依次向所述主管道内灌装液相二氧化碳、密相二氧化碳；
27、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，通过所述减压控温设备和所述再启动充装设备向所述主管道内灌装液相二氧化碳。
28、在本发明实施例中，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，所述通过所述减压控温设备和所述再启动充装设备依次向所述主管道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：
29、确认所述主管道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，通过所述立式低温储罐向所述低温高压柱塞泵灌装二氧化碳，直至将所述低温高压柱塞泵灌满；
30、打开所述旁通截止阀和所述流量计截止阀，关闭所述加热前截止阀和所述干线截止阀，通过所述低温高压柱塞泵将所述立式低温储罐流出的液相二氧化碳加压至所需压力，越过所述加热器注入所述主管道，直至所述主管道内的二氧化碳完成向密相二氧化碳的转变；
31、打开所述加热前截止阀、所述加热后截止阀，关闭所述旁通截止阀，启动所述加热器，控制所述加热器的出口温度为超临界态二氧化碳所需温度，从所述加热器进入所述主管道的超临界相二氧化碳推动密相二氧化碳向下游移动；
32、确定所述主管道内的流体压力达到超临界再启动压力，打开干线截止阀，启动所述减压阀和所述冷却器，打开入口截止阀，使所述主管道内的二氧化碳流经所述减压阀、所述冷却器后进入所述立式低温储罐，直至所述干线截止阀流出的二氧化碳为超临界态。
33、通过上述技术方案，本发明实施例所提供的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统具有如下的有益效果：
34、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试验，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，适应范围广。向主管道注入试验要求的足量液相二氧化碳，主管道内二氧化碳流体通过加热带加热，升温升压，可以达到液相、密相、超临界相。主管道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、气化后主管道沿线各温压测量组件的低频压力、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。
35、可试验获得不同相态二氧化碳管道停输至不同相态后，再启动至不同相态的相态迁移路径。可获得气液混相/气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。可评估管道停输至气液混相(持液率0.9、0.7、0.5、0.3)后再启动的风险。可明确管内流体温度、压力上升速率与新注入液相二氧化碳质量流量对应关系，结合泵流量变参数控制，给出安全再启动操作方案。可试验获得泵后压力(再启动压力)数据，分析再启动压力组成，类比原油管道，试图给出再启动压力计算公式。有助于预测管道停输和再启动过程温压及相态变化，判断管道运行安全状态。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。
36、本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
1.一种多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统包括：
2.根据权利要求1所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述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所述主管道(201)上的爆破片(208)，所述爆破片(208)向外连接有爆破接管。
3.根据权利要求2所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述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所述二氧化碳运输槽车进行称重的称重磅，所述充注支路(1)包括：
4.根据权利要求1所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述加热带(207)外包裹有保温层和阻火层，所述加热带(207)包括从内向外依次嵌套的加热导线、绝缘层和保护套。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述温压测量组件(205)包括沿所述主管道(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)，所述压力参数传感器(2051)用于检测二氧化碳高频压力和二氧化碳低频压力，所述压力参数传感器(2051)、所述管顶温度传感器(2052)、所述管底温度传感器(2053)和所述管壁温度传感器(2054)均和所述主管道(201)插接连接。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述充注支路(1)沿第一方向延伸，所述主管道(201)包括横向首管段(2011)、横向末管段(2012)和中间管段，所述横向首管段(2011)和所述横向末管段(2012)均沿第一方向延伸，且所述横向首管段(2011)和所述横向末管段(2012)沿第二方向相对设置，所述横向首管段(2011)连接所述注入设备，所述横向末管段(2012)连接所述减压管道(301)。
7.根据权利要求6所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，其特征在于，所述中间管段包括两个竖向段(2013)和连接于两个所述竖向段(2013)之间的折弯段(2014)，所述折弯段(2014)向靠近所述减压管道(301)的方向突出。
8.一种多相态二氧化碳管道停输试验方法，其特征在于，所述多相态二氧化碳管道停输试验方法应用于权利要求1至7中任意一项所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，两条所述充注支路(1)分别为气相充注支路和液相充注支路，所述多相态二氧化碳管道停输试验方法包括：
9.一种多相态二氧化碳管道再启动试验方法，其特征在于，所述多相态二氧化碳管道再启动试验方法应用于权利要求1至7中任意一项所述的多相态二氧化碳管道停输和再启动试验系统，所述多相态二氧化碳管道再启动试验方法包括：
10.根据权利要求9所述的多相态二氧化碳管道再启动试验方法，其特征在于，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，所述通过所述减压控温设备(3)和所述再启动充装设备(4)依次向所述主管道(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：
