基于成本優(yōu)化的天然氣長(zhǎng)輸管道管徑、壓力比較研究

孫洪濱，甘麗華，谷俐 （中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊065000）

韓強(qiáng)忠 （中國(guó)石油天然氣管道局，河北 廊坊065000）

王爾若，趙霞 （中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊065000）

隨著我國(guó)對(duì)天然氣需求的日益增長(zhǎng)，天然氣長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)迅猛發(fā)展。長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)需要耗用大量的鋼材、閥門和壓縮機(jī)等大型設(shè)備，投資較大。如何選擇合適的管徑和壓力成為減少投資、提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。筆者通過(guò)費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行管徑、壓力方案比選，來(lái)選擇成本最優(yōu)的方案，通過(guò)分析研究在一定條件下，天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目費(fèi)用成本與管道壓力、管徑選擇之間的關(guān)系。最后以某天然氣管道工程為實(shí)例，對(duì)不同管徑和壓力的方案進(jìn)行比較研究，用費(fèi)用現(xiàn)值法找到最優(yōu)方案，為項(xiàng)目投資者追求投資效益最大化做出正確的決策提供重要依據(jù)。

1 研究方法

1.1 擬定工藝方案

進(jìn)行管徑、壓力方案比選的第一步是擬定工藝方案。根據(jù)管道設(shè)計(jì)輸量，選取幾種不同管徑、壓力等級(jí)的組合方案，通常選取2～3種壓力等級(jí)，并初選不少于3種管徑，按照一定壓比 （通常取1．2～1．5之間）對(duì)不同設(shè)計(jì)壓力下每種管徑方案進(jìn)行工藝計(jì)算，確定各種管徑方案的壓氣站和工藝站場(chǎng)數(shù)量、管道壁厚等參數(shù)。

1.2 確定設(shè)計(jì)參數(shù)

1．2．1 水力計(jì)算

工藝方案計(jì)算根據(jù)氣體流量計(jì)算公式和水力摩阻因數(shù)計(jì)算公式，采用美國(guó)Stoner公司的水力計(jì)算軟件SPS（Stoner pipeline simulator），按照不同的約束條件和邊界條件，計(jì)算輸氣管道的水力、熱力參數(shù)。

輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范中氣體流量計(jì)算公式：

式中：qv為氣體（p0＝0．101325MPa，T ＝293K）的流量，m3／d；p1為輸氣管道計(jì)算段的起點(diǎn)壓力（絕），MPa；p2為輸氣管道計(jì)算段的終點(diǎn)壓力（絕），MPa；d為輸氣管道內(nèi)徑，cm；Z為氣體的壓縮因數(shù)，1；γg為氣體的相對(duì)密度；T為氣體的平均溫度，K；L為輸氣管道計(jì)算段的長(zhǎng)度，km；a為系數(shù)Δh為輸氣管道終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高差，m；n為輸氣管道沿線高差變化所劃分的計(jì)算段數(shù)；hi、hi－1為各分管段終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高，m；Li為各分管段長(zhǎng)度，km；λ為水力摩阻因數(shù)，1；Ra為空氣的氣體常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，Ra＝287．1m2／（s2·K）。

水力摩阻因數(shù)采用科爾布魯克（Colebrook）計(jì)算公式：

式中：k為管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，m；d為管內(nèi)徑，m；Re為雷諾數(shù)，1。

1．2．2 壓氣站的布站方式

在管徑、壓力比選階段，假設(shè)所有壓氣站都由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。輸氣管道壓氣站布置一般采用等壓比和等負(fù)荷率2種布站方式。等壓比布站，是指在布站過(guò)程中，使各站壓比一致。等負(fù)荷率布站，是指工藝布站過(guò)程中，結(jié)合站場(chǎng)的實(shí)際高程和環(huán)境溫度，按相同的機(jī)組負(fù)荷率設(shè)置壓氣站。當(dāng)管輸量一致，沿線沒(méi)有分輸或分輸量較小時(shí)，采用等負(fù)荷率的布站方式，各站的富裕能力相近，在輸量變化或波動(dòng)情況下，管道不會(huì)出現(xiàn)大的瓶頸；沿線分輸量較大時(shí)，采用等壓比布站方式。

1．2．3 壁厚計(jì)算

線路用管壁厚的計(jì)算公式：

式中：δ為鋼管計(jì)算壁厚，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；

φ為焊縫系數(shù)，取值1．0；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，1；t為溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120℃時(shí)，取值1．0。

1.3 計(jì)算工程建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用

1．3．1 計(jì)算工程建設(shè)投資

長(zhǎng)輸管道工程的工程建設(shè)投資主要分為工程費(fèi)用、其他費(fèi)用和預(yù)備費(fèi)用。工程費(fèi)用包括線路工程、站場(chǎng)工程和配套工程費(fèi)用。計(jì)算采用 “工程量法”和 “指標(biāo)法”進(jìn)行計(jì)算。其他費(fèi)用包括征占地賠償、建設(shè)單位管理費(fèi)、監(jiān)理費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)等，在方案比較階段，其他費(fèi)用的計(jì)算可以根據(jù)類似已完工程的其他費(fèi)用占工程費(fèi)的百分比進(jìn)行類推計(jì)算。預(yù)備費(fèi)用為工程費(fèi)用與其他費(fèi)用之和再乘以預(yù)備費(fèi)用費(fèi)率。

1．3．2 計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用

長(zhǎng)輸管道工程的運(yùn)行費(fèi)用主要包括天然氣消耗、耗電、修理費(fèi)、人員工資等。天然氣消耗用天然氣氣價(jià)乘以天然氣消耗量計(jì)算。修理費(fèi)按固定資產(chǎn)原值的2%計(jì)算；人員工資按照定員人數(shù)乘以工資及福利費(fèi)計(jì)算。

1.4 費(fèi)用現(xiàn)值法

費(fèi)用現(xiàn)值法是指各方案投資收益一定的條件下，計(jì)算各方案總費(fèi)用的現(xiàn)值并進(jìn)行比較，選擇費(fèi)用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。

長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)使用年限為20年，費(fèi)用現(xiàn)值時(shí)期按20a計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：C為費(fèi)用現(xiàn)值，萬(wàn)元；PC為建設(shè)投資的現(xiàn)值，萬(wàn)元；PE為運(yùn)行費(fèi)用的現(xiàn)值，萬(wàn)元；Ct為第t年的建設(shè)投資，萬(wàn)元；Et為第t年的運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元；P／F為復(fù)利現(xiàn)值系數(shù)；i0為長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目的基準(zhǔn)收益率；m為管道的建設(shè)期年限，a；n為管道的設(shè)計(jì)使用年限，a。

2 方案比較研究

按照以上費(fèi)用現(xiàn)值法比選的步驟對(duì)天然氣管道工程的各方案進(jìn)行比較研究。

2.1 不同管徑配置時(shí)費(fèi)用現(xiàn)值

長(zhǎng)度約為4000km的天然氣管道在輸出量為300×108m3／a、壓力為12MPa的情況下，假設(shè)管道粗糙度均為10μm，壓比均為1．45，各壓氣站均按采用燃驅(qū)壓縮機(jī)組考慮，采用SPS軟件進(jìn)行水力計(jì)算。等壓比布站，設(shè)定管徑為1067、1118、1219、1422mm時(shí)的壓氣站數(shù)分別為36、30、20、9座，費(fèi)用現(xiàn)值結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯趬毫ο嗤那闆r下，管徑越大，費(fèi)用現(xiàn)值越低，管徑大的方案優(yōu)于管徑小的方案。

2.2 不同壓力配置時(shí)費(fèi)用現(xiàn)值

長(zhǎng)度約為4000km的天然氣管道在輸量為300×108m3／a、管徑均為1219mm 的情況下，假設(shè)管道粗糙度均為10μm，壓比均為1．45，各壓氣站均按采用燃驅(qū)壓縮機(jī)組考慮。由于鋼管、閥門和管件等生產(chǎn)能力和施工機(jī)具等制約因素，僅比選壓力在10、12、14MPa的方案。不同壓力方案的費(fèi)用現(xiàn)值比選結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，壓力越大，費(fèi)用現(xiàn)值越低，壓力大的方案優(yōu)于壓力小的方案。

表1 等壓比 （12MPa）、不同管徑的費(fèi)用現(xiàn)值

表2 同管徑 （1219mm）、不同壓力的費(fèi)用現(xiàn)值

3 工程實(shí)例

3.1 擬定工藝方案

以某天然氣管道工程為例，管道長(zhǎng)度約為4000km，按照300×108m3／a的進(jìn)氣量，考慮到鋼管、閥門和管件等的生產(chǎn)能力和施工機(jī)具等因素的制約，對(duì)管徑從1118～1422mm、壓力等級(jí)從10～14MPa這5種不同的組合方案進(jìn)行比選。

3.2 選取比選參數(shù)

在進(jìn)行工藝分析計(jì)算之前，需要對(duì)擬定的比選方案進(jìn)行參數(shù)的取定，見(jiàn)表3。

表3 等級(jí)比選參數(shù)

3.3 計(jì)算工程建設(shè)投資

設(shè)定5種方案工程建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用，根據(jù)公式 （4），計(jì)算費(fèi)用現(xiàn)值結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各方案工程建設(shè)投資估算結(jié)果表

由比選結(jié)果表明，考慮鋼管、閥門和管件等的生產(chǎn)能力和施工機(jī)具等制約因素，方案三是5個(gè)方案中費(fèi)用現(xiàn)值最低的方案，即成本最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)效益最大的方案。

4 結(jié)論

在項(xiàng)目前期進(jìn)行不同管徑、不同壓力的方案比選時(shí)，利用費(fèi)用現(xiàn)值法可以正確選擇費(fèi)用現(xiàn)值最低、成本最優(yōu)的方案。通過(guò)分析研究，得出天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目費(fèi)用成本與管道壓力、管徑選擇之間的關(guān)系：在考慮鋼管、閥門和管件等的生產(chǎn)能力和施工機(jī)具等制約因素的情況下，輸量為300×108m3／a，壓力相同，管徑越大，費(fèi)用現(xiàn)值越低，管徑大的方案優(yōu)于管徑小的方案；輸量為300×108m3／a，管徑相同 （1219mm），壓力越大，費(fèi)用現(xiàn)值越低，壓力大的方案優(yōu)于壓力小的方案。