天然氣管道經(jīng)濟壓比的選擇分析

康惠珊

天然氣管道經(jīng)濟壓比的選擇分析

康惠珊

（中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000）

最優(yōu)站壓比影響最優(yōu)壓氣站間距，進而影響壓氣站的個數(shù)。在管道設(shè)計壓力、管徑確定后，需要對管道全線進行布站方案比選。針對目前國內(nèi)天然氣管道建設(shè)實際情況，對大管徑輸氣管道壓氣站最優(yōu)壓比的選擇進行探究。闡述了研究的主要思路及方法，以D1219、15 MPa管道和D1422、12 MPa管道兩個系統(tǒng)方案為例，確定了不同壓比下的布站方案，分析了壓比與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系。通過不同壓比、不同氣價與管道經(jīng)濟性的關(guān)系，分析了經(jīng)濟壓比的趨勢走向及影響因素。得出D1219、15 MPa管線和D1422、12 MPa管線的經(jīng)濟壓比范圍。對壓氣站場布置及站優(yōu)化設(shè)計提出建議。在工程前期設(shè)計階段要結(jié)合管道建設(shè)及運營等實際情況，充分結(jié)合內(nèi)因和外因的影響，確定比選方案，深入開展經(jīng)濟技術(shù)比選。

管道；壓比；比選；經(jīng)濟

近幾年來，隨著天然氣管線工程的不斷建設(shè)，我國長輸管道逐漸趨向于大輸量、大管徑、高壓力的特征。如何在規(guī)劃輸氣量和輸送距離一定的情況下，通過尋求最優(yōu)方案來進一步提高管道輸送效率，降低能耗，降低建設(shè)投資和運營成本將成為項目建設(shè)考慮的重點。

在長距離輸氣管道增壓輸送系統(tǒng)計算中，需對不同工藝方案進行技術(shù)和經(jīng)濟比選，其中涉及的技術(shù)參數(shù)不僅會相互聯(lián)系制約，同時還會對管道的經(jīng)濟性造成影響。壓氣站的壓比是輸氣管道優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一。確定理想的壓比，需要從全線投資、運行成本等多方面綜合考慮。因此，合理的選擇站壓比對于優(yōu)化系統(tǒng)配置，提高管道高效運行是十分必要的。

GB 50251-2015 《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》 中，站壓比宜為1.2~1.5。目前大部分的項目壓比選取一般根據(jù)經(jīng)驗值確定。本文結(jié)合大口徑天然氣管道，選取1.15、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4和1.45的站壓比分別做方案比選。通過能耗與壓比、布站數(shù)量與壓比、總軸功率與壓比、費用現(xiàn)值與壓比以及氣價與壓比的變化趨勢，確定當(dāng)前氣價下經(jīng)濟壓比的范圍。

1 主要研究思路和方法

（1）在輸量及輸送距離一定的條件下，對1 422 mm、12 MPa和1 219 mm、15 MPa管道分別選取不同壓比進行管道系統(tǒng)模型搭建，采用SPS（stoner pipeline simulator）對不同方案進行水利計算分析。

（2）根據(jù)各工況計算結(jié)果進行方案設(shè)計，確定各方案站場及閥室數(shù)量、功能、類型，以及各壓氣站壓縮機組臺數(shù)、型號配置等。

（3）根據(jù)各方案的站場工程建設(shè)等進行投資分析及總投資估算。根據(jù)能耗指標、運行維修費用等進行各方案成本費用估算。將費用現(xiàn)值作為不同壓比方案間的經(jīng)濟對比指標。

既定的管徑壓力方案下，管道全壽命期（30年運行期）內(nèi)均按一定的輸量運行，將管道全壽命期內(nèi)逐年的現(xiàn)金流出（投資期內(nèi)的工程投資、運行期內(nèi)成本費用），按照相同的投資收益率折現(xiàn)至工程初始時點（第0年），得出該管徑壓力方案下該輸量工況的費用現(xiàn)值。

PVC = PC+ PE

式中：PVC —費用現(xiàn)值，萬元；

PC—建設(shè)投資的現(xiàn)值，萬元；

PE—經(jīng)營成本的現(xiàn)值，萬元。

經(jīng)營成本包括：燃料動力費、輸送損耗、工資及福利費、修理費、其他費用等。

2 主要基礎(chǔ)參數(shù)及計算結(jié)果

2.1 主要基礎(chǔ)參數(shù)

（1）管道輸氣量：天然氣輸量為380億方/年，管道年工作天數(shù)按350天；

（2）氣源供氣壓力和溫度：首站供氣壓力為8.0 MPa，溫度20 ℃；

（3）末站進氣壓力：末站進站壓力8.0 MPa；

（4）氣質(zhì)組分和主要物性參數(shù)參照土庫曼斯坦天然氣組分。

（5）管道長度：2 000 km；

（6）沿線環(huán)境參數(shù)：管道各管段埋深處地溫5 ℃；

（7）其他管道設(shè)計參數(shù)

標準狀態(tài)為：壓力1.013 25×105Pa（絕對壓力），溫度20 ℃。

線路管道內(nèi)壁設(shè)減阻內(nèi)涂層，管道內(nèi)壁絕對當(dāng)量粗糙度取10 μm。

進站局部摩阻取0.15 MPa，出站局部摩阻取0.05 MPa。

管道埋深處土壤的導(dǎo)熱系數(shù)為1.40 W/（m·℃）。

管頂埋深1 200 mm。

全線采用等壓比布站, 各站場均設(shè)1臺備用機組。

（8）鋼管選取

X80或X90鋼級的選擇對工藝方案沒有決定性影響。因此，在工藝方案比選中D 1 219 mm和D 1 422 mm的用管材質(zhì)，均采用X80。

（9）經(jīng)濟分析參數(shù)

全線壓縮機組按燃驅(qū)配：30 MW進口燃驅(qū)機組，價格按1 400萬美元/臺；25 MW國產(chǎn)燃驅(qū)機組，價格按1 260萬美元/臺；

管道進口氣價分別按：1.7，1.9，2.1，2.3，2.5，2.78，3，3.2（單位：元/m3）；

管道運行年限：30年

在二級及以上地區(qū)，各用管方案線路用管壁厚均大于螺旋縫埋弧焊管的最大推薦壁厚，均需使用直縫埋弧焊管。D1219、X80直縫焊鋼管價格按9 000元/t；D1422、X80直縫焊鋼管價格為10 350元/t。

2.2 計算結(jié)果

（1）管徑D 1 219/壓力15 MPa/材質(zhì)X80

管徑D 1 219 mm，設(shè)計壓力15 MPa，管線鋼材X80管道不同壓比方案見表1。

表1 不同壓比方案列表（D1219/15MPa/X80）

（2）管徑D 1 422/壓力12 MPa/材質(zhì)X80

管徑D 1 422 mm，設(shè)計壓力12 MPa，管線鋼材X80管道不同壓比方案見表2。

表2 不同壓比方案列表（D1422/12MPa/X80）

2.3 壓比與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系

天然氣長輸管道的壓比與管徑、壓力、壓氣站數(shù)目等參數(shù)是相互聯(lián)系和制約的。在管徑、壓力一定的情況下，D 1 422 mm、12 MPa管線與D 1 219 mm、15 MPa管線的站場總耗氣、站場數(shù)量、站場總軸功率隨壓比變化的趨勢相同：站場總耗氣、站場總軸功率隨著壓比的增大而增大；站場數(shù)量隨著壓比的增大而減小。趨勢變化見圖1-3。

圖1 站場總耗氣-壓比關(guān)系曲線

圖2 站場數(shù)量-壓比關(guān)系曲線

圖3 站場總軸功率-壓比關(guān)系曲線

3 經(jīng)濟壓比分析

3.1 經(jīng)濟壓比與氣價的關(guān)系

分別將D 1 219、15 MPa管線和D 1 422、12 MPa管線不同壓比方案在不同氣價下的費用現(xiàn)值繪制成關(guān)系曲線：管徑D 1 219、15 MPa管線的經(jīng)濟壓比隨氣價的關(guān)系曲線見圖4，費用現(xiàn)值隨著燃料氣價的升高而增加，在1.15~1.45壓比范圍內(nèi)，每種氣價均存在最優(yōu)壓比。

圖4 經(jīng)濟壓比-氣價關(guān)系曲線

當(dāng)氣價為1.7元/m3時，最優(yōu)壓比為1.35；當(dāng)氣價為1.9~2.78元/ m3時，最優(yōu)壓比為1.3；當(dāng)氣價為3~3.2元/ m3時，最優(yōu)壓比為1.25；管徑D 1 422、12 MPa管線的經(jīng)濟壓比隨氣價的關(guān)系曲線見圖5，費用現(xiàn)值隨著燃料氣價的升高而增加，在1.15~1.45壓比范圍內(nèi)，每種氣價均存在最優(yōu)壓比。當(dāng)氣價為1.7~2.3元/ m3時，最優(yōu)壓比為1.35；當(dāng)氣價為2.5~3.2元/ m3時，最優(yōu)壓比為1.3。

圖5 經(jīng)濟壓比-氣價關(guān)系曲線

由此可見，對于相同管徑、設(shè)計壓力和管材的管線最優(yōu)壓比在一定范圍內(nèi)是隨著氣價的升高而減小的。

3.2 經(jīng)濟壓比與費用現(xiàn)值的關(guān)系

隨著國內(nèi)西二線、西三線等以進口天然氣為主要氣源的管道項目的建設(shè)，進口天然氣的比重將大大增加。天然氣氣價從西一線的0.6元/ m3，到西二線的1.7元/ m3，目前中亞進口氣價已達到2.78元/ m3。受到國際油價走高影響，進口氣價將長期居高不下。因此結(jié)合當(dāng)前氣價形式，選取2.78元/ m3氣價分別對D 1 219、15 MPa管線和D 1 422、12 MPa管線進行費用現(xiàn)值與壓比關(guān)系的分析，見表3、表4。

表3 費用現(xiàn)值-壓比關(guān)系表（D1219/15MPa/X80）

表4 費用現(xiàn)值-壓比關(guān)系表（D1422/12MPa/X80）

對于管徑D 1 219、15 MPa管線，在燃料氣價為2.78元/ m3條件下，1.3壓比方案的費用現(xiàn)值最低，但與1.35和1.25壓比下的費用現(xiàn)值相差不足0.1%，與1.2、1.4和1.45壓比的費用現(xiàn)值相差也在3%以內(nèi)，因此1 219 mm/15 MPa輸氣管道推薦經(jīng)濟壓比范圍在1.25～1.40左右。

對于管徑D 1 422 mm、12 MPa管線，在燃料氣價為2.78元/m3條件下，仍是1.3壓比方案的費用現(xiàn)值最低，但與1.35和1.25壓比下的費用現(xiàn)值相差不足0.1%，與1.4和1.45壓比的費用現(xiàn)值相差也在2.5%以內(nèi)，因此D 1 422 mm/12 MPa輸氣管道推薦經(jīng)濟壓比范圍在1.25～1.45左右。

4 結(jié)論及建議

在設(shè)定的工程和計算參數(shù)條件下，通過工藝計算及經(jīng)濟對比分析可知，壓氣站壓比是受多種因素影響的。對于大口徑、高壓力、大輸量的天然氣管道，隨著氣價的增加，管道費用現(xiàn)值中管道能耗所占的比例越來越高，管道經(jīng)濟壓比趨向于低壓比，即能耗更少的方案。但應(yīng)注意的是，在工程前期設(shè)計階段要結(jié)合實際情況，充分研究電力價格、施工費用、鋼材價格等不確定因素的影響，深入開展經(jīng)濟技術(shù)比選，以比選出最優(yōu)的工藝方案。

［1］李玉星, 姚光鎮(zhèn). 輸氣管道設(shè)計與管理[M].石油大學(xué)出版社, 2012.

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［3］余漢成，陳鳳，孫在蓉，楊文川. 長輸管道增壓輸送工藝計算的若干問題[J]. 油氣儲運, 2012, 31(3)．

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［5］彭濤, 侯紅. 天然氣長輸管道的設(shè)計施工及運行分析[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）, 2011 (26)．

Selection and Analysis of Economic Pressure Ratio of Natural Gas Pipeline

（China Petroleum Pipeline Engineering Co., Ltd., Hebei Langfang 065000, China）

The optimal pressure ratio of the station affects the optimal distance of the compressor station, and then affects the number of the compressor station. After the design pressure and diameter of the pipeline are determined, the station arrangement scheme of the whole pipeline should be compared and selected. In view of the actual situation of natural gas pipeline construction in China, the selection of optimal pressure ratio of large diameter gas pipeline pressure station was discussed. The main ideas and methods of the study were described. Taking the two system schemes of D1219, 15MPa pipeline and D142212MPA pipeline as examples, the station layout scheme under different pressure ratio was determined, and the relationship between pressure ratio and design parameters was analyzed. Based on the relationship between different pressure ratio, different gas price and pipeline economy, the trend and influencing factors of economic pressure ratio were analyzed. The economic pressure ratio ranges of D 1219, 15 MPA and D 1422, 12 MPA pipelines were obtained. Some suggestions on the layout and optimization design of the compressor station were put forward. In the early design stage of the project, we should combine the actual situation of pipeline construction and operation, fully consider the influence of internal and external factors to determine the scheme after economic and technical comparison and selection in depth.

Pipeline; Pressure ratio; Gas price; Comparison and selection; Economy

2020-02-27

康惠珊（出生年1985-08），女，中級工程師，河北省廊坊市人，2008年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：從事油氣儲運工程設(shè)計工作。

康惠珊（出生年1985-08），女，中級工程師，油氣儲運工程設(shè)計。

TE 83

A

1004-0935（2020）05-0542-04