趙俊* 高永剛 王國(guó)麗 趙連增

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

趙俊等. 直徑1422mm、壓力 12MPa管道工藝特性及經(jīng)濟(jì)性分析. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2014，25（4）：1～5

大口徑、高壓力、高鋼級(jí)是世界天然氣管道的發(fā)展趨勢(shì)，并進(jìn)一步向著超大輸量方向發(fā)展。目前，世界上比較典型的超大輸量管道有兩條：一條是俄羅斯的巴法連科—烏恰天然氣管道，通過(guò)增大管徑實(shí)現(xiàn)增輸，管道外徑1420mm，采用雙管鋪設(shè)，管道設(shè)計(jì)輸氣量為1150×108～1400×108m3/a，管道全長(zhǎng)1074km，輸送壓力為11.8MPa，采用X80鋼材，該管道已于2012年建成投產(chǎn)；另一條是北美地區(qū)的阿拉斯加輸氣管道，通過(guò)提高設(shè)計(jì)壓力增輸，管道設(shè)計(jì)輸氣量達(dá)450×108～590×108m3/a，管道全長(zhǎng)2750km，管道外徑為1219mm，最高操作壓力為 17.2MPa，考慮采用 X80鋼級(jí)和更大壁厚（23.7～37.9mm），由于提高管道設(shè)計(jì)壓力增大了生產(chǎn)和施工的難度，因此，目前該管道仍處于前期研究階段。

隨著天然氣資源的引進(jìn)和消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)，我國(guó)需要建設(shè)更多的干線天然氣管道以實(shí)現(xiàn)資源與市場(chǎng)的銜接。規(guī)劃的干線天然氣管道逐步超越 300×108m3/a這一主干管道普遍選取的設(shè)計(jì)輸量，如，中國(guó)—俄羅斯東線天然氣管道規(guī)劃設(shè)計(jì)輸量達(dá)到380×108m3/a。遠(yuǎn)期，隨著西部煤制天然氣、俄羅斯進(jìn)口天然氣、中亞進(jìn)口天然氣、伊朗進(jìn)口天然氣等資源的逐步落實(shí)，將會(huì)大幅提升西氣東輸管道系統(tǒng)的輸氣規(guī)模。目前，我國(guó)正在開展超大輸量管道的研究工作。根據(jù)我國(guó)鋼鐵冶煉和加工制造行業(yè)的實(shí)際情況，當(dāng)前主要研究方向是通過(guò)增大管徑實(shí)現(xiàn)增輸，重點(diǎn)是1422mm（管徑）、12MPa（壓力）、X80（鋼級(jí)）管道方案的應(yīng)用研究及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究，以及管徑為1422mm的X80鋼板、鋼管、管件和配套閥門在制造、運(yùn)輸和施工環(huán)節(jié)的可實(shí)施性研究。

本文主要論述1422mm、12MPa管道工藝特性和經(jīng)濟(jì)性研究的方法、參數(shù)和研究結(jié)論。包括1422mm、12MPa管道與1219mm、12MPa管道輸量適應(yīng)范圍和能耗對(duì)比等內(nèi)容。

1 主要研究思路和方法

一是，按照輸量和壓比的不同，對(duì)1422mm、12MPa和1219mm、12MPa管道各種工況方案進(jìn)行篩選，采用TGNET（氣體管道瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算軟件）對(duì)不同方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析。

二是，根據(jù)各工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行管道系統(tǒng)配置，確定各方案站場(chǎng)數(shù)量、類型、能耗，以及各壓氣站機(jī)組型號(hào)和臺(tái)數(shù)、耗鋼量等，作為經(jīng)濟(jì)核算的基礎(chǔ)。

三是，對(duì)不同方案線路工程及站場(chǎng)工程進(jìn)行建設(shè)投資差異性分析及投資估算，總結(jié)出不同管徑方案的投資水平差異。

四是，根據(jù)不同方案成本消耗量、線路維修的差異進(jìn)行成本費(fèi)用估算，總結(jié)出不同方案成本費(fèi)用的差異。

五是，結(jié)合建設(shè)投資差異性分析和成本費(fèi)用差異性分析結(jié)果，將單位費(fèi)用年值作為經(jīng)濟(jì)性對(duì)比指標(biāo)，進(jìn)行各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析并歸納研究結(jié)論。此指標(biāo)反映了投資和成本等費(fèi)用根據(jù)既定的折現(xiàn)率折合到單位輸氣量的費(fèi)用。

單位費(fèi)用年值計(jì)算方法：

式（1）中：I——投資（t=1，2），萬(wàn)元；C——年均運(yùn)營(yíng)成本（t=3，…，32），萬(wàn)元；FIRR——財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率，%；A——費(fèi)用年值（t=3，…，32），萬(wàn)元；——第t期的投資和運(yùn)營(yíng)成本的凈現(xiàn)金流量，萬(wàn)元；n——項(xiàng)目計(jì)算期，a。

式（2）中：?jiǎn)挝毁M(fèi)用年值單位為元/m3，年輸氣量單位為104m3/a。

首先，將FIRR（財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率）作為折現(xiàn)率使式（1）成立，得到運(yùn)營(yíng)期的投資和運(yùn)營(yíng)成本的費(fèi)用年值；然后，根據(jù)式（2）計(jì)算單位費(fèi)用年值。

2 主要基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 主要工藝參數(shù)

一是，以西部某段可能采用大輸量管道方案的天然氣管道作為研究對(duì)象，管道長(zhǎng)度1845km。

二是，1422mm、12MPa方案輸量研究范圍為200×108～500×108m3/a，1219mm、12MPa 方案輸量研究范圍為200×108～400×108m3/a。

三是，壓氣站壓比取 1.4，站間距超過(guò) 250km設(shè)置清管站。

四是，燃驅(qū)站以30MW和25MW燃驅(qū)機(jī)組作為備選機(jī)型，電驅(qū)站以20MW和18MW機(jī)組作為備選機(jī)型，首站與中間壓氣站負(fù)荷率不低于85%。同時(shí)，各壓氣站均考慮1套備用機(jī)組。

2.2 主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)

一是，1219mm、X80螺旋焊鋼管價(jià)格為8500元/t，直縫焊鋼管價(jià)格為9000元/t；1422mm、X80螺旋焊鋼管價(jià)格為9350元/t，直縫焊鋼管價(jià)格為10350 元/t。

二是，管道施工費(fèi)水平參考已建管道實(shí)際投資水平調(diào)整為：1219mm管道施工費(fèi)投資水平為298萬(wàn)元/km，1422mm管道施工費(fèi)投資水平為348萬(wàn)元/km。

三是，天然氣價(jià)格按 2.43元/m3計(jì)算，電價(jià)按0.6元/kW·h考慮。

3 1422mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)輸量

3.1 不同驅(qū)動(dòng)方案下經(jīng)濟(jì)輸量

考慮到供電條件逐步改善、電驅(qū)機(jī)組應(yīng)用范圍逐漸增大的實(shí)際情況，全線站場(chǎng)機(jī)組驅(qū)動(dòng)方案按50%電驅(qū)站（方案Ⅰ）和 80%電驅(qū)站（方案Ⅱ）兩種情況考慮。1422mm、12MPa管道不同驅(qū)動(dòng)方案工藝計(jì)算結(jié)果見表 1，單位費(fèi)用年值隨輸量變化情況見圖1。

由表1、圖1可以看出：一是，方案Ⅰ和方案Ⅱ單位費(fèi)用年值最低點(diǎn)均為 340×108m3/a，以±3%作為適應(yīng)范圍，方案Ⅰ的經(jīng)濟(jì)輸量范圍為 280×108～380×108m3/a，方案Ⅱ的經(jīng)濟(jì)輸量范圍為300×108～380×108m3/a。綜合考慮，1422mm、12MPa管道的經(jīng)濟(jì)輸量范圍為300×108～380×108m3/a；二是，兩條曲線的整體趨勢(shì)基本一致，因此，驅(qū)動(dòng)方案的調(diào)整不會(huì)影響經(jīng)濟(jì)輸量的分析結(jié)果；三是，相同設(shè)計(jì)輸量下，方案Ⅱ的單位費(fèi)用年值均低于方案Ⅰ，因此，在設(shè)定的經(jīng)濟(jì)分析參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)于具備外電條件的壓氣站，采用電驅(qū)方案經(jīng)濟(jì)性較好。

3.2 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)輸量對(duì)比分析

在同樣 50%電驅(qū)站的前提下，將 1422mm、12MPa管道和1219mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)輸量范圍進(jìn)行對(duì)比分析。1219mm、12MPa管道50%電驅(qū)站方案工藝計(jì)算結(jié)果見表2，1422mm、12MPa管道與1219mm、12MPa管道單位費(fèi)用年值隨輸量變化情況見圖2。

表1 1422mm、12MPa管道不同驅(qū)動(dòng)方案工藝計(jì)算結(jié)果*

圖1 1422mm、12MPa不同驅(qū)動(dòng)方案單位費(fèi)用年值隨輸量變化曲線

由圖2可知，245×108m3/a輸量是 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道方案的經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)，即，當(dāng)輸量小于245×108m3/a時(shí)，1219mm、12MPa方案經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)輸量大于245×108m3/a時(shí)，1422mm、12MPa方案經(jīng)濟(jì)性較好。

圖2 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道單位費(fèi)用年值隨輸量變化曲線

3.3 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)輸量分界點(diǎn)敏感性分析

由于經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如，管徑1422mm的鋼管費(fèi)、施工費(fèi)、氣價(jià)和電價(jià)等均存在一定的不確定性，因此，對(duì)1422mm管材方案施工費(fèi)、1422mm管材價(jià)格、氣價(jià)、電價(jià)等因素的變化對(duì)1422mm和1219mm管材方案的經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)的影響作了敏感性分析，見圖3。

表2 1219mm、12MPa管道50%電驅(qū)站方案工藝計(jì)算結(jié)果*

圖3 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道的經(jīng)濟(jì)輸量分界點(diǎn)敏感性分析

由圖3可以看出，鋼管費(fèi)的變化對(duì)經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)的影響最大，其次為施工費(fèi)，氣價(jià)和電價(jià)的變化對(duì)經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)的影響相對(duì)較小。當(dāng)鋼管費(fèi)降低20%時(shí)，1422mm與1219mm管徑方案的輸量經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)將降低至 200×108m3。因此，當(dāng)經(jīng)濟(jì)低迷導(dǎo)致管材價(jià)格降低或天然氣價(jià)格改革使燃?xì)鈨r(jià)格提高時(shí)，1422mm管道的優(yōu)勢(shì)將更加突出。

4 1422mm、12MPa管道最優(yōu)壓比分析

壓氣站的壓比是天然氣管道系統(tǒng)分析的關(guān)鍵參數(shù)，直接決定壓氣站數(shù)量、間距和各站壓縮機(jī)組的功率需求。因此，合理選擇壓比是優(yōu)化系統(tǒng)配置、保證管道高效運(yùn)行的關(guān)鍵。壓氣站壓比范圍通常為1.2～1.6，同時(shí)，考慮到大輸量管道遠(yuǎn)期可能達(dá)到的輸量條件，對(duì)設(shè)計(jì)輸量 400×108m3/a（方案Ⅲ）和450×108m3/a（方案Ⅳ）兩種情況分別進(jìn)行壓氣站壓比的優(yōu)化研究。兩種輸量方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析見圖4，工藝計(jì)算結(jié)果見表3。

由圖4可以看出，400×108m3/a和450×108m3/a兩種輸量條件下，可比單位年值最小值對(duì)應(yīng)的壓比均為1.3，因此，壓比為 1.3時(shí)，1422mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)性最好。以±3%作為適應(yīng)范圍，400×108m3/a輸量最優(yōu)壓比范圍為 1.20～1.45，450×108m3/a輸量最優(yōu)壓比范圍為1.20～1.50。綜合考慮，1422mm、12MPa管道經(jīng)濟(jì)壓比范圍為1.20～1.45。

5 1422mm、12MPa管道能耗分析

為了研究1422mm、12MPa管道的綜合能耗，將1422mm、12MPa管道和1219mm、12MPa管道當(dāng)量值綜合能耗和等價(jià)值綜合能耗分別進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)量值綜合能耗隨輸量變化情況見圖 5，等價(jià)值綜合能耗隨輸量變化情況見圖6。

圖4 輸量400×108m3/a與輸量450×108m3/a不同壓比方案可比單位費(fèi)用年值隨輸量變化曲線

表3 兩種輸量方案不同壓比工藝計(jì)算結(jié)果*

圖5 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道當(dāng)量值綜合能耗隨輸量變化曲線

圖6 1422mm、12MPa與1219mm、12MPa管道等價(jià)值綜合能耗隨輸量變化曲線

由圖 5、圖 6可以看出：一是，無(wú)論按當(dāng)量值1422mm、12MPa管道方案的輸氣周轉(zhuǎn)量綜合能耗較還是等價(jià)值進(jìn)行綜合能耗計(jì)算，相同設(shè)計(jì)輸量下，1219mm、12MPa管道方案大幅降低，約為1219mm、12MPa管道方案綜合能耗的50%；二是，1422mm、12MPa管道方案在440×108m3/a設(shè)計(jì)輸量下的綜合能耗與1219mm、12MPa管道方案在300×108m3/a設(shè)計(jì)輸量下的綜合能耗水平相當(dāng)。

6 結(jié)論及建議

在設(shè)定的工程和計(jì)算參數(shù)條件下，通過(guò)工藝核算及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析可知，245×108m3/a輸量是1422mm與1219mm管徑方案的經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)，并且，對(duì)于設(shè)計(jì)輸量超過(guò)300×108m3/a的工況，1422mm、12MPa管道方案較1219mm、12MPa管道方案單位可比年值約低14%，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)較為明顯。因此，對(duì)于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)輸量超過(guò)300×108m3/a的天然氣管道項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合1422mm、X80管道科技攻關(guān)的進(jìn)展，在經(jīng)濟(jì)比選的基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮1422mm、12MPa管道方案，但是，應(yīng)注意輸量達(dá)到產(chǎn)量年限長(zhǎng)短的影響。此外，在工程前期研究階段，還應(yīng)充分研究鋼管價(jià)格、施工費(fèi)、天然氣價(jià)格和電力價(jià)格等不確定因素的影響，深入開展經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，以保證1422mm、X80鋼管工程應(yīng)用方案工藝可行、經(jīng)濟(jì)合理。