基于成本优化的天然气长输管道管径、压力比较研究

孙洪滨，甘丽华，谷俐 （中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊065000）

韩强忠 （中国石油天然气管道局，河北 廊坊065000）

王尔若，赵霞 （中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊065000）

随着我国对天然气需求的日益增长，天然气长输管道工程建设迅猛发展。长输管道工程建设需要耗用大量的钢材、阀门和压缩机等大型设备，投资较大。如何选择合适的管径和压力成为减少投资、提高经济效益的关键因素。笔者通过费用现值法进行管径、压力方案比选，来选择成本最优的方案，通过分析研究在一定条件下，天然气长输管道建设项目费用成本与管道压力、管径选择之间的关系。最后以某天然气管道工程为实例，对不同管径和压力的方案进行比较研究，用费用现值法找到最优方案，为项目投资者追求投资效益最大化做出正确的决策提供重要依据。

1 研究方法

1.1 拟定工艺方案

进行管径、压力方案比选的第一步是拟定工艺方案。根据管道设计输量，选取几种不同管径、压力等级的组合方案，通常选取2～3种压力等级，并初选不少于3种管径，按照一定压比 （通常取1．2～1．5之间）对不同设计压力下每种管径方案进行工艺计算，确定各种管径方案的压气站和工艺站场数量、管道壁厚等参数。

1.2 确定设计参数

1．2．1 水力计算

工艺方案计算根据气体流量计算公式和水力摩阻因数计算公式，采用美国Stoner公司的水力计算软件SPS（Stoner pipeline simulator），按照不同的约束条件和边界条件，计算输气管道的水力、热力参数。

输气管道工程设计规范中气体流量计算公式：

式中：qv为气体（p0＝0．101325MPa，T ＝293K）的流量，m3／d；p1为输气管道计算段的起点压力（绝），MPa；p2为输气管道计算段的终点压力（绝），MPa；d为输气管道内径，cm；Z为气体的压缩因数，1；γg为气体的相对密度；T为气体的平均温度，K；L为输气管道计算段的长度，km；a为系数Δh为输气管道终点和起点的标高差，m；n为输气管道沿线高差变化所划分的计算段数；hi、hi－1为各分管段终点和起点的标高，m；Li为各分管段长度，km；λ为水力摩阻因数，1；Ra为空气的气体常数，在标准状况下，Ra＝287．1m2／（s2·K）。

水力摩阻因数采用科尔布鲁克（Colebrook）计算公式：

式中：k为管内壁绝对粗糙度，m；d为管内径，m；Re为雷诺数，1。

1．2．2 压气站的布站方式

在管径、压力比选阶段，假设所有压气站都由燃气轮机驱动。输气管道压气站布置一般采用等压比和等负荷率2种布站方式。等压比布站，是指在布站过程中，使各站压比一致。等负荷率布站，是指工艺布站过程中，结合站场的实际高程和环境温度，按相同的机组负荷率设置压气站。当管输量一致，沿线没有分输或分输量较小时，采用等负荷率的布站方式，各站的富裕能力相近，在输量变化或波动情况下，管道不会出现大的瓶颈；沿线分输量较大时，采用等压比布站方式。

1．2．3 壁厚计算

线路用管壁厚的计算公式：

式中：δ为钢管计算壁厚，mm；p为设计压力，MPa；D为钢管外径，mm；σs为钢管的最小屈服强度，MPa；

φ为焊缝系数，取值1．0；F为强度设计系数，1；t为温度折减系数，当温度小于120℃时，取值1．0。

1.3 计算工程建设投资和运行费用

1．3．1 计算工程建设投资

长输管道工程的工程建设投资主要分为工程费用、其他费用和预备费用。工程费用包括线路工程、站场工程和配套工程费用。计算采用 “工程量法”和 “指标法”进行计算。其他费用包括征占地赔偿、建设单位管理费、监理费、设计费等，在方案比较阶段，其他费用的计算可以根据类似已完工程的其他费用占工程费的百分比进行类推计算。预备费用为工程费用与其他费用之和再乘以预备费用费率。

1．3．2 计算运行费用

长输管道工程的运行费用主要包括天然气消耗、耗电、修理费、人员工资等。天然气消耗用天然气气价乘以天然气消耗量计算。修理费按固定资产原值的2%计算；人员工资按照定员人数乘以工资及福利费计算。

1.4 费用现值法

费用现值法是指各方案投资收益一定的条件下，计算各方案总费用的现值并进行比较，选择费用现值较低的方案为优。

长输管道的设计使用年限为20年，费用现值时期按20a计算。计算公式为：

式中：C为费用现值，万元；PC为建设投资的现值，万元；PE为运行费用的现值，万元；Ct为第t年的建设投资，万元；Et为第t年的运行费用，万元；P／F为复利现值系数；i0为长输管道项目的基准收益率；m为管道的建设期年限，a；n为管道的设计使用年限，a。

2 方案比较研究

按照以上费用现值法比选的步骤对天然气管道工程的各方案进行比较研究。

2.1 不同管径配置时费用现值

长度约为4000km的天然气管道在输出量为300×108m3／a、压力为12MPa的情况下，假设管道粗糙度均为10μm，压比均为1．45，各压气站均按采用燃驱压缩机组考虑，采用SPS软件进行水力计算。等压比布站，设定管径为1067、1118、1219、1422mm时的压气站数分别为36、30、20、9座，费用现值结果见表1。可以看出，在压力相同的情况下，管径越大，费用现值越低，管径大的方案优于管径小的方案。

2.2 不同压力配置时费用现值

长度约为4000km的天然气管道在输量为300×108m3／a、管径均为1219mm 的情况下，假设管道粗糙度均为10μm，压比均为1．45，各压气站均按采用燃驱压缩机组考虑。由于钢管、阀门和管件等生产能力和施工机具等制约因素，仅比选压力在10、12、14MPa的方案。不同压力方案的费用现值比选结果见表2，可以看出，压力越大，费用现值越低，压力大的方案优于压力小的方案。

表1 等压比 （12MPa）、不同管径的费用现值

表2 同管径 （1219mm）、不同压力的费用现值

3 工程实例

3.1 拟定工艺方案

以某天然气管道工程为例，管道长度约为4000km，按照300×108m3／a的进气量，考虑到钢管、阀门和管件等的生产能力和施工机具等因素的制约，对管径从1118～1422mm、压力等级从10～14MPa这5种不同的组合方案进行比选。

3.2 选取比选参数

在进行工艺分析计算之前，需要对拟定的比选方案进行参数的取定，见表3。

表3 等级比选参数

3.3 计算工程建设投资

设定5种方案工程建设投资、运行费用，根据公式 （4），计算费用现值结果见表4。

表4 各方案工程建设投资估算结果表

由比选结果表明，考虑钢管、阀门和管件等的生产能力和施工机具等制约因素，方案三是5个方案中费用现值最低的方案，即成本最优、经济效益最大的方案。

4 结论

在项目前期进行不同管径、不同压力的方案比选时，利用费用现值法可以正确选择费用现值最低、成本最优的方案。通过分析研究，得出天然气长输管道建设项目费用成本与管道压力、管径选择之间的关系：在考虑钢管、阀门和管件等的生产能力和施工机具等制约因素的情况下，输量为300×108m3／a，压力相同，管径越大，费用现值越低，管径大的方案优于管径小的方案；输量为300×108m3／a，管径相同 （1219mm），压力越大，费用现值越低，压力大的方案优于压力小的方案。