宗 媛 吳梁紅 楊文川 吳 全 韓海彬

我國與北美地區(qū)輸油管道工藝設(shè)計的對比

宗 媛1 吳梁紅2 楊文川3 吳 全2 韓海彬4

1中國石油工程設(shè)計有限公司北京分公司 2中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院
3中國石油工程設(shè)計有限公司西南分公司 4中國石油海外勘探開發(fā)公司

輸油管道工藝方案決定工程方案的合理性及項目的投資和效益。將我國輸油管道的設(shè)計輸量、設(shè)計壓力及其余量的選取和工藝比選方法與北美地區(qū)進(jìn)行對比分析：我國計算天數(shù)為350天，設(shè)計輸量的余量約為5%，國外的余量一般為10%左右；管道設(shè)計壓力選取宜采用優(yōu)化設(shè)計法；建議輸油管道設(shè)計壓力和MAOP間的設(shè)計余量為5%～10%；工藝比選方案建議采用J曲線法。

輸油管道；設(shè)計輸量；設(shè)計壓力；工藝比選；對比分析

目前，中石油已建管道約20 000 km，隨著管道建設(shè)的大發(fā)展，越來越多管道公司認(rèn)識到我國管道設(shè)計與國外差異很大，輸油管道工藝方案決定工程方案的合理性及項目的投資和效益。本文就我國管道設(shè)計中設(shè)計輸量、設(shè)計壓力、工藝方案比選理念等與北美加拿大地區(qū)進(jìn)行對比分析。

1 設(shè)計輸量的選取差別

例如，某油田最大外輸量為500×104t/a，穩(wěn)產(chǎn)時間為8年。在輸油管道設(shè)計時，我國的設(shè)計輸量為500×104t/a，設(shè)計天數(shù)350天[1-2]；而在北美地區(qū)，其設(shè)計輸量為556×104t/a，操作輸量為526× 104t/a，年輸量為500×104t/a。設(shè)計輸量選取有差異的原因在于：北美地區(qū)對液體管道輸量有3種定義[3]，分別為設(shè)計輸量、操作輸量和年輸量。設(shè)計輸量指管道相關(guān)設(shè)備在理想工況下達(dá)到的最大輸量；操作輸量是管道在正常操作工況下所達(dá)到的最大輸量；年輸量則是托運方希望管道在一年中實際完成的輸量。一般情況下，年輸量為設(shè)計輸量的90%，操作輸量為設(shè)計輸量的95%，這也解釋了北美地區(qū)管道設(shè)計輸量的余量一般均為10%～15%。

2 設(shè)計壓力的選擇

管道設(shè)計壓力的選擇有兩種[4]：常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。常規(guī)設(shè)計根據(jù)ASME/ANSI B16.5中的操作壓力進(jìn)行管道系統(tǒng)壓力設(shè)計，即MAOP（最大允許操作壓力）不能超過系統(tǒng)中使用的閥門及配件的額定應(yīng)力極限，設(shè)計壓力按閥門或配件的壓力等級和設(shè)計溫度進(jìn)行選取。此方法雖簡化了方案篩選，但增加了投資和管輸費。因為管道很少在最大工作壓力下運行，其輸送能力并沒有充分利用。

優(yōu)化設(shè)計是根據(jù)設(shè)計工況的工藝計算結(jié)果確定MAOP，考慮一定余量作為設(shè)計壓力。下面舉例說明兩種方法的區(qū)別：某成品油管道長為402 km，設(shè)計輸量為4.77×104m3/d，兩種方法比選結(jié)果見表1。常規(guī)設(shè)計610 mm管徑方案費用現(xiàn)值最低；優(yōu)化設(shè)計660 mm管徑方案費用現(xiàn)值最低。對上述兩方案進(jìn)一步比選，見表2，雖然610 mm管徑方案管道投資少，但總體費用現(xiàn)值高于660 mm管徑方案，同時660 mm管徑增輸空間更大，更具吸引力。通過上述對比分析可看出，優(yōu)化設(shè)計在選擇管道設(shè)計壓力時，完全根據(jù)管道的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果，不刻意考慮閥門或管件的壓力等級，而我國管道設(shè)計一般先選取設(shè)計壓力，再初選不同的管徑進(jìn)行比選，本質(zhì)上采用常規(guī)設(shè)計，常規(guī)設(shè)計易增加項目投資和管輸成本。因此對設(shè)計壓力的選擇，優(yōu)化設(shè)計方法更為科學(xué)和經(jīng)濟(jì)。

表1 國外常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果對比

表2 常規(guī)設(shè)計610 mm方案和優(yōu)化設(shè)計660 mm方案對比

3 設(shè)計壓力和MAOP之間的關(guān)系

ASME B31.4中規(guī)定液體管道任一點的MAOP和靜壓頭不應(yīng)超過管道的設(shè)計內(nèi)壓力及管件的壓力等級。GB50253—2003中也指明MAOP應(yīng)小于或等于設(shè)計壓力?？紤]到液體管道的水擊效應(yīng)、站場超壓保護(hù)設(shè)置及安全泄壓閥開啟時壓力的積累，液體管道的MAOP和設(shè)計壓力（DP）之間應(yīng)留有一定余量。各國際公司對DP和MAOP之間的余量均有自己的習(xí)慣做法，道達(dá)爾GS EP ECP 103規(guī)定：當(dāng)管道或者壓力設(shè)備在設(shè)計處理量下的正常操作壓力大于1 MPa時，最小設(shè)計壓力為正常操作壓力加上10%的余量；殼牌DEP 01.00.01.30 Gen規(guī)定：管道的MAOP一般為正常操作壓力的1.05倍，同時DP至少比MAOP高0.1 MPa；EXXON則取管道的MAOP為DP的95%；中石油管道的MAOP一般比DP低0.5 MPa。

綜上所述，建議輸油管道DP和MAOP之間可考慮5%～10%的設(shè)計余量。

4 輸油工藝方案的比選方法

目前，我國管道工藝比選是以各工藝方案的費用現(xiàn)值高低判斷其經(jīng)濟(jì)性和可行性。如某成品油管道全長153 km，設(shè)計輸量500萬噸，初步篩選了三個方案進(jìn)行比選：DN450 mm+9.5 MPa、DN400 mm+ 9.5 MPa和DN350 mm+6.4 MPa，其費用現(xiàn)值依次為32 797、33 921和40 870萬元，因此最終推薦DN450 mm方案。但是，此比選存在一定問題：首先，費用現(xiàn)值計算是否采用管道實際輸量臺階不清楚，據(jù)了解，經(jīng)濟(jì)專業(yè)只是以設(shè)計輸量為基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)值測算，這樣易造成推薦方案管徑偏大；其次，該方法不能體現(xiàn)管道分階段實施對工藝方案比選的影響；最后，該方法不能較好地體現(xiàn)各要素費用對整個工藝方案的影響，不利于業(yè)主對管道的投資和建設(shè)風(fēng)險進(jìn)行評估和判斷。

北美地區(qū)方案比選采用J曲線法，以上述管道為例，J曲線見圖1。圖1中橫坐標(biāo)為管道的輸量臺階，縱坐標(biāo)為管道的名義輸送成本，包括建設(shè)投資、運行維護(hù)費用和動力費用等。對于管徑406.4 mm和457 mm方案來說，406.4 mm管徑方案的綜合運費用最低，初始投資較低，且混油量較少。

通過上述分析可以看出，國外和我國推薦的工藝方案完全不同，J曲線法以管道實際輸量臺階為基礎(chǔ)，綜合考慮投資、通脹、運行費用、分階段實施等對管道輸送成本的影響，真正實現(xiàn)管道全生命周期比選和工藝最優(yōu)化，同時還直接體現(xiàn)管道建設(shè)投資、運行維護(hù)費用和動力費用等的變化對工藝方案比選的影響，如圖2所示。因此，工藝方案比選采用J曲線法更科學(xué)、合理。

圖1 某輸油管道工藝方案比選J曲線

圖2 站場費用變化對某輸油管道工藝方案比選影響

5 結(jié)論

我國輸油管道設(shè)計計算天數(shù)為350天，設(shè)計輸量的余量為5%，北美地區(qū)設(shè)計輸量余量為10%左右；輸油管道的設(shè)計壓力推薦采用優(yōu)化設(shè)計法；建議輸油管道MAOP和DP應(yīng)考慮5%～10%的設(shè)計余量；工藝比選方案建議采用J曲線法，因其可真正實現(xiàn)管道全生命周期比選和工藝最優(yōu)化。

[1]GB 50251—2003，輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S]．中國計劃出版社，2003.

[2]GB 50253—2003，輸油管道工程設(shè)計規(guī)范[S]．中國計劃出版社，2003.

[3]M．Mohitpour，H．Golshan，A．Murray．Pipeline Design& Construction：A Practical Approach[J]，Third Edition． ASME PRESS，2007.

[4]Francis K．Pipeline Design to MAOP Rating Can Skew Project Economics[J]，Oil&Gas Journal，2000，05，61-68.

18310255686、zongyuan@cpebj.com

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.029

宗媛：2012年7月畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田地面及長輸管道的設(shè)計工作。