我國與北美地區輸油管道工藝設計的對比

宗 媛 吳梁紅 楊文川 吳 全 韓海彬

我國與北美地區輸油管道工藝設計的對比

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劃總院
3中國石油工程設計有限公司西南分公司 4中國石油海外勘探開發公司

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計輸量、設計壓力及其余量的選取和工藝比選方法與北美地區進行對比分析：我國計算天數為350天，設計輸量的余量約為5%，國外的余量一般為10%左右；管道設計壓力選取宜采用優化設計法；建議輸油管道設計壓力和MAOP間的設計余量為5%～10%；工藝比選方案建議采用J曲線法。

輸油管道；設計輸量；設計壓力；工藝比選；對比分析

目前，中石油已建管道約20 000 km，隨著管道建設的大發展，越來越多管道公司認識到我國管道設計與國外差異很大，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。本文就我國管道設計中設計輸量、設計壓力、工藝方案比選理念等與北美加拿大地區進行對比分析。

1 設計輸量的選取差別

例如，某油田最大外輸量為500×104t/a，穩產時間為8年。在輸油管道設計時，我國的設計輸量為500×104t/a，設計天數350天[1-2]；而在北美地區，其設計輸量為556×104t/a，操作輸量為526× 104t/a，年輸量為500×104t/a。設計輸量選取有差異的原因在于：北美地區對液體管道輸量有3種定義[3]，分別為設計輸量、操作輸量和年輸量。設計輸量指管道相關設備在理想工況下達到的最大輸量；操作輸量是管道在正常操作工況下所達到的最大輸量；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，年輸量為設計輸量的90%，操作輸量為設計輸量的95%，這也解釋了北美地區管道設計輸量的余量一般均為10%～15%。

2 設計壓力的選擇

管道設計壓力的選擇有兩種[4]：常規設計和優化設計。常規設計根據ASME/ANSI B16.5中的操作壓力進行管道系統壓力設計，即MAOP（最大允許操作壓力）不能超過系統中使用的閥門及配件的額定應力極限，設計壓力按閥門或配件的壓力等級和設計溫度進行選取。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。

優化設計是根據設計工況的工藝計算結果確定MAOP，考慮一定余量作為設計壓力。下面舉例說明兩種方法的區別：某成品油管道長為402 km，設計輸量為4.77×104m3/d，兩種方法比選結果見表1。常規設計610 mm管徑方案費用現值最低；優化設計660 mm管徑方案費用現值最低。對上述兩方案進一步比選，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，優化設計在選擇管道設計壓力時，完全根據管道的技術經濟比選結果，不刻意考慮閥門或管件的壓力等級，而我國管道設計一般先選取設計壓力，再初選不同的管徑進行比選，本質上采用常規設計，常規設計易增加項目投資和管輸成本。因此對設計壓力的選擇，優化設計方法更為科學和經濟。

表1 國外常規設計和優化設計結果對比

表2 常規設計610 mm方案和優化設計660 mm方案對比

3 設計壓力和MAOP之間的關系

ASME B31.4中規定液體管道任一點的MAOP和靜壓頭不應超過管道的設計內壓力及管件的壓力等級。GB50253—2003中也指明MAOP應小于或等于設計壓力。考慮到液體管道的水擊效應、站場超壓保護設置及安全泄壓閥開啟時壓力的積累，液體管道的MAOP和設計壓力（DP）之間應留有一定余量。各國際公司對DP和MAOP之間的余量均有自己的習慣做法，道達爾GS EP ECP 103規定：當管道或者壓力設備在設計處理量下的正常操作壓力大于1 MPa時，最小設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值高低判斷其經濟性和可行性。如某成品油管道全長153 km，設計輸量500萬噸，初步篩選了三個方案進行比選：DN450 mm+9.5 MPa、DN400 mm+ 9.5 MPa和DN350 mm+6.4 MPa，其費用現值依次為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，費用現值計算是否采用管道實際輸量臺階不清楚，據了解，經濟專業只是以設計輸量為基礎進行現值測算，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各要素費用對整個工藝方案的影響，不利于業主對管道的投資和建設風險進行評估和判斷。

北美地區方案比選采用J曲線法，以上述管道為例，J曲線見圖1。圖1中橫坐標為管道的輸量臺階，縱坐標為管道的名義輸送成本，包括建設投資、運行維護費用和動力費用等。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，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，真正實現管道全生命周期比選和工藝最優化，同時還直接體現管道建設投資、運行維護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、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 結論

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

[1]GB 50251—2003，輸氣管道工程設計規范[S]．中國計劃出版社，2003.

[2]GB 50253—2003，輸油管道工程設計規范[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月畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，現主要從事油氣田地面及長輸管道的設計工作。