我国与北美地区输油管道工艺设计的对比

宗 媛 吴梁红 杨文川 吴 全 韩海彬

我国与北美地区输油管道工艺设计的对比

宗 媛1 吴梁红2 杨文川3 吴 全2 韩海彬4

1中国石油工程设计有限公司北京分公司 2中国石油天然气股份有限公司规划总院
3中国石油工程设计有限公司西南分公司 4中国石油海外勘探开发公司

输油管道工艺方案决定工程方案的合理性及项目的投资和效益。将我国输油管道的设计输量、设计压力及其余量的选取和工艺比选方法与北美地区进行对比分析：我国计算天数为350天，设计输量的余量约为5%，国外的余量一般为10%左右；管道设计压力选取宜采用优化设计法；建议输油管道设计压力和MAOP间的设计余量为5%～10%；工艺比选方案建议采用J曲线法。

输油管道；设计输量；设计压力；工艺比选；对比分析

目前，中石油已建管道约20 000 km，随着管道建设的大发展，越来越多管道公司认识到我国管道设计与国外差异很大，输油管道工艺方案决定工程方案的合理性及项目的投资和效益。本文就我国管道设计中设计输量、设计压力、工艺方案比选理念等与北美加拿大地区进行对比分析。

1 设计输量的选取差别

例如，某油田最大外输量为500×104t/a，稳产时间为8年。在输油管道设计时，我国的设计输量为500×104t/a，设计天数350天[1-2]；而在北美地区，其设计输量为556×104t/a，操作输量为526× 104t/a，年输量为500×104t/a。设计输量选取有差异的原因在于：北美地区对液体管道输量有3种定义[3]，分别为设计输量、操作输量和年输量。设计输量指管道相关设备在理想工况下达到的最大输量；操作输量是管道在正常操作工况下所达到的最大输量；年输量则是托运方希望管道在一年中实际完成的输量。一般情况下，年输量为设计输量的90%，操作输量为设计输量的95%，这也解释了北美地区管道设计输量的余量一般均为10%～15%。

2 设计压力的选择

管道设计压力的选择有两种[4]：常规设计和优化设计。常规设计根据ASME/ANSI B16.5中的操作压力进行管道系统压力设计，即MAOP（最大允许操作压力）不能超过系统中使用的阀门及配件的额定应力极限，设计压力按阀门或配件的压力等级和设计温度进行选取。此方法虽简化了方案筛选，但增加了投资和管输费。因为管道很少在最大工作压力下运行，其输送能力并没有充分利用。

优化设计是根据设计工况的工艺计算结果确定MAOP，考虑一定余量作为设计压力。下面举例说明两种方法的区别：某成品油管道长为402 km，设计输量为4.77×104m3/d，两种方法比选结果见表1。常规设计610 mm管径方案费用现值最低；优化设计660 mm管径方案费用现值最低。对上述两方案进一步比选，见表2，虽然610 mm管径方案管道投资少，但总体费用现值高于660 mm管径方案，同时660 mm管径增输空间更大，更具吸引力。通过上述对比分析可看出，优化设计在选择管道设计压力时，完全根据管道的技术经济比选结果，不刻意考虑阀门或管件的压力等级，而我国管道设计一般先选取设计压力，再初选不同的管径进行比选，本质上采用常规设计，常规设计易增加项目投资和管输成本。因此对设计压力的选择，优化设计方法更为科学和经济。

表1 国外常规设计和优化设计结果对比

表2 常规设计610 mm方案和优化设计660 mm方案对比

3 设计压力和MAOP之间的关系

ASME B31.4中规定液体管道任一点的MAOP和静压头不应超过管道的设计内压力及管件的压力等级。GB50253—2003中也指明MAOP应小于或等于设计压力。考虑到液体管道的水击效应、站场超压保护设置及安全泄压阀开启时压力的积累，液体管道的MAOP和设计压力（DP）之间应留有一定余量。各国际公司对DP和MAOP之间的余量均有自己的习惯做法，道达尔GS EP ECP 103规定：当管道或者压力设备在设计处理量下的正常操作压力大于1 MPa时，最小设计压力为正常操作压力加上10%的余量；壳牌DEP 01.00.01.30 Gen规定：管道的MAOP一般为正常操作压力的1.05倍，同时DP至少比MAOP高0.1 MPa；EXXON则取管道的MAOP为DP的95%；中石油管道的MAOP一般比DP低0.5 MPa。

综上所述，建议输油管道DP和MAOP之间可考虑5%～10%的设计余量。

4 输油工艺方案的比选方法

目前，我国管道工艺比选是以各工艺方案的费用现值高低判断其经济性和可行性。如某成品油管道全长153 km，设计输量500万吨，初步筛选了三个方案进行比选：DN450 mm+9.5 MPa、DN400 mm+ 9.5 MPa和DN350 mm+6.4 MPa，其费用现值依次为32 797、33 921和40 870万元，因此最终推荐DN450 mm方案。但是，此比选存在一定问题：首先，费用现值计算是否采用管道实际输量台阶不清楚，据了解，经济专业只是以设计输量为基础进行现值测算，这样易造成推荐方案管径偏大；其次，该方法不能体现管道分阶段实施对工艺方案比选的影响；最后，该方法不能较好地体现各要素费用对整个工艺方案的影响，不利于业主对管道的投资和建设风险进行评估和判断。

北美地区方案比选采用J曲线法，以上述管道为例，J曲线见图1。图1中横坐标为管道的输量台阶，纵坐标为管道的名义输送成本，包括建设投资、运行维护费用和动力费用等。对于管径406.4 mm和457 mm方案来说，406.4 mm管径方案的综合运费用最低，初始投资较低，且混油量较少。

通过上述分析可以看出，国外和我国推荐的工艺方案完全不同，J曲线法以管道实际输量台阶为基础，综合考虑投资、通胀、运行费用、分阶段实施等对管道输送成本的影响，真正实现管道全生命周期比选和工艺最优化，同时还直接体现管道建设投资、运行维护费用和动力费用等的变化对工艺方案比选的影响，如图2所示。因此，工艺方案比选采用J曲线法更科学、合理。

图1 某输油管道工艺方案比选J曲线

图2 站场费用变化对某输油管道工艺方案比选影响

5 结论

我国输油管道设计计算天数为350天，设计输量的余量为5%，北美地区设计输量余量为10%左右；输油管道的设计压力推荐采用优化设计法；建议输油管道MAOP和DP应考虑5%～10%的设计余量；工艺比选方案建议采用J曲线法，因其可真正实现管道全生命周期比选和工艺最优化。

[1]GB 50251—2003，输气管道工程设计规范[S]．中国计划出版社，2003.

[2]GB 50253—2003，输油管道工程设计规范[S]．中国计划出版社，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

（栏目主持 张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.029

宗媛：2012年7月毕业于中国石油大学（华东）油气储运专业，现主要从事油气田地面及长输管道的设计工作。