天然气增压站经济优化：成本影响因素-.pdf

第 3 3卷第 1 期 OI L AND GAS T RANSP 0R T ATI oN AND S T oR AGE Ra i n e r Ku r z Ma t t L u b o mi r s k y 索拉透平公司，加利福尼亚州圣地亚哥9 2 1 2 3 油号储运 摘 要 对于外输管道 的天然气增压站 ， 其全周期运行经济性很大程度上取决于压缩机组的运行 情 况。 概述 了影响压气站经济运行的基本要素， 并着重描述 了管道与压气站的相互影响。 明确 了管道压缩系 统运行成本的主要影响 因素。成本不仅包括一次性投资和安装成本， 还包括燃料气消耗、 维护费用以及因 设备无法使而产生的相关成本。探讨上述成本影响 因素时， 需将其设定在设备运行的情况下考虑 ， 且应考 虑到压缩系统与管道运行之 间的相互关系对其的影响。 关键 词 增压站 ； 经济成本 ； 天然气管道 ； 压缩机 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 6 5 5 3 9 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 6 1 l n t r o d u c t i o n 介绍 Th e e c o n o mi c s u c c e s s o f a g a s c o mp r e s s i o n o p e r a t i o n d e p e n d s t o a s i g n i fic a n t e x t e n t o n t h e o p e r a t i o n o f t h e c o m p r e s s o r s i n v o l v e d． I mp o r t a n t c rit e ria i n c l u d e fir s t c o s t ，o p e r - a t i n g c o s t e s p e c i a l l y f u e l c o s t ， l i f e c y c l e c o s t ， a n d e m i s s i o n s ． D e c i s i o n s a b o u t t h e l a y o u t o f c o m p r e s s o r s t a t i o n s F i g - u r e 1 s u c h a s t h e n u mb e r o f u n i t s ，s t a n d b y r e q u i r e me n t s ， t y p e o f d riv e r，a n d t y p e o f c o mp r e s s o r s h a v e a n i mp a c t o n c o s t ，f u e l c o n s u mp t i o n，o p e r a t i o n a l fle x i b i l i t y，e mi s s i o n s ， a s we l l a s a v a i l a b i l i t y o f t h e s t a t i o n[ I j ． 压 气站 运行 的经济性 很 大程 度 取决 于压 缩机 组 的 运行状况 。其 中比较 重要的评判标准包括 一次性 投资 、 运行 成本 尤 其是燃料 气消耗 、生命周 期 的消耗及 排 放。 压气站的整体设计 见图 1 ， 如机组数量、 备用机组 、 驱 动方式 、 压 缩机类 型等对成本 、 燃料气 消耗 、 机 组运行 灵活性 、 排放 以及站场可用率都有较 大影响I 1 3 。 As e n g i n e e r s ，ma n y d i s c u s s i o n s we h a v e r e g a r d i n g e q u i p me n t ， b e i t d r i v e r s o r c o mp r e s s o r s ， e v o l v e a r o u n d t he e f fi- c i e n c y o f t h e e q ui p me n L I n d e e d，t r e me n d o u s e ffo r t i s a n d s h o u l d b e s p e n t t o s e l e c t a n d s p e c i e q u i p m e n t t h a t c a n p e r - f o r m a g i v e n t a s k wi t h t h e l e a s t a mo u n t o f f u e l a n d t h e o p t i mu m c o mp r e s s o r e ffi c i e n c y ．T h i s c a n l e a d t o s i g n i fic a n t e ffi c i e n c y i mp r o v e me n t s for d riv e r s a n d d riv e n e q u i p me n t ，whi c h c a n c o n t r i b u t e t o r e d u c i n g t h e i r o v e r a l l c o s t o f o pe r a t i o n ． 作为管道的规划和设计人员 ， 提到设备 ， 无论是驱 动 机还是压缩机 ， 讨论最多 的还是设备 的效率 。的确 ， 只有 在设备选型上下大功夫 ，才能实现设备 以最低能耗 和最 优压缩机功效完成任务 。这不仅能显著提高驱动机 和压 缩机 的效率 ， 还能降低压气站及管道 的整体运行成本 。 Fig u r e 1 Ty p i c a l Comp r e s s o r St a t i o n wit h 3 Ga s Tu r b i n e Dr iv e n Ce n t r if u g a l Co mpr e s s o r s 图 1 3台 燃 驱 离 心 式压 缩机 组 的典 型 增 压 站 Ho we v e r ， wh e n t h e s p e c i fic e q ui p me n t ， d riv e r a n d c o mp r e s s o r ，i s s e l e c t e d for p u r c h a s e，i n s t a l l a t i o n，a n d o p ‘ 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 1 作 暑简介 R a i e r K u r z ， 男， 德裔美国 人， 系统分析经理， 工学博士， 主 要从事涡 轮机械及应用研究。 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 26 2 0 1 5 年0 2 月 e r a t i o n，e f fic i e n c y i s o n l y o n e p a r t ，a l b e i t a n i mp o rta n t o n e， o f t he o v e r a l l e c o n o mi c e q u a t i o n． Ot h e r ，e q ua l l y i mpo r t a n t f a c t o r s we wi l l di s c u s s a r e t h e r e l i a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y o f t he e q u i pme n t ． ma i n t e n a n c e c o s t s， f u t u r e c a p i t a l c o s t s ，i n i t i a l e q u i p me n t c o s t ，i n s t a l l a t i o n c o s t ，a n d o t h e r o p e r a t i n g c o s t s o v e r t he p r e d i c t e d l i f e s p a n o f t h e e q u i p me n t ． 然 而 ， 对 于已选定 、 采购 、 安装并投入 运营 的驱动机 或压缩机等设 备而言 ， 效 率 即使是对 其整体经济性 有重 要影 响 ， 但 也仅仅是众 多影响 因素中的一个 因素 。其它 同等重要 的因素还包 括设备 的可 用率 以及可靠 性 、 维护 费用 、 未来建设成 本 、 初始机组 购置成本 、 安装成本 和机 组在预计使用寿命期间 的其它运行费用 。 T h e c o s t o f f u e l r e q u i r e d f o r c o m p r e s s i o n w h i c h i s d i r e c t l y i n f l u e n c e d b y t h e e f f i c i e n c y o f t h e e q u i p m e n t ， i s ， i n mo s t c a s e s s ma l l c o mp a r e d t o t h e v a l u e o f t h e p r o d u c t b e i n g c o mp r e s s e d，o r e v e n t h e v a l u e a d d e d b y t h e c o mp r e s s i o n p r o c e s s ．T h i s i s i n t u i t i v e l y o b v i o u s ， b e c a u s e i n mo s t i n ‘ s t a n c e s，n o b o d y wo u l d s p e n d mo n e y o n a c o mp r e s s i o n p r o i e c t i f t h e f u e l c o s t a l o n e we r e h i g h e r t h a n t h e v a l u e a d d e d t o t h e p r o d u c t ． I n a t y p i c a l p i p e l i n e c o mp r e s s o r s t a t i o n t h e f u e l c o n s u mp t i o n i s o n l y f r a c t i o n s o f a p e r c e n t o f t h e g a s p u mp e d t h r o u g h t h e s t a t i o n b u t o v e r t h e e q u i p me n t ’ s l i f e c y c l e c a n be a s i g n i fi c a n t f a c t o r i n t h e e c o n o mi c e v a l u a t i o n ． 对于 大多数工程 ， 增 压过程 中所消耗 的燃 料气 成本 直接 受机组 的效 率影响 与需增 压 的天 然气 的价值 或 经增 压后增加 的价 值 比起来 是很小 的一部 分 ， 这是很 显 然 的 ， 因为绝 大多数 情况 下 ， 如 果一个 增 压工程 仅燃 料 气 成本就高 于产品气增压 后的价值 ， 那 就没人愿意 花钱 建 设这个工程 了。对于一个 典型的长输 管线压气 站 ， 燃 料 气耗量仅 占该 站所输送 天然气量 的很 小一部分 ， 但若 考虑管道整个运行生命周期， 耗气量却是其整体经济性 评 价中的一个 重要影响因素 。 Th e v a l u e for t he p i p e l i n e o p e r a t o r i s o ft e n n o t t h e ma r - k e t v a l u e o f t h e g a s ，b u t the r e v e n u e g e n e r a t e d a s s t r u c t u r e d b y t h e p i p e l i n e’ s c o n t r a c t t r a n s p o r t a t i o n r a t e s o r r e g u l a t e d g a s t a r i ff． Co n v e r s e l y a n y p e n a l t i e s t h e p i p e l i n e o p e r a t o r ma y h a v e t o p a y i f t h e g a s c a n’ t b e d e l i v e r e d wi l l r e d u c e t h e r e v e n u e g e n e r a t e d ．Th u s，i t b e c o me s c l e a r t h a t b e i n g a b l e t o c o mp r e s s g a s ma y t r u mp t h e e ffi c i e n c y i s s u e ． Ho we v e r ，o v e r t i me t h e f u e l c o s t c a n b e a l a r g e p a rt o f t h e o v e r a l l c o s t o f 0 p e r a t i o n a n d s h o u l d b e c o n s i de r e d i n t h e e c o n o mi c e v a l u a t i o n ． I t i s i mp o rta n t t o a c k n o wl e d g e t h a t e q u i p me n t i n g e n e r a l p r i ． ma r i l y o n l y e a r n s mo n e y for t h e o p e r a t o r wh e n i t i s c a p a b l e o f b e i ng u t i l i z e d． Th u s t h e r e l i a b i l i t y a nd a v a i l a b i l i t y o f t h e e ． q u i p me n t c a n a l s o b e a c o n s i d e r a b l e c o mp o n e n t for c o n s i d ． e r a t i o n i n t h e e c o n o mi c e v a l u a t i o n． Th e a v a i l a b i l i t y a n d r e l i - a b i l i t y o f e q u i p me n t t o o pe r a t e wh e n r e q u i r e d，r a t h e r t ha n b e i n g s h u t d o wn for p l a n n e d o r u n p l a n n e d ma i n t e n a n c e，c a n ha v e a h u g e i mp a c t o n t h e p r o fit a b i l i t y o f t h e o p e r a t i o n． 管道 运行 单位 所获 得 的价值 通常并 不是 产 品气 的 市场价 格 ， 而是合 同中 的输送 定价或可调节 的管输费 所 带来 的收入 。相反 ， 若产品气未按要求输送 ， 运行单位则 会被罚款 ， 相应 收入也会减少 。因此毋庸置疑的是 ， 保 证 能够输气 比机 组效率更重要 。但是从长远来 看 ， 燃料 气 消耗成本将在 整体运行成 本中 占很大部 分 ， 因此燃 料气 消耗成本应被 纳入经济性 评估 。必须 强调的是 ， 通 常而 言压缩机组 只有运转 起来才能为运行单位创造价值 ， 因 此压缩 机组 的可 靠性 和可用率 同样 应被 纳入 经济 性评 估 。压缩机组 的可用 率和可靠性对 于管道运行 的盈利能 力影 响很大 ， 也就是 说当需要它们 运行时就 能运行而不 是 由于计划 内或计划外 的维护而停下来 。 Emi s s i o n s r e g u l a t i o n s ，o r t h e c a r b o n f o o t p rin t o f a p r o i e c t ，c a n a l s o b e a s i g n i fi c a n t c o s t f a c t o r t o c o n s i d e r i n t h e s e l e c t i o n o f e q u i p me n t ．Th e e q u i p me n t s e l e c t e d wi l l d e f i - n i t e l y n e e d t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d e mi s s i o n l e v e l s ． T h e i m p a c t t h e e mi s s i o n s r e d u c t i o n me t h o d s u t i l i z e d o n o r s e l e c t e d f o r t h e e q u i p me n t wi l l h a v e o n t h e o v e r a l l f u e l u s e s h o u l d a l s o b e c o n s i d e r e d． Di f f e r e n t e mi s s i o n s r e d u c t i o n me t h o d s c a n ha v e v a r y i n g a f f e c t s o n t h e e q u i p me n t ’ s e f f i c i e n c y a n d r e s u i t i n g f u e l us e ． 在做设备选 型时 ， 另一个影响成本 的重要 因素就是 污染物排放规范或碳排放限制 。选定 的机 组必须 满足排 放要求 ． 因此还必 须考虑机组选 用的减排措施 对整个燃 料气耗 量 的影 响 ， 不 同减排措施 对机组效 率和燃料气 消 耗量也会不 同。 C o s t e s t i m a t e s fo r a l l o f t h e s e p r o j e c t p a r a m e t e r s a r e me a s u r a b l e，g i v e n s u f fi c i e n t e f f o rt，a n d s h o u l d b e i n c l u d e d i n t h e p r o j e c t e v a l u a t i o n p h a s e ． T h e a c t u a l f u t u r e p r i c e o f f u e l ，ma i n t e n a n c e c o s t s ，c a p i t a l c o s t s，a n d t h e r e l i a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y o f t h e e q u i p me n t ma y n o t be f u l l y r e a l i z e d a t t h e o f f s e t o f t h e p r o j e c t ． H o w e v e r ， e s t i m a t e s b a s e d o n e x p e r i e n c e a n d t r e n d i n g c a n b e ma d e a n d i n c l u d e d i n t h e e v a l u a t i o n ． Th e s e e s t i ma t e s c a n a l s o i n c l u d e pr o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n s for t h e a c t u a l o c c ur r e n c e o f s p e c i fi c v a l u e s i f d e s i r e d ． Fo r e x a m． p i e ， t h e g a s p r i c e ma y b e e s t i ma t e d a t 6 8 ／ I MB T U． w i t h a c e rta i n p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n， s o t h e r e i s a c e rta i n p r o b a b i l i t y t h a t t h e g a s p r i c e i s b e t we e n 5 ．9 0 a n d 6 ． 1 0 MMBT U ． a n o t h e r s ma l l e r p r o b a b i l i t y t h a t t h e g a s p r i c e i s b e t w e e n 5 ． 7 a n d 5 ． 8 9 ， I MB T U， a n d s o o n ． S i mi l a r c o n s i d e r a t i o n s a p p l v t o a l l i n p u t v a ria b l e s t h a t h a v e t o b e c o n s i d e r e d i f l i f e c v c l e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷 第 1期 OI L AND GAS TR ANSP OR TA TI ON AND ST ORAGE c o s t o r a n y o t h e r e c o n o mi c p a r a me t e r i s t o b e d e t e r mi n e d ． 上述因素的成本估算只要做足工作均可量化 ． 并应 被纳入 项 目评估 阶段 。在 工程建设 初期 ， 我们未必 能准 确预 测后期 实 际燃料 气价 格 、 维护 费用 、 建 设 费用 以及 机组 的可 用率 和可靠 性 ，但 可根 据经 验 和趋 势进行 估 算 ， 并将其纳入经 济评估 中 。如果需要 ， 这些估算值也可 通过实际工程中一些具体值的正态分布来得到。例如 ， 天然气价格估计值 为 6 ／ MM B T U，以此展开一个 正态分 布 ，那 么天然 气 价格 就会 有一 定 的概 率 出现在 5 ． 9 0～ 6 ． 1 0 ／ MMB T U这个范 围内 ． 出现在 5 ． 7～ 5 ． 8 9 ／ MMB T U 这个价格 范 围内的概率则 稍小 ， 以此类推 。若需考量 整 个 生命 周期 的成 本或其他 经济评估 参数 ， 则 可将类 似方 法应用于所有相关输入变 量。 2 Ca p i t a l Co s t 建设成本 C a p i t a l c o s t f o r a p r o j e c t c o n s i s t s o f fi r s t c o s t a n d i n s t al- l a t i o n c o s t ． Fi r s t c o s t n o t o n l y i n c l u d e s t h e c o s t f o r t h e d r i v e r a r i d c o mp r e s s o r，a n d t h e i r s k i d o r f o u n d a t i o n，b u t a l s o t h e n e c e s s a r y s y s t e ms t h a t a r e r e q u i r e d for o p e r a t i n g t h e m ，i n - c l u d i n g fil t e r s，c o o l e r s，i n s t r u me n t s ，a n d v a l v e s ，a n d，i f r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r s a r e u s e d，p u l s a t i o n b o t t l e s ．Ca p i t a l s pa r e s ，o p e r a t i o n a l s pa r e s ，s t a r t u p a n d c o mmi s s i o n i n g s p a r e s a l s o h a v e t o b e c o n s i d e r e d ． 压气站 的建设 成本包括 机组购置 成本和 安装成 本 。 机 组购 置成本 不仅包 括驱 动机 和压缩 机及 其底 橇／ 基 础 的费用 ，还 包括设 备运行所 必需 的辅助系统 的费用 ， 如 过滤设施 、 空冷器 、 仪表 、 阀 门等 ， 如使用往 复压缩 机 ， 还 包括缓冲罐 的费用 。关键备件 、 运行备 件 、 启 机及试投产 所 需备件也属于机组购置成本 的范畴。 Ahh o u g h n o t i n t ui t i v e l y o b v i o u s ， t h i s i s a l s o t h e a r e a t h a t i s a f f e c t e d b y d r i v e r d e - r a t e s d u e t o s i t e a mb i e n t t e mpe r a t u r e a n d s i t e e l e v a t i o n Th e p o we r d e ma n d o f t h e c o mp r e s s o r ha s t o b e me t a t s i t e c o n d i t i o n s ， n o t a t I S O o r NEMA c o n d i t i o n s ． 还有一 点值得 注意 的是 ， 驱动机 因环境 温度 和海拔 引起 的功率折减也 对机组 购置成本 有一定影 响 ， 因为压 缩机所 需功率必 须是满 足机组现 场环境条件 下 的需 求 ， 而不仅仅是满 足 I S O或 N E MA条件 下的需求 。 I n s t a l l a t i o n c o s t i n c l u d e s a l l l a b o r a n d e q u i p me n t c o s t t o i n s t a l l t h e e q u i p me n t o n s i t e ． I t i s d e t e rm i n e d b y c o mpo n e n t we i g h t s ，a s we l l a s t h e a mo u n t o f o p e r a t i o ns n e c e s s a r y t o b rin g t h e s h i pp e d c o mp o n e n t s t o wo r k i n g c o n d i t i o n ． 安 装成 本包 括人 工 及现 场安 装机 组所 需 的安 装设 备使用成本。这由各种组件的重量和将运输来的部件组 装调试到工作状态所需次数决定。 油耋 兰 i 储运 3 Ma i n t e n a n c e Co s t 维护费用 Ma i n t e n a n c e c o s t i n c l u d e s t h e p a r t s a n d l a b o r t o k e e p t h e e q u i p me n t ru n n i n g a t o r a b o v e a c e r t a i n p o we r l e v e 1 ． Th i s i n c l u d e s r o u t i n e m a i n t e n a n c e 1 i k e c h a n g e o f l u b e o i l a n d s p a r k p l u g s i n g a s e n g i n e s ，a n d o v e r h a u l s ． Ma i n t e n a n c e e v e n t s c a n b e s c h e d u l e o r c o n d i t i o n b a s e d ． A C O S t r e l a t e d t o ma i n t e n a n c e e f f o r t i s t h e c o s t d u e t o t h e u na v a i l a b i l i t y o f t h e e q u i p m e n t s e e b e l o w ． Ma i n t e n a n c e af f e c t s a v a i l a b i l i t y i n t wo wa y s Ma n y，b u t n o t a l l ma i n t e n a n c e e v e n t s r e q u i r e t h e s h u t d o wn o f t he e q u i p me n t ，t h u s r e d u c i n g i t s a v a i l a bi l i t y ． S c h e d u l e d ma i n t e n a n c e h a s u s ua l l y l e s s o f a n e f f e c t t ha n a n s c h e d u l e d e v e n t s ．Fo r e x a mp l e，a s c h e d u l e d o v e r h a u l o f a g a s t u r b i n e ma y k e e p t h e e q u i p me n t o u t o f o p e r a t i o n for o n l y a f e w d a y s i f a n e n g i n e e x c h a n g e p r o g r a m i s a v a i l a b l e ． 维 护费 用是 指将 设备 保持 在一 定功 率等 级或 更 高 等级 运行时所需 零部件更换 及维护 的费用 ， 这主要包 括 E l 常维护 如润 滑油和燃气 发动机 火花塞 的更 换等 及 大修 。 机组维 护可按计划进行也可视情维护。 设备若不 能 使用就会产生相关 的维护费用 。机组维护对其 可用率 影 响主要有两方面 大多数 并非所有 维 护均须停 机进 行 ， 由此降低 了设备可用率 ；计划 内维修通 常比计划外维修 对设备可用率 的影 响小 ，例如燃气轮机 的定期 大修在 厂 家能提供交换机组大修 的模式下 ，设备仅须停 运短短 的 几天时间。 On t h e o t h e r h a n d，i n s u ffi c i e n t o r i mp r o p e r ma i n t e - n a n c e n e g a t i v e l y a f f e c t s t h e a v a i l a b i l i t y d u e t o mo r e r a p i d p e r f o rm a n c e d e g r a d a t i o n，a nd h i g h e r c h a nc e o f u n p l a n n e d s h u t d o wn s ． 另 一方面 ， 维 护不足或 不 当会加快 机组性 能的下 降 速率 并加大 意外停机 的几率 ， 从 而对机组可 用率造成 负 面影 响。 4 Eff i c i e n c y ， Op e r a t i n g Ra n g e a n d F u e l Co s t 效 率、 运行范 围及燃料气 消耗 Th e p e rfo r ma n c e p a r a me t e r s o f t h e c o mp r e s s o r a n d i t s d riv e r t ha t a r e i mp o rta n t f o r t he e c o n o mi c e v a l u a t i o n a r e e f f i c i e n c y a n d o p e r a t i n g r a n g e ． Effic i e n c y u l t i ma t e l y me a n s t h e c o s t o f f u e l c o n s u me d t o b rin g a c e rta i n a mo u n t o f g a s f r o m a s u c t i o n p r e s s u r e t o a d i s c h a r g e p r e s s u r e ． I n t e c h n i c a l t e r ms， t h i s wo u l d b e a p a c k a g e wi t h a h i g h t h e r ma l e ffi c i e n c y o r l o w h e a t r a t e for t h e d r i v e r ， a n d a h i g h i s e n t r o p i c e ffic i e n c y o f t h e c o mp r e s s o r ，