天然气增压站经济优化：管道与增压站选型-.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷 第 3期 OI L AND GAS TRANSP ORT AT l ON AND ST ORAGE 台3 0 MW机组， 其中 1台机组失效， 将导致可用功率减 少 5 0％； 然而 如果考 虑 3台 2 0 MW 机组 ， 其 中 1台机组 失效 ， 将仅 导致可用功率减少 3 3％。图 2说 明如果 1台 机组失效后， 剩下的机组会尽可能满负荷运行来保证输 气 量 ， 案例 B中的压缩机工作点将靠 近高效区 ， 而案例 A 中剩下 的压缩 机将会 运行在 阻塞 区附 近。显 然 ， 案 例 B 的管线恢复时 间更短 。 Ba s e d o n a n a n a l y s i s b y S a n t o s [ 一 ．C a s e A c a n r e p r e s e n t e v e n mo r e p r o b l e ms ． Th e a mo u n t o f g a s t h a t t h e s i n g l e r e ma i n i n g 3 0 MW u n i t wi l l h a v e t o p r o c e s s i s s o b i g t h a t i t wi l l p u t t h i s r e ma i n i n g u n i t i n t o c h o k e， a n d t h u s f o r p r a c t i c a l p u r p o s e s o u t o f o p e r a t i o n． Th e a mo u n t o f f u e l t h a t t h e r e ma i n i n g u n i t i s g o i n g t o b u r n wi l l n o t j u s t i f y t h a t n e g l i g i b l e i n c r e a s e i n h e a d t h a t t h i s u n i t wi l l p r o v i d e ．S o， p r a c t i c a l l y， wh e n o n e l a r g e r t u r b o c o mp r e s s o r wi l l b e o u t o f o p e r a t i o n， t h e s e c o n d wi l l h a v e t o b e s h u t d o wn a n d t h e s t a t i o n wi l l be b y p a s s e d． S t a t i o n c o n fi g u r a t i o n s wi t h t h e s i n g l e o v e r s i z e d r i v e r a n d e i t h e r n o s t a n d b y o r s t a n d b y o n e a c h s e c o n d o r t h i r d s t a t i o n a r e o f t e n a d v o c a t e d． Th e a r g u me n t s i n f a v o r o f t h i s me t h o d a r e v e r y h i g h p i p e l i n e a v a i l a b i l i t y 9 9 ． 5％ a n d h i g h e f f i - c i e n c y 4 0％ ～4 2％ o f t h e l a r g e r 3 0 MW t u r b o c o mp r e s s o r u n i t s ． I n f a c t ． d e s i g n i n g for a t u r b i n e o v e r s i z e d b y 1 5 ％ wi l l l e a d t o n o r ma l o p e r a t i o n s a t p a r t l o a d c o n d i t i o n s a l mo s t a l l t h e t i me 9 9 ． 5％w h e r e t h e r e wi l l b e n e g a t i v e i mp a c t o n t u r bi n e e ffi c i e n c y a n d， a s a r e s u l t o f i t ， i n c r e a s e d f u e l c o n s u mp t i o n ．An o t h e r n e g a t i v e i mp a c t o f t h i s a p p r o a c h i s t h a t n o r ma l l y t h i s p i p e l i n e wo u l d o p e r a t e a t l o we r t h a n MAOP p r e s s u r e， wh e r e a s t h e h i【 g h e s t o p e r a t i o n a l p i p e l i n e p r e s s u r e p r o d u c e s l e s s p r e s s u r e l o s s e s a n d， t h e r e f o r e， l o we r r e q u i r e - me n t s for t h e r e e o mp r e s s i o n p o we r ． T h e r e a s o n f o r t h a t i s t h e ma i n t e n a n c e s c h e d u l e for t h e t u r b o c o mp r e s s o r s o n t h e s t a t i o n s wi t h t h e s i n g l e u n i t s wi t h o u t s t a n d b y． I n o r d e r t o p e r ma i n t e n a n c e o n t h e s e u n i t s t h e p i p e l i n e， l i n e p a c k wi l l h a v e t o b e ma x i mi z e d u p t o MAOP， s o t h a t u n i t c a n b e t a k e n o ff l i n e a n d t h e p i p e l i n e t h r o u g h p u t wi l l n o t b e i mp a c t e d ． Th e r e f o r e， t h e n o rm a l p i p e l i n e o p e r a t i o n s h a v e t o b e b a s e d o n a l o we r MAOP． Al s o wo r t h me n t i o n i n g i s t h e p i p e l i n e c a p a c i t y wh e n c o n s i d e r i n g t h e s i n g l e t u r b o c o mp r e s s o r a p p r o a c h ． Ma n y p i p e l i ne s t r a n s p o r t g a s o wn e d a n d p r o d u c e d b y d i f f e r - e n t c o mme r c i a l e n t i t i e s ． As s u c h t h e g a s fie l d s d e v e l o p me n t t i me a n d g a s a v a i l a b i l i t y d e p e n d s o n ma n y t e c h n o l o g i c a l a n d， l a t e l y， p o l i t i c a l f a c t o r s t h a t ma y p o t e n t i all y h a v e n e g a t i v e i mp a c t o n p i p e l i n e p r e d i c t e d c a p a c i t y g r o wt h．I n t h e s e c o n d i t i o n s t h e s i n g l e o v e r s i z e d t u r b o c o mp r e s s o r wi l l b e e i t h e r wo r k i n g i n t o d e e p r e c y c l i n g mo d e u n t i l t h e e x p e c t e d a mo u n t 油号储运2 5 o f g a s wi l l b e c o me a v a i l a b l e o r s t a rt o p e r a t i o n wi t h s ma l l e r c a p a c i t y c o mp r e s s o r s t a g e s wh i c h wi l l s u b s e q u e n t l y r e q u i r e a c o s t l y c h a n g e o f t h e i n t e r n a l b u n d l e ． 根据 S a n t o s S P - 3 ] 的分 析 ， 案例 A可能带来更多 问 题 。由于剩 下 1台 3 0 M W 机组需 要处理 的气量 太多导 致机组 出现拥塞 ， 因此 实际 上不能 正常运 行 。剩下 机组 消耗的燃料气很多但却只能提供微小能头 的增加。所 以实际上 ， 当 1 台较大的透平压缩机失效后 ， 第 2台机组 将不得不停机 ， 气体 只能越 站输送 。通 常情 况下一 般提 倡压气站配置较大 的驱动机 功率备用 且无备 用机组 ， 或配置合适功率 的驱 动机 ， 在 其后 第 2或第 3个站 场考 虑备用机组。支持这种配置的理论是 ， 管线有非常高的 可用率 9 9 ． 5％ 及 3 0 M W 大机组较高的效率 4 0％～ 4 2％ 。实 际上 ， 透平设计 超 出正常功 率 1 5％ 的裕 量就 会使得燃机在 几乎 所 有 9 9 ． 5％ 运行 时 间 内一 直 处在 部分负荷状态下， 这不仅会影响透平的效率， 还会增加 燃料气消耗 。该方法 的另一 负面影 响在于 ， 这种配 置还 会使管线的运行压力一直低于 M A O P ， 我们知道管线的 运行压力越高 ， 产 生 的压损 越 小 ， 再 增压 需 要 的功 率也 越小 。导致这个 问题 的原 因是 无备 用 的单 机 组 的维 护 无法得到保证 。为 了对 管线 上的这 些机组 进行 维修 ， 需 要使管道储气量在最高运行压力下达到最高， 然后才能 停下机组 ， 这样管线 的输送能力才不会受到影响。因 此 ， 通常情况下管 线都在低 于 M A O P工 况下运 行。 同样 值得一提的是单台透平压缩机组方案时管道的输送能 力 。许多管线输 送 的 天然气 分 别 由不 同单 位 生产 以及 拥有 ， 这些气 田的开发 时间进 度与 天然气 的外输量 由许 多技术 的、 政治 的因素 决定 ， 这 些 因素很 可能对 管 线远 期达到设计输量 的能力产 生负面影 响 。在 这些情 况下 ， 单台较大透平 压缩 机要 么会 一 直 打循环 运 行直 到 达 到 预期输气量 ， 要么开始 时安装 一个处 理低流 量工况 的压 缩机机芯 ， 但是随后换大流量机芯又会增加投 资成本 。 3 F u e I Co mp a r i s o n 燃料 比较 I t i s i n c r e a s i n g l y i mp o rta n t t o e v a l u a t e a l l s e a s o n s c o n d i t i o n s wh e n ma k i n g a c o mp a r i s o n b e t we e n t wo d i f f e r e n t s t a t i o n l a y o u t c a s e s ． F o r t h e s u b j e c t p i p e l i n e d i f f e r e n t d e s i g n o r g a n i z a t i o n we r e i n v o l v e d i n t h e p i p e l i n e f e a s i b i l i t y s t u d y ． On e o f t h e m h a s u s e d s u mme r c o n d i t i o n s o n l y a n d c a me t o t h e c o n c l u s i o n t h a t l a r g e r t u r b i n e s a r e p r e f e r r e d o p t i o n． An o t h e r s o u r c e u s e d a n n u a l a v e r a g e c o nd i t i o n s a n d c a me t o t h e o p p o s i t e c o n c l u s i o n． T h e r e a s o n f o r t h a t wa s t h e f a c t t h a t d u r i n g wi n t e r ， f a l l ， a n d s p r i n g mo n t h s ， wh i c h c o v e r t o t a l o f 9 o u t o f 1 2 mo n t h s o f o p e r a t i o n， o n e o f t h e s ma l l e r t u r b c o mp r e s s o r s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 26 天然号与石油 NA T UR AL GAS A ND O I L 2 O 1 5年 O 6月 wa s p u t i n t h e s t a n d b y mo d e ． Du e t o l o we r a mb i e n t t e mp e r a t u r e t h e a mo u n t o f p o we r a v a i l a b l e f r o m t h e r e ma i n i n g 2 u n i t s wa s e n o u g h t o c o v e r t h e 1 0 0％ d u t i e s d u e t o h i g h c o mp r e s s o r e f f i c i e n c y ． T h i s w a s n o t t r u e f o r t h e C a s e 1 b a s e d o n s a me e x p l a n a t i o n a b o v e a n d b o t h 3 0 MW u n i t s h a d t o w o r k i n t h e d e e p p a r t l o a d wi t h u n s a t i s f a c t o r y t u r b i n e e f f i c i e n c y ． Th e f a c t t h a t o p e r a t i o n a l mo d e b e c a me 22 for Ca s e B g a v e a d d i t i o n a l b e n e fit s wo r t h me n t i o n i n g ．S i n c e t wo t u r b o c o mp r e s s o r s we r e i n s t a n d b y mo d e t h e r e wa s a n o p p o r t u ni t y t o d o a l l ma i n t e n a n c e wo r k d u r i n g t h i s t i me o f t h e y e a r ． I t me a n s t h a t a - v a i l a b i l i t y o f t h i s s y s t e m b e c o me s s u p e r i o r c o mpa r e t o Ca s e A， e s p e c i a l l y i f we we r e t o c o n s i d e r s u mme r mo n t h s o f o p e r a - t i o n s ． 比较两种不 同站场 布置案例 时 ， 评估所 有季 节 的工 况越来越重要 。之前 所 述 的管道 项 目有不 同的机 构参 与 了前期 的管道 可行 性 研究 。其 中一 个机 构 仅考 虑 了 夏季工况 ， 然后就得 出结论认 为大机组 更优 。另 一个组 织则考虑 了年平 均工 况 从而 得 出了相 反 的结 论。其原 因在于 ， 冬季 、 秋季与春 季在 1年 中共 占了 9个 月 ， 这段 时间内其中较小机组中的 1 台则处于备用状态。当环境 温度较低时 ， 且 由于压缩机 的效率很高 ， 剩下 2台机组 的 出力就能覆盖 1 0 0％负荷运行。以上论 述对案 例 A不适 用 基于上面 同样 的解释 ， 2台 3 0 M W 机组 都在相 当低 的部分负荷下运行 ， 且燃机 效率不佳 。案例 B操作模式 变为 2 2带来的另一个 好处 也值得 一提 。由于 2台机 组处于备用模式 ， 这就有机会在同一年对所有机组进行 维修工作 ， 这意味着系统的可用率远远高于案例 A， 特别 是在考虑夏季工况 的情况下 。 4 Ma in t e n a n c e a n d Ov e r h a u ls 维护 与大修 An o t he r a d v a n t a g e o f o p e r a t i n g o n l y 2 o u t o f 4 u n i t s f o r a s i g n i fi c a n t p a r t o f t h e y e a r i ． e ． 9 o u t o f 1 2 mo n t h s i s t h e e x t e n d e d t i me b e t we e n o r e r ha u l s ． Ba s e d o n t h e c a l c u l a t i o n s b e l o w． t h e t o t a l n u mb e r o f h o u r s f o r e a c h t u r b o c o mp r e s s o r u - n i t p e r y e a r wa s r e d u c e d fro m 6 5 7 0 t o 4 9 2 8 a n d， t h e r e f o r e， t h e t i me b e t we e n o v e r h a u l s c o u l d b e e x t e n d e d． Ba s e d o n 3 1 u n i t s o p e r a t e d u r i n g 3 s u mme r mo n t h s a n d 22 u n i t s 0 p - c r a t i n g d u r i n g t h e r e s t o f t h e y e a r 9 m o n t h s ， i f t h e u n i t s we r e u s e d s o t h a t t h e y a l l r a n e x a c t l y t h e s a me n u mb e r o f h o u r s e a c h y e a r ， e a c h u n i t wo u l d run for 4 9 2 8 h o u r s e v e ry y e a r ． W h e r e a s i f we a c c o u n t for 3 wo r k i n g u n i t s wi t h o n e s t a n d b y t h r o u g h o u t t h e y e a r t h e n u mb e r o f wo r k i n g h o u r s wi l l b e a s f o l l o ws 8 7 6 0 x 3 u n i t s run n i n g2 6 2 8 0／ 4 u n i t s a v a i l a b l e 6 5 7 0 t o t a l h o u r s p e r u n i t ／ y e a r ． 配置 4台机组而大部 分时 间 如 1年 中 9个 月 的时 间 只运行其 中 2台机组 的另一个优 势是可 以延长 大修 的间隔时间 13 历时 间间隔 而不是 燃机运行 时间 间隔 。 基于以下计算 ， 每台燃压机组每年的运行时间由 6 5 7 0 h 减少 到 4 9 2 8 h ， 因此 ， 大修 间隔将 扩 大。基 于夏 天 3个 月 31 运行 ， 其余 9 个 月 2 2运行 ， 如果机组每年运行 的时 间相 同 ， 每 台机组将运行 4 9 2 8 h 。然 而如果我们 整 年 31 运行 ， 运行时 间如 下 8 7 6 0 x 3 2 6 2 8 0 ， 每 台机 组平均运行 时间 2 6 2 8 0 ／ 4 6 5 7 0 。 No t e t h a t a l l u n i t s run for a n e q ua l n u mb e r o f h o u r s t o ma k e t h e c a l c u l a t i o n s i mp l e ．Ho we v e r ， t h e c u s t o me r c o u l d p u s h l e a d ma c h i n e s t o r e a c h t h e a g r e e d t i me b e t w e e n ma j o r i n s p e c t i o n s T B I f i r s t ， s o t h a t a l l e n g i n e s d o n o t c o me u p for o v e r h a u l a t t h e s a me t i me， t h i s wo u l d h e l p wi t h t h e o v e r h a u l c o s t ， h e l p i n g t o d i s t rib u t e t he o v e r h a u l c o s t o v e r t h e 3 0 y e a r c y c l e ． W e c a n e v e n ma k e s t e p f u r t h e r a n d wi l l s e e a d d i t i o n a l b e n e fit s o f t h i s a p p r o a c h ． Ac c o u n t i n g f o r t h e n o r ma l y e a r a r o u n d o p e r a t i o n wi t h 3 u n i t s o n l i n e， e a c h t u r b o c o mp r e s s o r wi l l g e t 6 5 7 0 x 3 0 y e a r1 9 7 1 0 0 r e q u i r e d h o u r s o f o p e r a t i o n s ． Wh e r e a s c o n s i d e r i n g 22 s e t u p for 9 mo n t h s t h e t o t a l n u mb e r o f t he r e q u i r e d h o u r s o f o p e r a t i o n s r e d u c e d d o wn t o 1 4 7 8 40 h o u r s ． Wi t h mo d e l T l t u r b i n e s t e c h n o l o g y i t i s n o t u n c o mmo n t o s e e t h a t l i f e t i me o p e r a t i o n r e a c he s 1 5 0 0 0 0 h o u r s ． I t me a n s t h a t for t h e l i f e t i me o f t h i s p r o j e e t 3 0 y e a r s t h e r e wi l l b e n o n e e d t o b u y n e w s e t o f e q u i p me n t ． Th i s a l o n e ma k e s h u g e f a v o r a b l e i mp a c t o n p r o j e e t s e c o n o mi c s ． 注意， 我们假设每台机组运行的时间都相同会使计 算更简便。然而 ， 用户需使第 1台机组在重要检测前到 达规定运行 时间 T B I ， 因此所 有燃气 轮机 就不会 同时 到达 大修 ， 这有益 于节约 大修费用 以及分配 3 0年的大修 费用 。我们甚至可 以进 一步分 析 ， 将会 发现这 种方 式带 来 的额外好处 。3台机组 运行 ， 每 台透平压 缩机 机组 将 运行 6 5 7 0 3 0 a 1 9 7 1 0 0 h ， 我 们假定 9个月 2 2 ， 总 的运 行时间降至 1 4 7 8 4 0 h 。对于现 代透平技术 ， 工 作寿 命 到达 1 5 0 0 0 0 h 并不 是不 常见 。这意味着 对于这 个项 目的全寿命运行期间 3 0年 不需要再购买新的设备， 仅 这一点就对 项 目的经济性 产生 了巨大影 响。 5 St a t i o n v e r s u s S y s t e m Av a i la b i lit y 站与系统 可用率 i t i s i mp o r t a n t t o r e c o g n i z e t h e d i fie r e n e e b e t we e n s t a t i o n a n d p i p e l i n e a v a i l a b i l i t y ． F o r e c o n o mi c a s s e s s me n t s， mi s u n d e r s t a n d i n g t h i s i s s u e c a n l e a d t o t h e wr o n g c o n c l us i o n． S t a t i o n a v a i l a b i l i t y c a l c u l a t i o n s a r e e a s y， s t r a i g h t f o r wa r d a n d b a s e d o n s i mp l e s t a t i s t i c a l e q u a t i o n s ． I t i s e a s y t o s e e t h a t f e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷 第 3期 OI L AND GAS T RANSP ORT AT I ON AND S T 0RAGE we r u n i t s o n a c o mp r e s s o r s t a t i o n wi l l y i e l d h i g h e r a v a i l a b i l i - t y， a s s u mi n g t h e t h r e s h o l d f o r a v a i l a b i l i t y i s 1 0 0 ％ o f t h e flo w． Bu t i s t h i s t r u e for t h e e n t i r e p i p e l i n e s y s t e mTh e a n s we r i s n o t e a s y a n d r e q u i r e s a d d i t i o n a l i n v e s t i g a t i o n i n c l u - d i n g e x t e n s i v e h y d r o d y n a mi c a n a l y s i s u s i n g o f t h e s t a t i s t i c a l me t h o d o l o g y ． T h e Mo n t e C a r l o me t h o d S a n t o s ， 2 0 0 9h a s p r o v e d t o b e t h e g o o d me t h o d o l o gy t o d e t e r mi n e t h e p i p e l i n e s y s t e m a v a i l a b i l i t y ． Th e s t a t i s t i c a l p o r t i o n c o n s i s t s o f g e n e r a t i n g mu l t i p l e r a n d o m c a s e s o f e q u i p me n t f a i l u r e o n s i n g l e o r t wo c o n s e c u t i v e c o mp r e s s o r s t a t i o n s ． T h e h y d r o d y n a mi c p o r - t i o n wi l l c a l c u l a t e t h e ma x i mu m t h r o u g h p u t t h a t p i p e l i n e i s a v a i l a b l e t o c a r r y wh e n t h e s e f a i l u r e s o c c u r ．Ba s e d o n t h i s e x t e n s i v e a n d i n d e p t h a n a l y s i s i t c a n b e s h o wn t h a t a v a i l a ‘。 b i l i t y o f a p i p e l i n e， c o n f i g u r e d wi t h s ma l l e r mu l t i p l e u n i t s， d e l i v e r s b e t t e r o v e r a l l r e s u l t s ． Th e ma i n r e a s o n for t h a t o u t ． c o me i s t h e f a c t t h a t s h u t d o wn o f t h e s ma l l e r u n i t ma k e s l e s s ． e r i mp a c t o n t h e b e h a v i o r o f t h e e n t i r e p i p e l i n e ． Of c o u r s e， t o h a v e f a i r r e s u l t s， t h e a v a i l a b i l i t y o f t h e s i n g l e t u r b o c o mp r e s s o r u n i t ， e i t h e r s ma l l e r 2 2 MW o r l a r g e r s i z e 3 0 MW wa s i d e n t i c a 1 ． I t i s e a s y t o u n d e r s t a n d t h a t i n o u r p a r t i c u l a r c a s e t h e a v a i l a b i l i t y o f t h e s t a t i o n s e t u p w i t h s ma l l e r u n i t s c a s e B wa s g r e a t l y e n h a n c e d b e c a u s e o f t h e p r e s e n c e o f e x t r a s t a n d b y u n i t d u rin g wi n t e r a n d f a 1 1 | s p r i n g mo n t h s wh e n s t a t i o n s s e t u p h a s 22 c o n fi g u r a t i o n ． 认识到站场 可用 率 与 管线 可用 率 之 间 的不 同是 十 分重 要的 。对于经济评 估而 言 ， 若错误 理解 这个 问题 将 得 出错误 的结论 。站场 可 用率 计算 基 于简 单 的计 算 公