趙起龍

(中油遼河工程有限公司)

天然氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，是影響天然氣管網(wǎng)的施工進(jìn)度及質(zhì)量、保障天然氣管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要因素之一[1]。遼河油田天然氣管網(wǎng)有諸多特點(diǎn)，如管徑大、分布廣、毗鄰環(huán)保區(qū)、地下水位高、河流溝渠密集等，這對天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求。與以往天然氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)相比，遼河油田天然氣利用工程采用了多種新技術(shù)和新工藝，通過建立輸氣工藝模型，用軟件模擬輸氣參數(shù)變化特點(diǎn)，研究合理有效的穿越技術(shù)，達(dá)到優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)的目的。本文對此工程的管網(wǎng)優(yōu)化進(jìn)行分析，以期能為遼河油田今后的天然氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程背景及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 工程背景

遼河油田是中國最大的稠油生產(chǎn)基地[2]，稠油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的60%以上。在稠油熱采過程中，需要消耗大量燃料。目前，燃料主要使用原油和渣油，年消耗折合油當(dāng)量約為140×104t，致使遼河油田產(chǎn)出油的商品率下降，生產(chǎn)原油成本偏高。

遼河油田位于盤錦市，擁有亞洲最大的濕地資源，環(huán)保壓力大。天然氣替代原油后，平均每年減排SO2、煙粉塵和CO2分別為2 425 t、3 525 t和110×104t，環(huán)保效益非常顯著。天然氣利用工程就是在此背景下實(shí)施的，利用秦皇島-沈陽管道中的天然氣給遼河油田各采油廠供氣，該天然氣利用工程的設(shè)計(jì)輸氣量為29×108m3/a，橫跨盤錦、錦州、鞍山3市，管線全長約400 km。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

遼河油田天然氣管網(wǎng)有其自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：首先，遼河油田盛產(chǎn)稠油，稠油熱采過程中天然氣消耗巨大，氣網(wǎng)管徑較大；其次，遼河油田采油廠多，分布廣，天然氣管網(wǎng)建設(shè)比較復(fù)雜；再次，遼河油田所在地盤錦擁有亞洲最大的濕地，葦田多，環(huán)保壓力大；最后，遼河油田地處遼河的入?？冢仄狠^低(平均海拔1～3 m)，地下水位高，區(qū)域內(nèi)河流溝渠密集，不利于管線的施工。基于此，本工程在天然氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)上需進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足施工建設(shè)工期和運(yùn)行投產(chǎn)安全的要求。

2 建模及模擬計(jì)算

2.1 建立管網(wǎng)模型

用PipelineStudio TGNet 2.8軟件組建整個管網(wǎng)的供氣模型[3]。根據(jù)各采油廠年用氣量的不同，考察不同年份供氣系統(tǒng)的壓力溫度變化情況，并根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化管網(wǎng)布局及管徑，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供可靠的理論支持。供氣管網(wǎng)模型見圖1。

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述建立的模型，對干線管網(wǎng)模擬計(jì)算，同時優(yōu)化管徑，最終結(jié)果見表1。

表1 管網(wǎng)模擬成果表

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

3.1 “自平衡式”壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

作為給熱采鍋爐供氣的管網(wǎng)系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在保證用氣量和用氣壓力的前提下，要盡可能地減少工程投資，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全供氣。熱采鍋爐用氣有其自身的特殊性：

(1) 熱采鍋爐規(guī)格不同，存在多種負(fù)荷，導(dǎo)致每一地區(qū)的用氣量不相同。

(2) 同一地區(qū)、不同時段，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)需要，熱采鍋爐開啟的數(shù)量不一樣，導(dǎo)致用氣量不同。

(3) 移動式熱采鍋爐的應(yīng)用，增加了用氣量的不確定性。

(4) 用氣點(diǎn)分布較散，與調(diào)壓站的距離相差較大，近則幾百米，遠(yuǎn)達(dá)幾十公里，對壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求較高。

按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，在用氣末點(diǎn)設(shè)置調(diào)壓裝置，可以避免由于管線長度和壓力波動等原因?qū)е碌挠绊?。但是?jīng)過方案比選測算，傳統(tǒng)方式投資特別高。

在充分了解用氣特點(diǎn)后，依靠TGNET、HYSYS等模擬軟件，進(jìn)行了近百種工況的模擬計(jì)算，其中包括調(diào)壓站設(shè)置位置的模擬、鍋爐負(fù)荷不同的工況模擬、調(diào)整鍋爐開啟數(shù)量的工況模擬、增加移動式熱采鍋爐的工況模擬、不同用氣距離長度的工況模擬以及上述工況的組合模擬計(jì)算，最終決定采用“自平衡式”壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

“自平衡式”壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心內(nèi)容是以大量的工況模擬計(jì)算及經(jīng)濟(jì)比選成果為基礎(chǔ)，采用分片集中調(diào)壓的方式，滿足末點(diǎn)鍋爐用氣壓力在0.1～0.4 MPa之間的要求(其中大部分壓力在0.2～0.35 MPa之間)。此種方式不需要人工干預(yù)進(jìn)行二次調(diào)壓，讓管網(wǎng)、調(diào)壓站、用氣點(diǎn)內(nèi)部自動解決壓力匹配問題。調(diào)壓站建在油區(qū)負(fù)荷中心，水、電、消防等公用工程資源可以充分依托，站場運(yùn)行能夠得到保障。

“自平衡式”壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用，既滿足了末點(diǎn)用氣量變化和壓力波動的要求，又簡化了調(diào)壓系統(tǒng)，減少了調(diào)壓裝置的數(shù)量，節(jié)省了工程投資，同時兼顧了遠(yuǎn)期的發(fā)展，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行管理方面具有很大的優(yōu)勢。

3.2 小型定向鉆穿越方式的廣泛應(yīng)用

本工程管線主要在遼河油田區(qū)塊內(nèi)敷設(shè)，經(jīng)過的地區(qū)多為葦田和稻田，地下水位高，河流溝渠及油田管線等地下障礙物較多，需要穿越的地段較多。管線穿越如果多采用大開挖和頂管的方式，不僅施工受限制，施工質(zhì)量和工期難以保證，而且施工危險性增加、環(huán)境影響較大。基于此，本工程多采用小型定向鉆的穿越方式。小型定向鉆穿越方式對交通沒有任何影響，不會破壞地面上物體、地形和地貌，對環(huán)境幾乎沒有任何影響，符合環(huán)保要求；施工速度快，占地面積小，工程造價低，施工危險程度低，而且還減少了大量的協(xié)調(diào)工作和補(bǔ)償費(fèi)用，保證了施工工期和施工質(zhì)量。

3.3 采用同孔多管定向鉆回拖技術(shù)

此種技術(shù)的應(yīng)用在遼河油田光纜線路工程中尚屬首次。本次工程光纜線路沿線敷設(shè)采用與輸氣管道同溝敷設(shè)直埋光纜方式。管道沿線大多在遼河油田油區(qū)內(nèi)，地下管道和線纜縱橫，地下障礙物較多，在穿越大中型河流及道路時問題尤為突出。為了解決此類問題，本工程采用同孔多管定向鉆回拖技術(shù)。不同于以往與管道同溝敷設(shè)光纜(硅芯管)定向鉆穿越工程中一孔一管的回拖方式，同孔多管定向鉆回拖技術(shù)采用只建一處出入土點(diǎn)，回拖一條天然氣管線和一條Φ114 mm焊接鋼管(用于保護(hù)光纜)。減少了多管穿越導(dǎo)向孔施工次數(shù)，使施工場地不足和地下障礙物多等難點(diǎn)迎刃而解。實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的定向鉆穿越方法相比，該方法施工工藝簡單，可提高一次穿越成功率，降低施工風(fēng)險，減少穿越周期，同時降低了工程投資[4]。

同孔多管定向鉆穿越回拖施工技術(shù)可用于穿越場地地形、地貌復(fù)雜，地下管線等障礙物多的施工環(huán)境中，可以大大減小出土端與入土端的征地面積，適用于中小口徑多條管線穿越施工。

3.4 優(yōu)化傳統(tǒng)的管道布線方案

從設(shè)計(jì)、采購及施工等方面考慮，一般輸氣干線管徑統(tǒng)一?？紤]到本工程中民用氣負(fù)荷占天然氣用氣總負(fù)荷的比例較小，民用氣調(diào)峰依托上、下游管道完成。因此，我們根據(jù)各段用氣量的情況，在充分考慮后期發(fā)展需要的前提下，采用HYSYS、Pipeline Studio等軟件進(jìn)行管網(wǎng)工藝優(yōu)化，分段、分片計(jì)算，進(jìn)一步核減管網(wǎng)的管徑。同時降低了管線設(shè)計(jì)壓力，核減管線壁厚，優(yōu)化管線材質(zhì)。力求滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時，按照控制投資的要求并結(jié)合本工程實(shí)際情況，選擇既經(jīng)濟(jì)合理又能滿足安全施工和運(yùn)行要求的管徑、鋼級和壁厚。在管道強(qiáng)度計(jì)算方面，采用手工計(jì)算與應(yīng)力分析軟件CaesarⅡ相結(jié)合的方式[5]，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性和管道運(yùn)行的安全性，從設(shè)計(jì)上保證質(zhì)量，杜絕了安全隱患的產(chǎn)生。

3.5 站場工程采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

中國石油天然氣集團(tuán)公司一直積極倡導(dǎo)并推進(jìn)在油氣田地面建設(shè)工程中實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[6]，在此背景下，遼河油田天然氣利用工程將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念貫徹到整個設(shè)計(jì)當(dāng)中，積極推進(jìn)實(shí)行，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化。所有站場的工藝流程總體上都嚴(yán)格按照進(jìn)站緊急切斷、過濾、調(diào)壓、計(jì)量、出站切斷5部分設(shè)計(jì)。

(2) 統(tǒng)一平面布局。所有站場的平面布局統(tǒng)一分為裝置區(qū)、生產(chǎn)輔助區(qū)、放空區(qū)3部分。而每一站場根據(jù)氣量、壓力、管線設(shè)備的大小及站場方位的不同，占地面積也不一樣。

(3) 統(tǒng)一建筑風(fēng)格。所有站場的生產(chǎn)輔助用房的尺寸、房間次序、建筑風(fēng)格、裝修風(fēng)格等均保持一致，嚴(yán)格按照中國石油天然氣股份公司標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求執(zhí)行。

(4) 統(tǒng)一管線設(shè)備選型。站場內(nèi)的過濾分離器、調(diào)壓撬、閥門、流量計(jì)等工藝、電氣、儀表、熱工設(shè)備，采用同一類型、同一廠家的產(chǎn)品。

(5) 統(tǒng)一安裝形式。對站場內(nèi)的工藝、儀表、電氣、給排水、熱工暖通等專業(yè)的安裝位置、安裝形式等做了統(tǒng)一的規(guī)定和要求。

采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)質(zhì)量有保證，有利于提高工程質(zhì)量；可以減少重復(fù)勞動，加快設(shè)計(jì)速度；有利于采用和推廣新技術(shù)；便于統(tǒng)一采購，提高勞動生產(chǎn)率，加快建設(shè)進(jìn)度；還可以節(jié)約建設(shè)材料，降低工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益；便于日后的生產(chǎn)操作、維檢修和管理。

3.6 優(yōu)化成果

(1) 一步核減管網(wǎng)的管徑，同時降低了管線設(shè)計(jì)壓力，核減了管線壁厚，優(yōu)化了管線材質(zhì)，通過采取以上措施減少鋼材用量1 810 t,節(jié)省投資1 054萬元。

(2) 優(yōu)化總平面布置，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，站場占地面積減少4 953.3 m2，減少站房893.4 m2，節(jié)省投資約350萬元。

(3) 充分論證氣源、氣質(zhì)及各種管道運(yùn)行工況，取消了管網(wǎng)所有清管設(shè)施，節(jié)省投資125萬元。

(4) 將采暖爐由室外鍋爐改為室內(nèi)壁掛式鍋爐，并取消了補(bǔ)水泵，簡化了供熱流程，節(jié)省投資41.2萬元。

(5) 對局部線路走向進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，干線管線長度減少8 km，配氣管網(wǎng)長度減少24.75 km，供配氣管線同溝設(shè)計(jì)18 km，節(jié)省投資3 055萬元。

通過以上優(yōu)化措施，共節(jié)約投資4 625.2萬元。

4 結(jié) 論

采用“自平衡”壓力調(diào)節(jié)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、小型定向鉆技術(shù)及同孔多管回拖技術(shù)等優(yōu)化措施，可使流程得到簡化，單元工程大幅度減少，標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制水平得到提高。因此，設(shè)計(jì)工作及預(yù)制施工工作量也大幅降低，從而使建設(shè)周期與傳統(tǒng)技術(shù)相比縮短了5個月。工程于2011年3月一次投產(chǎn)成功，提前5個月投產(chǎn)，保守計(jì)算會產(chǎn)生7.5億元的經(jīng)濟(jì)效益。

由此可見，在天然氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)用氣情況、區(qū)域特點(diǎn)等諸多不同，深入了解工程實(shí)際，合理依靠軟件計(jì)算，具有一定的優(yōu)化空間。遼河油田天然氣利用工程所進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然是針對本工程和遼河油田的特點(diǎn)，但借此拋磚引玉，希望能為同類工程的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張良鶴.天然氣集輸工程[M].北京：石油工業(yè)出版社,2001.

[2] 王旭.遼河油區(qū)稠油開采技術(shù)及下步技術(shù)公關(guān)方向探討[J].石油勘探與開發(fā),2006,4(33):484-490.

[3] 孫佩奇,劉文俊,潘文佳,等.TGNET軟件在城市高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].城市燃?xì)?2012,19(4):4-7.

[4] 胡成洲,馮東,王本明.光纜與管道同孔回拖技術(shù)在定向鉆穿越施工中的應(yīng)用[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2008,19(99):44-46.

[5] 吳武斌.試論埋地管線應(yīng)力分析及錨固墩推力計(jì)算的方法[J].石油化工安全技術(shù),2005,21(3):49-52.

[6] 湯林,白曉東,孫鐵民.油氣田地面工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐與發(fā)展[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì), 2009,20(2):1-3.