CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型研究

陸爭光

(中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

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CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型研究

陸爭光

(中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

為了減少溫室氣體的排放，國際上掀起了CO2捕捉與封存技術(shù)的研究熱潮。針對大規(guī)模CO2捕捉與封存工程，采用CO2管道輸送將是比較經(jīng)濟(jì)合理的輸送方式。國外在CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但我國CO2管道設(shè)計與建設(shè)研究尚處于起步階段，缺乏相應(yīng)的工程經(jīng)濟(jì)估算經(jīng)驗(yàn)與模型。通過分析CO2管道與常規(guī)天然氣管道工程經(jīng)濟(jì)之間的差異，指出了CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算的非常規(guī)特性。從管道建設(shè)投資、站場費(fèi)用、運(yùn)行管理費(fèi)用以及能耗費(fèi)用等4個方面，較為系統(tǒng)地研究了國外CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型，并對我國CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型的建立提出了相應(yīng)的建議。

CO2管道；經(jīng)濟(jì)估算；非常規(guī)；建設(shè)投資

目前，CO2捕捉與封存(CCS)已成為一項(xiàng)應(yīng)對全球氣候變化的重要對策，其中，CO2運(yùn)輸是連接CO2捕捉與CO2封存的中間環(huán)節(jié)[1]。對于大規(guī)模長距離的CCS工程，采用CO2管道輸送將是比較經(jīng)濟(jì)合理的輸送方式。研究表明，CO2管道輸送的投資與CO2捕捉的投資是比較接近的[2]，在整個CCS工程投資中占有不小的比例；因此，在整個CCS工程的經(jīng)濟(jì)評價中，應(yīng)對CO2管道工程投資進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)測算，但國內(nèi)在此方面的實(shí)際研究基本為空白[3]。本文較系統(tǒng)地介紹了國外CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型，基于國內(nèi)外油氣管道工程經(jīng)濟(jì)的差異，對我國CO2管道輸送工程經(jīng)濟(jì)模型的建立提出了相應(yīng)的建議，希望可以為我國今后的CO2管道工程經(jīng)濟(jì)評價提供參考。

1　CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型

管輸CO2相態(tài)有3種：氣態(tài)、液態(tài)以及超臨界，其相態(tài)的選擇應(yīng)當(dāng)綜合考慮氣源情況、管輸設(shè)計規(guī)模及輸送距離等因素，以確定經(jīng)濟(jì)合理的輸送相態(tài)。世界上CO2管道的管輸相態(tài)分為密相、超臨界，本文著重介紹密相、超臨界CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型。

1.1CO2管道工程經(jīng)濟(jì)組成及其非常規(guī)特性

與常規(guī)天然氣管道工程經(jīng)濟(jì)組成相同，CO2管道工程經(jīng)濟(jì)的組成包括如下4個部分：管道建設(shè)投資、站場費(fèi)用、運(yùn)行管理費(fèi)用以及能耗費(fèi)用。CO2管道各部分工程經(jīng)濟(jì)所占的比例尚無經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)，但具有如下幾條非常規(guī)特性或規(guī)律[4-5]。

1)在相同直徑條件下，CO2管道建設(shè)投資近似是常規(guī)天然氣管道建設(shè)投資的2倍。相對于常規(guī)天然氣管道，一方面，CO2管道輸送壓力較高，一般取值為16～20MPa；另一方面，研究認(rèn)為，CO2管道韌性斷裂傳播更快，更敏感，因此，對于CO2管道設(shè)計壁厚和鋼材的選取要求較高。

2)CO2管道直徑對CO2管道工程經(jīng)濟(jì)的影響較大。當(dāng)CO2管道直徑增加時，管道建設(shè)投資會增加，而運(yùn)行管理費(fèi)用會降低。

3)超臨界CO2屬于低黏度、高密度和可壓縮液體，地勢變化、雜質(zhì)含量和流體密度突變等可能會對CO2管道運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響[6-7]；因此，在建立CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型時應(yīng)考慮超臨界CO2的特殊物性、地勢變化、雜質(zhì)含量以及流體密度突變等因素。

1.2管道建設(shè)投資

1.2.1線性投資模型

基于線性假設(shè)的管道建設(shè)投資模型計算公式如下：

Ccapital=cfDLFTFCFR

(1)

式中，Ccapital是管道建設(shè)投資，單位為元；c、f分別是管道建設(shè)投資因子常數(shù)，根據(jù)工程回歸經(jīng)驗(yàn)，取值分別為8 548.4元/m2(陸上管道)、14 560.8 元/m2(海底管道)[8]；D、L分別是管道的直徑和長度，單位為m；FT、FC和FR分別是地勢修正因子、狹長地帶通道修正因子以及區(qū)域劃分修正因子，均為無量綱參數(shù)。

1.2.2Ecofys模型

管道直徑試算公式為：

(2)

式中，λ是水力摩阻系數(shù)，一般新建管道取為0.02[9]；Qm是管道質(zhì)量流量，單位為kg/s；ρ是管道輸送CO2密度，單位為kg/m3；ΔP是管道進(jìn)出口壓力之差，單位為Pa。

根據(jù)試算得出的管道直徑，計算管道建設(shè)投資為：

Ccapital=1 100DLFT

(3)

1.2.3基于鋼材投資指標(biāo)的估算模型

管道所用鋼材的總質(zhì)量計算公式如下：

W=π(D-δ)δLρcs

(4)

式中，W是管道所用鋼材的總質(zhì)量，單位為kg；δ是管道壁厚，單位為m；ρcs是管道所用鋼材的密度，單位為kg/m3。

基于鋼材投資指標(biāo)的管道建設(shè)投資計算公式為：

(5)

式中，CP是管道所用鋼材的價格，單位為元/kg；fm是材料費(fèi)用占管道建設(shè)投資的比例因子，國外管道取值差異較大，國內(nèi)研究學(xué)者建議取值0.5。

1.3站場費(fèi)用

CO2管道站場費(fèi)用可以采用站場所用增壓設(shè)備的功率來估算，目前，主要有國際能源署歐洲研究中心和Chandel[10]提出的估算方程分別如下：

CB=(85.5P+5.1)×106

(6)

CB=(16.4P+1.1)×106

(7)

式中，CB是管道站場費(fèi)用，單位為元；P是站場增壓設(shè)備總功率，單位為MW。

1.4運(yùn)行與管理費(fèi)用

按照國內(nèi)外管道運(yùn)行與管理費(fèi)用評價的常規(guī)做法，運(yùn)行與管理費(fèi)用計算公式為：

COM=c1Ccapital+c2CB

(8)

式中，COM是管道運(yùn)行與管理費(fèi)用，單位為元；c1是管道與站場年運(yùn)行維護(hù)因子，對于超臨界CO2管道，c1可取0.03；c2是管道與站場年管理因子，對于超臨界CO2管道，c2可取0.05。

1.5能耗費(fèi)用

能耗費(fèi)用主要體現(xiàn)在站場壓縮機(jī)所消耗的能耗，其計算公式為：

(9)

式中，CEN是能耗費(fèi)用，單位為元；N為站場個數(shù)，單位為個；do是能耗附加系數(shù)；ey是用電單價，單位為元/(kW·h)；Pi是第i個站場增壓設(shè)備總功率，單位為kW。

2　對我國CO2管道輸送工程經(jīng)濟(jì)模型的建議

1)國外CO2管道建設(shè)投資的估算模型較多，但估算結(jié)果差異較大，主要是由于模型考慮因素的不同。我國應(yīng)當(dāng)充分考慮超臨界CO2的特殊物性、地勢變化、雜質(zhì)含量以及流體密度突變等因素，建立合理全面的CO2管道建設(shè)投資估算模型。

2)CO2管道建設(shè)投資估算模型中所涉及到的地勢修正因子、區(qū)域劃分修正因子以及材料費(fèi)用占管道建設(shè)投資的比例因子等，可以根據(jù)國內(nèi)常規(guī)油氣管道的建設(shè)投資經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步選取。

3)管道直徑對CO2管道建設(shè)投資影響較大，可以在試算管道直徑設(shè)計中，利用經(jīng)濟(jì)流速為0.92～4.35m/s進(jìn)行粗略驗(yàn)證。

4)CO2管道運(yùn)行與管理費(fèi)用也可以直接取為管道建設(shè)投資費(fèi)用的一部分，簡化比例為1.5%～4.0%。

3　結(jié)語

國外在CO2管道建設(shè)與設(shè)計方面的研究歷程較長，已經(jīng)研究并建立了相應(yīng)的CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算模型。然而，我國尚未建設(shè)CO2管道，在CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算方面也存在諸多空白；因此，我國應(yīng)借鑒國外CO2管道工程經(jīng)濟(jì)估算經(jīng)驗(yàn)與模型，結(jié)合國內(nèi)常規(guī)油氣管道建設(shè)投資、運(yùn)行管理費(fèi)用、站場費(fèi)用以及能耗費(fèi)用計算公式，開展雜質(zhì)含量等因素對各部分工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響研究，建立適合我國CO2管道工程的經(jīng)濟(jì)估算模型。

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責(zé)任編輯鄭練

ResearchoftheEngineering-economicModelsPredictingtheCostsofCO2PipelineTransportation

LUZhengguang

(NationalEngineeringLaboratoryforPipelineSafety/BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

Inordertocontroltheemissionofgreenhousegases,CO2captureandgeologicalstoragetechnologyhasbeendevelopedrapidlyworldwide.ForthelargescaleCCSproject,itwouldbemoreeconomicalandreasonabletodeliveryCO2bypipeline.Richexperienceinengineering-economicmodelspredictingthecostsofCO2pipelinetransportationhasbeenaccumulated,however,engineering-economicpredictingmodelsarestillinearlystageandlackinginChina.Comparedthedifferencesofengineering-economicpredictingbetweenCO2pipelineandconventionalnaturalgaspipeline,theunconventionalcharacteristicsofCO2pipelineisanalyzed.Then,introducethecurrentsituationofengineering-economicmodelspredictingthecostofCO2pipelinetransportationabroadinsuchaspectascapitalcostofpipeline,boosterstations,O&Mandenergy.Besides,analyzetheproblemsandrelativeadviceinengineering-economicmodelspredictingthecostsofCO2pipelinetransportationinChina.

CO2pipeline,economicprediction,unconventionalcharacteristic,capitalinvestment

U173.92

A

陸爭光(1991-)，男，碩士研究生，主要從事油氣長距離管輸技術(shù)等方面的研究。

2015-12-11