联合循环电厂自有长输天然气管线项目设计施工优化

联合循环电厂自有长输天然气管线项目设计施工优化

1,刘吉通 ,2张喜凤

1山东电力建设第三工程有限公司   山东青岛 266100

2陕西新园州生态建设有限公司河北燃气设计分公司 河北石家庄 050000

摘要：天然气作为清洁能源，其燃烧发电的碳排放量约为燃煤的47.3%，约为燃油的68.1%，在世界各国追求“双碳”目标的今天，是联合循环电厂燃料的首选。联合循环电厂，特别是大型联合循环电厂，天然气消耗量大，对自有天然气管线项目的需求迫切。但是，天然气气源（油田，气田，LNG站等）大多与电厂距离较远，长输管线作为运输的主要载体，成为连接气源与电厂的重要途径。如何从设计施工方面优化天然气管线将会对天然气管线项目投用（通气）产生重大影响，进而影响联合循环机组的发电目标。

关键词：天然气 长输管线 设计施工优化 路径 通信

1. 引言

气候变化是人类面临的全球性问题，二氧化碳等气体的排放，对生态环境造成了重大威胁。近年来，世界各国都意识到问题的严重性，都在积极推动减少二氧化碳等的排放。天然气作为清洁能源，已经成为中国乃至全球追求“双碳”目标的重要能源。以天然气代替燃煤，燃油作为发电燃料，产生电能来服务全社会，更是成为近几年各国争相发展的目标。以沙特利雅得PP14天然气管线项目为例，其投用后每年为沙特利雅得PP14 双燃料联合循环电厂（1960MW）、PP10燃油改燃气电厂（4600MW）提供1亿立方米的天然气。沙特利雅得PP14天然气管线项目在执行严格阿美石油标准的基础上，通过设计施工优化，降低管道埋深，优化管线路径，优化坡口形式，优化通讯路径，极大地减少了施工工程量。截止到2023年3月份，该项目已安全投产超过20个月，取得了阿美石油公司，沙特电力公司（业主方）的一致认可。

2. 设计施工优化说明

2.1沙特利雅得PP14天然气管线项目背景介绍：

PP14天然气管线项目，包括长输管线17.6公里，2个场站以及部分电厂厂区管道。长输管线在发球区连接沙特东西向国家天然气主管线，穿越已有的燃油管线，沙漠，戈壁，高速公路等设施最终到达收球区及电厂厂区。同时，根据阿美石油公司的要求，天然气管线项目与45km外的炼油厂建立光纤通讯，进而与300km外的天然气增压站（PS#3）建立联系。

2.2管道埋深设计优化

2.2.1 管道埋深背景介绍

沙特利雅得PP14燃气管线项目17.6公里的长输管线需要穿越沙漠，戈壁等地质情况较差的区域，业主方（沙特电力公司）原设计较为粗糙，设计的管线埋深均大于1.5m。若按照此设计直接施工，在岩石区域开挖就不得不动用较多的施工机械，特别是破碎锤等重型机械，工期和成本都将面临巨大的挑战。

2.2.2 管道埋深优化设计

沙特利雅得PP14燃气管线项目部经仔细研究阿美石油标准（SAES-L-410 design of pipelines&SAES-L-450construction of on-land and near-shore pipelines ），并实地调研长输管线路径，深入讨论地勘报告，而后组织人力对埋深进行了重新计算和论证，最终得出最小埋深值为0.6m（管道顶标高距地面）。之后，借助CAD优化设计图纸，并形成优化报告提交业主，经与业主方设计人员多次开会讨论，最终通过技术澄清的方式，说服设计人员更改设计，取得了业主方及阿美石油公司的认可，该优化设计减少了土方开挖约10000立方米。

2.3管道支墩施工优化

2.3.1 管道支墩施工背景介绍

长输管线在考虑安全的情况下，大部分区域采用地埋的形式。同时，为了保证管线长时间安全运行，都需要对管道表面进行防腐处理。根据阿美石油标准SAES-H-002，PP14天然气长输管线采用对管道外壁涂装FBE涂层的方式进行防腐处理。管道原材从中国上海港发运至沙特达曼港。由于沙特利雅得无阿美石油批准防腐工厂，管道原材就在达曼批准的FBE涂装车间完成防腐处理。管道通过运输车发运至项目现场，管道到场后，卸车前需要按照SAES-L-450完成管道电火花试验，避免了修补管道在出厂或运输过程中造成的损伤。根据，阿美石油标准SAES-L-450 Clause 11.3 ，管道到场后需要按照安放在支墩上以便于将来的焊接作业。

根据现场实际情况，沙特利雅得PP14燃气管线项目部利用充分野外的资源，将土堆和沙袋组合为支墩，用于管道支撑。具体的做法是使用挖掘机将周边的土壤做好土堆，宽度不小于1m,高度0.5m 左右，间距不大于6m。然后用编织袋装沙漠中的沙子，做成沙袋垫在土堆上。这样做出来的支墩一方面由于沙子间有间隙，管道就位后可以自然形成枕型空间，稳固管道，同时又沙子松散不至于将管道表面的FBE涂层损坏，最终满足了管道支撑和焊接作业的空间。

2.4管线路径设计优化

2.4.1 管线路径设计优化背景

沙特利雅得PP14燃气管线项目17.6公里的长输管线，沿途需经过已有的地上和地下设施，如110KV高压线塔、20寸原油输送管线、正在使用的高速公路等，地形条件错综复杂。因此，管道变向无可避免。管线变向通常通过三种方式：管件（弯头、热弯）、管道冷弯、管道弹性弯曲。采用管件变向，由于长输管线的管道尺寸较大，管件生产周期较长（热弯供货周期16周）；另外使用管件连接，将增加焊口数量。如果采用管道冷弯连接，冷弯加工需要专门的弯管机械来完成，增加机械及人力投入。以PP14天然气管线为例，冷弯则要在1000公里外的吉达工厂进行加工，对工期和费用影响很大。

2.4.2 管线路径设计优化

沙特利雅得PP14燃气管线项根据现场实际情况，参考阿美石油标准规范（SAES-L-450 Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines）采用弹性弯曲，代替冷弯，或者管件连接。一方面，解决了管件供货周期较长的问题；另外一方面，减少了现场的焊口数量，特别是燃气管线采用大口径管道，焊口数量的减少将极大的缩短施工周期。

这一优化既节约了43000美金综合费用和10周以上的工期，也为业主方解决了燃眉之急，得到了业主方的高度赞扬。

2.4.3 最大弹性弯曲角度计算示例：

以28寸管道长输管线为例，技术参数如下：

注：钢材的弹性模量都相近，与材料的化学成分有关，与温度有关。与其组织变化无关，与热处理状态无关。各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。

Sh (hoop stress)=PD/2t=6.98x711/(2x23)=107.89Mpa=0.44SMYS

St (temperature stress)=2.34x(65.55-21.11)=104Mpa

Sc (Max. combined stress)=SMYS (as Sh<0.65SMYS)=245Mpa

Sb (Max. bending stress)=Sc-0.7Sh-St=65.48Mpa

R (Min. bend radius)=ED/(2Sb)=1085.84m

Angle per 30m=30/20R=0.013814 rad=0.791 degree

Allow for misalignment=0.0044 radians

Permit change of slope= 0.009414 radians

Max. change of slope 0.009414 radians x30= 282.4mm per 30m

2.5管道坡口优化

2.5.1 管道坡口优化背景

沙特利雅得PP14燃气管线项目管道由业主方（沙特电力公司）供货，到货后发现管道均采用单 V 坡口而主管线长约17.6公里，主管线管道口径DN1200及DN700，壁厚分别为20.62mm，23mm，共计1458道焊口。如果对单V型坡口直接焊接，焊材（焊丝，焊条）消耗量较大

2.5.2 管道坡口优化

根据现场实际情况，通过与焊接技术人员、施工人员充分沟通，并比对各焊接坡口优劣，最终决定将单 V坡口优化成U型坡口。现场使用了一台坡口机负责坡口改造工作，通过坡口改造，长输管线焊接累计节约焊条5040千克。于此同时，鉴于长输管线长度长，管道口径大的情况，引入全自动焊接技术，极大地提高了焊接效率，降低成本，也满足了业主的工期要求。

2.6通讯路径设计优化

根据阿美石油公司的要求，沙特利雅得PP14燃气管线需要和利雅得炼油厂建立联系，而后借由利雅得炼油厂与其300公里外的3号燃气增压站建立通讯。PP14天然气管线通讯系统原设计比较粗糙，直接从管线发球区穿越工业园区、公路、铁路、桥梁等路段，敷设光缆46公里到达炼油厂。但是，穿越这些区域需要取得相关部门审批同意，程序繁琐，周期长，仅仅一处穿越公路段，施工许可审批也要花费2个月的时间，工期上势必不能满足要求。同时，46公里的光纤按照原设计需要经过沙漠、戈壁等地质条件比较差的区域，土建开挖将是一项难度极大的工作。PP14天然气管线项目对管线周边设施进行了充分的勘查，了解到业主方（沙特电力公司）在利雅得区域有多处输配电升压站，其中发球区附近有输配电升压站SS9048，炼油厂附近有输配电升压站SS9035，这些升压站之间为了电网输配电的需要，已经建立光纤通讯。基于此种情况，我方与业主方进行了充分沟通，提出了发球区信号经由输配电升压站SS9048，SS9027，SS8029，SS8035，SS9035与炼油厂取得联系，收球区信号可经由输配电升压站SS9023，SS9027，SS8035，SS9035与炼油厂取得联系。收发球区使用原设计光缆进行通讯，升压站SS9048，SS9027，SS8029，SS8035，SS9035，SS9023内增加patch cord（跳线）建立独立的通讯网络。该方案不仅避免了光缆穿越特殊路段，也减少了开挖、回填、顶管等专业化作业，取得了业主方和阿美石油公司的高度认可，节约直接成本约52万美元，也极大的缩短了施工工期。

2.7管道压力试验堵板采购

2.7.1 管道压力试验堵板采购背景

根据阿美石油标准规范要求，阀门不得与管道一起参与压力试验，这意味着阀门不能作为管道压力试验边界，需要使用堵板作为压力试验边界。根据ASME B31.3中的要求，得出压力试验堵板最小厚度

D表示垫片内圈直径

P表示压力试验压力

SE表示屈服强度（通常情况下堵板使用的是碳钢结构钢 ASTM A36，对应的最小屈服强度为2531.1kg/cm²）

以48寸主管线为例，D=1219.2mm，P=2225Psi( 156.4kg/cm²)，求得堵板厚度为132mm。显然，现场制作132mm的堵板是不切实际的。因此，在设计及采购阶段就需要充分考虑采购成品法兰的必要性，成品法兰不仅能满足试验的需要，同时成品法兰法兰面加工精度高，能有助于压力试压的成功进行。

2.8管道压力试验装置（manifold）设计研发

天然气管线压力试验又是管线项目的另一个难点，一般的压力试验需要动员第三方，使用其认证的压力试验设备及人员，但这无疑会产生较高的成本。沙特利雅得PP14燃气管线项目集思广益，通过参考ASME B31.3 运用黑盒原理，得出管道压力试验装置（manifold）管道厚度计算公式如下

t ：pressure design thickness

P：internal design gage pressure

D：outside diameter of pipe

S：stress value for material

E：quality factor

W：weld joint strength reduction factor

γ：coefficient

上述公式，通过简化，可以得到管道承压计算公式如下：

Sa—安全系数。压力P<7Mpa时， Sa=8；7Mpa

P>17.5 Mpa，Sa=4或3常用管道材质抗拉强度一览表

注：304(316)抗拉强度优于304L(316L)

沙特利雅得PP14燃气管线项目自主设计的manifold包括调节阀、快速关断阀，隔离阀，逆止阀，安全阀、排气阀、排污阀及相关管道和防脱绳等组成，自行设计制作，成功取得了第三方及阿美石油的认可与批准，并获得了国家专利（专利号ZL 201720718362.3），顺利完成天然气管线及场站管道的压力试验。

另外，根据阿美石油标准，管线压力试验后系统若不在60天内投用，需进行充氮保护工作，根据现场实际情况，项目部采用了通过液氮气化充氮的方案，完成了管线25000加仑的充氮工作，相较于充氮车的方式，节约成本10000沙特里亚尔。

2.9燃烧坑防火混凝土设计施工优化

沙特利雅得PP14燃气管线项目燃烧坑用于长输管线置换气体燃烧，原设计尺寸为18.8mx18.8m，并要求整个区域需要浇筑防火混凝土。根据现场实际情况，通过与业主方和阿美石油公司进行讨论，最终两方同意只在燃烧器区域浇筑防火混凝土，既满足了天然气置换时点火的要求，也减少了防火混凝土的采购和浇筑，经济效益显著。

2.10 厂区内天然气管线滑动支架优化设计

PP14厂区内天然气管线按照原设计直接支撑在厂区综合管架上，全部是滑动支架，无限位。但是沙特利雅得气候炎热，夏季气温可达到50摄氏度，天然气管线受热膨胀，累计膨胀位移超出了原综合管架钢梁的宽度，导致管道连同支架掉落。气温降低后，管线无法再次回到综合管架钢梁上，导致管道支撑不足。根据现场实际情况，沙特利雅得PP14燃气管线项目测量了管道支架膨胀位移的最大值，在原综合管架钢梁上增加了50mm宽度的支撑板，保证管道后续膨胀不会掉落。另外，增加了管线轴线方向的限位，使得管线受热时向垂直于路径方向膨胀。

3. 结束语

面对日益严峻的环境挑战，全世界范围内都在寻求更加清洁的能源，太阳能、风能等可再生资源与传统化石燃料相比有优势，但是受天气，地理位置等不确定因素影响，有较大的局限性。天然气作为化石能源中碳排放最小的能源将是后续各国争相发展（开采，储备，采购）的方向，使用天然气作为联合循环电厂将是电厂建设、改造大趋势。如果设计单位。施工单位能够从多角度、多维度进行设计施工优化，将极大地加快天然气管线通气以及电厂投用。另外，设计施工优化，越早越好。前期业主方与设计施工单位都有一个发电目标，设计施工优化能赶工期，更容易被业主方接受。同时，设计优化的重心在土建方面，降本增效土建是首当其冲的，这就要求必须进行现场踏勘，不能走马观花，这样才能为设计提供准确的输入。

参考文献

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[7] Saudi Aramco Engineering Standard SAES-L-450construction of on-land and near-shore pipelines

[8] ASME B31.3-2014 Process Piping

[9] 专利ZL 201720718362.3《一种管道系统试验装置》