CO2管道工程经济估算模型研究

陆争光

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)



CO2管道工程经济估算模型研究

陆争光

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)

为了减少温室气体的排放，国际上掀起了CO2捕捉与封存技术的研究热潮。针对大规模CO2捕捉与封存工程，采用CO2管道输送将是比较经济合理的输送方式。国外在CO2管道工程经济估算方面积累了丰富的经验，但我国CO2管道设计与建设研究尚处于起步阶段，缺乏相应的工程经济估算经验与模型。通过分析CO2管道与常规天然气管道工程经济之间的差异，指出了CO2管道工程经济估算的非常规特性。从管道建设投资、站场费用、运行管理费用以及能耗费用等4个方面，较为系统地研究了国外CO2管道工程经济估算模型，并对我国CO2管道工程经济估算模型的建立提出了相应的建议。

CO2管道；经济估算；非常规；建设投资

目前，CO2捕捉与封存(CCS)已成为一项应对全球气候变化的重要对策，其中，CO2运输是连接CO2捕捉与CO2封存的中间环节[1]。对于大规模长距离的CCS工程，采用CO2管道输送将是比较经济合理的输送方式。研究表明，CO2管道输送的投资与CO2捕捉的投资是比较接近的[2]，在整个CCS工程投资中占有不小的比例；因此，在整个CCS工程的经济评价中，应对CO2管道工程投资进行详细的经济测算，但国内在此方面的实际研究基本为空白[3]。本文较系统地介绍了国外CO2管道工程经济估算模型，基于国内外油气管道工程经济的差异，对我国CO2管道输送工程经济模型的建立提出了相应的建议，希望可以为我国今后的CO2管道工程经济评价提供参考。

1　CO2管道工程经济估算模型

管输CO2相态有3种：气态、液态以及超临界，其相态的选择应当综合考虑气源情况、管输设计规模及输送距离等因素，以确定经济合理的输送相态。世界上CO2管道的管输相态分为密相、超临界，本文着重介绍密相、超临界CO2管道工程经济估算模型。

1.1CO2管道工程经济组成及其非常规特性

与常规天然气管道工程经济组成相同，CO2管道工程经济的组成包括如下4个部分：管道建设投资、站场费用、运行管理费用以及能耗费用。CO2管道各部分工程经济所占的比例尚无经验性总结，但具有如下几条非常规特性或规律[4-5]。

1)在相同直径条件下，CO2管道建设投资近似是常规天然气管道建设投资的2倍。相对于常规天然气管道，一方面，CO2管道输送压力较高，一般取值为16～20MPa；另一方面，研究认为，CO2管道韧性断裂传播更快，更敏感，因此，对于CO2管道设计壁厚和钢材的选取要求较高。

2)CO2管道直径对CO2管道工程经济的影响较大。当CO2管道直径增加时，管道建设投资会增加，而运行管理费用会降低。

3)超临界CO2属于低黏度、高密度和可压缩液体，地势变化、杂质含量和流体密度突变等可能会对CO2管道运行产生较大的影响[6-7]；因此，在建立CO2管道工程经济估算模型时应考虑超临界CO2的特殊物性、地势变化、杂质含量以及流体密度突变等因素。

1.2管道建设投资

1.2.1线性投资模型

基于线性假设的管道建设投资模型计算公式如下：

Ccapital=cfDLFTFCFR

(1)

式中，Ccapital是管道建设投资，单位为元；c、f分别是管道建设投资因子常数，根据工程回归经验，取值分别为8 548.4元/m2(陆上管道)、14 560.8 元/m2(海底管道)[8]；D、L分别是管道的直径和长度，单位为m；FT、FC和FR分别是地势修正因子、狭长地带通道修正因子以及区域划分修正因子，均为无量纲参数。

1.2.2Ecofys模型

管道直径试算公式为：

(2)

式中，λ是水力摩阻系数，一般新建管道取为0.02[9]；Qm是管道质量流量，单位为kg/s；ρ是管道输送CO2密度，单位为kg/m3；ΔP是管道进出口压力之差，单位为Pa。

根据试算得出的管道直径，计算管道建设投资为：

Ccapital=1 100DLFT

(3)

1.2.3基于钢材投资指标的估算模型

管道所用钢材的总质量计算公式如下：

W=π(D-δ)δLρcs

(4)

式中，W是管道所用钢材的总质量，单位为kg；δ是管道壁厚，单位为m；ρcs是管道所用钢材的密度，单位为kg/m3。

基于钢材投资指标的管道建设投资计算公式为：

(5)

式中，CP是管道所用钢材的价格，单位为元/kg；fm是材料费用占管道建设投资的比例因子，国外管道取值差异较大，国内研究学者建议取值0.5。

1.3站场费用

CO2管道站场费用可以采用站场所用增压设备的功率来估算，目前，主要有国际能源署欧洲研究中心和Chandel[10]提出的估算方程分别如下：

CB=(85.5P+5.1)×106

(6)

CB=(16.4P+1.1)×106

(7)

式中，CB是管道站场费用，单位为元；P是站场增压设备总功率，单位为MW。

1.4运行与管理费用

按照国内外管道运行与管理费用评价的常规做法，运行与管理费用计算公式为：

COM=c1Ccapital+c2CB

(8)

式中，COM是管道运行与管理费用，单位为元；c1是管道与站场年运行维护因子，对于超临界CO2管道，c1可取0.03；c2是管道与站场年管理因子，对于超临界CO2管道，c2可取0.05。

1.5能耗费用

能耗费用主要体现在站场压缩机所消耗的能耗，其计算公式为：

(9)

式中，CEN是能耗费用，单位为元；N为站场个数，单位为个；do是能耗附加系数；ey是用电单价，单位为元/(kW·h)；Pi是第i个站场增压设备总功率，单位为kW。

2　对我国CO2管道输送工程经济模型的建议

1)国外CO2管道建设投资的估算模型较多，但估算结果差异较大，主要是由于模型考虑因素的不同。我国应当充分考虑超临界CO2的特殊物性、地势变化、杂质含量以及流体密度突变等因素，建立合理全面的CO2管道建设投资估算模型。

2)CO2管道建设投资估算模型中所涉及到的地势修正因子、区域划分修正因子以及材料费用占管道建设投资的比例因子等，可以根据国内常规油气管道的建设投资经验进行初步选取。

3)管道直径对CO2管道建设投资影响较大，可以在试算管道直径设计中，利用经济流速为0.92～4.35m/s进行粗略验证。

4)CO2管道运行与管理费用也可以直接取为管道建设投资费用的一部分，简化比例为1.5%～4.0%。

3　结语

国外在CO2管道建设与设计方面的研究历程较长，已经研究并建立了相应的CO2管道工程经济估算模型。然而，我国尚未建设CO2管道，在CO2管道工程经济估算方面也存在诸多空白；因此，我国应借鉴国外CO2管道工程经济估算经验与模型，结合国内常规油气管道建设投资、运行管理费用、站场费用以及能耗费用计算公式，开展杂质含量等因素对各部分工程经济指标的影响研究，建立适合我国CO2管道工程的经济估算模型。

[1]OdenbergerM,JohnssonF.PathwaysfortheEuropeanelectricitysupplysystemto2050—TheroleofCCStomeetstringentCO2reductiontargets[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl, 2010, 4(2):327-340.

[2]GaoL,FangM,LiH,etal.CostanalysisofCO2transportation:CasestudyinChina[J].EnergyProcedia, 2011, 4(22):5974-5981.

[3] 张双蕾，张继川，陈凤，等.CO2管道输送技术研究[J].天然气与石油，2014，32(6):17-20.

[4]KnoopeMMJ,RamírezA,FaaijAPC.Astate-of-the-artreviewoftechno-economicmodelspredictingthecostsofCO2pipelinetransport[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl, 2013, 16(10):241-270.

[5]OosterkampA,RamsenJ.State-of-the-artoverviewofCO2pipelinetransportwithrelevancetooffshorepipeline[R].Haugesund:PolytecR&DFoundation, 2008.

[6]VisserED,HendriksC,BarrioM,etal.DynamisCO2qualityrecommendations[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl, 2008, 2(4):478-484.

[7]WetenhallB,RaceJM,DownieMJ.TheeffectofCO2purityonthedevelopmentofpipelinenetworksforcarboncaptureandstorageschemes[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl, 2014, 30:197-211.

[8]ElementEnergy.CO2pipelineinfrastructure:Ananalysisofglobalchallengesandopportunities[R].Paris:InternationalEnergyAgency, 2010.

[9]VandeginsteV,PiessensK.Pipelinedesignforaleast-costrouterapplicationforCO2transportintheCO2sequestrationcycle[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl, 2008, 2(4):571-581.

[10]ChandelMK,PratsonLF,WilliamsE.PotentialeconomiesofscaleinCO2transportthroughuseofatrunkpipeline[J].EnergyConversion&Management, 2010, 51(12):2825-2834.

责任编辑郑练

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

陆争光(1991-)，男，硕士研究生，主要从事油气长距离管输技术等方面的研究。

2015-12-11