談文虎 丑亞妮 夏 輝 邢 超 劉林遠(yuǎn) 侯明珠

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041；2. 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司天然氣勘探開發(fā)事業(yè)部， 四川 瀘州 646400

0 前言

模塊化技術(shù)作為當(dāng)今世界解決復(fù)雜工程建設(shè)問題的有效手段,能夠提高建設(shè)質(zhì)量,保證建設(shè)工期,降低建設(shè)成本及建設(shè)風(fēng)險[1-2]。在油氣田地面工程建設(shè)領(lǐng)域,受建設(shè)環(huán)境的影響,推廣應(yīng)用模塊化技術(shù)一直是重點方向[3-6]。20世紀(jì)90年代末,國內(nèi)各天然氣氣田開始應(yīng)用橇裝技術(shù),主要以設(shè)備為中心,集成簡單的管路系統(tǒng)。隨后,為進(jìn)一步提高裝置的集成度,實現(xiàn)功能的集成,提出了裝置一體化技術(shù),適應(yīng)了中小型廠站的建設(shè)需要。但對于大型天然氣廠站,由于工藝裝置復(fù)雜,占地面積大,橇裝技術(shù)和一體化技術(shù)無法有效改善傳統(tǒng)地面工程建設(shè)現(xiàn)場施工工程量大導(dǎo)致的弊端。而天然氣裝置的設(shè)備布置受介質(zhì)重力影響較小,主要靠氣體壓差實現(xiàn)介質(zhì)的流動,具備向空間發(fā)展的特點,有利于裝置的模塊化集成。通過模塊化技術(shù),可實現(xiàn)工藝裝置按區(qū)或單元進(jìn)行集中布置,減少占地面積,提高裝置工廠化預(yù)制率,實現(xiàn)裝置的機械化作業(yè),徹底改變地面工程的建設(shè)模式。目前,模塊化建設(shè)模式已在國內(nèi)外油氣田地面工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[7-12]。

模塊化設(shè)計是天然氣氣田大型廠站模塊化建設(shè)順利實施的關(guān)鍵,建設(shè)模式的改變對設(shè)計和管理也提出了新的要求[13-20]。本文將按照模塊化設(shè)計的過程分階段闡述設(shè)計內(nèi)容及主要考慮的因素,為模塊化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 模塊化建設(shè)模式選擇

天然氣裝置要實現(xiàn)模塊化建設(shè)模式,首先要解決可行性問題。簡單來說,模塊化建設(shè)模式,就是把工藝裝置中絕大部分需要現(xiàn)場安裝施工的工作轉(zhuǎn)移到工廠實施。工廠一般都位于交通便利、社會環(huán)境好、自然環(huán)境優(yōu)勢明顯的地區(qū),這些地區(qū)往往還有技術(shù)優(yōu)勢、人力資源和物資資源集聚優(yōu)勢,能夠保證模塊化裝置的建造質(zhì)量和工期。天然氣氣田則往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū)、戈壁或沙漠等遠(yuǎn)離人口密集區(qū)的地區(qū),因此,模塊化建設(shè)首先要考慮的問題就是運輸。根據(jù)裝置建設(shè)規(guī)模,要實現(xiàn)工廠預(yù)制模塊化裝置的運輸,需充分考慮運輸路徑和運輸方式。圖1為陸上天然氣裝置模塊化建設(shè)流程,運輸環(huán)節(jié)的可實施性對模塊化建設(shè)有至關(guān)重要的影響。

圖1 陸上天然氣裝置模塊化建設(shè)流程

另外需要考慮經(jīng)濟性問題。與常規(guī)建設(shè)相比,模塊化裝置將傳統(tǒng)的施工分為兩部分,一部分是裝置的工廠化預(yù)制,一部分是裝置的現(xiàn)場施工,包括模塊化裝置及其預(yù)制部件的安裝。模塊化建設(shè)增加了模塊化裝置從工廠到現(xiàn)場的大件運輸過程,項目建設(shè)運輸費用提高。但模塊化裝置減少了現(xiàn)場施工工程量,工廠化預(yù)制施工成本比現(xiàn)場要低。此外需結(jié)合裝置的適應(yīng)性要求,在工廠的整體處理能力下,合理規(guī)劃裝置建設(shè)列數(shù),控制單列裝置的處理能力,從而提高裝置模塊化建設(shè)的經(jīng)濟性。單列裝置處理能力越大,裝置設(shè)備及管路管徑越大,越不利于模塊化實施,特別是運輸。單列裝置處理能力越小,在相同規(guī)模下,建設(shè)的列數(shù)就越多,建設(shè)成本也會增加。

最后,要結(jié)合項目建設(shè)實際條件,從安全管理、質(zhì)量控制、風(fēng)險分析等多角度對模塊化建設(shè)進(jìn)行分析。經(jīng)濟性并不是模塊化建設(shè)的唯一衡量指標(biāo)。在某些自然條件很差或社會環(huán)境風(fēng)險高的地區(qū),從建設(shè)期資金風(fēng)險、工期風(fēng)險以及項目的整體可控性考慮,仍然選擇風(fēng)險控制優(yōu)勢明顯的模塊化建設(shè)模式。

2 模塊化方案設(shè)計

確定項目的模塊化建設(shè)模式和單列裝置建設(shè)規(guī)模后,開展模塊化方案設(shè)計。模塊化方案設(shè)計包括整體策劃和設(shè)備布置兩個方面。

模塊化整體策劃就是單列裝置的整體布局,通常要考慮工藝流程、安全距離、施工安裝與檢維修、特殊單體設(shè)備等多種因素。模塊化裝置整體布置要符合工藝流程走向,節(jié)約裝置間連接管道長度。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備間距有安全距離要求的,其布置要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,如明火設(shè)備與儲罐的間距要求。為了保證裝置安裝和生產(chǎn)運行后的檢維修吊裝需要,裝置間應(yīng)設(shè)置有足夠的吊車占位空間。對于某些特殊的設(shè)備,如塔器、大型儲罐、大型動設(shè)備等,從管路系統(tǒng)工廠預(yù)制可實施性或裝置本身運行安全角度考慮,整體布局時不宜納入模塊化裝置實施范圍,應(yīng)采用單獨布置現(xiàn)場施工的方式。此外,有時為了提高裝置的經(jīng)濟性或操作維護(hù)性,把同列裝置的同類設(shè)備,如機泵、換熱器、過濾分離設(shè)備等進(jìn)行集中聯(lián)合布置。圖2為一種天然氣凈化裝置的整體布局方案[12]。

設(shè)備布置就是對單元模塊化裝置進(jìn)行方案設(shè)計,設(shè)備布置的同時進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架布置。設(shè)備布置除要考慮常規(guī)設(shè)計的工藝流程要求、檢維修外,還需要考慮運輸限制。首先設(shè)備的高低布置應(yīng)滿足工藝流程走向要求。其次,對于需要進(jìn)行抽芯的換熱器和過濾分離器,要考慮抽芯和更換濾芯的空間，需要檢修維護(hù)的機泵設(shè)備應(yīng)布置在裝置邊緣。根據(jù)初步擬定的模塊建造工廠,選擇合適的運輸路徑和運輸方式,確定模塊化裝置能夠運輸?shù)淖畲蟪叽纭⒅亓亢妥罱?jīng)濟的尺寸、重量。在模塊化方案設(shè)備布置時,充分考慮運輸?shù)目尚行院徒?jīng)濟性,根據(jù)工藝設(shè)備和管道尺寸,合理制定模塊化裝置的尺寸和重量。特別是對于陸上天然氣廠站,受公路運輸條件限制,單個運輸模塊的尺寸通常限制在寬3.75 m、高 3.3 m,即公路一級超限運輸范圍內(nèi),而重量限制在 30 t 以內(nèi)運輸相對經(jīng)濟。對于規(guī)模較小的裝置,可以將運輸尺寸限制在寬2.25 m,高2.8 m不超限運輸范圍。根據(jù)寬度要求合理布置設(shè)備水平間距,考慮設(shè)備間安全通道及操作空間;根據(jù)高度要求合理設(shè)置設(shè)備層間間距;根據(jù)設(shè)備布置開展模塊化裝置鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計,并確認(rèn)上下層模塊拆分位置。圖3為一種單元模塊化裝置的設(shè)備布置方案以及運輸模塊劃分方案。

圖2 一種天然氣凈化裝置的整體布局方案

圖3 一種單元模塊化裝置的設(shè)備布置方案以及運輸模塊劃分方案

3 模塊化裝置詳細(xì)設(shè)計

模塊化裝置詳細(xì)設(shè)計采用全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計方法,可顯著提高設(shè)計質(zhì)量并縮短設(shè)計周期。同時,全專業(yè)的三維設(shè)計使裝置三維模型更加形象直觀,有利于設(shè)計過程中充分考慮工廠預(yù)制和現(xiàn)場安裝要求,同時使得裝置的操作維護(hù)性審查更加簡便。天然氣氣田大型廠站模塊化裝置三維詳細(xì)設(shè)計一般包括結(jié)構(gòu)、配管、設(shè)備、儀表和電氣專業(yè),詳細(xì)設(shè)計完成后能夠清晰將各專業(yè)內(nèi)容完整真實地反應(yīng)在三維模型之中。

在模塊化裝置詳細(xì)設(shè)計過程中需要注意以下幾方面:

1)管道應(yīng)力分析。天然氣氣田大型廠站裝置模塊化集成后,結(jié)構(gòu)更加緊湊,管路系統(tǒng)布置限制更多。因此,為保證裝置的整體設(shè)計質(zhì)量,熱力管道的應(yīng)力計算顯得更加重要,必要時,可以通過加強非標(biāo)設(shè)備的管嘴承載力來達(dá)到保障管路系統(tǒng)安全的設(shè)計目標(biāo)。

詳細(xì)設(shè)計階段主要設(shè)計內(nèi)容30 % 階段主體設(shè)備就位主框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計主管道設(shè)計(含應(yīng)力分析)儀電主橋架布置成排接線箱初步方案布置結(jié)構(gòu)及主管道拆分設(shè)計主通道檢查60 % 階段2”以上及主要管道配管主體設(shè)備管嘴方位確定平臺、梯子、吊裝梁設(shè)計框架節(jié)點及拆分節(jié)點設(shè)計成排接線箱布置設(shè)計儀電分支橋架布置管道及儀電拆分設(shè)計90 % 階段供應(yīng)商資料模型核實所有管道配管儀電設(shè)備及穿線管設(shè)計所有支撐設(shè)計(含儀電)各專業(yè)拆分設(shè)計設(shè)備操作及檢維修審查儀表觀察位審查

2)陸上模塊的拆分設(shè)計。與海工模塊相比,陸上模塊受運輸條件限制,需要考慮工廠拆分和現(xiàn)場復(fù)裝。拆分設(shè)計的核心就是實現(xiàn)集成最大化、拆分最小化。拆分最小化意味著現(xiàn)場復(fù)裝工程量最小,現(xiàn)場復(fù)裝精度控制也更容易。鋼結(jié)構(gòu)框架的拆分節(jié)點設(shè)置主要考慮運輸尺寸因素,而管道拆分節(jié)點原則上應(yīng)與結(jié)構(gòu)拆分節(jié)點保持一致。結(jié)構(gòu)拆分節(jié)點通常采用螺栓連接,管道拆分節(jié)點根據(jù)尺寸和壓力等級分為法蘭和預(yù)留焊口兩種方式。儀電拆分設(shè)計主要考慮接箱線的數(shù)量和布置位置,通過最優(yōu)分析,實現(xiàn)儀電用戶點電纜拆分工作量最小,成本最優(yōu)。

3)與運輸相關(guān)的包裝及吊裝設(shè)計。包裝需要根據(jù)物資特點、結(jié)構(gòu)運輸路徑和運輸方式以及外部環(huán)境的要求綜合考慮,兼顧防護(hù)要求和經(jīng)濟性。如中亞地區(qū)長距離陸上運輸?shù)姆辣I、陸上裝置海運的防海洋腐蝕、集成儀電的模塊化裝置長期倉儲防潮等。目前,運輸模塊常用的包裝方式有裸裝、雨布包裹、熱縮膜包裝、木箱包裝和鐵皮包裝。吊裝是模塊化裝置設(shè)計的重要內(nèi)容之一,主要包括無包裝吊裝和有包裝吊裝,其中運輸過程的換裝、海關(guān)倒運吊裝屬于有包裝吊裝。模塊化裝置吊裝設(shè)計需要根據(jù)尺寸、重量和重心位考慮吊點位置和吊裝方式,通常需要考慮采用平衡梁。

4)裝置QRA、FEA分析。生產(chǎn)安全越來越受到廣泛關(guān)注,HAZOP、QRA、FEA等專項分析在石油化工裝置設(shè)計階段的安全分析中的應(yīng)用越來越多。由于模塊化裝置設(shè)備布置更加緊湊,因此需要重視有關(guān)安全的評價與分析。

4 模塊化裝置優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計優(yōu)化應(yīng)在確保裝置設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上,以提高裝置操作性和降低建設(shè)成本為目標(biāo),對已有設(shè)計進(jìn)一步分析調(diào)整。模塊化裝置設(shè)計優(yōu)化包括工藝流程優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化、管道布置優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化等,其中工藝流程優(yōu)化和設(shè)備優(yōu)化在詳細(xì)設(shè)計開始前進(jìn)行,管道布置優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在詳細(xì)設(shè)計過程中進(jìn)行。

工藝流程優(yōu)化首先需選擇技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的工藝方法。對公用工程系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)置,減少裝置水電氣消耗。通過價值工程分析,合理優(yōu)化工藝流程中的閥門數(shù)量和選型;根據(jù)建設(shè)要求合理選擇控制水平。

設(shè)備優(yōu)化需突出設(shè)備選型,優(yōu)先選擇技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備小型化的同類裝置。為實現(xiàn)模塊化裝置的工廠化預(yù)制和運輸,可優(yōu)先選擇臥式設(shè)備代替立式設(shè)備,必要時可通過提高設(shè)備的細(xì)長比縮減設(shè)備直徑,使其滿足運輸優(yōu)化要求。設(shè)備設(shè)計過程中可適當(dāng)提高設(shè)備制造檢驗要求,提高設(shè)備出廠質(zhì)量,以減小設(shè)備整體檢維修風(fēng)險。為適應(yīng)后期應(yīng)力管道設(shè)計,對薄壁設(shè)備管嘴進(jìn)行加強設(shè)計。

管道布置優(yōu)化是對部分工藝管路進(jìn)行調(diào)整,使裝置操作檢維修空間、巡檢通道設(shè)計更加合理。管道布置優(yōu)化可對原模塊化方案設(shè)計進(jìn)行調(diào)整,比如在保證操作空間的條件下通過緊湊布置取消部分原有管路平臺,從而減少運輸模塊的數(shù)量。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是結(jié)合管道布置對鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中需充分考慮模塊運輸和吊裝可能引起的裝置變形,減小變形對裝置復(fù)裝精度的影響。為增大裝置內(nèi)部空間,減少裝置運行鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費用,可將防止運輸?shù)跹b變形的梁柱設(shè)置為臨時栓接結(jié)構(gòu),裝置在現(xiàn)場安裝完畢后拆除。在考慮安全和操作的條件下盡可能將結(jié)構(gòu)專業(yè)的梯子設(shè)置為斜梯和環(huán)形通道,減少直爬梯和單向通道數(shù)量。對上層平臺,必要時可采用可拆卸外挑平臺方式增加通道面積,減少用鋼量和模塊運輸尺寸。

5 結(jié)論

1)項目建設(shè)的可實施性和經(jīng)濟性需貫穿陸上天然氣裝置模塊化設(shè)計的全過程。

2)裝置模塊化方案設(shè)計非常關(guān)鍵,方案的優(yōu)劣直接影響模塊化建設(shè)的成本和工期。

3)與常規(guī)建設(shè)模式相比,裝置模塊化設(shè)計更加強調(diào)應(yīng)力分析、拆分、包裝、吊裝等專項設(shè)計,是項目順利實施的重要保障。

4)通過建設(shè)模式選擇、模塊化方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計四個階段,模塊化裝置的設(shè)計質(zhì)量能夠得到有效保證,更有利于模塊化建設(shè)的HSE、質(zhì)量、進(jìn)度和成本的管理與控制。