安岳气田60×108m3/a地面工程建设模块化技术

陈朝明　马艳琳　李　巧　宋光红　蒲远洋　陈智勤

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司

陈朝明等.安岳气田60×108m3/a地面工程建设模块化技术.天然气工业，2016， 36（9）: 115-122.

安岳气田60×108m3/a地面工程建设模块化技术

陈朝明马艳琳李巧宋光红蒲远洋陈智勤

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司

陈朝明等.安岳气田60×108m3/a地面工程建设模块化技术.天然气工业，2016， 36（9）: 115-122.

四川盆地安岳气田磨溪区块下寒武统龙王庙组气藏天然气储藏量大，是典型的“三高”（高温、高压、高产量）含硫酸性气田，该项目60×108m3/a地面工程单列装置处理量大、工艺控制复杂、工程建造工作量大、建设场地受限、工期紧，传统工程建设模式很难在16个月内完成项目设计和建设。为此，引入了装置大型化及模块化的设计理念，全面推行“标准化设计、规模化采购、工厂化预制、模块化施工”，形成了大型地面工程建设模块化技术：①根据工艺流程合理布置模块化装置的位置；②模块化设备布置采用多层框架进行空中叠加；③把操作工况、介质特性、功能特征、安装要求相同或相似的设备集中布置并构成模块；④专门设置了安全逃生通道；⑤预留了大型设备的安装、检维修操作空间；⑥充分考虑了模块的运输和吊装要求。采用该技术提高了设计质量，有效缩短了设计周期，减少了现场工作量，降低了现场安装的安全管理风险，提高了生产效率，节约了占地，减少了投资，为类似大型项目地面工程模块化建设提供了借鉴。

四川盆地安岳气田龙王庙组气藏酸性气田地面工程建设模式工艺装置大型化模块化

安岳气田磨溪区块下寒武统龙王庙组气藏位于四川盆地中部，探明天然气地质储量为4 403.83×108m3，是迄今我国发现的最大的单体海相碳酸盐岩整装气藏，原料气中H2S含量为10～15 mg/m3，CO2含量为30～60 mg/m3，且原料气具有明显的“三高”（高温、高压、高产量）特点，井口原料气温度大于100 ℃，压力大于60 MPa，单井天然气产量最高达200×104m3/d。安岳气田磨溪区块地面工程建设项目（以下简称磨溪项目）地处四川省遂宁市，该地区地形地貌复杂、人口分布密集，为项目的开采带来很大的潜在风险。同时，为了保证项目安全、快速、高效、优质地上产，安岳气田磨溪区块龙王庙组气藏分成3个阶段进行开采，每个建设阶段十分紧张。磨溪项目10×108m3/a地面试采工程和一期40×108m3/a地面工程（以下简称为一期工程），分别在2013年10月和2014年8月成功建成并投产；对于磨溪气田二期60×108m3/a地面工程（以下简称为二期工程），要求2014年6月开始项目基础设计，并保证在在2015年10月建成并投产，项目设计和建设任务十分巨大并极具挑战性。

如采用传统模式进行建设，要求在16个月时间内完成设计并顺利建成投产，无论对设计单位还是建造单位都是极大的挑战，都是难以实现的目标。因此，二期工程引入了装置大型化和模块化相结合的设计理念［1-5］。

1　磨溪项目60×108m3/a地面工程的特点

磨溪项目60×108m3/a地面工程是磨溪区块继试采工程和一期工程后，又一个超大型气田地面工程。该工程是在一期工程建成投产运行的基础上，在一期工程旁边同厂进行扩建，项目具有如下特点：

1.1工艺复杂

安岳气田磨溪区块龙王庙组气藏储量大，是单体海相碳酸盐岩整装气藏，天然气H2S和CO2含量分别达到10～15 mg/m3和30～60 mg/m3。项目的天然气主工艺处理过程需要先对原料气进行脱硫脱碳处理，然后对脱硫脱碳后的天然气进行三甘醇脱水，脱水后的天然气送至外输天然气管网；从脱硫脱碳装置解析出来的酸气进入硫磺回收装置，回收获得的液硫进入罐区储存及硫磺成型车间；硫磺回收后的尾气进入尾气处理。还配置了相应的空氮站、循环水站、蒸汽系统等公用工程、生产水处理及蒸发结晶辅助设施。整个二期工程天然气处理工艺流程长、技术复杂，且自动化水平要求高。

1.2单列装置处理量大

二期工程单列装置正常处理量为600×104m3/d，为一期工程单列装置处理量的两倍，总共3列一样的天然气处理装置，原料气处理量达到了1 800×104m3/d，是一期工程1 200×104m3/d的1.5倍处理量，也是国内目前建成投产的气田地面工程单列处理量之最。

1.3建设场地受限制

由于磨溪项目60×108m3/a地面工程是二期工程，单列装置处理量变大，是一期工程单列装置处理量的两倍；同时每列装置还增加了一套尾气处理和酸水汽提装置。但二期工程是在一期建成投产并运行的基础上，在一期工程旁边进行扩建的，要求单列装置的长度和一期工程保持一致；项目占地受总体规划和征地面积的影响，整个单列装置的设备布置和建造难度明显增加。

1.4工程量大

磨溪项目60×108m3/a地面工程由于工艺复杂，规模较大，装置数量较多，仅管道焊接工程量就超过440 000个焊接达因数，焊接工作量巨大，项目按期投产面临巨大的挑战［10-14］。

1.5建成投产周期短

为了保证运营单位年度供气目标，要求于2015年10月建成投产，设计和建设周期约16个月。

2　装置大型化、模块化设计理念的应用

二期工程从基础设计阶段就按照装置大型化及模块化的设计理念开始方案的策划，并在施工图设计阶段严格按照这一理念进行模块化的设计工作。根据二期工程的特点，总结试采工程和一期工程的成功经验与教训，充分结合关键物资采购进度和现场建造单位的能力与实力，在项目前期策划阶段进行了深入的研究，针对装置大型化、模块化方面进行了一系列的部署［15-19］。

2.1装置大型化

由于二期工程单列装置处理量较一期工程增加了一倍，单列装置布置受到一期工程运行及业主征地的限制，模块化装置只能向空中方向发展。结合试采工程、一期工程的建设经验和二期工程的工艺优化情况，对二期工程装置大型化设备布置进行更深层次的研究、策划和设计。

2.2装置模块化设备布置

2.2.1结合工艺流程做好装置模块划分的原则

在二期工程设计之初，根据工艺装置的流程顺序和介质特性，合理布置模块化装置的位置（图1），做到既满足工艺流程顺序，又满足介质流顺序，避免由于装置及设备布置的不合理，导致管道绕弯过多，引起流体介质的压降过大及管道材料的浪费。

图1　主装置平面布置图

2.2.2设备布置采用多层框架结构

在二期工程装置模块化策划开始阶段，在总结试采工程和一期工程成功实施的经验基础上，充分考虑二期工程工艺复杂、单列装置处理单元增多、装置处理量增大和装置场地长度受限等因素，对二期工程模块化设备布置采用多层框架进行空中叠加，以解决场地受限问题。

2.2.3根据操作特性相近和方便性综合考虑设备布置

二期工程装置模块化设计，把操作工况、介质特性、功能特征、安装要求相同或相似的设备集中布置并构成模块，不再严格划分每个处理单元。对于不适合采用模块化布置设计的塔类设备、大型立式设备、大型泵类转动设备和大型空冷器等根据工艺流程要求和同类设备集中布置的要求进行布置（图2）。

2.2.4充分考虑安全逃生方面的要求

由于模块化的设备布置，导致装置由地面平铺转向了空中发展，较之于传统的地面铺开布置方式，模块化装置的多层设备布置方式对安全逃生的要求更高。为此，在装置模块化设备布置策划及设计过程中，专门设置了安全逃生通道，如图3绿色部分所示。

2.2.5充分考虑大型设备、冷换设备及模块的安装、检维修

二期工程模块化装置的设备布置在考虑大型设备的吊装问题的同时，还需考虑重量较大模块的吊装和检维修。因此，在模块化装置布置和设备布置中充分考虑了以上因素，以满足建造过程中大型设备、管廊架上大型空冷器及重量较大模块的安装和检维修操作空间，如图4红色部分所示。

2.2.6充分考虑模块的运输和吊装

为了满足模块在制造厂组装完成后，能顺利吊装并运输到项目现场，在模块方案策划阶段，必须做好模块运输及吊装方案研究，不仅要充分考察并确认制造厂和项目现场之间的运输限制条件，由于二期工程建设过程中，一期工程仍在正常运行，所以还需要考察项目现场的模块运输限制条件。

以上限制条件包含运输路由所允许运输物资的长、宽、高的最大尺寸及最大重量，并结合运输车辆的情况、现场吊装机具情况和现场布置情况综合计算各模块最终尺寸和重量。

图2　主装置模块化三维模型图

图3　三维模型安全通道布置设计图

2.3模块化设计对采购的支持

模块化建造模式下，设备供货资料对模块化的设计有很大程度的影响。为此，在初步设计阶段工艺方案获得批复以后，就开始确定关键工艺设备及大型设备的设计尺寸和管口方位，并将相关数据和技术要求写入采购文件，提交业主开展采购工作。采购过程中，任何对采购文件中设备结构形式、关键尺寸、管口方位的调整，都必须第一时间与设计方确认，并达成最终一致意见，最大程度地降低设备采购对模块化设计的影响。具体可归纳为以下3个方面：

1）模块化方案的及早策划，方便了业主方对物资的批量化采购。

2）三维设计软件的应用，提高了材料采购的准确性，避免了人为统料的错误。

3）系统的材料编码规则，方便了材料的规范性采购和管控。

2.4模块化设计对建造单位的支持

对于制造厂的模块制造用管道及钢结构等材料，设计方通过60%、90%及剩余材料，分3批提交给模块制造厂，以方便模块材料的采购、管道及钢结构的预制和组装工作，避免了多余采购造成的物资浪费。

图4　检维修空间规划布置图

在项目模块化设计过程中，从前期的模块化方案策划，到三维模型设计的30%、60%、90%这3个阶段模型审查，均邀请业主方和现场施工方相关人员参与模块化设计的过程管理及三维模型审查，避免项目设计后期由于业主要求的变动和施工方案的不落实导致大量的设计变更，从而导致模块制造的返工。

2.5模块化设计项目的优势

总结以上经验，磨溪项目60×108m3/a地面工程通过大型化、模块化的设计和建设，在以下6个方面取得了成功。

2.5.1降低了现场安装的安全管理风险

1）工厂预制、模块化施工，简化了现场的施工界面，降低了安全管理的风险。

2）钢结构和管道的焊接采用地面预制最大化，减少了现场高空作业的工程量。

3）模块采用螺栓连接，减少了项目现场的动火时间，降低了现场复装的安全风险。

2.5.2提高了生产效率，缩短了建设工期

现场土建施工与成橇厂工艺模块建造可同时进行。模块制造在工厂内完成，不受天气和场地条件等因素制约，使得项目的施工周期较常规施工模式缩短了约30%。主要表现在下面3个方面：

1）工厂预制最大化，自动化设施加快了预制的进度。

2）室内加工，避免模块的钢结构及管道的预制和安装工作受天气影响（图5）。

图5　装置模块化方式与传统现场实施方式工期比较图

3）螺栓连接最大化，简化了现场复装的工作，提高了复装速度。

2.5.3减少了现场工作量

模块制造厂内完成装置焊接及预安装工作，模块内管道及钢结构的预制焊接工作量达到93%，模块化装置的现场复装工作仅负责完成模块的搭接以及各装置系统间的贯通安装。

2.5.4充分利用制造厂附近的物资及人力资源

可以充分利用制造厂具备的机具物资、人力资源，减少现场条件的限制。

2.5.5质量可靠

焊接、吹扫、试压、调试均在模块制造厂内完成，施工条件好，施工质量高。具体表现在如下3个方面：

1）大量自动化焊接设备的应用，使得管道的焊缝成形率高、外观规整、焊缝质量好。

2）制造厂设置有专门的质量检验设施，便于预制管段的检验和探伤，保证了产品质量。

3）模块制造厂的管理更加细致，有利于管道及钢结构预制焊接的质量管理。

2.5.6节约占地、降低投资

模块化设计由平面布置向多层空间叠加集成，节约了项目用地面积约41%，并在项目实施过程中减少了施工单位的现场安装工作，整体降低了项目资金的投入。具体表现如下3方面：

1）平面布置向多层空间叠加集成，减少用地80 000 m2，使得项目用地面积节约了41%，节省了项目征地费用。

2）减少了现场施工临时措施费用、大型机具的使用及租赁费用。

3）模块制造厂良好的施工条件能有效提高作业效率，并保证作业时间，减少了现场人力成本投入。

图6是磨溪项目60×108m3/a地面工程模块化建设模式取得的成果汇总。

图6　磨溪项目60×108m3/a地面工程模块化建设实施效果图

3　模块化布置的难点及措施

对于模块化的设计，由于向空中叠加形成多层框架结构等将导致钢结构的计算，在磨溪项目中针对这些问题采取了相应的解决措施。

3.1模块化导致钢结构用量的增加

由于装置受项目场地的限制，导致模块化装置由原来的地面平铺向空中叠加，形成多层框架结构，导致装置区钢结构用量明显偏高，且偏高量达15%。

虽然装置区的用钢量增加，但由于装置区占地面积减少，减少了系统管廊的长度，降低了管廊部分管道和钢结构的投资；另一方面，通过将设备布置在钢结构框架内，降低了设备基础土方的开挖工作和基础混凝土浇注的工作量。

根据统计结果，由于装置区模块化原因导致的钢结构增加量而引起的材料费用增加，与减少系统管廊长度降低钢结构和管道的材料费用及减少设备基础土方工程和混凝土浇注工程的费用相比较，总增加费用低于5%。

3.2设备检维修措施

对于多层钢结构框架模块化装置，由于设备大部分集中在模块内，导致装置区内布置空间受限，也导致部分卧式压力容器设备和系统管廊上的大型空冷器在检修方面存在难以满足的空间需求。

为此，在模块化设计策划阶段就必须对大型设备的安装及检修空间做好预留；同时对于系统管廊上的大型空冷器，需要设置专门用于检修的吊车位置，以满足检维修的需要。

3.3操作方便性

由于模块化布置与传统布置模式相比，设备及管道的布置更加紧凑，过多的钢结构立柱导致部分管道或设备的检维修及操作方便性有所欠缺。

因此为了降低装置布局紧凑对装置运行维护的影响，设计人员从工艺方案开始就对设备尺寸、工艺仪表控制、管道阀门选型、钢结构设计等方面进行优化，为模块内部设备及管道提供最大限度的操作空间；同时，在设计过程中还对有些结构的梁、柱设置为可拆卸的形式，以保证设备的操作及检维修空间。

4　结束语

磨溪项目60×108m3/a地面工程工艺及仪表控制复杂，装置单列处理量大，工程建造工作量大，建设周期短，项目的设计和建设承受了巨大挑战。设计全面推行“标准化设计、规模化采购、工厂化预制、模块化施工”理念，在设计初始阶段就根据业主已有标准化成果，结合设计单位自有的标准化设计文件体系，推行标准化设计，提高设计质量，有效缩短设计周期，为规模化采购、工厂化预制以及模块化施工创造了有利条件，为项目大型模块化建设的成功提供了有力技术保障。

磨溪项目60×108m3/a地面工程模块化建设的实施，证明了模块化建设模式必须以设计为龙头，设计是灵魂的理念展开。气田地面工程装置大型化、模块化设计思路和建设理念是切实可行的，也是值得推广的。

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（修改回稿日期 2016-06-27 编辑 何明）

Modularization for surface engineering construction of 60×108m3/a in the Anyue Gasfeld， Sichuan Basin

Chen Chaoming， Ma Yanlin， Li Qiao， Song Guanghong， Pu Yuanyang， Chen Zhiqin
（Southwest Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610041， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.115-122， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In the Anyue Gasfield， Sichuan Basin， the Lower Cambrian Longwangmiao Fm gas reservoir in Moxi Block has enormous natural gas reserves， and it is a typical three-high （high temperature， high pressure， and high flow rate） sour gas field. Its surface engineering（60×108m3/a） is characterized by high processing rate of each unit， complex process control， large construction load， restricted construction site and tight schedule. Based on the traditional engineering construction mode， however， it is difficult to complete the project design and construction within 16 months. In view of this， the design concept of unit large-scale modularization was introduced to implement "normalized design， scale purchase， factory-like prefabrication and modularized construction" and develop the modularization technology of large-scale surface engineering construction. This modularization technology is performed as follows. First， the modularized units are laid out reasonably according to the technological process. Second， the layout of modularized units is usually superimposed in the multi-layer framework. Third， those equipments with the same or similar operational modes， medium properties， functional characteristics and installation requirements are concentrated in the pattern of a module. Fourth， escape passageway is specially set up. Fifth， room for installation， maintenance and repair of large equipments is reserved. And sixth， transportation and hoisting requirements of modules are taken into consideration sufficiently. This technology is contributive to the improvement of design quality， effective shortening of design period， reduction of field working load， decrease of safety management risk of on-site installation， increase of production efficiency， conservation of land occupation and diminishment of construction investment. It plays a reference role in the modularized construction of surface engineering of similar large projects.

Sichuan Basin； Anyue Gasfield； Longwangmiao Fm gas reservoir； Surface engineering； Construction mode； Process unit； Large-scale； Modularization

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.014

中国石油天然气集团公司重点工程项目“安岳气田磨溪区块龙王庙110亿立方米/年产能建设”（编号：S2013-015E）。

陈朝明，1976年生，主任工程师，学士；主要从事天然气处理地面工程模块化设计及研究工作。地址：（610041）四川省成都市高新区天府大道升华路6号。电话：（028）82978077。ORCID: 0000-0003-0283-2890。E-mail: chenchaoming@sina.com