大型煤化工项目模块化建设及管理实践探析

由中国石油化工集团公司倡导发起的工程建设项目“标准化设计、标准化采购、模块化建设”（以下简称“三化”）工作，近几年在国内石油化工项目建设中发挥了越来越重要的作用。特别是“模块化建设”工作，经过在世界规模最大的煤制烯烃项目——中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目建设管理的实践，取得了显著成效，获得了重大进展。

模块化建设既是工程建设技术的一种创新,同时又是项目管理方式的一场变革，必将成为未来大型煤化工及石油化工工程建设项目的发展趋势。本文试从模块化建设的理念及内涵着手，以中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目模块化建设管理实践为例，系统地阐述大型煤化工项目模块化建设工作的策划、实施及效果评价和实施模块化建设的优势及意义。

概述

模块化建设的概念

模块化建设是指在工程设计阶段对工程建设项目/装置进行充分的策划、评估及功能分析的基础上，以“满足运输和吊装前提下最大限度减少现场安装工作量”为原则，进行可管理的模块分解与设计；在采购阶段按设计的功能模块实施集中订货、集中运输、集中供货；在施工阶段通过深度预制形成设计确定的模块，整体运输到施工现场以吊装的方式逐个模块分别进行拼装或安装。模块化建设是项目建设单位或EPC承包商在实践中创立的一种适合大型工程项目的新型工程建设技术和项目管理方式，它的先进性在于大量引入模块化技术，极大地缩短了工期，产生良好的经济效益。模块化建设不但没有违背传统的工程建设理念，而且将其进行优化，依靠当今的先进技术，进行剖析、分项，由局部小模块集成为大模块，逐步实现模块最大化。如建筑工程项目从“装配式建筑”升级为“模块化建筑”，就是这一理念在建筑工程领域应用发展的结果。

模块化建设的内涵

设计是模块化建设的基础，项目功能分析、模块分解及模块集中与整合等模块化建设的策划与技术创新都必须由设计完成，同时，设计还应考虑所设立的模块应有足够的集中度和相对的独立性，与周边设施既可拆分又有足够的稳定性和满足整体运输与吊装要求；采购是模块化建设的保障，将模块化建设项目所分解的模块、所关联的设计技术条件和设备材料到货计划等要素落实到采购计划和供货合同之中，并确保依据模块化建设项目实施计划的安排，按模块逐一实施设备及材料的供货。

因此，模块化建设的内涵就是要在工程建设项目上建立设计、采购、施工一体化的管理机制，并将模块化的理念融入到工程项目的设计、采购、施工全过程之中，以标准化设计、标准化采购来保障项目施工围绕着在项目设计阶段所确立的模块来组织实施，从而通过完成工程项目模块化建设各项指标，来确保工程项目总体建设目标的实现。

模块类型与模块化建设层级

结合石油化工工程建设项目模块化建设的实际，根据模块类型可将石油化工工程模块化建设定义为如下三个层级：

1）专业模块属模块化建设深度较浅的第一层级。是按标准化的规范要求，将装置（单元）内的专业工程以模块为单位进行深度预制，最大限度地在制造厂（预制场）完成制作、预组装工作后，分专业在现场完成安装工作。

2）组合模块（即功能模块）属模块化建设深度较深的第二层级。是将装置（单元）的工程内容按工艺功能或施工功能进行分解和组合，在“专业模块”的基础上将相关专业适度集合和集成，形成多专业集成的功能化模块，以实现功能模块在现场的整体吊装或安装。

3）软模块属模块化建设深度更深一级的第三层级。是对标准化设备如大型压缩机等转动设备安装、大型球罐等压力容器的安装，在完成模块实体（硬模块）安装的基础上，再将其模块化建设过程中形成的包括进度计划、资源配置及安装工艺在内的模块化实施方案予以标准化（固化），以便在其他项目同类型设备安装模块化建设过程中予以直接应用，从而开拓以“进度计划、资源配置、安装工艺”标准化为载体的模块化建设工作类型。这是本项目新创的一种模块类型，类似于以前的施工工法，但比施工工法的含义及范畴更广。

项目应用实践

中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目是由中天合创能源有限责任公司投资建设的世界级大型煤炭——化工联合项目的组成部分，总投资约391.54亿元。该项目是目前全球规模最大的煤制烯烃项目，其工程建设由中天合创能源有限责任公司化工项目管理部负责具体组织实施，采用模块化建设管理模式，在提高施工效率、降低综合成本、提高工程实体质量、降低安全风险等方面取得了显著成效。

项目模块化建设工作的策划

指导思想

由于石油化工工程的标准化设计、标准化采购工作在当时中国石化乃至全国尚处于总体规划与基本框架形成阶段，其深度还不能直接用来进行模块化建设的实施，而只能以现有设计资料和类似项目模块化施工经验为基础，探索和创新项目的“模块化建设”工作程序及方法，从模块化建设入手，与设计标准化和采购标准化工作相结合，来推进本项目的“模块化建设”工作。

在对该项目各主要装置（主项）进行充分的策划、评估及功能分析的基础上，按照“满足运输和吊装前提下最大限度减少现场安装工作量”的原则，进行模块化建设工作的策划、立项与实施的全过程控制。

策划及立项原则

1）提升本质安全水平，满足工程质量要求；

2）可施工性原则，与项目的设备材料到货、组装、运输和吊装作业条件相匹配；

3）综合经济效益最佳原则，模块最大化，工效大幅提升，现场作业减少。

策划及立项思路

按照装置（主项）组成到单元再到专业逐级分解的层级划分模块对象，确定模块集成专业及深度、提出相关专业的集成方式和接口条件，分装置（主项）确定模块化建设项目。

研究项目的基础设计资料，调研以往同类工程的建设与模块化施工经验，通过分阶段开展工作，了解工程组成、专业特点、单项工程设计参数、现场及外部运输条件，进行“模块分解”及模块化建设项目的立项。

策划工作步骤

1）成立项目模块化建设工作组织机构；

2）确立本项目运用模块化建设的重点；

3）立项及模块分解；

4）确定重点专业模块化建设相关要求。

策划成果

1）经策划成立的本项目模块化建设工作领导小组等组织机构及职责等，形成正式文件并发布实施。

2）制作全项目模块化建设立项项目一览表。该项目模块化建设立项项目合计为56项（共591个模块或子模块），几乎涵盖了各主要装置或主项，涉及钢结构、设备、管道、电气、仪表等专业，包含专业模块、功能模块及软模块等模块类型。

3）项目模块化建设工作相关管理制度，制定了对参建单位模块化建设工作成效及应用效果评价标准等制度文件，并发布实施。具体包括：承包商模块化建设工作评价标准、参建单位模块化建设工作奖励办法、模块化建设项目实施方案编制内容统一规定、模块化建设项目实施总结编制规定等。

项目模块化建设工作的实施

实施思路

成立各方参与的“模块化建设”实施工作小组，建立模块化建设工作进展检测及考核机制，从组织及制度上确保已立项的模块化建设项目按计划组织实施。

统一各参建方的思想，树立设计、采购、施工一体化管理理念。

以“专业模块”为基础、“功能模块”为核心，探索“软模块”模块化建设项目的实施途径。

在全力推进已批准立项的模块化建设项目按计划实施的前提下，将模块化建设的思路、方法及要求向全项目延伸。

模块化建设项目实施方案编制规定

为了保证模块化建设项目实施方案编制内容既统一又有一定编制深度，便于模块化建设项目的实施、实施进展情况的检查和检测、实施效果的评估，我们制定了项目《模块化建设项目实施方案编制内容统一规定》，对实施方案内容及编制深度等作出了统一的编制规定及要求，规定已批准立项的模块化建设项目逐项编制实施方案。重点对模块化建设项目进度计划的编制所涉及到的设计、采购、施工三大方面的进度进行规划，要既能体现设计、采购为模块化施工提供前提条件，又能全面地反映出模块化建设项目设计、采购、施工的深度交叉和逻辑关系，形成进度网络计划，其深度应达到EPC三级进度计划的要求。

模块化建设项目实施的推进

模块化建设项目立项工作完成以后，如何组织实施是关键。为了强有力保证所立项项目按计划及要求组织实施，同时还要将模块化建设的思路、方法及要求向全项目延伸，我们通过如下各项制度，强化对承包商模块化建设项目实施的推进和实施进展情况的检测及考核，即模块化建设工作周例会制度、模块化建设项目周报表制度、模块化建设工作月简报制度、模块化建设项目实施进展考评制度。

承包商模块化建设工作的评价

评价指标

为了推动和保证该项目模块化建设的顺利实施，对承包商模块化建设工作总结评比及奖励提供依据，我们制定并颁布实施了《承包商模块化建设工作评价标准》。

评价标准是在对立项项目实施效果评价的基础上，重点对各承包商将模块化建设的思路、方法及要求向全项目延伸所取得的成效的评价，同时考虑模块化建设的广度、深度及模块化建设程度，实施模块化建设在工程进度、质量、安全方面的促进作用等，对承包商模块化建设效果及成效进行全面的定量评价。

1.承包商模块化建设深度评价指标

1）管道焊接平均预制率α3：

式中：a—管道预制专业模块化深度系数。

DByn—第n项装置完成的管道预制寸径数。

DBn—第n项装置管道总寸径数。

2）塔设备模块化吊装实现率α4：

式中：Tmn—第n项装置实现模块化吊装的塔设备总数。

Tn—第n项装置适合模块化吊装的塔设备总数。

3）钢结构模块化建设实施率α5：

式中：a —钢结构专业模块化深度系数。

Gmn—第n项装置按模块化实施的钢结构重量之和。

Gn—第n项装置钢结构总重量。

2.承包商模块化建设范围（广度）评价指标

1）模块化建设装置（单元）覆盖率α6：

式中：Dmn—第n项装置实施了模块化建设的单元数之和。

Dn—第n项装置总的单元数。

2）承包商模块化建设专业覆盖率α7：

式中：Zmn—第n项装置实施了模块化建设的专业数之和。

Zn—第n项装置总的专业数。

3.承包商模块化建设综合评价指标

模块化建设程度ξz：

式中：M—装置（主项）专业总数。

ξm—装置（主项）第m个专业模块化程度平均值，按下式计算：

式中：Am—全装置中第m个专业实施的模块化深度系数。

Nm—全装置中第m个专业对应于某一模块化深度下的模块总数。

评价方法

评价实行基本得分+附加得分制，以合计得分（基本得分+附加得分）定量评价各参建承包商的模块化建设工作成效及实施效果。

1）数据收集

将历次模块化建设工作例会纪要、各承包商模块化建设工作总结、批准立项的56项模块化建设项目实施总结、各监理单位的模块化建设项目监理总结等文件提供的各项数据，作为收集评价数据的主要来源。

2）基本得分及计算

承包商模块化建设实施效果基本得分为1000分，具体按以下公式计算基本得分A：

式中：α1—立项的模块化建设项目实施完成率；

α2—立项的模块化建设项目实施总结编制完成率；

α3—装置（主项）管道平均预制率；

α4—装置大型塔设备模块化吊装实现率；

α5—装置（主项）钢结构模块化建设实施率；

α6—装置（主项）实施模块化建设的单元覆盖率；

α7—装置（主项）实施模块化建设的专业覆盖率；

ξz— 装置（主项）模块化建设程度。

3）附加得分

对管道平均预制率最高、模块化建设程度最高的承包商，对单个模块重量超过500吨的重型模块、单个模块外型尺寸超过20m×20m×10m的大体积模块的实施承包商以及软模块化建设取得成果的承包商均另行加分。

表1 项目参建承包商模块化建设主要评价指标实现情况分布表

表2 项目参建承包商模块化建设工作评价得分情况分布表

主要评价指标实现情况

该项目各参建承包商一些主要评价指标实现情况见表1。

参建承包商模块化建设工作得分情况

该项目各承包商模块化建设工作计算得分分布情况见表2。

项目模块化建设实施效果

全项目模块化建设主要目标实现情况

批准立项的56项模块化建设项目已全部实施完成，在立项项目的示范作用下，其他未立项的装置和单元，也不同程度地实施了模块化建设，项目模块化建设取得了以下显著成效：

1）立项项目实施率为100%；

2）立项项目实施完成率为100%；

3）全项目管道焊接预制率为53%；

4）全项目主体装置钢结构工程模块化建设实施率为100%；

5）全项目塔设备模块化建设实现率为88.3%；

6）全项目转动设备模块化安装率100%；

7）单个模块最大体积：6809m3；

8）单个模块最重重量：1458t；

9）MTO装置2台2#丙烯塔、净化装置4台保冷塔甲醇洗涤塔及全项目88%的大型塔设备成功实现了模块化吊装，刷新了当期中石化乃至国内石油化工建设项目模块化建设指标新记录。

项目典型模块简介

1）重量最重模块：MTO1装置C-5003-2#丙烯塔

模块体积：3787m3（直径6.6m、高度110m）；

模块重量：1458t；

模块类型：组合模块；

模块实施情况：按模块化建设方案，塔体由制造厂分段制造，现场再组焊成整塔，并将附塔保温、附塔管线、梯子平台等劳动保护设施、电气仪表等在现场地面安装完成后，整塔由当期世界最大的4000吨履带式吊车一次吊装就位，完成安装，实现塔起灯亮（图1）。

2）体积最大模块：MTO1装置余热锅炉

模块体积：6809m3（长16.15m、宽13.6m、高31m）；

模块类型：专业模块；

模块化实施情况：按模块化建设方案，余热锅炉的钢结构、炉管由专业制造厂预制成片型模块，在现场组焊成整体模块，并将梯子平台等劳动保护设施、电气仪表部分构件等在现场地面安装完成后，整体由2台大型吊车一次吊装就位，完成安装（图2）。

3）难度最大模块：净化 T01甲醇洗涤塔

模块体积：1105m3（直径4m、高度88m）；

模块重量：961t；

模块类型：组合模块；

模块实施情况：按模块化建设方案，塔体由制造厂制造，在现场将附塔保冷绝热层、附塔管线、梯子平台等劳动保护设施、电气仪表等在现场地面安装完成后，整塔由4000吨履带式吊车一次吊装就位，完成安装。该塔结构复杂，附塔管线多达10条，属保冷塔，其成功实现模块化吊装，在石油化工项目模块化建设中具有里程碑式意义（图3）。

4）特大型设备子模块：MTO反应器

最大子模块体积：1896m3（反应器壳体上段直径14.2m、高度12m）；

最重子模块重量：316t（反应器顶封头+衬里+顶平台，直径14.2m）；

模块类型：专业模块；

图1 单模块最重的MTO1装置2#丙烯塔模块化吊装成功

图2 单个体积最大的模块 MTO装置余热锅炉地面预制及整体吊装

模块实施情况：MTO反应器为特大型反应容器，其最大直径Φ14.2m,壳体安装高度61m，由制造厂进行壳体分片预制，发货到现场，现场地面组焊成壳体段（子模块），并将每段所附属设施安装完成，其中顶封头子模块吊装就位前还完成了衬里的施工和烘衬，尽可能减少高空高危作业（图4）。

实施模块化建设的优势及意义

实施模块化建设，项目模块可以在工厂或者现场预制场预制、预组装，做到与施工现场同步甚至提前，可保证施工流水作业、现场工厂两不误，将现场大量安装工作量前移到工厂预制组装中，以节省大量的时间、人力、物力，提高工程质量，缩短施工周期，降低施工现场安全风险系数，创造了显著的综合经济效益。具体体现在如下几方面：

1）提高施工效率

模块化建设的一个重要措施，就是采取工厂化预制，可使大量现场手工加工的工序在预制厂内机械化完成，提高工效。采取工厂化预制，在内蒙古这样的高寒地区，冬歇期可以在封闭的预制场内先行预制，将冬歇期变为施工期，从而赢得宝贵的施工工期，模块化建设较传统建设方式施工工期一般可缩短40%-80%。（表3）

2）降低综合成本

模块化建设将优化施工工艺流程，工厂化预制能够大幅度提高施工效率、减少现场施工人数，尽管可能会增加部分大型吊装机械的台班费，但总体有利于降低施工综合成本。模块化建设较传统建设方式施工费用一般可减少25%-40%。（表4）

3）提高工程实体质量

模块化建设的另一重要措施，就是预制场内的机械化作业，特别是自动化焊接，相对于手工焊，可以使焊接质量显著提高。工厂化预制加工精度高，使施工实现流水作业，快捷、高效，从而有效地提高了工程实体质量。该项目全项目射线检测按照相底片统计一次合格率98.23%；按焊口统计一次合格率94.78%。

4）降低安全风险

模块化建设将大部分员工集中在预制场工作，有效减少了风险较大的施工现场作业人数，工厂化预制和地面组段组框预制、模块化吊装和安装，减少了现场单件吊装倒运时间，减少了高空作业、交叉作业，缩小了作业范围，甚至可以实现现场不动火（焊接）作业，从而大大降低了高空作业、交叉作业的风险，保障了项目建设的本质安全。

图3 实施难度最大的净化装置甲醇洗涤塔模块化吊装及净化装置18台塔设备塔起灯亮夜景

图4 MTO反应器壳体大锥段、壳体上段（直径均为14.2米）子模块吊装中

表3 项目部分模块化建设项目施工工期对比表

表4 项目部分模块化建设项目施工费用比较表

该项目全项目连续安全施工1576天，累计实现连续安全人工时8548万，可记录伤害率0.053，损失工时事故率为0。

结语

模块化建设相比于传统工程建造方式而言，在省时、省力、省空间和高效方面的优势愈发凸显。通过实施模块化建设，不仅提升了石油化工项目工程建设的科技含量，而且为工程实体质量和本质安全提供了保障。

模块化建设必须是设计、采购、施工同步策划和考虑，共同遵守模块化建设理念，统一协调、统一管理，才能保证模块化建设项目按其实施方案顺利实施。

模块化建设为石油化工工程建设项目的建设速度、管理方式、建设技术（设计、采购、施工技术）等多方面都带来全新的变化。因而模块化建设既是工程建设模式的一种创新,同时又是项目管理方式的一场变革，必将成为未来大型煤化工及石油化工工程建设项目的发展趋势。