陆上天然气处理装置模块设计浅析

谈文虎 丑亚妮 夏 辉 邢 超 刘林远 侯明珠

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041；2. 中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司天然气勘探开发事业部， 四川 泸州 646400

0 前言

模块化技术作为当今世界解决复杂工程建设问题的有效手段,能够提高建设质量,保证建设工期,降低建设成本及建设风险[1-2]。在油气田地面工程建设领域,受建设环境的影响,推广应用模块化技术一直是重点方向[3-6]。20世纪90年代末,国内各天然气气田开始应用橇装技术,主要以设备为中心,集成简单的管路系统。随后,为进一步提高装置的集成度,实现功能的集成,提出了装置一体化技术,适应了中小型厂站的建设需要。但对于大型天然气厂站,由于工艺装置复杂,占地面积大,橇装技术和一体化技术无法有效改善传统地面工程建设现场施工工程量大导致的弊端。而天然气装置的设备布置受介质重力影响较小,主要靠气体压差实现介质的流动,具备向空间发展的特点,有利于装置的模块化集成。通过模块化技术,可实现工艺装置按区或单元进行集中布置,减少占地面积,提高装置工厂化预制率,实现装置的机械化作业,彻底改变地面工程的建设模式。目前,模块化建设模式已在国内外油气田地面工程建设中得到了广泛应用[7-12]。

模块化设计是天然气气田大型厂站模块化建设顺利实施的关键,建设模式的改变对设计和管理也提出了新的要求[13-20]。本文将按照模块化设计的过程分阶段阐述设计内容及主要考虑的因素,为模块化设计提供指导。

1 模块化建设模式选择

天然气装置要实现模块化建设模式,首先要解决可行性问题。简单来说,模块化建设模式,就是把工艺装置中绝大部分需要现场安装施工的工作转移到工厂实施。工厂一般都位于交通便利、社会环境好、自然环境优势明显的地区,这些地区往往还有技术优势、人力资源和物资资源集聚优势,能够保证模块化装置的建造质量和工期。天然气气田则往往位于偏远山区、戈壁或沙漠等远离人口密集区的地区,因此,模块化建设首先要考虑的问题就是运输。根据装置建设规模,要实现工厂预制模块化装置的运输,需充分考虑运输路径和运输方式。图1为陆上天然气装置模块化建设流程,运输环节的可实施性对模块化建设有至关重要的影响。

图1 陆上天然气装置模块化建设流程

另外需要考虑经济性问题。与常规建设相比,模块化装置将传统的施工分为两部分,一部分是装置的工厂化预制,一部分是装置的现场施工,包括模块化装置及其预制部件的安装。模块化建设增加了模块化装置从工厂到现场的大件运输过程,项目建设运输费用提高。但模块化装置减少了现场施工工程量,工厂化预制施工成本比现场要低。此外需结合装置的适应性要求,在工厂的整体处理能力下,合理规划装置建设列数,控制单列装置的处理能力,从而提高装置模块化建设的经济性。单列装置处理能力越大,装置设备及管路管径越大,越不利于模块化实施,特别是运输。单列装置处理能力越小,在相同规模下,建设的列数就越多,建设成本也会增加。

最后,要结合项目建设实际条件,从安全管理、质量控制、风险分析等多角度对模块化建设进行分析。经济性并不是模块化建设的唯一衡量指标。在某些自然条件很差或社会环境风险高的地区,从建设期资金风险、工期风险以及项目的整体可控性考虑,仍然选择风险控制优势明显的模块化建设模式。

2 模块化方案设计

确定项目的模块化建设模式和单列装置建设规模后,开展模块化方案设计。模块化方案设计包括整体策划和设备布置两个方面。

模块化整体策划就是单列装置的整体布局,通常要考虑工艺流程、安全距离、施工安装与检维修、特殊单体设备等多种因素。模块化装置整体布置要符合工艺流程走向,节约装置间连接管道长度。设计标准对设备间距有安全距离要求的,其布置要满足标准要求,如明火设备与储罐的间距要求。为了保证装置安装和生产运行后的检维修吊装需要,装置间应设置有足够的吊车占位空间。对于某些特殊的设备,如塔器、大型储罐、大型动设备等,从管路系统工厂预制可实施性或装置本身运行安全角度考虑,整体布局时不宜纳入模块化装置实施范围,应采用单独布置现场施工的方式。此外,有时为了提高装置的经济性或操作维护性,把同列装置的同类设备,如机泵、换热器、过滤分离设备等进行集中联合布置。图2为一种天然气净化装置的整体布局方案[12]。

设备布置就是对单元模块化装置进行方案设计,设备布置的同时进行钢结构框架布置。设备布置除要考虑常规设计的工艺流程要求、检维修外,还需要考虑运输限制。首先设备的高低布置应满足工艺流程走向要求。其次,对于需要进行抽芯的换热器和过滤分离器,要考虑抽芯和更换滤芯的空间，需要检修维护的机泵设备应布置在装置边缘。根据初步拟定的模块建造工厂,选择合适的运输路径和运输方式,确定模块化装置能够运输的最大尺寸、重量和最经济的尺寸、重量。在模块化方案设备布置时,充分考虑运输的可行性和经济性,根据工艺设备和管道尺寸,合理制定模块化装置的尺寸和重量。特别是对于陆上天然气厂站,受公路运输条件限制,单个运输模块的尺寸通常限制在宽3.75 m、高 3.3 m,即公路一级超限运输范围内,而重量限制在 30 t 以内运输相对经济。对于规模较小的装置,可以将运输尺寸限制在宽2.25 m,高2.8 m不超限运输范围。根据宽度要求合理布置设备水平间距,考虑设备间安全通道及操作空间;根据高度要求合理设置设备层间间距;根据设备布置开展模块化装置钢结构框架设计,并确认上下层模块拆分位置。图3为一种单元模块化装置的设备布置方案以及运输模块划分方案。

图2 一种天然气净化装置的整体布局方案

图3 一种单元模块化装置的设备布置方案以及运输模块划分方案

3 模块化装置详细设计

模块化装置详细设计采用全专业三维协同设计方法,可显著提高设计质量并缩短设计周期。同时,全专业的三维设计使装置三维模型更加形象直观,有利于设计过程中充分考虑工厂预制和现场安装要求,同时使得装置的操作维护性审查更加简便。天然气气田大型厂站模块化装置三维详细设计一般包括结构、配管、设备、仪表和电气专业,详细设计完成后能够清晰将各专业内容完整真实地反应在三维模型之中。

在模块化装置详细设计过程中需要注意以下几方面:

1)管道应力分析。天然气气田大型厂站装置模块化集成后,结构更加紧凑,管路系统布置限制更多。因此,为保证装置的整体设计质量,热力管道的应力计算显得更加重要,必要时,可以通过加强非标设备的管嘴承载力来达到保障管路系统安全的设计目标。

详细设计阶段主要设计内容30 % 阶段主体设备就位主框架钢结构设计主管道设计(含应力分析)仪电主桥架布置成排接线箱初步方案布置结构及主管道拆分设计主通道检查60 % 阶段2”以上及主要管道配管主体设备管嘴方位确定平台、梯子、吊装梁设计框架节点及拆分节点设计成排接线箱布置设计仪电分支桥架布置管道及仪电拆分设计90 % 阶段供应商资料模型核实所有管道配管仪电设备及穿线管设计所有支撑设计(含仪电)各专业拆分设计设备操作及检维修审查仪表观察位审查

2)陆上模块的拆分设计。与海工模块相比,陆上模块受运输条件限制,需要考虑工厂拆分和现场复装。拆分设计的核心就是实现集成最大化、拆分最小化。拆分最小化意味着现场复装工程量最小,现场复装精度控制也更容易。钢结构框架的拆分节点设置主要考虑运输尺寸因素,而管道拆分节点原则上应与结构拆分节点保持一致。结构拆分节点通常采用螺栓连接,管道拆分节点根据尺寸和压力等级分为法兰和预留焊口两种方式。仪电拆分设计主要考虑接箱线的数量和布置位置,通过最优分析,实现仪电用户点电缆拆分工作量最小,成本最优。

3)与运输相关的包装及吊装设计。包装需要根据物资特点、结构运输路径和运输方式以及外部环境的要求综合考虑,兼顾防护要求和经济性。如中亚地区长距离陆上运输的防盗、陆上装置海运的防海洋腐蚀、集成仪电的模块化装置长期仓储防潮等。目前,运输模块常用的包装方式有裸装、雨布包裹、热缩膜包装、木箱包装和铁皮包装。吊装是模块化装置设计的重要内容之一,主要包括无包装吊装和有包装吊装,其中运输过程的换装、海关倒运吊装属于有包装吊装。模块化装置吊装设计需要根据尺寸、重量和重心位考虑吊点位置和吊装方式,通常需要考虑采用平衡梁。

4)装置QRA、FEA分析。生产安全越来越受到广泛关注,HAZOP、QRA、FEA等专项分析在石油化工装置设计阶段的安全分析中的应用越来越多。由于模块化装置设备布置更加紧凑,因此需要重视有关安全的评价与分析。

4 模块化装置优化设计

设计优化应在确保装置设计质量的基础上,以提高装置操作性和降低建设成本为目标,对已有设计进一步分析调整。模块化装置设计优化包括工艺流程优化、设备优化、管道布置优化、结构设计优化等,其中工艺流程优化和设备优化在详细设计开始前进行,管道布置优化和结构设计优化在详细设计过程中进行。

工艺流程优化首先需选择技术先进、安全可靠的工艺方法。对公用工程系统进行合理设置,减少装置水电气消耗。通过价值工程分析,合理优化工艺流程中的阀门数量和选型;根据建设要求合理选择控制水平。

设备优化需突出设备选型,优先选择技术先进、设备小型化的同类装置。为实现模块化装置的工厂化预制和运输,可优先选择卧式设备代替立式设备,必要时可通过提高设备的细长比缩减设备直径,使其满足运输优化要求。设备设计过程中可适当提高设备制造检验要求,提高设备出厂质量,以减小设备整体检维修风险。为适应后期应力管道设计,对薄壁设备管嘴进行加强设计。

管道布置优化是对部分工艺管路进行调整,使装置操作检维修空间、巡检通道设计更加合理。管道布置优化可对原模块化方案设计进行调整,比如在保证操作空间的条件下通过紧凑布置取消部分原有管路平台,从而减少运输模块的数量。

结构优化设计主要是结合管道布置对钢结构框架进行优化。优化过程中需充分考虑模块运输和吊装可能引起的装置变形,减小变形对装置复装精度的影响。为增大装置内部空间,减少装置运行钢结构的维护费用,可将防止运输吊装变形的梁柱设置为临时栓接结构,装置在现场安装完毕后拆除。在考虑安全和操作的条件下尽可能将结构专业的梯子设置为斜梯和环形通道,减少直爬梯和单向通道数量。对上层平台,必要时可采用可拆卸外挑平台方式增加通道面积,减少用钢量和模块运输尺寸。

5 结论

1)项目建设的可实施性和经济性需贯穿陆上天然气装置模块化设计的全过程。

2)装置模块化方案设计非常关键,方案的优劣直接影响模块化建设的成本和工期。

3)与常规建设模式相比,装置模块化设计更加强调应力分析、拆分、包装、吊装等专项设计,是项目顺利实施的重要保障。

4)通过建设模式选择、模块化方案设计、详细设计以及优化设计四个阶段,模块化装置的设计质量能够得到有效保证,更有利于模块化建设的HSE、质量、进度和成本的管理与控制。