陆地LNG厂模块化建设项目总体设计准则研究

＊李长伟 胡性涛 文树吉 陈香玉 杜尊峰*

（1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451 2.天津大学建筑工程学院 天津 300072）

随着LNG项目逐步向国际化、大型化方向发展，一些陆地LNG项目由于其地理位置、环境恶劣、劳动力稀缺等问题，开始逐渐采用模块化的建设模式[1]。这种模式将LNG工艺单元划分成若干模块，所有模块在不同的建造场地同时进行生产与调试，再通过不同运输路线最终运输至安装场地组装形成一个完整的LNG厂的过程[2]。

为解决LNG厂模块化建设项目总体部署和开发方案相关问题，需在项目之初进行全面的规划，该规划需包含每一模块的部署与安排方案，即工程总体设计。总体计划体现了承包方对项目如何实施这一具体问题的整体把控水平，如果总体设计存在错误或疏漏，将导致项目子任务的计划与进展出现错误，项目总体发展方向与预期目标方向的偏差将不断扩大。因此，在LNG厂模块化建设项目具体实施之前，应对项目进行全面、综合且彻底的总体设计，具体地，为完成总体设计方案，承包方首先需根据模块化建设流程及其特点确定总体设计准则。

1.模块化流程与特点

陆地LNG厂模块化建设的整体流程一般包含以下环节：（1）进行工艺流程设计，确定LNG厂脱酸、脱水、脱汞等工艺单元的所需原料、原料配比、反应条件等工艺参数[3]；（2）进行工艺布置，考虑如何将上述工艺单元排布LNG厂内合适的空间位置；（3）进行模块划分，将不同的工艺单元划分成相应的模块；（4）模块在不同的建造场地开始建造；（5）模块装卸与运输，不同场地的模块通过不同的航线运输至同一安装场地；（6）模块在安装场地进行安装与联合调试。

根据上述流程可知，与传统陆地LNG项目直接在厂址进行建造、安装的方式相比，模块化的建设模式由于引入了大量的并行作业，因此还具有以下特点。

（1）采办配合工作量大和工作难度大。对于多条生产线同时运营的LNG工厂，其模块划分的数量众多，这对设计、采办工作提出了高标准和高要求，且部分模块材料需进口，因此供货周期长，此外，一些材料如果是首次使用还需反复论证澄清其适用性，技术难度大。（2）协调界面和接口众多。由于模块化的建设模式涉及多国家和多领域，模块的设计、建造与安装在不同的国家、地区可能存在不同的标准，标准之间的转化需要相关单位提供认证，且项目具体实施时，结构、机械、舾装、电气等各专业之间的协调作业也需要提前规划，此外，项目承包方还要面对众多生产厂家、业主、详细设计单位等部门。

2.模块化理念

根据上述模块化建设的一般流程和特点，以及已有的模块化项目相关实践经验，将模块化总体设计理念简化为以下几点：

（1）模块应具有相对独立的完整功能；（2）模块所包含的设施应最大化；（3）模块尺寸应尽量优化到最小； （4）尽可能标准化设计；（5）优化施工顺序；（6）优化安装方法和路径；（7）模块重量应适应土壤承载力； （8）模块重量尺寸应适应装卸与运输设施。

3.模块化总体设计准则

在陆地LNG厂模块化建设项目总体设计阶段，不仅要设计好模块是如何划分的，还应对已划分完成的模块的建造、运输与安装过程做出安排。总体设计应遵循以下设计准则。

(1)模块划分准则

模块划分应以LNG的工艺流程为出发点，模块应尽可能地布置更多的工艺设备，以减小模块的划分数量，从而降低工期成本。所划分模块的功能需相对独立，尽可能将功能相同或相近且危险等级划分相同的设备布置在同一模块中，以满足模块功能的完整性，例如一个模块应具备脱酸功能或仅是脱酸工艺下的酸化或胺液再生功能，而非将再生塔和闪蒸罐分开布置在不同的模块上这种把某一工艺单元或其细分工艺单元分裂开来的做法。

除工艺需求外，模块划分还需考虑到模块制造场地能力、模块运输方法和效率、模块装卸方法和能力、模块现场安装方法和设施能力以及模块建造顺序。为满足后期开发需求，模块还应预留部分接口。

(2)模块重量与尺寸准则

模块尺寸设计应综合考虑模块功能、运输与安装等因素，模块需匹配相应的装卸、运输和安装方法。模块重量需考虑包括各设施、道路和场地限制因素，以此确定模块准确的重量并估算模块重心。尺寸和重量的优化也将推动简化模块内部设备与结构布置方案。

为便于模块的生产设计与建造运输，模块应尽可能的标准化。对于模块基础和安装方式，也需进行标准化设计，由于SPMT的高度调整范围为1200mm到1800mm，因此模块基础高度不能低于1300mm，优选1500mm的基础高度以便于适应SPMT要求。

(3)管道设计

对上述划分完成的模块，各模块之间的工艺单元需要通过大量管线连接。因此，管道布置设计文件应首先能表现出每个模块的管道详细信息、端点和连接点信息，同时能提取出每一模块内所需的管道材料数量。

具体的，管道端点应保持在模块内500mm内，并能通过平台到达，模块之间的连接管道应由管道和弯头组成，只有当模块端点已经延伸到法兰连接处时才允许设置法兰。管道布置应确保管道和仪表系统完整的体现在模块内，满足工厂操作需求。通常，支管和管汇应布置在同一模块内以减少现场连接管道的工作量。特别地，对于要求应力分析的管道，例如一些在管线上明确标出来的，应将整根管从固定点或从固定点到设备进行应力分析。

(4)管廊设计

区别于各工艺单元，管廊模块用于集中敷设各工艺单元管线。管廊由钢结构立柱、横梁及桁架构成，其设计应尽量标准化管廊长宽高、基础标高等，管排应做成盒状以便多层叠放。对于制造厂和海上固定的临时支撑也应能够重复利用。此外还应注意，除管廊外，不能有物体突出模块界限。

(5)总体布置

总体布置即根据模块划分结果对模块进行空间布置，应保证模块的工艺流程合理、紧凑，各模块能适应不同的安装方法与建造、安装场地的土壤承载能力，且充分考虑到包括操作、维护、逃生等在内的人机工程学设计。模块在整个LNG厂内的布置应充分考虑现场运输、安装和调试空间需求，便于模块运输和安装。

一般情况下，陆地LNG厂在布置时，应将脱酸、脱汞、脱水、制冷、液化等主工艺流程沿直线布置在工厂一侧，以便于主工艺设备及管线的布置，其他的辅助工艺流程，例如热介质模块、空调机模块、压缩机高低压涤气罐模块等，应就近布置在主工艺流程的对面，辅助工艺流程和主工艺流程之间布置一条管廊。

(6)选择制造场地

制造场地的选择需要参考多方因素：①场地资质，包括QHSE和其它证书等；②项目管理人员、工程师和操作工人的知识技能水平；③各种吊装机具、运输机具和装卸机具的工作能力；④场地的承载力、车间数量、总装场地、无损检测、调试能力等服务条件；⑤公用气、仪表气、电力、海水、淡水等公用介质；⑥场地码头、水深、装卸设施的装卸能力；⑦场地所具有的LNG项目和模块化工程相关经验； ⑧场地生产负荷情况。

(7)质量控制(尺寸公差控制)

制造场地和安装现场需要进行严格地尺寸公差控制，包括模块结构和管线。成功的尺寸公差控制使现场模块间的连接仅需一道焊接工序即可完成，这将是模块化建设项目成功的关键因素。

(8)模块装卸与运输

模块的装卸需综合考虑各种可行的装卸方式，如滑移/吊装/自行小车等；SPMT是装卸的一种有效方式，其载重量可达10000吨，SPMT可以在各个运输和装卸环节利用其特性发挥作用，实现各个方向的移动、回转及安装作业。

模块的运输则需要综合考虑所有可能的运输方式（如船舶、车辆和火车等）、载货能力、载货空间、模块固定方式以及运输载具的疲劳计算，海上运输还需充分考虑动载荷和风载。

4.结束语

通过对陆地LNG厂模块化建设项目的总体设计理念和准则的分析，明晰了模块化建设的全盘要素和重要环节，为模块化项目总体设计方案的编制提供了参考依据和理论框架。当然，这些理念和准则在具体实施时也存在一定的可变性和挑战性，例如物流能否及时有效地提供服务、对详细设计完善程度和时间点的把控精度、各模块采办时间的控制、模块中出现的非对称结构等，因此，还需进一步调研、落实这些准则，并组织各环节的专业人员进行讨论商议，以解决这些不可控因素，包括物流服务的尽早介入、合理的总包计划安排、严格的采办管理、严格的尺寸公差控制等，从而完成项目总体设计，制定出切实可行的模块划分方案与各模块建造、运输和安装的具体安排。