壳牌煤气化管道布置专业设计策划

2014-08-19上海华谊工程有限公司上海200235

化工设计 2014年6期

林静上海华谊工程有限公司上海 200235

方纲惠生工程(中国)有限公司北京 100102

壳牌煤气化技术因其对煤种的适应性强、低能耗、清洁、三废排放少等优点，在煤气化技术的选择上已经越来越被业主认可，目前在中国国内已有20 余装置投入生产运行或在建。管道布置专业在工程设计中与各专业有着密切联系，设计过程中起着承上启下的作用，其工作进度对整个项目的进展起着决定性的作用。随着国内项目的大型化，项目管理正处于由结果管理到过程管理的转型，管道布置专业设计策划更加重要，好的专业策划可以使工程设计质量和设计效率大幅度提高。本文结合工程实际经验，对壳牌煤气化装置设计中管道布置专业策划的内容总结、分析。

1 管道布置专业设计策划的主要内容

管道布置专业设计策划由管道布置专业负责人负责。

管道布置专业设计策划的内容一般包括设计范围、成本(工时)、人员安排、进度、质量管理等。解决在什么时候、以什么方式、花多少成本、由谁完成、满足什么要求的什么工作的问题。

管道布置专业负责人应认真学习相关实施计划(必要时还要对项目合同进行学习)，对计划中有不理解处要及时澄清、落实，明确设计工作范围、设计进度以及设计HSE 要求。根据项目特点估算设计工作量(人工时)，报请专业领导，确定设计、校核、审核人员，组织实施具体的设计工作。

2 壳牌煤气化的特点

壳牌煤气化装置是以煤为原料生产粗合成气，主要生产工序包括磨煤及干燥、煤加压及输送、煤气化、除渣、除灰、湿洗、初步水处理、公用工程系统等8 个工序，主要流程见图1。

图1 典型的壳牌煤气化主要流程

2.1 设备布置特点

(1)煤气化装置主框架的总高度集中在100 ～120m 之间，且主框架均为砼结构和钢结构的组合结构;由于气化炉总重较大，砼结构较钢结构的稳定性更好，因此，在气化炉支撑楼面及以下采用砼结构，而上部采用钢结构。

(2)磨煤及干燥、煤加压与输送、除渣和除灰工序中的煤、渣及煤灰都为重力流输送。设备布置时需要根据工艺流程自上而下布置，但设备高度定位时需要根据设备外形自下而上的返算设备布置的高度。

(3)设备布置集成度比较高，不同工序的设备在空间区域上不能完全分开，部分相互交叉。

2.2 管道布置特点

2.2.1 重力流管线及平衡管线

磨煤及干燥、煤加压及输送、除渣及除灰工序中的煤、渣及煤灰都为重力流输送，为保证流体的顺畅流动，重力流管线需要与水平面有最低70°的夹角要求;系统中平衡管线介质由于是气固混合，为防止管线堵塞，需要与水平面有最低60°的夹角要求。

2.2.2 烟风煤粉管道

烟风煤粉管道的配管注意防止堵粉。过量积灰和管道磨损。因此，配管时宜倾斜布置，其与水平面的倾斜角不宜小于45°，管线弯头采用弯曲半径3DN。根据《烟风煤粉管道设计技术规程》DL/T5121 -2000 要求，还需要对烟风煤粉管道采用管道加固肋。

2.2.3 煤粉输送及返回管线

煤粉输送管线为气力高压输送，为减轻煤粉对管线的磨损，管线要求采用R =50DN 的弯头，返回管线工作频率较送粉管线低，采用R =30DN的弯头;通常，煤粉加压及输送工序有两个或三个系列。单系列的煤粉输送至气化炉管口时要保证为对口接入(管口夹角180°)，为保证两管线的压力降相等，煤粉在气化炉燃烧火焰不偏心，需要两管线配管时尽可能管线长度及弯头个数相等。

2.2.4 氧气管线

氧气本身无任何毒性，但由于其助燃的特性，使其在布置时需要特别注意，严格按照国内氧气的相关标准规范的要求设计。除此之外，还需要注意专利商对氧气管线配管的特殊要求，主要注意事项:

(1)氧气主管要高于烧嘴(氧气进口)，主管末端不能有袋形，氧气在管内要避免撞击区，管内无残渣。

(2)万一主管低于烧嘴，其上支管需从主管顶部接出。

(3)所有氧气介质弯头需大于1.5DN，如采用3DN 等。

(4)管道缩径一次只能降低一个规格，两异径管之间至少要有10DN 的直管段长度，若异径管缩径坡度小于15°则无需异径管之间10DN 的直管段长度。

(5)支管弯头距主管至少要有10DN 的直管段长度。

2.2.5 水汽系统管线

水汽系统的管道多密集集中在气化炉和汽包附近，受气化炉管口方位影响，管线多为对称布置;另外受气化炉运行热膨胀的影响，距离设备支撑越远的管口处管线位移量越大。因此，需要管口位移较大的接口管道在位于管口较近的地方设置弹簧支架，在设置弹簧支架的地方要保证有足够的弹簧安装空间;水汽系统配管关系到气化炉水冷壁水通道流量的分配，在管道设计时不得出现袋型，流量计、限流孔板等上下游需保证足够的直管段。

2.2.6 渣水灰水管道

除渣系统处理原料为气化炉燃烧段产生的高温熔渣，在此系统中，渣水混合物中的大颗粒熔渣被除去，含小颗粒灰渣的渣水混合物进入初步水处理工序继续处理。由于所处理介质含有固体颗粒，容易对管道有冲涮磨蚀，因此配管时需要采用长半径弯头(R=5 ～10DN)及采取方便管道堵塞时的拆卸措施。

下面对壳牌煤气化装置策划要点的内容逐一进行叙述。

3 工作包分解

3.1 作用和意义

工作包的分解特别是对比较大的项目而言，起到的是“化繁为简”的作用，便于项目的管理与执行。

3.2 原则

工作包分解应包括全部的专业设计工作，含专业设计、专业管理及现场服务等全部内容，总体来讲可以分为设计管理工作包、成品工作包以及条件工作包，管理工作包主要由专业负责人完成。

工作包一般的分解原则:①100% 原则;②按工序或设计分区分解;③便于设计成果清晰表达;④便于为工作包分配明确单一的设计主体人员。

壳牌煤气化装置由于布置集成度高，在工作包分解中更要注意设计分工的明确，注意交叉地带的责任划分，这就要求专业负责人有较强的整体把握能力。

3.3 工作包的估工

工作包的估工可以参考同类项目，但要特别注意项目性质(新建、改建、扩建、搬迁)、有无参考复用项目、不同区域项目(国内、国外、北方、南方)的不同之处，同时也要对不同工作包的难易程度进行估算，才能制定出具体项目的比较合理的设计工作量，某项目煤气化装置管道布置专业人工时估工，见表1 (以成品工作包为依据的专业估工)。

表1 某项目煤气化装置管道布置专业人工时估工表(新工艺新建无参考复用项目)(h)

4 设计分工

壳牌煤气化装置工序多、且工序之间关系紧密，合理安排设计、校审人员能起到事半功倍的效果。设计、校核、审核人员的工作分配应该充分体现工序和区域之间的联系。

4.1 设计分工结构

设计、校核、审核人员的工作分配应该充分体现工序和区域之间的联系。在设计校审人员安排上，也有两种基本的方式，一种是设计人员互校，另一种是金字塔式人员安排。前者指一个区域的设计人员校核另一个区域的，各设计人员相互校核对方的设计文件;后一种指按一定的比例配置专职的设计、校核、审核人员。选择哪一种方式，应该根据项目组织的可用于该项目的过程资产和获得设计人员的背景、经验等情况选择。前者适用于设计人员经验都比较丰富，资源等级相似，但分配给项目的人员较少的情况。如果项目成员经验、背景差别比较大，资源等级不同，人员数量充分，则宜选择金字塔模式。

就壳牌煤气装置而言，不管是从工艺角度还是从区域角度，煤气化、除渣的联系比较紧密，宜安排同一人校核;除灰、湿洗、初步水处理关系比较紧密，宜安排同一人校核。

4.2 设计分区的边界分工

4.2.1 设计分区的作用

将占地(空间)大的区域划分为若干相对较小、边界明确的区域，作为一种化整为零的手段，在石油化工、煤化工设计中广泛应用。分区的作用有两个，一是在现有的图幅内使用合适的比例，使图纸能够清晰表达;二是将复杂的、工作量大的设计工作责任明确地分配相对简单、工作量小的部分，以便于分配给不同的设计人员。壳牌煤气化装置工艺流程长、布置高度集中，设计分区作为一种“化整为零”的手段，必不可少。壳牌的设备布置，基本上分工序在不同的区块布置，但为了节省空间，不同工序的设备和管道之间存在“插花”的情况，见图2。因为“插花”现象的存在，分区边界怎么处理成为一个需要解决的问题。

图2 典型的壳牌煤气化布置(局部)

4.2.2 设计分区边界分工准则

通常的处理原则有两个，分别是严格按工艺流程处理界面分工和严格按空间区域处理分工。前者指只要是同一个工序的设备和配管，不管其布置在哪部分空间，均有承担该工序设计的人员负责，称之为虚拟分区;后者指按照设备布置图，将空间分出不同的区域，不管是哪个工序的设备或管道，只要进入该物理区域，就由负责该区域的设计人员负责，称之为物理分区。

在平面设计中，设计分区是个纯粹的空间概念，即只有物理分区一种原则。在三维设计中，所有设计人员在同一个平台上工作，设计区域边界与实际的物理边界一样相邻，边界的处理是按虚拟分区原则、还是按物理分区的原则，成为一个需要权衡并在设计策划时予以明确的问题。坚持虚拟分区的理由是减少接口、降低工作量;坚持物理分区的理由主要是减少碰撞干涉发生的几率，优化区域空间配置。笔者倾向于物理分区，原因如下:

(1)配管设计是满足工艺要求的空间布置，满足工艺要求只是配管的原则之一，满足一定条件的空间优化配置，才是配管设计的目标。虚拟分区因为缺乏空间限制，设计空间可以无限扩展，设计人员缺乏优化空间配置的动力，区域内的布置优化很难落实。

(2)由于无序授权导致空间容易被其他区域设备、配管占领，本区域内的设计工作容易陷于被动，容易陷于后设计的让先设计的陷阱，使整体设计水平下降。

(3)虚拟分区减少接口、降低工作量的预期只是一个美好的传说。看起来虚拟分区减少了管道接口，似乎降低了工作量，但由于干涉、碰撞、设计不合理造成的修改工作量会远远超过管道接口的工作量。由于干涉、碰撞和设计不合理造成的修改往往在设计后期，越晚修改，受影响的工作越多，修改的工作量也就越大。

(4)到目前为止，国内的三维设计水平还没有发展到可以完全摒弃二维设计的程度，土建条件(委托)基本上均是以平面设计的方式进行，虚拟分区会造成土建条件设计的责任混乱

比较合理的做法是壳牌的设备布置图及管道布置思路规划由专人负责设计，配管设计的条件和成品，分别由各物理分区的设计人员负责，分工过程的争议由校审人员或者专业负责人解决。

5 质量管理

5.1 明确工作包的签署要求

设计文件的签署要严格按照《压力管道安全技术监察规程》TSG D0001 -2009 中的相关规定执行。

5.2 设计方案评审计划

包括设计方案评审的内容、时间、参加人员、主持、纪要编制、批准和分发。项目进展过程中重要的方案评审有设备布置方案评审以及设备吊装方案评审，在评审过程中以下几个重要的问题一定要予以讨论并形成明确结论。

5.2.1 装置的建构筑物分类

目前国内的标准规范对什么是建筑物、什么是构筑物没有明确的区分，工程界对这个问题的争议很大。建筑物和构筑物虽一字之差，执行的防火规范却差别极大。对此类有着重大分歧的，且对设计影响极大的问题，应该通过高等级评审会议予以讨论并形成明确磨煤框架和气化框架是建筑物还是构筑物，是否需满足《建筑设计防火规范》GB 50016 的要求。

5.2.2 装置的火灾危险性分类

火灾危险性分类也是一个极其重要的问题，不仅对建构筑物的规模、防火间距、防火处理要求等有重要的影响，对设备间距也有重要的影响。设备布置评审一定要明确煤气化装置是按甲类装置设计，还是按乙类装置设计。

5.2.3 火灾爆炸及危险区域划分

煤气化装置既有气体爆炸环境，又有粉尘爆炸环境，还有气体、粉尘混合爆炸环境。可以使部分设备的电气防爆要求降低，从而降低采购成本。

5.2.4 吊装方案

吊装方案需要考虑关键设备(如气化炉的吊装)，框架内设备的吊装方向、吊装顺序、吊装进度与设备到货进度的匹配，设备的二次搬运场地和吊车走位空间等，保证设备布置图满足现场吊装的要求。

5.2.5 安全通道

煤气化设计的特殊要求多，设备布置图要合理规划安全通道，保证施工和开车期间框架各层的人员能顺利撤离。常规做法是装置内管廊下部作为操作检修通道，主框架每层设置内管廊，内管廊下部作为操作检修通道，见图3。

图3 某项目煤气化装置布局

5.3 同类项目经验及现场反馈收集

在项目启动初期，专业负责人就要做好同类项目设计经验和现场反馈的收集，避免以前项目中存在的问题重复出现。

6 设计进度

6.1 设计进度管理的重要作用

(1)壳牌煤气化的设计、采购、施工在同一项目的各装置的工期中都是最长的，其处在项目总体进度的关键路径上，任何设计的延误，都会对项目的总体进度造成不利影响。

(2)煤气化装置处在工艺流程的上游位置，若不能按进度计划竣工验收交付使用，后续装置即使交付了，也无法正常开车。

(3)煤气化框架作为全场最高和最重要的建构筑物，是项目的重点形象工程，其进度要求容易受到非技术因素的影响，从而增加进度控制的难度和风险。

(4)煤化工项目大多在寒冷地区，存在冬季施工间歇期，框架及其基础的年有效施工时间短。为了在冬歇期到来之前完成混凝土施工，快速跟进的办法常常被采用，这对设计进度、设计质量控制提出了高的要求。

(5)有些项目需租用超大型吊装设备，需要保证被吊装的设备在约定的服务期内运抵项目现场并具备吊装条件，这些刚性要求通常不允许配管设计按部就班，如何合理紧张地安排进度，控制质量，成为一个挑战。

6.2 影响总体进度的重要输出工作包

管道布置专业的工作承上启下，不仅要反馈一些信息给上游的工艺及设备专业，还要提出很多条件供下游专业开展工作。因此，要特别区分出对项目进展影响较大的工作包的输出，比较重要的是设备布置方案及吊装方案的确定、土建条件的提出。一旦设备布置方案确定，很多专业即可按照初步布置开展初期工作，项目现场也可以开展土建前期的详勘工作;而吊装方案及土建条件的提出关系到土建专业的设计进度，进而影响现场土建施工的进度，对整个项目的进展影响重大。