石油天然气装置模块化设计关键概念解析

2019-05-17王辉王佩红高威

石油与天然气化工 2019年2期

王辉王佩红高威

1.中石油华东设计院有限公司 2.中国石油集团工程股份有限公司

自20世纪60年代开始，模块化技术在造船业发达的美国、苏联、韩国和日本等国得到了迅速发展，被视为模块化技术的起源；20世纪70年代，此技术被美国、欧洲多国应用在海上油气钻井平台工程项目中，即模块化技术进入了油气行业；到了20世纪80年代，随着高精度的设计手段和现代化大型装备的出现，西方发达国家将模块化技术陆续应用于油田地面工程、天然气处理厂、炼油化工厂、矿业加工厂等陆上项目的建造中，模块化技术的应用由海洋发展到陆地。

陆上石油化工及天然气处理装置的模块化建造可以克服项目建设地劳动力短缺、人力成本过高、环保要求苛刻等诸多不利因素的影响，因此，该技术在福陆(Fluor)、埃克森美孚(Exxon Mobil)、康菲(Conoco Phillips)、壳牌(Shell)等国际知名跨国石油公司的工程项目中已经得到大量应用，取得了丰富的工程经验。

对我国而言，虽然一些油田地面工程、中小型天然气处理工程项目中采用了模块化设计建造技术，但由于未能从理论层面形成科学、系统的技术体系，使得在国外经济欠发达地区大型石油化工及天然气处理工程项目中仍然采用传统建造方式，即便部分制造厂商承接的大型模/橇块制造项目也均由国外工程公司设计。

基于此，中国石油天然气集团公司“300亿方/年天然气处理工程装置模块化设计制造技术研究”课题组依托某300×108m3/a天然气处理厂项目，深入研究了模块化设计技术，编制了《石油天然气装置模块化设计导则》[1](以下简称《导则》)，并顺利通过专家评审。该导则是我国第1部关于石油天然气装置模块化设计的技术文件，以下旨在对其中的关键概念进行解析，以利于广大设计人员准确理解模块化设计的相关概念，把握模块化设计的方向。

1 模块化建造的实质

模块化建造的优缺点见表1。从表1可以看出，由于项目现场存在一些经济、人文、气候、环境及工程保障等难以克服的制约因素，故采用模块、橇块的型式把尽量多的工作从不具备条件的项目现场转移到条件良好的制造厂，可实现施工量“工厂最大化，现场最小化”[2]。因此，模块化的实质是转移工作。

2 概念解析

2.1 橇块与模块

橇块与模块是模块化设计中最基本的概念，但国内外对于橇块与模块均没有清晰明确的定义，往往将两者混为一谈，不加区分，给工程实践和人员交流带来极大的不便，所以在《导则》中首先对这两个概念进行了定义。

《导则》中明确：橇块(skid)是在特定大小的钢制底框上将设备、管道、保温、伴热、仪表、电气、平台、梯子等集中布置并可以整体吊装、运输和装配的集合体。

结合模块化建造的实质可以看出，橇块的定义包含两层意思：一是转移工作，二是高度集成。

把工作从不具备条件的现场转移到条件良好的制造厂，属于项目策划的范畴；把工作以一定的型式从制造厂转移到现场，属于项目实施的范畴。如果不能把转移到制造厂的工作以一定的型式转移到现场，那么模块化就失败了，这个“型式”就是橇块，它通过“特定大小的钢制底框”、以“整体吊装、运输和装配”的方式实现“转移工作”。

“转移工作”的“型式”问题明确后，紧接着便是“转移多少”的问题。比如，当建设地现场施工条件不佳时，可考虑其保温、伴热在制造厂完成，将该项工作由条件不好的项目建设地转移到条件好的制造厂，进而避免了现场不利因素对项目的影响，符合模块化建造实质的要求。因此，应将设备、管道、保温、伴热、仪表、电气、平台、梯子等尽量多的装置组成元素集中布置在橇内，从而使模块化建造的优势最大化。

表1 模块化建造的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of modular construction优点缺点人工时成本(1) 大量安装、检测、调试等工作在制造厂完成,减少了施工现场对劳动力的需求。(2) 虽然模块现场安装仍然需要大量的劳动力,但通过合理的现场施工顺序和周密的运输调度,可使模块分批分时段到达施工现场,既可以避免现场出现用工高峰,又可以避免大量劳动力闲置,而且可以提高劳动力的利用率和劳动效率。(3) 大量焊接工作在制造厂完成,模块与外界连接时(管道、结构等)采用有效的机械连接代替部分焊接方式可以减少劳动力和人工时。(4) 当项目处于人口较少、面积较小、欠发达等国家或地区时,能有效解决当地技术工人数量不足、外籍劳工输入数量受限等难题。(5) 施工现场劳动力的大量减少,可有效降低对当地居民生产、生活的影响。(6) 当施工地人力成本比制造厂高时,可有效降低人力成本。固定成本(1) 可有效减少现场临时生活设施。(2) 可有效减少现场材料临时储存用地。(3) 可有效减少现场施工量。(4) 可有效减少现场施工机具的数量,尤其是大型起重机数量。(5) 可有效减少现场脚手架的使用。(6) 可有效降低现场潜在的交通压力,尤其是对人口较少、面积较小的岛屿型国家更为明显。(7) 可有效降低因气候、政策(如环境保护等)等原因产生的费用。质量控制(1) 模块制造厂管理规范、工人技术水平高、设施先进,质量易于保证。(2) 模块制造厂作业环境好,避免了恶劣条件对工程质量的影响。(3) 模块制造厂集中建造,工序固定,合格率高。工期控制(1) 实现了现场、模块制造厂多场地同步作业,节省工期。(2) 模块可由多个制造厂同时制造,将有效缩短工期。(3) 模块制造厂作业环境好,可有效降低恶劣天气及其他不可控因素对项目工期的影响。(4) 模块制造厂工人技术水平高、设施先进、工序固定,劳动效率高,从而缩短工期。(5) 采用模块化后,现场人均作业空间增大,有利于提高现场施工效率。安全管理(1) 模块制造厂安全设施齐全,作业风险较小。(2) 现场人员、机具、交叉作业减少,降低了事故发生的概率。(3) 现场脚手架减少,降低了作业风险。(1) 模/橇块化项目管理难度较大,尤其是在关键模块出现延误时对项目工期会产生较大影响。(2) 设计前期需要对运输路线进行踏勘并根据有关法律、法规确定模块大小、质量及重心高度限制。(3) 模/橇块大小和质量的限制给设计带来不便。(4) 一般情况下,模块化会使用钢量增加10%～15%,这包括模块钢结构和在运输、安装中起防护、加固作用而增加的额外用钢量。(5) 由于用钢量的增加,导致吊装、运输和安装时荷载的增加。(6) 增加了运输成本、物流规划工作量和相关操作费用。(7) 模/橇块长途运输的时间和过程增加了工期、成本的不确定性和其他风险。(8) 模/橇块之间及其与外界连接界面多,制造和安装公差要求高。(9) 模块化将管道、结构、设备、电气、仪表等集中在橇块内,在运输与现场安装时需要更大起重能力的设备。

《导则》中明确：模块(module)是由两个或两个以上橇块装配而成并具有一定工艺功能的组合体。

如图1所示，在课题的依托项目中，MD-3110101A、MD-3110101B、MD-3110101C、MD-3110101D和MD-3110101E共5个橇块组成了1个名为MD-3110101的模块。

近年来，在油田地面工程、天然气处理工程项目中探索了定型化、标准化、系列化的设计、施工方法，为了满足这一方法与模块化建造有机结合，在模块的定义中增加了“具有一定工艺功能”的要求，以达到“预先制造”、“可替换”的定型化、标准化、系列化要求，但这并不是强制性要求。例如，中石油苏丹油田地面工程中常见的功能模/橇块见表2。

从表2可以看出，在油田地面工程中，不仅模块具有一定的工艺功能，有些橇块也具有一定的工艺功能。但考虑到位于内陆的天然气处理工程项目常采用汽车运输的方式，橇块的规格一般都很小，很难实现“具有一定的工艺功能”。因此，橇块的定义中没有此项要求。

需注意，由于炼油和化工装置工艺复杂，流程长，设备、管道尺寸大，介质种类多，操作温度高，所以大多数炼油和化工装置的模块化仅适用于“海(制造厂)对海(现场)”的情况，其模块质量一般都在5000吨级左右甚至上万吨级。在设计过程中，一般是以满足“模块规格”为前提，以“一定工艺功能”为范围，划分成一个或者多个模块而没有橇块。橇块是在模块的制造阶段，由制造厂根据自身车间、场地、机具等限制因素划分的。

表2 苏丹油田地面工程中常见的功能模/橇块[3]Table 2 Common function modules and skids in Sudan oilfield surface engineering序号单元功能模块1井口单元轻油井模块、重油井模块、注水井模块、注汽井模块、气举井模块2计量站单元原油计量站模块、配水计量站模块、配气计量站模块3油气集输处理站、联合站单元收球筒模块、换热器模块、分离器模块、加药橇、仪表风橇、制氮机模块、水处理模块、加热炉模块、电脱水器模块、输油泵模块、计量橇、发球筒模块4注水站单元浮选机模块、过滤器模块、注水泵模块5发电站单元发电机组模块、空冷模块、注油模块、水处理模块、仪表风橇、制氮机模块

2.2 模/橇块最大规格

《导则》中明确：模/橇块最大规格(the maximum size of module/skid)是指在模/橇块的制造、运输和安装过程中，最不利条件下模/橇块的最大长、宽、高、质量和重心位置等的限制性数值。

把工作从制造厂转移至项目现场是装置模块化建造和传统建造方式最大的区别，也是模块化建造的关键环节。而要使这一过程能够顺利完成，模/橇块最大规格是最根本的保障，不超过模/橇块最大规格的限制是实现“工作转移”的先决条件。

在具体的项目中，要限制橇块的最大规格还是模块的最大规格需要具体问题具体分析。从运输的方式来看，最不利运输条件如果是公路运输或铁路运输，则一般限制的是“橇块最大规格”；如果是水路运输，则一般限制的是“模块最大规格”。从装置的类型来看，处于内陆的油田地面工程、中小型天然气处理工程项目的“最不利条件”通常出现在以汽车运输为主的运输环节，所以一般限制的是“橇块最大规格”，通常也称为“运输规格”；大型天然气处理和炼油、化工项目的“最不利条件”往往是由制造、运输和安装等多个环节综合决定的，且一般以水路运输为主，所以一般限制的是“模块最大规格”。以下主要阐述运输环节对模/橇块最大规格的限制。

大多数模块化项目在同一条线路上的运输方式不是单一的，而是公路、铁路、水路等多种方式联运的形式，这就存在因运输工具的不同而产生的“最不利运输条件”，而运输规格就是要确保货物在最不利条件下能够顺利通过，从而保证货物在整条线路上畅通无阻。因此，运输规格是根据同一条线路中“最不利运输条件”确定的。应当注意，在多种方式联运的条件下，“最不利条件”并不是某一段或某一种运输工具决定的，它很可能是由多种运输工具“最不利条件”叠加而成。例如，采用公路与铁路联运的运输方式时，铁路运输货物的宽、高和重心高度都比公路运输小，但长度和质量却比公路运输大，所以，运输规格的宽、高和重心高度由铁路运输决定，而长度和质量由公路运输决定。

同一条运输线路上的运输规格一般只有一个；而一个项目可能有多条运输线路，从而会有多个运输规格，以便满足多种货物的运输。表3所示的是依托项目的运输规格表，其中A类用于运输模/橇块散件，B类用于运输橇块，C类用于运输装置散件。

表3 某300×108 m3/a天然气处理厂项目运输规格Table 3 Transportation size of a 300×108 m3/a natural gas processing plant project运输类型宽/m长/m高/m质量/t备注Class-A<2.55<13.6<2.8<22.0普通物资,无需运输许可Class-B2.55～4.013.6～17.02.8～4.022.0～62.0超限轻量大重件,需要办理运输许可Class-C>4.00>17.0>4.0>62.0超限大重件,需要办理运输许可及警察护卫

需注意，以汽车运输为“最不利条件”的油田地面工程和中、小型天然气处理装置的“橇块最大规格”一般是在项目前期由物流公司通过详细的路勘直接确定的，并且不允许有所突破，否则有可能需要更换运输车辆甚至无法通行；以船舶运输为“最不利条件”的大型天然气处理和炼油、化工项目的“模块最大规格”通常在项目前期由物流公司根据制造场地、船舶、航道、气象、现场等制约因素确定一个理论的“模块最大规格”，然后在项目运行过程中以此为基准，与模/橇块设计、制造单位通过结构和运输的力学稳定性计算、制造可行性和经济性对比分析，不断优化模块的大小、质量和重心高度。也就是说，汽车运输的“橇块最大规格”是一个定数，不允许突破；船舶运输的“模块最大规格”是一个参考数，需要针对每个模块进行计算、分析，才能做到最优化。

2.3 模块化与散件

《导则》中明确：模块化(modularization)，又称装置成橇或装置的橇装化,就是将一套装置的部分或全部划分成若干模块、橇块进行设计、制造、运输和装配的建造方式。散件(ship loose)，就是采用模块化设计的装置中无法成模、成橇或模块、橇块因运输需要而拆卸的部分。

近年来，由于大型施工机具的出现，使得中、小型天然气处理装置的模块化率达到了相当高的程度，但对于大型天然气处理装置和炼油、化工装置，尚无法完全实现模块化。因此，在进行此类装置的模块化设计时，应遵循“宜橇则橇、宜散则散”的原则，所以，在模块化的定义中着重强调了“一套装置的部分或全部”这一深度范围。

散件通常可分为以下两种情况：①当一套装置只有部分可以实现模块化时，“无法成模、成橇”的部分；②无论一套装置的全部还是部分成模、成橇，模块内有些穿橇大口径、高等级材质的管道，模/橇块内的精密仪表、控制阀、电缆槽盒、外挂平台梯子等“因运输需要而拆卸的部分”。其中，前者通常称为装置散件，一般采用深度预制的方法；后者通常称为模/橇块散件，与模/橇块同步制造，随模/橇块一起运输。

由此可见，大型天然气处理装置和炼油、化工装置的模块化布置一般包括模/橇块内设备的布置和模/橇块外设备的布置两大部分，其一般过程为：工艺专业在工艺流程图上将每个工艺单元划分成若干具有完整工艺处理功能的区块，但并不需要考虑区块内哪些设备在模/橇块内、哪些设备在模/橇块外，这需要配管专业根据设备、管道、仪表、电气、操作、检修、防火、防爆等的空间布置要求，结合模/橇块运输规格限制加以确定。在考虑了上述布置空间后，能够布置在模/橇块内的设备即按照模/橇块内设备布置的要求进行布置，这就是装置的模块、橇块；若设备过大，无论采用何种布置方式均超出模/橇块运输规格限制，或对设备进行切割后虽能满足模/橇块运输规格限制，但成本过高或在现场难以复原时，便不能布置在模/橇块内，而应该布置在模/橇块外，这就是装置散件，但其配套的工艺管道可按模块化进行设计。装置模块化布置的一般步骤如图2所示。

图3为依托项目脱硫脱碳装置的三维模型，该项目中共有脱硫脱碳装置6套，此为其中的1套。图中①为模块，②为橇块，其他则为装置散件。

值得注意的是，在大型天然气处理装置和炼油、化工装置的模块化布置过程中，“具有完整工艺处理功能”的一个区块应尽量布置成一个模块或多个模/橇块相邻布置，从而尽可能减少敞口管道，为制造厂对模/橇块的水压试验、气密性试验和调试等工作带来极大的便利。

2.4 模块拆分点与管道拆分点

《导则》中明确：模块拆分点(module splice)是将模块拆分成橇块或由橇块组装成模块的钢结构连接节点。管道拆分点(piping splice)则是用于管道拆卸与回装的连接节点。

模块与管道的拆分，目的都是为了满足运输规格的限制，从而实现“工作转移”。

从橇块和模块的定义可以看出，橇块是不需要拆分的，所以橇块没有拆分点，只有模块才有拆分点。模块拆分点宜优先选用非焊接的连接方式，主要包括全螺栓拼接(见图4(a))和法兰盘式连接两种，法兰盘连接又分为有腿型法兰盘连接(见图4(b))和无腿型法兰盘连接(见图4(c))两种。

如果运输规格限制的是橇块，则模块制造完成后需要拆分成橇块运抵现场后再组装模块；如果限制的是模块，则将橇块制造完成组装成模块后运抵现场直接就位即可。

由于模块拆卸和模/橇块与外界连接的需要，大多数穿越橇块界面的管道需要在橇块界面处设置用于管道拆卸与回装的管道拆分点。管道拆分点按连接形式可分为螺纹连接、法兰连接和焊接3种；按位置可分为两端都在模/橇块内和一端在模/橇块内、另一端在模/橇块边界处两种情况。其中，位于模/橇块内的一端应尽可能在不增加法兰、焊口情况下利用位于不同橇块内的阀门和设备的法兰面连接作为拆分点，但当管线长、宽、高任一维度超过运输限制时，需进行再拆分，以满足运输要求。

图5所示的是某天然气处理厂项目中的一个模块，运输规格限制的是橇块。图中①为模块拆分点，②、③为管道拆分点，④为设备接管口法兰。在③处所设的管道拆分点低于模块拆分点①，立管部分在运输过程中需要拆卸下来作为上层橇块的散件来运输，这也是较为常规的管道拆分点设置方法。为了尽可能不增加法兰作为管道拆分点，可以以设备接管口④作为一个拆分点，但此拆分点高于模块拆分点①，即在高度上超过了运输限制。因此，需要在②处再设一个管道拆分点，②与④之间的管段作为橇块散件运输，这样便可以满足运输规格的要求。图5中其他拆分点设置原理与上述方法相同，不再赘述。

需注意，在大型天然气处理装置和炼油、化工装置中存在大量高温、高压管道，尽量减少法兰连接是确保装置安全运行的必要手段。前已述及，此类装置的运输对象一般是模块，在制造厂分橇制造完成组装成模块后不需要再拆分，所以其内部橇间管道拆分点通常采用焊接连接方式。出于安全考虑，模块与装置散件或模块与模块之间的管道拆分点也采用焊接的型式，通常有一道焊口和两道焊口两种方式，因一道焊口需要更高的制造和现场安装精度、更宽的管道间距和更小的调节裕量，制造和现场安装难度大，所以一般采用两道焊口的型式，如图6所示。