浅析模块化设计在化工装置中的应用

2023-03-22杨帅敏

工程建设与设计 2023年3期

杨帅敏

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

我国石油化工企业不仅在国内建设了更多的化工装置，并且越来越多的化工工程公司与国际合作，在海外地区也有一些建设项目。在非洲、南美等一些环境恶劣的地区，施工难度大，劳动成本高，管理难度较大，为了提高工程进度，保证工程质量，减少工程成本，寻找合适且高效的石油化工工程施工方案势在必行。随着施工机械化程度的提高，现代化大型吊装运输能力不断增强，在日益讲究安全、高效的工程建设的背景下，模块化制造正在取代现场施工。

本文就模块化设计在化工设计中的设计理念，模块分类，模块化设计中各专业面临的挑战以及三维软件对模块化设计的支撑等内容进行探讨，以加强对其的了解。

2 模块化设计理念及特点

模块化设计（Modular Design）是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。在石油化工装置中，化工厂的各个装置就是模块，如果把某一套装置看作一个系统，那么构成这个装置的各个部分就是模块。

化工模块化设计项目相比于传统化工装置设计（基础设计和详细设计）增加了加工设计环节，加工设计是将详细设计的图纸转化为制造和组装的设计，同时要考虑建造、检验、包装、临时和永久支撑、运输、吊装和防腐等要求，加工设计由制造厂完成。模块化设计需要增加很多设施，例如，管线车间、结构车间、容器车间、电仪车间、总装车间、特殊作业车间、油漆车间、起重车间等。

模块化设计在化工建设中有显著的优点：

1）减少工期。传统建设工程需要先完成建筑工地土建施工，再进行上方工厂管道建设，工期较长。对于工期比较紧的项目，模块化设计可以将模块的预制以及组装等工作与现场场平、桩基以及基础施工等一起进行，有效缩短项目工期[1]；

2）基本不受自然天气，环境等外界因素影响。例如，对于新疆，内蒙古等寒冷地区，冬季温度较低，不符合现场施工要求，严重影响了现场浇筑、焊接等工序的施工质量，且存在安全隐患。另外，冬季施工需要采取一定的采暖措施，这样不仅会增加很多额外采暖费用，且工人的工作效率较低。而模块化装置的预制建造一般是在特有的厂房中进行，工人的工作效率显著提升，工程质量也更高。以焊接效率为例，传统建设工程中，焊接管道每个工人一天焊接的寸径数为66.676~83.33 cm（20~25寸，单根管道的寸径或直径为1寸），而厂房内制作焊接量达到每人每天166.67~200 cm（50~60寸）。传统的装置建设往往在雨天要暂停焊接工作，厂房内则完全没有这些因素的干扰，温度、湿度也可以得到控制，大大提高了焊接质量。

3）减少场地的需求。传统化工装置设计中管道的预制等需要很大的场地去实施，并需要很多专业工程技术人员以及相关人员的管理，而模块化设计是将大量的工作移交至厂家去做，减少了现场施工，同时减少了技术工人的数量，使人力得到更合理的使用。特别是对于改扩建项目，模块化设计对现有装置正常生产的影响会比传统的工程设计较小。

4）减少安全隐患。传统建设工程需配置很多固定脚手架，安全意识薄弱的工人若安全措施落实不到位，工人在架子上攀爬操作施工，存在很大的安全隐患。模块化设计装置一般高度有所限制，且均在车间内生产，完全免去了固定脚手架的使用，只在需要的时候使用了移动脚手架或者升降直梯。

5）减少施工对环境的影响。例如，传统化工装置现场会进行大量的管道切割、焊接等施工，而模块化设计一般在现场车间内进行管道自动焊接，没有烟雾、减少了噪声，机床切割的铁屑还实现了再利用。

6）质量有所保证。模块化设计的管道、结构等大部分在撬块厂家即可完成，离厂时会完成管道吹扫、压力试验及仪表阀门的调试等，施工质量高，可减少现场变更，提高施工质量。

7）节省空间。模块化设计由于运输方式的不同，对撬块大小有所限制，但是不论哪种运输方式都有限定的运输尺寸要求，这就需要将现有管道、设备等组件集成，在满足工艺流程的情况下尽量多层叠加布置，尽量节省平面空间。

8）拆卸方便，重复利用。

3 模块化设计的分类

根据模块规模大小，一般将模块化设计分为4类：主项模块化、单元模块化、管廊模块化和管道组件的模块化。目前，化工装置中较多的是单元模块化和管道组件的模块化。

3.1 主项模块化

化工装置设计过程中一般会根据工艺流程以及项目配套设施将各装置划分为不同的主项。例如，新建多晶硅装置一般包含制氢、空分制氮、精馏、冷氢化、还原、还原水系统、整理、尾气回收等主要工艺主项，以及装置变电所、循环水站、冷冻站、机柜间等配套车间。

主项模块化一般受工艺包影响，这种模块化设计适用于项目的改扩建，若工艺包或者专利商不改变，相应的设备选型以及厂家均不会改变，这样根据最新标准规范要求稍做修改就可以完成主项的模块化设计。例如，在多晶硅装置中的还原水系统装置，业主在进行二期建设时，若工艺流程不做修改，装置的总图相对位置与一期没变时，二期项目建设完全可以将一期已建装置作为整体撬块，直接在其基础上根据最新标准以及业主需求稍做修改就可以完成，大大压缩了设计周期，缩短整体建设工期[2]。

3.2 管道组件模块化

管道组件模块化主要是将管道、管件、阀门（手阀、仪表阀门以及安全阀等）以及相关设备撬装在一个固定尺寸的钢结构中，作为一个设备对待。管道组件模块化是目前化工装置中模块化设计较常见的一种，特别是对化工装置单元中有很多相同反应系统来说，更能实现管道组件模块化。例如，多晶硅生产中的还原车间，一个还原车间一般会布置较多的还原炉，每台还原炉配套的工艺流程均完全一致，这样就可以将还原炉配套管线以及相关设备作为一个管道组件模块来设计，形成固定的还原炉模块。对于不同的项目，若还原炉生产工艺相似，根据不同项目的不同环境以及业主的不同要求，在原有的撬块上进行局部修改，又将形成新的管道组件撬块，大大缩短了设计时间。

3.3 单元模块化

在化工装置设计中，如果工艺包修改，同样的化工产品无法按照主项模块化设计，但可以按照设备或者框架的相应位置做分割，区分为一个个的小单元，然后将小单元按照撬块化设计。单元模块化设计需要具有完整的工艺单元功能，这些单元模块可以在主项装置内根据设备布置图的需要移动，例如，多晶硅项目中的还原主项可以区分为还原炉单元、汽化器单元、炉体清洗单元以及真空泵单元等，根据总平面布置图以及设备布置图等整体考虑各单元的布置。

3.4 管廊模块化

管廊模块化一般用于海外项目，在国内制造，利用海上来运输。管廊模块化设计是根据总图确定管廊位置，根据系统图确定管廊配管，将管廊进行分割，根据各项目运输方式，决定管廊模块的大小。管廊模块化主要是管道和结构，管道需要将分好的管廊进行标记，并且对重要管线如应力管线的连接和支撑做加固。管廊模块化还需要确定模块与模块之间的连接形式，尽可能利用弯头、三通、法兰等管件作为连接件，减少焊缝与法兰。

4 模块化的各专业设计

4.1 模块化工艺设计

在化工装置中，工艺专业是核心，模块化设计要求在管道专业设计过程中，工艺专业基本不做修改，并提供完整的、确定的PID，以及设备数据表、仪表数据表、安全阀数据表、爆破片数据表等相关文件，供采购部门尽早出具采购文件并进行招标确定厂家，厂家根据相关数据表提供详细的设计返资。管材专业确定管道材料等级，阀门数据表以及防腐工程规定，绝热工程规定等相关设计文件。

4.2 模块化管道设计

模块化管道设计需考虑根据运输方式、设备大小等确认模块大小，使管道在现有的框架中进行设计，并利用现有框架设计管道、设备以及平台等的支撑，保证阀门操作维修的方便。

管道模块化设计需注意以下几点：（1）将管道尽可能设计在模块现有区域中[3]；（2）考虑管道的支撑，不仅需要考虑管道在开车运行过程中的支撑，还需要考虑撬块在运输过程中管道不会移位或者滚动[4]，这样就需要设置部分临时支架来固定管道；（3）需要根据管机专业发布的临界管线表区分应力管线，并且对应力管线进行详细的划分，确保应力管线走向及管架的合理；（4）模块中的管道阀门手柄尽量集中于一侧布置，方便现场操作、检修；（5）模块中管道分界尽量以焊接或者阀门仪表的法兰连接件为准，避免在分界处增加法兰材料，焊接尽量以最后一道焊缝为分界点，减少焊缝；（6）衔接两个模块之间的管道尽量不小于1 m，主要为克服两个模块之间管道的误差以及管道施工坡度。

4.3 模块化结构设计

传统化工装置中经常用到的材料是钢筋混凝土，而模块化设计一般利用钢框架将管道、设备以及仪表等集合成一个整体，这样就对结构专业的设计提出了更高的要求，结构需要根据管道、仪表等专业提出的荷载计算选用合适的钢结构，并与管道专业协同确认复杂管道的支撑管架形式，例如，含有弹簧支架的管道弹簧的支撑，应力管道中有较大推力的管道的支撑等均需结构在撬块框架中解决。对于动设备来说，一般设备直接支撑在混凝土地面上，若进行模块化设计，需考虑动设备振动对撬块的影响。模块化设计中结构需精确计算撬块的吊装方案，在撬块中设置吊耳，方便现场吊装施工。

5 PDMS三维软件在模块化设计中的应用

PDMS三维软件是目前石油化工装置中应用普遍且相对成熟的设计软件之一，主要特点为：（1）实现由CAD平面向三维立体模型的转变；（2）拥有自己独立的软件库，不依赖第三方；（3）可实现管道、设备、结构、仪表、电气等专业直接的协同，并完整反映现场实际情况，解决碰撞、操作、通行、检修以及与外界管道之间连接问题等[5]；（4）可以将全厂装置总平面图布置图放置在相对位置，检查管廊与装置之间的管道连接问题；（5）PDMS可以设置管道支架，即可以在模型中体现管道支架的实体形式，也可以抽出相应的管道支架一览表以及管道支架汇总表，对采购以及现场施工有很好的指导作用，使管道设计更趋于完整；（6）拥有完善的校审系统，既可以单专业进行内部审核，也可以多个专业或者业主进行审查，以便更直观的提出修改意见。（7）完善的数据处理能力，可以生成最终的设计文件，包括管道单线图，管道布置图，管道材料汇总表等。

PDMS软件具有不同于传统项目的特点，特别是在模块化设计中，PDMS软件可提高设计质量，降低设计人员的工作强度，加快设计和施工进程，增加经济效益，使模块化设计更加趋于成熟。