殼牌煤氣化管道布置專業(yè)設計策劃

林 靜 上海華誼工程有限公司 上海 200235

方 綱 惠生工程(中國)有限公司 北京 100102

殼牌煤氣化技術(shù)因其對煤種的適應性強、低能耗、清潔、三廢排放少等優(yōu)點，在煤氣化技術(shù)的選擇上已經(jīng)越來越被業(yè)主認可，目前在中國國內(nèi)已有20 余裝置投入生產(chǎn)運行或在建。管道布置專業(yè)在工程設計中與各專業(yè)有著密切聯(lián)系，設計過程中起著承上啟下的作用，其工作進度對整個項目的進展起著決定性的作用。隨著國內(nèi)項目的大型化，項目管理正處于由結(jié)果管理到過程管理的轉(zhuǎn)型，管道布置專業(yè)設計策劃更加重要，好的專業(yè)策劃可以使工程設計質(zhì)量和設計效率大幅度提高。本文結(jié)合工程實際經(jīng)驗，對殼牌煤氣化裝置設計中管道布置專業(yè)策劃的內(nèi)容總結(jié)、分析。

1 管道布置專業(yè)設計策劃的主要內(nèi)容

管道布置專業(yè)設計策劃由管道布置專業(yè)負責人負責。

管道布置專業(yè)設計策劃的內(nèi)容一般包括設計范圍、成本(工時)、人員安排、進度、質(zhì)量管理等。解決在什么時候、以什么方式、花多少成本、由誰完成、滿足什么要求的什么工作的問題。

管道布置專業(yè)負責人應認真學習相關實施計劃(必要時還要對項目合同進行學習)，對計劃中有不理解處要及時澄清、落實，明確設計工作范圍、設計進度以及設計HSE 要求。根據(jù)項目特點估算設計工作量(人工時)，報請專業(yè)領導，確定設計、校核、審核人員，組織實施具體的設計工作。

2 殼牌煤氣化的特點

殼牌煤氣化裝置是以煤為原料生產(chǎn)粗合成氣，主要生產(chǎn)工序包括磨煤及干燥、煤加壓及輸送、煤氣化、除渣、除灰、濕洗、初步水處理、公用工程系統(tǒng)等8 個工序，主要流程見圖1。

圖1 典型的殼牌煤氣化主要流程

2.1 設備布置特點

(1)煤氣化裝置主框架的總高度集中在100 ～120m 之間，且主框架均為砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu);由于氣化爐總重較大，砼結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好，因此，在氣化爐支撐樓面及以下采用砼結(jié)構(gòu)，而上部采用鋼結(jié)構(gòu)。

(2)磨煤及干燥、煤加壓與輸送、除渣和除灰工序中的煤、渣及煤灰都為重力流輸送。設備布置時需要根據(jù)工藝流程自上而下布置，但設備高度定位時需要根據(jù)設備外形自下而上的返算設備布置的高度。

(3)設備布置集成度比較高，不同工序的設備在空間區(qū)域上不能完全分開，部分相互交叉。

2.2 管道布置特點

2.2.1 重力流管線及平衡管線

磨煤及干燥、煤加壓及輸送、除渣及除灰工序中的煤、渣及煤灰都為重力流輸送，為保證流體的順暢流動，重力流管線需要與水平面有最低70°的夾角要求;系統(tǒng)中平衡管線介質(zhì)由于是氣固混合，為防止管線堵塞，需要與水平面有最低60°的夾角要求。

2.2.2 煙風煤粉管道

煙風煤粉管道的配管注意防止堵粉。過量積灰和管道磨損。因此，配管時宜傾斜布置，其與水平面的傾斜角不宜小于45°，管線彎頭采用彎曲半徑3DN。根據(jù)《煙風煤粉管道設計技術(shù)規(guī)程》DL/T5121 -2000 要求，還需要對煙風煤粉管道采用管道加固肋。

2.2.3 煤粉輸送及返回管線

煤粉輸送管線為氣力高壓輸送，為減輕煤粉對管線的磨損，管線要求采用R =50DN 的彎頭，返回管線工作頻率較送粉管線低，采用R =30DN的彎頭;通常，煤粉加壓及輸送工序有兩個或三個系列。單系列的煤粉輸送至氣化爐管口時要保證為對口接入(管口夾角180°)，為保證兩管線的壓力降相等，煤粉在氣化爐燃燒火焰不偏心，需要兩管線配管時盡可能管線長度及彎頭個數(shù)相等。

2.2.4 氧氣管線

氧氣本身無任何毒性，但由于其助燃的特性，使其在布置時需要特別注意，嚴格按照國內(nèi)氧氣的相關標準規(guī)范的要求設計。除此之外，還需要注意專利商對氧氣管線配管的特殊要求，主要注意事項:

(1)氧氣主管要高于燒嘴(氧氣進口)，主管末端不能有袋形，氧氣在管內(nèi)要避免撞擊區(qū)，管內(nèi)無殘渣。

(2)萬一主管低于燒嘴，其上支管需從主管頂部接出。

(3)所有氧氣介質(zhì)彎頭需大于1.5DN，如采用3DN 等。

(4)管道縮徑一次只能降低一個規(guī)格，兩異徑管之間至少要有10DN 的直管段長度，若異徑管縮徑坡度小于15°則無需異徑管之間10DN 的直管段長度。

(5)支管彎頭距主管至少要有10DN 的直管段長度。

2.2.5 水汽系統(tǒng)管線

水汽系統(tǒng)的管道多密集集中在氣化爐和汽包附近，受氣化爐管口方位影響，管線多為對稱布置;另外受氣化爐運行熱膨脹的影響，距離設備支撐越遠的管口處管線位移量越大。因此，需要管口位移較大的接口管道在位于管口較近的地方設置彈簧支架，在設置彈簧支架的地方要保證有足夠的彈簧安裝空間;水汽系統(tǒng)配管關系到氣化爐水冷壁水通道流量的分配，在管道設計時不得出現(xiàn)袋型，流量計、限流孔板等上下游需保證足夠的直管段。

2.2.6 渣水灰水管道

除渣系統(tǒng)處理原料為氣化爐燃燒段產(chǎn)生的高溫熔渣，在此系統(tǒng)中，渣水混合物中的大顆粒熔渣被除去，含小顆粒灰渣的渣水混合物進入初步水處理工序繼續(xù)處理。由于所處理介質(zhì)含有固體顆粒，容易對管道有沖涮磨蝕，因此配管時需要采用長半徑彎頭(R=5 ～10DN)及采取方便管道堵塞時的拆卸措施。

下面對殼牌煤氣化裝置策劃要點的內(nèi)容逐一進行敘述。

3 工作包分解

3.1 作用和意義

工作包的分解特別是對比較大的項目而言，起到的是“化繁為簡”的作用，便于項目的管理與執(zhí)行。

3.2 原則

工作包分解應包括全部的專業(yè)設計工作，含專業(yè)設計、專業(yè)管理及現(xiàn)場服務等全部內(nèi)容，總體來講可以分為設計管理工作包、成品工作包以及條件工作包，管理工作包主要由專業(yè)負責人完成。

工作包一般的分解原則:①100% 原則;②按工序或設計分區(qū)分解;③便于設計成果清晰表達;④便于為工作包分配明確單一的設計主體人員。

殼牌煤氣化裝置由于布置集成度高，在工作包分解中更要注意設計分工的明確，注意交叉地帶的責任劃分，這就要求專業(yè)負責人有較強的整體把握能力。

3.3 工作包的估工

工作包的估工可以參考同類項目，但要特別注意項目性質(zhì)(新建、改建、擴建、搬遷)、有無參考復用項目、不同區(qū)域項目(國內(nèi)、國外、北方、南方)的不同之處，同時也要對不同工作包的難易程度進行估算，才能制定出具體項目的比較合理的設計工作量，某項目煤氣化裝置管道布置專業(yè)人工時估工，見表1 (以成品工作包為依據(jù)的專業(yè)估工)。

表1 某項目煤氣化裝置管道布置專業(yè)人工時估工表(新工藝新建無參考復用項目)(h)

4 設計分工

殼牌煤氣化裝置工序多、且工序之間關系緊密，合理安排設計、校審人員能起到事半功倍的效果。設計、校核、審核人員的工作分配應該充分體現(xiàn)工序和區(qū)域之間的聯(lián)系。

4.1 設計分工結(jié)構(gòu)

設計、校核、審核人員的工作分配應該充分體現(xiàn)工序和區(qū)域之間的聯(lián)系。在設計校審人員安排上，也有兩種基本的方式，一種是設計人員互校，另一種是金字塔式人員安排。前者指一個區(qū)域的設計人員校核另一個區(qū)域的，各設計人員相互校核對方的設計文件;后一種指按一定的比例配置專職的設計、校核、審核人員。選擇哪一種方式，應該根據(jù)項目組織的可用于該項目的過程資產(chǎn)和獲得設計人員的背景、經(jīng)驗等情況選擇。前者適用于設計人員經(jīng)驗都比較豐富，資源等級相似，但分配給項目的人員較少的情況。如果項目成員經(jīng)驗、背景差別比較大，資源等級不同，人員數(shù)量充分，則宜選擇金字塔模式。

就殼牌煤氣裝置而言，不管是從工藝角度還是從區(qū)域角度，煤氣化、除渣的聯(lián)系比較緊密，宜安排同一人校核;除灰、濕洗、初步水處理關系比較緊密，宜安排同一人校核。

4.2 設計分區(qū)的邊界分工

4.2.1 設計分區(qū)的作用

將占地(空間)大的區(qū)域劃分為若干相對較小、邊界明確的區(qū)域，作為一種化整為零的手段，在石油化工、煤化工設計中廣泛應用。分區(qū)的作用有兩個，一是在現(xiàn)有的圖幅內(nèi)使用合適的比例，使圖紙能夠清晰表達;二是將復雜的、工作量大的設計工作責任明確地分配相對簡單、工作量小的部分，以便于分配給不同的設計人員。殼牌煤氣化裝置工藝流程長、布置高度集中，設計分區(qū)作為一種“化整為零”的手段，必不可少。殼牌的設備布置，基本上分工序在不同的區(qū)塊布置，但為了節(jié)省空間，不同工序的設備和管道之間存在“插花”的情況，見圖2。因為“插花”現(xiàn)象的存在，分區(qū)邊界怎么處理成為一個需要解決的問題。

圖2 典型的殼牌煤氣化布置(局部)

4.2.2 設計分區(qū)邊界分工準則

通常的處理原則有兩個，分別是嚴格按工藝流程處理界面分工和嚴格按空間區(qū)域處理分工。前者指只要是同一個工序的設備和配管，不管其布置在哪部分空間，均有承擔該工序設計的人員負責，稱之為虛擬分區(qū);后者指按照設備布置圖，將空間分出不同的區(qū)域，不管是哪個工序的設備或管道，只要進入該物理區(qū)域，就由負責該區(qū)域的設計人員負責，稱之為物理分區(qū)。

在平面設計中，設計分區(qū)是個純粹的空間概念，即只有物理分區(qū)一種原則。在三維設計中，所有設計人員在同一個平臺上工作，設計區(qū)域邊界與實際的物理邊界一樣相鄰，邊界的處理是按虛擬分區(qū)原則、還是按物理分區(qū)的原則，成為一個需要權(quán)衡并在設計策劃時予以明確的問題。堅持虛擬分區(qū)的理由是減少接口、降低工作量;堅持物理分區(qū)的理由主要是減少碰撞干涉發(fā)生的幾率，優(yōu)化區(qū)域空間配置。筆者傾向于物理分區(qū)，原因如下:

(1)配管設計是滿足工藝要求的空間布置，滿足工藝要求只是配管的原則之一，滿足一定條件的空間優(yōu)化配置，才是配管設計的目標。虛擬分區(qū)因為缺乏空間限制，設計空間可以無限擴展，設計人員缺乏優(yōu)化空間配置的動力，區(qū)域內(nèi)的布置優(yōu)化很難落實。

(2)由于無序授權(quán)導致空間容易被其他區(qū)域設備、配管占領，本區(qū)域內(nèi)的設計工作容易陷于被動，容易陷于后設計的讓先設計的陷阱，使整體設計水平下降。

(3)虛擬分區(qū)減少接口、降低工作量的預期只是一個美好的傳說?？雌饋硖摂M分區(qū)減少了管道接口，似乎降低了工作量，但由于干涉、碰撞、設計不合理造成的修改工作量會遠遠超過管道接口的工作量。由于干涉、碰撞和設計不合理造成的修改往往在設計后期，越晚修改，受影響的工作越多，修改的工作量也就越大。

(4)到目前為止，國內(nèi)的三維設計水平還沒有發(fā)展到可以完全摒棄二維設計的程度，土建條件(委托)基本上均是以平面設計的方式進行，虛擬分區(qū)會造成土建條件設計的責任混亂

比較合理的做法是殼牌的設備布置圖及管道布置思路規(guī)劃由專人負責設計，配管設計的條件和成品，分別由各物理分區(qū)的設計人員負責，分工過程的爭議由校審人員或者專業(yè)負責人解決。

5 質(zhì)量管理

5.1 明確工作包的簽署要求

設計文件的簽署要嚴格按照《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG D0001 -2009 中的相關規(guī)定執(zhí)行。

5.2 設計方案評審計劃

包括設計方案評審的內(nèi)容、時間、參加人員、主持、紀要編制、批準和分發(fā)。項目進展過程中重要的方案評審有設備布置方案評審以及設備吊裝方案評審，在評審過程中以下幾個重要的問題一定要予以討論并形成明確結(jié)論。

5.2.1 裝置的建構(gòu)筑物分類

目前國內(nèi)的標準規(guī)范對什么是建筑物、什么是構(gòu)筑物沒有明確的區(qū)分，工程界對這個問題的爭議很大。建筑物和構(gòu)筑物雖一字之差，執(zhí)行的防火規(guī)范卻差別極大。對此類有著重大分歧的，且對設計影響極大的問題，應該通過高等級評審會議予以討論并形成明確磨煤框架和氣化框架是建筑物還是構(gòu)筑物，是否需滿足《建筑設計防火規(guī)范》GB 50016 的要求。

5.2.2 裝置的火災危險性分類

火災危險性分類也是一個極其重要的問題，不僅對建構(gòu)筑物的規(guī)模、防火間距、防火處理要求等有重要的影響，對設備間距也有重要的影響。設備布置評審一定要明確煤氣化裝置是按甲類裝置設計，還是按乙類裝置設計。

5.2.3 火災爆炸及危險區(qū)域劃分

煤氣化裝置既有氣體爆炸環(huán)境，又有粉塵爆炸環(huán)境，還有氣體、粉塵混合爆炸環(huán)境?？梢允共糠衷O備的電氣防爆要求降低，從而降低采購成本。

5.2.4 吊裝方案

吊裝方案需要考慮關鍵設備(如氣化爐的吊裝)，框架內(nèi)設備的吊裝方向、吊裝順序、吊裝進度與設備到貨進度的匹配，設備的二次搬運場地和吊車走位空間等，保證設備布置圖滿足現(xiàn)場吊裝的要求。

5.2.5 安全通道

煤氣化設計的特殊要求多，設備布置圖要合理規(guī)劃安全通道，保證施工和開車期間框架各層的人員能順利撤離。常規(guī)做法是裝置內(nèi)管廊下部作為操作檢修通道，主框架每層設置內(nèi)管廊，內(nèi)管廊下部作為操作檢修通道，見圖3。

圖3 某項目煤氣化裝置布局

5.3 同類項目經(jīng)驗及現(xiàn)場反饋收集

在項目啟動初期，專業(yè)負責人就要做好同類項目設計經(jīng)驗和現(xiàn)場反饋的收集，避免以前項目中存在的問題重復出現(xiàn)。

6 設計進度

6.1 設計進度管理的重要作用

(1)殼牌煤氣化的設計、采購、施工在同一項目的各裝置的工期中都是最長的，其處在項目總體進度的關鍵路徑上，任何設計的延誤，都會對項目的總體進度造成不利影響。

(2)煤氣化裝置處在工藝流程的上游位置，若不能按進度計劃竣工驗收交付使用，后續(xù)裝置即使交付了，也無法正常開車。

(3)煤氣化框架作為全場最高和最重要的建構(gòu)筑物，是項目的重點形象工程，其進度要求容易受到非技術(shù)因素的影響，從而增加進度控制的難度和風險。

(4)煤化工項目大多在寒冷地區(qū)，存在冬季施工間歇期，框架及其基礎的年有效施工時間短。為了在冬歇期到來之前完成混凝土施工，快速跟進的辦法常常被采用，這對設計進度、設計質(zhì)量控制提出了高的要求。

(5)有些項目需租用超大型吊裝設備，需要保證被吊裝的設備在約定的服務期內(nèi)運抵項目現(xiàn)場并具備吊裝條件，這些剛性要求通常不允許配管設計按部就班，如何合理緊張地安排進度，控制質(zhì)量，成為一個挑戰(zhàn)。

6.2 影響總體進度的重要輸出工作包

管道布置專業(yè)的工作承上啟下，不僅要反饋一些信息給上游的工藝及設備專業(yè)，還要提出很多條件供下游專業(yè)開展工作。因此，要特別區(qū)分出對項目進展影響較大的工作包的輸出，比較重要的是設備布置方案及吊裝方案的確定、土建條件的提出。一旦設備布置方案確定，很多專業(yè)即可按照初步布置開展初期工作，項目現(xiàn)場也可以開展土建前期的詳勘工作;而吊裝方案及土建條件的提出關系到土建專業(yè)的設計進度，進而影響現(xiàn)場土建施工的進度，對整個項目的進展影響重大。

6.3 檢查設計輸入計劃

根據(jù)項目的設計進度要求，落實重要的設計輸入計劃是否滿足設計要求。在項目設計進程中，要和控制工程師保持較緊密的聯(lián)系，對于重要節(jié)點的設計輸入條件要重點關注，落實輸入條件的完整，根據(jù)項目內(nèi)因和外因隨時調(diào)整工作的內(nèi)容和深度。

6.4 影響重要設計方案的因素

6.4.1 影響煤氣化框架的跨度因素

一般情況下，煤氣化裝置的產(chǎn)能決定了重要設備的大小，即便在煤種有所變化的情況下，產(chǎn)能不變對設備大小的影響也不會太大，因此，只要裝置產(chǎn)能確定，基本可以根據(jù)重要設備外形及同類產(chǎn)能項目來確定框架的跨度。

6.4.2 影響煤氣化框架層高的因素

(1)專利商建議設備布置圖。

(2)與結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)商，在結(jié)構(gòu)專業(yè)給定建議樓層高差范圍內(nèi)進行調(diào)整，即要考慮布置的合理性，同時也方便結(jié)構(gòu)專業(yè)的設計與計算。

(3)計算氣化爐等主要設備的管口高度，避免管口與樓層的沖突 (同時要初步估算結(jié)構(gòu)的梁高)，既要方便今后的配管，也要充分考慮人孔的檢修。

(4)考慮氣化爐燒嘴的檢修，特別是開工燒嘴和點火燒嘴，由于其所占空間較大，且開工燒嘴管口為斜插入式，使其在檢修抽出時需要的空間較大，樓層標高設定時，一定要注意今后的檢修，避免檢修抽出時與樓面或梁有沖突。

(5)氣化爐的敲擊器是氣化爐設備的一個主要附件，在樓層標高設定時，要充分考慮其安裝、操作和檢修空間。

(6)考慮設備正常運行時的應力變化，預留設備位移時管口標高變化的空間。

6.4.3 影響框架總高度的布置因素

(1)煤氣化框架的主要高度由氣化爐的布置決定，而氣化爐的布置高度由氣化爐底部的除渣系統(tǒng)決定。除渣為垂直布置，煤渣靠重力從氣化爐底部往下輸送，布置中要注意各設備之間管件的長度，以便能更合理的反算出氣化爐的支撐標高。

(2)煤氣化框架的局部高度也受其它工序控制，一般情況下，框架的最高處位于煤粉加壓輸送工序:此系統(tǒng)為垂直布置，煤粉靠重力從煤粉袋濾器底部往下輸送，此系統(tǒng)的布置從底部向上部反算。

6.4.4 需要重點考慮吊裝方案的設備

氣化爐的吊裝是煤氣化裝置吊裝的重點和難點，裝置布置時，首先應在框架的周邊預留足夠的區(qū)域作為吊裝區(qū)域，氣化爐的三道“黃金焊縫”的焊接是吊裝安裝中需要特別注意的地方，管道布置專業(yè)需要配合施工方做好設備吊裝方案的設計執(zhí)行，才能夠滿足并完成設備的安裝焊接。

7 結(jié)語

管道布置專業(yè)策劃雖然只是項目開展初期的一個初步工作，但這項工作考慮得是否全面合理，直接關系到后期項目執(zhí)行的順利與否。本文通過對殼牌煤氣化裝置設計中管道布置專業(yè)策劃的內(nèi)容進行總結(jié)與分析，希望可以為今后的殼牌煤氣化管道布置專業(yè)策劃提供參考，同樣也希望對其它大型化工裝置提供策劃思路的幫助與借鑒。