超聲速天然氣脫水成橇技術(shù)研究

胡志良，趙瑞云，李巍，李玉玲，張江波，時(shí)穎，孟晨亞

（1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

（2.天津修船技術(shù)研究所， 天津 300456）

海洋平臺(tái)天然氣脫水技術(shù)一般采用溶劑脫水和低溫分離技術(shù)脫水，目前在平臺(tái)上較常用的為三甘醇脫水技術(shù)，利用高濃度的三甘醇吸收天然氣中的水蒸氣實(shí)現(xiàn)脫水的目的，該技術(shù)成熟，在文昌、渤中等平臺(tái)中均有成功應(yīng)用，但其設(shè)備占用平臺(tái)面積較大，流程復(fù)雜，橇內(nèi)塔器較高，整橇施工難度較大，目前正在研究的超聲速天然氣脫水橇屬于低溫節(jié)流膨脹脫水技術(shù)，其主要核心部件為拉法爾噴管，橇裝尺寸較小，集成度高。本文主要介紹超聲速天然氣脫水成橇技術(shù)及成橇設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，可以有效提高超聲速橇塊的設(shè)計(jì)效率，避免設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短項(xiàng)目工期。

1 超聲速天然氣脫水橇典型PFD流程

圖1 超聲速天然氣脫水橇典型PFD流程圖

天然氣首先經(jīng)過與輕烴氣換熱進(jìn)行一次降溫，然后與低溫天然氣換熱進(jìn)行二次降溫，最后與液態(tài)輕烴換熱進(jìn)行三次降溫。經(jīng)過三級(jí)降溫后的低溫天然氣進(jìn)入超聲速天然氣脫水拉法爾裝置進(jìn)行水和輕烴的分離，然后在三相分離器中進(jìn)行液相分離。

橇內(nèi)主要工藝管線考慮低溫保冷，橇內(nèi)管線等級(jí)A4AL，不銹鋼材質(zhì)。

2 超聲速天然氣脫水橇成橇

2.1 超聲速天然氣脫水橇成橇技術(shù)資料包括：

(1)拉法爾核心組件廠家的技術(shù)資料、尺寸，安裝要求；

(2)超聲速天然氣脫水橇的PFD、PID；

(3)業(yè)主采購(gòu)技術(shù)要求書、技術(shù)澄清紀(jì)要；

(4)海洋平臺(tái)布置總圖、專業(yè)規(guī)格書、海洋平臺(tái)總體管口布置圖；

(5)超聲速天然氣脫水橇內(nèi)管線PIPINGLIST，查詢管道低溫參數(shù)；

(6)設(shè)計(jì)軟件PDMS對(duì)于超聲速管道元件的成橇庫(kù)技術(shù)準(zhǔn)備；

(7)核實(shí)橇內(nèi)換熱設(shè)備形式及橇內(nèi)大型儀表資料；

(8)橇內(nèi)流量計(jì)選型及前后直管安裝技術(shù)要求。

2.2 超聲速天然氣脫水橇成橇布置

2.2.1 橇內(nèi)流量計(jì)選型及安裝技術(shù)要求

天然氣脫水橇目前為科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，橇內(nèi)流量計(jì)較多，為使流量計(jì)儀表計(jì)量準(zhǔn)確，廠家對(duì)于流量計(jì)安裝的前后直管段要求較為嚴(yán)格，對(duì)于整橇的布置提出了較高要求。目前天然氣脫水橇內(nèi)流量計(jì)主要選用了孔板流量計(jì)及渦街流量計(jì)，主要海洋平臺(tái)流量計(jì)合格供貨商如恒升、菲舍波特、川儀等廠家對(duì)于流量計(jì)的前后安裝尺寸要求較高，最大安裝尺寸達(dá)到前25D后15D，對(duì)于海洋平臺(tái)橇塊尺寸提出了嚴(yán)格挑戰(zhàn)。這就需要總體成橇設(shè)計(jì)人員在電儀專業(yè)采辦評(píng)標(biāo)階段就流量計(jì)的外形及安裝尺寸、測(cè)量精度給出總體尺寸限制條款，以使得成橇尺寸可行，整橇結(jié)構(gòu)合理緊湊，布局美觀。

2.2.2 橇內(nèi)大型儀表元件的參數(shù)化建模

PDMS對(duì)于復(fù)雜且較大的SDV、BDV等類似于設(shè)備的儀表進(jìn)行了較為貼近廠家供貨的元件參數(shù)化建模，對(duì)于各磅級(jí)/尺寸的元件越來越豐富，使得成橇設(shè)計(jì)與施工階段空間相符，有限地避免了碰撞，而且提高了設(shè)計(jì)效率。且SDV、BDV等大型儀表前期應(yīng)參照以往項(xiàng)目的廠家預(yù)留安裝尺寸，以避免預(yù)留尺寸過大或過小造成整橇設(shè)計(jì)布局的不合理，項(xiàng)目后期無法調(diào)整。

創(chuàng)立于1945年的德國(guó)雄克公司 (SCHUNK GmbH & Co. KG) 是全球知名的抓取系統(tǒng)與夾持技術(shù)供應(yīng)商。共有超過2 800名員工、9個(gè)工廠、位于50多個(gè)國(guó)家的33家子公司和代理合作伙伴，共同維護(hù)并拓展全球市場(chǎng)。雄克可提供11 000種標(biāo)準(zhǔn)部件，包括 2 550款標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械手；由4 000多種自動(dòng)化模塊組成的完整抓取系統(tǒng)。雄克服務(wù)的目標(biāo)行業(yè)包括機(jī)械工程、機(jī)器人、自動(dòng)化裝配及搬運(yùn)以及所有知名的汽車生產(chǎn)商及零部件供應(yīng)商。

圖2 橇內(nèi)大型儀表元件PDMS參數(shù)化建模

2.2.3 橇座及操維平臺(tái)SOLIDWORK建模-ANSYS有限元分析聯(lián)合

海洋平臺(tái)橇塊是基于各專業(yè)軟件集成聯(lián)合設(shè)計(jì)的，橇座及異型操維平臺(tái)等結(jié)構(gòu)件可以用SOLIDWORK軟件直接建模出圖，一方面相關(guān)結(jié)構(gòu)模型可以用STP格式輸入到PDMS模型中供總體設(shè)計(jì)人員建模檢查碰撞干涉，另一方面SOLIDWORK模型也可以導(dǎo)入到ANSYS有限元中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，節(jié)省了兩個(gè)專業(yè)的建模設(shè)計(jì)工作。

圖3 橇內(nèi)主要結(jié)構(gòu)件ANSYS有限元分析

通過上述ANSYS應(yīng)力分析，對(duì)于底座的主梁、操維平臺(tái)的主梁、立柱等相關(guān)梁尺寸都進(jìn)行尺寸及重量?jī)?yōu)化，由原定的型鋼H300×H300變?yōu)镠150×H150，有效地控制了橇塊重量總體設(shè)計(jì)方案通過。

2.2.4 橇內(nèi)設(shè)備管線的優(yōu)化布置方案

天然氣脫水橇塊成橇橇內(nèi)設(shè)備包括核心組件拉法爾管、一臺(tái)雙層換熱器、一臺(tái)洗滌器、一臺(tái)化學(xué)注入泵、兩臺(tái)換熱器，管線橇內(nèi)90%以上全部為600LB以上管線，閥門數(shù)量200多臺(tái)，SDV、孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、多級(jí)孔板遍布，每臺(tái)大型儀表均是一臺(tái)設(shè)備尺寸，此類橇塊布置總結(jié)如下：

(1)核實(shí)設(shè)備立式結(jié)構(gòu)是否滿足工藝機(jī)械要求，此橇要求兩臺(tái)入口換熱器立式布置，充分利用立面空間；

(2)安全閥組成組集中布置，減少放空管線匯管走線路徑；

(4)對(duì)于不允許立式布置的換熱器考慮上下層疊放布置；

(5)流量計(jì)核實(shí)廠家資料，不允許廠家以測(cè)量精度為由無限要求安裝管段，其應(yīng)提高本身測(cè)量精度。

圖4 橇內(nèi)設(shè)備管線優(yōu)化布置

2.2.5 低溫管線閥門庫(kù)元件新建及操維空間核實(shí)

本項(xiàng)目依據(jù)工藝專業(yè)PIPINGLIST對(duì)于低溫閥門管線考慮-40℃情況下，需要核對(duì)是否閥門的操作手柄高度，具體需要核對(duì)SHELL MESC SPE 77/200-2010相關(guān)技術(shù)要求及閥門實(shí)際供貨廠家具體報(bào)審圖紙，然后在PDMS元件庫(kù)中對(duì)于橇內(nèi)的閥門相關(guān)尺寸進(jìn)行尺寸更新，避免橇內(nèi)元件碰撞，造成整橇橇內(nèi)閥門的碰撞大量整改。

圖5 低溫閥門SHELL MESC SPE手柄加長(zhǎng)高度推薦值

2.2.6 低溫管線保冷厚度的計(jì)算核實(shí)

表2 超聲速天然氣脫水橇低溫管線保冷厚度計(jì)算表

橇內(nèi)保冷管線X"-AG-XXXX-D4AL-C操作工況根據(jù)工藝PIPINGLIST參數(shù)提取如附件，保冷厚度計(jì)算公式參考：GB50126-2008《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工規(guī)范》、GB50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及天津LNG項(xiàng)目的低溫設(shè)備和管道外表面的材料規(guī)格和施工要求TJLNGTD-DD-TS-RPT-PI-004等相關(guān)規(guī)范，對(duì)于天然氣脫水橇內(nèi)的保冷管線不同保冷材料的材質(zhì)和厚度進(jìn)行計(jì)算，使得保冷厚度符合成橇空間要求及滿足工藝保冷條件。對(duì)于保冷空間較小及保冷溫度較低的管線可以采用保冷系數(shù)值較大的保冷材料來進(jìn)行。

2.2.7 低溫管線成橇設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1)管線彎頭處應(yīng)力較大，為管道最易脆裂部位，一般不應(yīng)焊接支吊架。

(2)低溫管道上，靠近彎頭和三通的部位，一般不允許直接焊接法蘭，為了不破壞保冷層，需要延長(zhǎng)一段管再焊接法蘭。

(3)低溫保冷管道支架必須防止冷橋產(chǎn)生的措施，如加放木塊或者硬質(zhì)隔熱材料，如PTFE等；也可以避免不銹鋼低溫管道與碳鋼支撐材料的接觸。

(4)低溫保冷的儀表管嘴與設(shè)備管嘴必須使得法蘭面伸出保冷層外側(cè)并留有一定的距離，以方便拆卸螺栓。

(5)其它低溫管線設(shè)計(jì)規(guī)定參見相關(guān)規(guī)范。

3 結(jié)語

本文基于超聲速天然氣脫水成橇設(shè)計(jì)過程中低溫材料及成橇建模過程中一系列技術(shù)思路進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)，可以有效避免超聲速天然氣脫水成橇在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì)編. 海洋石油工程機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 胡志良，何煦，韓旭，等. 海洋空氣壓縮機(jī)成橇設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2015，18(3)：34-37.