陸地LNG廠模塊化建設(shè)項(xiàng)目總體設(shè)計準(zhǔn)則研究

＊李長偉 胡性濤 文樹吉 陳香玉 杜尊峰*

（1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300072）

隨著LNG項(xiàng)目逐步向國際化、大型化方向發(fā)展，一些陸地LNG項(xiàng)目由于其地理位置、環(huán)境惡劣、勞動力稀缺等問題，開始逐漸采用模塊化的建設(shè)模式[1]。這種模式將LNG工藝單元劃分成若干模塊，所有模塊在不同的建造場地同時進(jìn)行生產(chǎn)與調(diào)試，再通過不同運(yùn)輸路線最終運(yùn)輸至安裝場地組裝形成一個完整的LNG廠的過程[2]。

為解決LNG廠模塊化建設(shè)項(xiàng)目總體部署和開發(fā)方案相關(guān)問題，需在項(xiàng)目之初進(jìn)行全面的規(guī)劃，該規(guī)劃需包含每一模塊的部署與安排方案，即工程總體設(shè)計。總體計劃體現(xiàn)了承包方對項(xiàng)目如何實(shí)施這一具體問題的整體把控水平，如果總體設(shè)計存在錯誤或疏漏，將導(dǎo)致項(xiàng)目子任務(wù)的計劃與進(jìn)展出現(xiàn)錯誤，項(xiàng)目總體發(fā)展方向與預(yù)期目標(biāo)方向的偏差將不斷擴(kuò)大。因此，在LNG廠模塊化建設(shè)項(xiàng)目具體實(shí)施之前，應(yīng)對項(xiàng)目進(jìn)行全面、綜合且徹底的總體設(shè)計，具體地，為完成總體設(shè)計方案，承包方首先需根據(jù)模塊化建設(shè)流程及其特點(diǎn)確定總體設(shè)計準(zhǔn)則。

1.模塊化流程與特點(diǎn)

陸地LNG廠模塊化建設(shè)的整體流程一般包含以下環(huán)節(jié)：（1）進(jìn)行工藝流程設(shè)計，確定LNG廠脫酸、脫水、脫汞等工藝單元的所需原料、原料配比、反應(yīng)條件等工藝參數(shù)[3]；（2）進(jìn)行工藝布置，考慮如何將上述工藝單元排布LNG廠內(nèi)合適的空間位置；（3）進(jìn)行模塊劃分，將不同的工藝單元劃分成相應(yīng)的模塊；（4）模塊在不同的建造場地開始建造；（5）模塊裝卸與運(yùn)輸，不同場地的模塊通過不同的航線運(yùn)輸至同一安裝場地；（6）模塊在安裝場地進(jìn)行安裝與聯(lián)合調(diào)試。

根據(jù)上述流程可知，與傳統(tǒng)陸地LNG項(xiàng)目直接在廠址進(jìn)行建造、安裝的方式相比，模塊化的建設(shè)模式由于引入了大量的并行作業(yè)，因此還具有以下特點(diǎn)。

（1）采辦配合工作量大和工作難度大。對于多條生產(chǎn)線同時運(yùn)營的LNG工廠，其模塊劃分的數(shù)量眾多，這對設(shè)計、采辦工作提出了高標(biāo)準(zhǔn)和高要求，且部分模塊材料需進(jìn)口，因此供貨周期長，此外，一些材料如果是首次使用還需反復(fù)論證澄清其適用性，技術(shù)難度大。（2）協(xié)調(diào)界面和接口眾多。由于模塊化的建設(shè)模式涉及多國家和多領(lǐng)域，模塊的設(shè)計、建造與安裝在不同的國家、地區(qū)可能存在不同的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)化需要相關(guān)單位提供認(rèn)證，且項(xiàng)目具體實(shí)施時，結(jié)構(gòu)、機(jī)械、舾裝、電氣等各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)作業(yè)也需要提前規(guī)劃，此外，項(xiàng)目承包方還要面對眾多生產(chǎn)廠家、業(yè)主、詳細(xì)設(shè)計單位等部門。

2.模塊化理念

根據(jù)上述模塊化建設(shè)的一般流程和特點(diǎn)，以及已有的模塊化項(xiàng)目相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將模塊化總體設(shè)計理念簡化為以下幾點(diǎn)：

（1）模塊應(yīng)具有相對獨(dú)立的完整功能；（2）模塊所包含的設(shè)施應(yīng)最大化；（3）模塊尺寸應(yīng)盡量優(yōu)化到最?。?（4）盡可能標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計；（5）優(yōu)化施工順序；（6）優(yōu)化安裝方法和路徑；（7）模塊重量應(yīng)適應(yīng)土壤承載力； （8）模塊重量尺寸應(yīng)適應(yīng)裝卸與運(yùn)輸設(shè)施。

3.模塊化總體設(shè)計準(zhǔn)則

在陸地LNG廠模塊化建設(shè)項(xiàng)目總體設(shè)計階段，不僅要設(shè)計好模塊是如何劃分的，還應(yīng)對已劃分完成的模塊的建造、運(yùn)輸與安裝過程做出安排。總體設(shè)計應(yīng)遵循以下設(shè)計準(zhǔn)則。

(1)模塊劃分準(zhǔn)則

模塊劃分應(yīng)以LNG的工藝流程為出發(fā)點(diǎn)，模塊應(yīng)盡可能地布置更多的工藝設(shè)備，以減小模塊的劃分?jǐn)?shù)量，從而降低工期成本。所劃分模塊的功能需相對獨(dú)立，盡可能將功能相同或相近且危險等級劃分相同的設(shè)備布置在同一模塊中，以滿足模塊功能的完整性，例如一個模塊應(yīng)具備脫酸功能或僅是脫酸工藝下的酸化或胺液再生功能，而非將再生塔和閃蒸罐分開布置在不同的模塊上這種把某一工藝單元或其細(xì)分工藝單元分裂開來的做法。

除工藝需求外，模塊劃分還需考慮到模塊制造場地能力、模塊運(yùn)輸方法和效率、模塊裝卸方法和能力、模塊現(xiàn)場安裝方法和設(shè)施能力以及模塊建造順序。為滿足后期開發(fā)需求，模塊還應(yīng)預(yù)留部分接口。

(2)模塊重量與尺寸準(zhǔn)則

模塊尺寸設(shè)計應(yīng)綜合考慮模塊功能、運(yùn)輸與安裝等因素，模塊需匹配相應(yīng)的裝卸、運(yùn)輸和安裝方法。模塊重量需考慮包括各設(shè)施、道路和場地限制因素，以此確定模塊準(zhǔn)確的重量并估算模塊重心。尺寸和重量的優(yōu)化也將推動簡化模塊內(nèi)部設(shè)備與結(jié)構(gòu)布置方案。

為便于模塊的生產(chǎn)設(shè)計與建造運(yùn)輸，模塊應(yīng)盡可能的標(biāo)準(zhǔn)化。對于模塊基礎(chǔ)和安裝方式，也需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，由于SPMT的高度調(diào)整范圍為1200mm到1800mm，因此模塊基礎(chǔ)高度不能低于1300mm，優(yōu)選1500mm的基礎(chǔ)高度以便于適應(yīng)SPMT要求。

(3)管道設(shè)計

對上述劃分完成的模塊，各模塊之間的工藝單元需要通過大量管線連接。因此，管道布置設(shè)計文件應(yīng)首先能表現(xiàn)出每個模塊的管道詳細(xì)信息、端點(diǎn)和連接點(diǎn)信息，同時能提取出每一模塊內(nèi)所需的管道材料數(shù)量。

具體的，管道端點(diǎn)應(yīng)保持在模塊內(nèi)500mm內(nèi)，并能通過平臺到達(dá)，模塊之間的連接管道應(yīng)由管道和彎頭組成，只有當(dāng)模塊端點(diǎn)已經(jīng)延伸到法蘭連接處時才允許設(shè)置法蘭。管道布置應(yīng)確保管道和儀表系統(tǒng)完整的體現(xiàn)在模塊內(nèi)，滿足工廠操作需求。通常，支管和管匯應(yīng)布置在同一模塊內(nèi)以減少現(xiàn)場連接管道的工作量。特別地，對于要求應(yīng)力分析的管道，例如一些在管線上明確標(biāo)出來的，應(yīng)將整根管從固定點(diǎn)或從固定點(diǎn)到設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析。

(4)管廊設(shè)計

區(qū)別于各工藝單元，管廊模塊用于集中敷設(shè)各工藝單元管線。管廊由鋼結(jié)構(gòu)立柱、橫梁及桁架構(gòu)成，其設(shè)計應(yīng)盡量標(biāo)準(zhǔn)化管廊長寬高、基礎(chǔ)標(biāo)高等，管排應(yīng)做成盒狀以便多層疊放。對于制造廠和海上固定的臨時支撐也應(yīng)能夠重復(fù)利用。此外還應(yīng)注意，除管廊外，不能有物體突出模塊界限。

(5)總體布置

總體布置即根據(jù)模塊劃分結(jié)果對模塊進(jìn)行空間布置，應(yīng)保證模塊的工藝流程合理、緊湊，各模塊能適應(yīng)不同的安裝方法與建造、安裝場地的土壤承載能力，且充分考慮到包括操作、維護(hù)、逃生等在內(nèi)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計。模塊在整個LNG廠內(nèi)的布置應(yīng)充分考慮現(xiàn)場運(yùn)輸、安裝和調(diào)試空間需求，便于模塊運(yùn)輸和安裝。

一般情況下，陸地LNG廠在布置時，應(yīng)將脫酸、脫汞、脫水、制冷、液化等主工藝流程沿直線布置在工廠一側(cè)，以便于主工藝設(shè)備及管線的布置，其他的輔助工藝流程，例如熱介質(zhì)模塊、空調(diào)機(jī)模塊、壓縮機(jī)高低壓滌氣罐模塊等，應(yīng)就近布置在主工藝流程的對面，輔助工藝流程和主工藝流程之間布置一條管廊。

(6)選擇制造場地

制造場地的選擇需要參考多方因素：①場地資質(zhì)，包括QHSE和其它證書等；②項(xiàng)目管理人員、工程師和操作工人的知識技能水平；③各種吊裝機(jī)具、運(yùn)輸機(jī)具和裝卸機(jī)具的工作能力；④場地的承載力、車間數(shù)量、總裝場地、無損檢測、調(diào)試能力等服務(wù)條件；⑤公用氣、儀表氣、電力、海水、淡水等公用介質(zhì)；⑥場地碼頭、水深、裝卸設(shè)施的裝卸能力；⑦場地所具有的LNG項(xiàng)目和模塊化工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)； ⑧場地生產(chǎn)負(fù)荷情況。

(7)質(zhì)量控制(尺寸公差控制)

制造場地和安裝現(xiàn)場需要進(jìn)行嚴(yán)格地尺寸公差控制，包括模塊結(jié)構(gòu)和管線。成功的尺寸公差控制使現(xiàn)場模塊間的連接僅需一道焊接工序即可完成，這將是模塊化建設(shè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。

(8)模塊裝卸與運(yùn)輸

模塊的裝卸需綜合考慮各種可行的裝卸方式，如滑移/吊裝/自行小車等；SPMT是裝卸的一種有效方式，其載重量可達(dá)10000噸，SPMT可以在各個運(yùn)輸和裝卸環(huán)節(jié)利用其特性發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)各個方向的移動、回轉(zhuǎn)及安裝作業(yè)。

模塊的運(yùn)輸則需要綜合考慮所有可能的運(yùn)輸方式（如船舶、車輛和火車等）、載貨能力、載貨空間、模塊固定方式以及運(yùn)輸載具的疲勞計算，海上運(yùn)輸還需充分考慮動載荷和風(fēng)載。

4.結(jié)束語

通過對陸地LNG廠模塊化建設(shè)項(xiàng)目的總體設(shè)計理念和準(zhǔn)則的分析，明晰了模塊化建設(shè)的全盤要素和重要環(huán)節(jié)，為模塊化項(xiàng)目總體設(shè)計方案的編制提供了參考依據(jù)和理論框架。當(dāng)然，這些理念和準(zhǔn)則在具體實(shí)施時也存在一定的可變性和挑戰(zhàn)性，例如物流能否及時有效地提供服務(wù)、對詳細(xì)設(shè)計完善程度和時間點(diǎn)的把控精度、各模塊采辦時間的控制、模塊中出現(xiàn)的非對稱結(jié)構(gòu)等，因此，還需進(jìn)一步調(diào)研、落實(shí)這些準(zhǔn)則，并組織各環(huán)節(jié)的專業(yè)人員進(jìn)行討論商議，以解決這些不可控因素，包括物流服務(wù)的盡早介入、合理的總包計劃安排、嚴(yán)格的采辦管理、嚴(yán)格的尺寸公差控制等，從而完成項(xiàng)目總體設(shè)計，制定出切實(shí)可行的模塊劃分方案與各模塊建造、運(yùn)輸和安裝的具體安排。