順北五號(hào)聯(lián)地面工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

湯晟 孫永堯 劉超

1中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

2中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司

當(dāng)前工業(yè)化和信息化深度融合，傳統(tǒng)粗放的油氣田地面工程建設(shè)模式已經(jīng)不具備優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新實(shí)施“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工、機(jī)械化作業(yè)、信息化管理”的“五化”建設(shè)模式已成為國內(nèi)外油氣田地面工程建設(shè)發(fā)展的重要方向，而標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是“五化”工作開展的基礎(chǔ)和龍頭[1-2]。順北五號(hào)聯(lián)合站地面工程通過系統(tǒng)規(guī)劃、整體部署、工作程序優(yōu)化、系列圖紙?jiān)O(shè)計(jì)等工作，有序開展聯(lián)合站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，完成了通用化的工藝流程設(shè)計(jì)、模塊化的站場設(shè)計(jì)、橇裝化的設(shè)備選型、集約化的平面布局以及標(biāo)準(zhǔn)化的視覺形象設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)和施工周期，節(jié)省了工程投資，最大限度保證了工程質(zhì)量。

1 工程概況

順北五號(hào)聯(lián)合站地處塔克拉瑪干沙漠北緣，順北油氣田1 號(hào)、5 號(hào)斷裂帶之間，距沙雅縣城約86 km，位置偏遠(yuǎn)，氣侯溫差極大，夏季氣溫高達(dá)70 ℃，冬季氣溫可低至-29℃，且該區(qū)域?qū)儆诘湫偷牧魃硡^(qū)，年平均沙塵暴達(dá)50 天，揚(yáng)沙天氣多達(dá)90 天，沙丘年移動(dòng)速度達(dá)20～30 m，自然環(huán)境極為惡劣。聯(lián)合站設(shè)計(jì)原油處理規(guī)模100×104t/a，天然氣處理規(guī)模3.8×108m3/a，污水處理規(guī)模1 500 m3/d，可實(shí)現(xiàn)原油、氣、水集中處理，原油管輸塔河，天然氣管輸沙雅，處理水回注，水、電、路、訊配套等功能。工程立足于實(shí)現(xiàn)順北區(qū)塊百萬噸產(chǎn)能建設(shè)，針對(duì)順北油氣田環(huán)境惡劣、施工難度大、設(shè)計(jì)與施工技術(shù)要求高、工程建設(shè)工期緊、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，以打造中石化“五化”示范工程為目標(biāo)，積極開展“五化”模式建設(shè)。

2 地面工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1 通用化的工藝流程

（1）兩級(jí)熱化學(xué)沉降脫水工藝。根據(jù)順北油氣田開發(fā)初期產(chǎn)液量變化處理需求，順北油氣處理站場均采用兩級(jí)熱化學(xué)沉降脫水工藝。為消除油氣混輸段塞流對(duì)站內(nèi)生產(chǎn)造成的沖擊、脫除游離水，一級(jí)熱化學(xué)沉降脫水均具備段塞流捕集、游離水脫除、伴生氣分離等功能，同時(shí)預(yù)留加藥設(shè)施位置。

（2）負(fù)壓氣提脫硫穩(wěn)定一體化工藝。順北區(qū)塊原油中硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)0.38%（800 mg/kg），原油穩(wěn)定同時(shí)需要脫除硫化氫。借鑒塔河油田原油正壓氣提脫硫工藝和負(fù)壓氣提脫硫工藝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，順北區(qū)塊原油穩(wěn)定均采用負(fù)壓氣提脫硫工藝。

（3）混烴分餾脫除硫化氫工藝。原油經(jīng)負(fù)壓氣提脫硫穩(wěn)定，塔頂排除氣提氣冷卻后產(chǎn)生混烴，其富含硫化物，采用混烴分餾脫硫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混烴中硫化物分離，分離后尾氣進(jìn)入原料氣系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步凈化，合格混烴經(jīng)冷卻后進(jìn)入輕烴球罐，與天然氣單元輕烴共同儲(chǔ)存、統(tǒng)一外銷。

（4）“MDEA 循環(huán)脫硫＋硫磺回收”天然氣凈化工藝。順北區(qū)塊天然氣中硫化氫含量較高，達(dá)到了12 000～15 000 mg/m3，需要進(jìn)行脫硫凈化處理。通過對(duì)干法、胺法、螯合鐵脫硫工藝，絡(luò)合鐵脫硫工藝以及栲膠脫硫工藝的工藝原理、工藝特點(diǎn)以及工程投資進(jìn)行分析，選用“胺法+硫磺回收”作為天然氣凈化處理工藝路線。

（5）三塔等壓再生分子篩脫水工藝。油田采出氣中C3+組分平均體積分?jǐn)?shù)為7.28%，為提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)天然氣中凝液進(jìn)行回收，而凝液回收前需對(duì)凈化后的天然氣進(jìn)行脫水處理。已知低溫分離、甘醇法脫水后，天然氣水露點(diǎn)基本在-15～-40 ℃之間，無法滿足后續(xù)低溫凝液回收工藝水露點(diǎn)（-80 ℃）要求，因此天然氣脫水均采用固體吸附脫水工藝。

（6）“輔冷+膨脹制冷+DHX 重接觸”一體化工藝。從一次性投資、運(yùn)行成本、經(jīng)濟(jì)效益等方面考慮，確定順北區(qū)塊凝液回收工藝路線均采用深冷凝液回收方案；從C3+收率、液化氣及穩(wěn)定輕烴產(chǎn)量、工程費(fèi)、成本及年均收入等方面考慮，確定凝液回收單元采用“膨脹機(jī)制冷”或“冷劑預(yù)冷+膨脹機(jī)聯(lián)合制冷”兩種制冷工藝；從差異化設(shè)備、能耗、天然氣減量以及產(chǎn)品指標(biāo)、收益差等方面考慮，確定順北區(qū)塊天然氣凝液回收均配套DHX 工藝，本工程采用“冷劑預(yù)冷+膨脹機(jī)制冷+DHX”凝液回收工藝。

（7）高效旋流聚結(jié)沉降一體化工藝。順北油氣田采出水處理按照“就地處理、就地回注、措施增油”的高效利用思路，考慮采出水水質(zhì)特性變化、回注水處理要求、一次性投資以及采出水中含有大量的硫化氫，設(shè)計(jì)了配套高效除油沉降裝置的密閉壓力處理工藝、配套撇油器以及氣浮空間除硫裝置的氣浮處理工藝以及配套除油罐的重力處理工藝，本工程采用密閉壓力處理工藝。

2.2 集約化的平面布局

根據(jù)各建筑物功能不同將聯(lián)合站分為輔助生產(chǎn)區(qū)、高低壓配電室、消防系統(tǒng)區(qū)、鍋爐房區(qū)、原油處理工藝區(qū)、天然氣處理工藝區(qū)、硫磺回收工藝區(qū)、原油儲(chǔ)罐區(qū)、輕烴儲(chǔ)罐區(qū)、污水處理工藝區(qū)、輕烴裝車區(qū)、事故污水池等十二個(gè)功能區(qū)塊。本工程依據(jù)進(jìn)出站場工藝管線走向，結(jié)合站場周圍地形地貌、周邊交通條件及地區(qū)氣象風(fēng)玫瑰開展站場平面布局設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 五號(hào)聯(lián)合站場平面布置圖Fig.1 Layout plan of No.5 Multi-puropse Station

在平面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，基于“油預(yù)留、氣列裝”的方案設(shè)計(jì)理念，充分考慮了順北區(qū)塊碳酸鹽巖油藏滾動(dòng)開發(fā)特征，采用流程化、一線化、模塊化、橇裝化裝置布置模式[3]，實(shí)現(xiàn)了各大功能空間的合理、有序、集中布置，保證了空間利用率的最大化及管道走向、設(shè)備立體布置的最優(yōu)化，在解決聯(lián)合站后期擴(kuò)建位置的同時(shí)，站場占地面積由23.53×104m2優(yōu)化為18.20×104m2，減小22.65%，大大節(jié)約了工程建設(shè)投資，實(shí)現(xiàn)了集約化的平面布局。

此外，依據(jù)功能單元及處理規(guī)模，確定了站內(nèi)原油脫水、原油穩(wěn)定、天然氣脫硫、天然氣脫水、天然氣凝液回收等11 類典型的功能處理平面布置，統(tǒng)一了構(gòu)筑物、建筑物、圍墻等5 類建筑元素的外觀、標(biāo)識(shí)及內(nèi)飾標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)格，豐富了油氣田站場功能平面布置及視覺形象標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果。

2.3 模塊化的站場設(shè)計(jì)

運(yùn)用SP 3D 三維設(shè)計(jì)軟件完成了模塊化的站場設(shè)計(jì)，依據(jù)工藝流程和功能將聯(lián)合站分為工藝處理模塊、輔助工程模塊、建筑物及構(gòu)筑物模塊。工藝模塊以及輔助工程模塊由各處理單元模塊組成，各處理單元模塊又由各子模塊單體組成，每個(gè)子模塊單體由設(shè)備、管線、防腐、保溫、閥門、儀表、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等組成，各模塊之間相獨(dú)立，通過管網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制、模塊化組裝（圖2）；建筑物及構(gòu)筑物模塊按照其功能進(jìn)行劃分為各個(gè)建筑物單體模塊，各單體模塊由建筑本身、照明、火氣報(bào)警、暖通等部分組成[4-5]。全站共劃分了65 個(gè)工藝子模塊，20 個(gè)輔助工程子模塊以及6 個(gè)建筑物及構(gòu)筑物子模塊，形成了15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的功能單元，22 套橇裝一體化集成裝置。以原油處理單元為例，其模塊劃分結(jié)果如表1 所示。

圖2 天然氣脫硫單元模塊拼接示意圖Fig.2 Module splicing diagram of natural gas desulfurization unit

表1 原油處理系統(tǒng)模塊劃分表Tab.1 Module division table of crude oil treatment system

在工藝設(shè)備定型方面，立足于現(xiàn)場實(shí)踐，以經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、環(huán)保為原則，注重設(shè)備優(yōu)選。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，在設(shè)備技術(shù)說明書中明確接口方位、尺寸規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于分離器、塔器等非標(biāo)設(shè)備，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一外形尺寸、統(tǒng)一技術(shù)參數(shù)[6]，規(guī)范外部接口、配套防腐保溫，實(shí)現(xiàn)了不同處理規(guī)模的系列化設(shè)計(jì)，全站形成塔器、容器等43 類系列化設(shè)計(jì)成果，包括近400 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖件，形成了一套包括關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、工藝安裝定型圖、橇塊安裝圖、工藝自控流程圖等標(biāo)準(zhǔn)化定型圖庫[7]（表2），并且在采出水處理單元推廣應(yīng)用了采出水處理一體化集成裝置。

表2 順北五號(hào)聯(lián)合站標(biāo)準(zhǔn)化圖集分類Tab.2 Classification of standardized atlas of Shunbei No.5 Multi-purpose Station

在設(shè)備及管線選材方面，本工程按照“源頭防、重管控”的防腐思路，通過材料、防腐專項(xiàng)論證，形成了7 大類14 小類的工藝選材標(biāo)準(zhǔn)。在物資采購方面，通過統(tǒng)一設(shè)備選型，優(yōu)化物資分類，356項(xiàng)工程物資中，236項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化框架采購，標(biāo)準(zhǔn)化采購占比66.29%，有效地降低了采購成本。

在統(tǒng)一配管標(biāo)準(zhǔn)方面，編制了標(biāo)準(zhǔn)化的配管數(shù)據(jù)庫，制定了一套企業(yè)配管標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了配管材料選用，規(guī)范了設(shè)備配管連接方式。同時(shí)，在SP 3D三維設(shè)計(jì)軟件中，建立三維模塊化立體模型[8]，實(shí)現(xiàn)了全站設(shè)備、管道、閥門、儀表、焊口以及相關(guān)配件的精確化顯示，實(shí)現(xiàn)了單元模塊及子模塊的精確定型，模塊建造前的模塊優(yōu)化、碰撞檢查、巡檢模擬以及安全演練等，減少了模塊化建造過程中的錯(cuò)、漏、碰、缺等問題。

2.4 橇裝化的設(shè)備集成

橇裝化設(shè)備具有小型、便于組合、適應(yīng)搬遷等特點(diǎn)，針對(duì)順北油氣田初、中期壓力和產(chǎn)量變化較大的顯著特征，建設(shè)橇裝化可移動(dòng)的地面設(shè)施是適應(yīng)順北區(qū)塊油氣田開發(fā)的一種有效手段[9]。本工程對(duì)站內(nèi)所有的工藝設(shè)施最大程度地采用橇裝化設(shè)備，全站共采用橇裝設(shè)備32 臺(tái)。在橇裝化設(shè)備選型方面，使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的管道及閥門配件、外形尺寸和技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；少彙Ｍ瑫r(shí)，混烴處理及穩(wěn)定、天然氣脫硫、天然氣脫水、天然氣凝液回收四大單元的62 臺(tái)設(shè)備中，50 臺(tái)設(shè)備集成了22個(gè)橇裝模塊（表3），提高了全站橇塊率。

表3 聯(lián)合站工藝撬裝模塊Tab.3 Process skid-mounted module of multi-purpose station

3 認(rèn)識(shí)及建議

順北五號(hào)聯(lián)合站地面工程積極推行站場標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，成果豐碩，形成了7 種標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程，塔器、容器等43 類系列化設(shè)計(jì)成果，22個(gè)一體化橇裝集成裝置，7 大類14 小類工藝選材標(biāo)準(zhǔn)，11 類典型功能平面布置結(jié)構(gòu)以及5 類建筑元素的外觀、標(biāo)識(shí)及內(nèi)飾標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)格，構(gòu)建了一套較為完備的工藝、設(shè)備定型圖庫，編制了包含統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定、定型設(shè)備庫、配管數(shù)據(jù)庫及標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)格書、計(jì)算書、站場標(biāo)準(zhǔn)化視覺風(fēng)格等137 項(xiàng)技術(shù)文件，并積極推廣應(yīng)用了采出水處理一體化集成裝置。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的成功開展為工程后續(xù)工廠化預(yù)制、模塊化施工、機(jī)械化作業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使得聯(lián)合站建設(shè)周期縮短20%以上，項(xiàng)目現(xiàn)場人工時(shí)節(jié)約25%以上，工程投資節(jié)約5%以上，提升了施工現(xiàn)場模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理水平，提升了業(yè)主對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量以及安全的把控力。為了進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)水平，建議可從以下幾個(gè)方面開展重點(diǎn)研究：

（1）開展油氣處理一體化集成裝置研究。一體化集成裝置可有效降低站場占地面積，簡化流程，節(jié)約工程投資，且可以實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制，模塊化組裝，節(jié)約工程施工周期。

（2）開展高效多功能設(shè)備研究。高效多功能設(shè)備的研究是實(shí)現(xiàn)工藝簡約化、裝置橇裝化、小型化的關(guān)鍵。建議開展多功能高效三相分離器、高效離心泵、高效加熱/換熱器等設(shè)備的研發(fā)。

（3）建立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)管理平臺(tái)可將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)實(shí)施過程中產(chǎn)生的一系列標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果，如定型工藝、設(shè)備圖紙等電子文檔進(jìn)行存儲(chǔ)、歸類、查詢、共享，實(shí)現(xiàn)資源共享。