中東地區(qū)大中型油田聯(lián)合站原油處理單元模塊化設(shè)計實踐

摘" " 要：模塊化建設(shè)已經(jīng)成為中東地區(qū)油田地面工程主流建設(shè)模式。以中東地區(qū)某大型油田聯(lián)合站模塊化建設(shè)項目為例，對項目模塊運輸能力和吊裝能力進行分析研究，明確項目模塊邊界限制，結(jié)合EPC采購策略，得到站內(nèi)原油處理單元模塊化設(shè)計思路，其中涵蓋模塊布局劃分、典型工藝設(shè)備模塊和工藝管廊模塊設(shè)計原則及設(shè)計方案等內(nèi)容，該原油處理單元模塊化設(shè)計思路具有較強的適用性，可在中東地區(qū)原油處理工藝流程相似且處理量相近的大中型油田聯(lián)合站建設(shè)項目中借鑒應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：原油處理；聯(lián)合站；模塊化；工藝設(shè)備；管廊

Modular design practice of crude oil treatment units in large and medium-sized oilfield centralized processing stations in Middle East

PANG Shuai1，3， ZHENG Mei2， JIANG Meiyu3

1. China Petroleum Engineering amp; Construction Co.， Ltd.， Beijing 100120， China

2. Beijing Urban Construction Group Co.， Ltd.， Beijing 100088， China

3. Beijing Branch of China Petroleum Engineering amp; Construction Co.， Ltd.， Beijing 100085， China

Abstract：Modular construction has become the mainstream construction mode of oilfield surface engineering in the Middle East. With the modular construction project of a large-scale oilfield centralized processing station in the Middle East as an example， this paper analyzes the project in terms of its modular transportation capacity and lifting capacity.It clarifies the modular boundaries and limits of the project and combines the EPC procurement strategy to obtain modular design schemes of the crude oil treatment unit in the station， which includes the modular layout division， and design schemes of typical processing equipment modules and the pipe rack modules. The modular design is highly applicable. It can be used for reference and applied in the construction projects of large and medium-sized oilfield centralized processing stations with similar crude oil treatment processes and treatment capacity in the Middle East.

Keywords：crude oil treatment; centralized processing facility; modularization; processing equipment; pipe rack

中東地區(qū)油田大多環(huán)境惡劣，油田現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，建設(shè)依托性差，當(dāng)?shù)赜霉ぜ夹g(shù)水平較低；地區(qū)勞務(wù)簽證困難，人員動遷手續(xù)繁瑣且周期較長，傳統(tǒng)建設(shè)模式下，油田地面工程的安全、質(zhì)量、成本和進度管控存在較高風(fēng)險[1-5]。近年來，以“現(xiàn)場施工最小化、工廠預(yù)制最大化”為建設(shè)理念的模塊化建設(shè)模式已經(jīng)成為中東地區(qū)油田地面工程的主流建設(shè)模式[1，3，6]。

在中東地區(qū)油田中，模塊化建設(shè)多應(yīng)用于站外單井、計量站和注水泵站項目中，對于整裝大中型油田聯(lián)合站的應(yīng)用相對較少[1]。本文將以中東地區(qū)某大型油田聯(lián)合站（以下簡稱聯(lián)合站）的模塊化建設(shè)實例，重點介紹站內(nèi)原油處理單元的模塊化設(shè)計思路及具體應(yīng)用，為今后類似項目的模塊化建設(shè)提供借鑒。

1" " 原油處理工藝概述

聯(lián)合站主要建設(shè)內(nèi)容包括：原油處理系統(tǒng)、伴生氣增壓系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)和公用系統(tǒng)等。在原油處理系統(tǒng)，進站原油被平均分配到兩列原油處理裝置進行處理，每列原油處理裝置的處理能力為5萬桶/天（1 桶≈159 L）。每列原油處理裝置包括一二級分離器、熱煤油-油換熱器、電脫水和電脫鹽臥式設(shè)備、穩(wěn)定塔等[7]。

2" " 模塊邊界條件研究

模塊邊界條件包括單體模塊的外形尺寸以及重量，主要受項目實際運輸能力和吊裝能力限制。海外油田聯(lián)合站模塊化設(shè)計中，項目模塊邊界條件尤為關(guān)鍵，將直接影響整個站場的模塊布局劃分以及模塊內(nèi)部設(shè)施布置方案[3，6，8]。

2.1" " 運輸能力分析

本項目所有模塊全部在國內(nèi)預(yù)制廠進行建造組裝，預(yù)制工廠位于國內(nèi)靠近港口的沿岸城市[9]，便于模塊直接出廠上船，從國內(nèi)港口經(jīng)海運至中東地區(qū)某港口后，再經(jīng)由陸路運輸至項目現(xiàn)場。綜合分析國內(nèi)運輸、海上運輸，以及中東地區(qū)內(nèi)陸運輸情況，其運輸能力主要受限于中東內(nèi)陸路段。經(jīng)實際路勘報告可知，上述運輸路線上的模塊外形尺寸限制為30 m × 5 m × 5.5 m（高），單個模塊質(zhì)量限制為100 t。

2.2" " 吊裝能力分析

在模塊化設(shè)計方案制訂階段，為了達到經(jīng)濟效益最大化的目的，按照“模塊運輸最大化”原則進行現(xiàn)場吊裝方案模擬計算，即模塊運輸最大尺寸為30 m × 5 m × 5.5 m，模塊運輸最大質(zhì)量限制為100 t，現(xiàn)場需配置400 t移動式起重機。通過現(xiàn)場調(diào)研確認(rèn)，施工現(xiàn)場具備上述模塊吊裝設(shè)施。

經(jīng)綜合分析該項目的運輸能力和吊裝能力，確定模塊邊界條件為30 m × 5 m × 5.5 m，模塊運輸最大質(zhì)量限制為100 t，并依此開展后續(xù)模塊化設(shè)計工作。

3" " 模塊化采購策略

模塊化設(shè)計方案應(yīng)充分結(jié)合EPC總承包采辦策略，建議將預(yù)制廠和設(shè)施采辦地設(shè)置在同一國家或相鄰地區(qū)，模塊內(nèi)的相關(guān)設(shè)備、閥門及電儀組件等應(yīng)盡可能在預(yù)制廠進行模塊組裝工作，以滿足模塊的設(shè)計、建造、安裝和調(diào)試的統(tǒng)一性和完整性，最大限度地降低安裝誤差所造成的影響。對于業(yè)主已明確要求采用歐、美、日、韓等國際品牌的情況，預(yù)制廠與供應(yīng)商無法設(shè)置在同一國家或地區(qū)的，為降低采辦、制造及運輸周期的影響，建議將上述設(shè)備、閥門、電儀組件等直接發(fā)送至項目現(xiàn)場，再與模塊進行最終組裝，在相關(guān)模塊設(shè)計中應(yīng)考慮增設(shè)現(xiàn)場調(diào)解段以應(yīng)對安裝誤差。

本項目中，業(yè)主無特定國際品牌采購要求，除甲供設(shè)備和廠家供橇直接運輸至施工現(xiàn)場外，EPC采購范圍內(nèi)的中小型設(shè)備、閥門和儀表單元均運送至國內(nèi)預(yù)制工廠進行模塊建造和組裝工作。

4" " 模塊化設(shè)計研究及實踐

4.1" " 模塊編碼規(guī)則

模塊類型分為工藝設(shè)備模塊（PAU）、工藝管廊模塊（PAR）和廠家獨立橇塊（VAU），以及具備獨立工藝功能的設(shè)備模塊（定義為單元模塊）。每個單元模塊可以根據(jù)模塊尺寸、重量和運輸限制拆分為多個單體模塊[10-11]。以CPF-112-MD01-PAU01模塊為例，根據(jù)單體模塊編碼規(guī)則（見圖1）及代碼信息，說明該模塊為聯(lián)合站內(nèi)原油接收單元的一級分離器單元模塊中內(nèi)的單體模塊01。

4.2" " 原油處理單元模塊布置

針對聯(lián)合站內(nèi)的原油處理單元（以下簡稱油區(qū)）進行模塊化設(shè)計研究及應(yīng)用。結(jié)合項目特點、站場建設(shè)范圍、業(yè)主生產(chǎn)操作習(xí)慣、模塊邊界條件等方面，進行模塊平鋪布置或空間疊加布置。模塊布置應(yīng)首先遵循安全規(guī)范要求，充分考慮維檢修空間和逃生通道，保證工藝流程順序順暢；對于操作特性相同或相近的同類設(shè)備，宜集中、對稱布置；模塊布置還應(yīng)滿足站場區(qū)域內(nèi)的模塊運輸、吊裝及調(diào)試工作的可實施性[3，8，12-16]需求。

該項目油區(qū)工藝設(shè)備分為A、B兩列，共用一個油區(qū)管廊，主要設(shè)備包括一二級分離器、導(dǎo)熱油換熱器、電脫水/鹽設(shè)備、脫水泵、循環(huán)泵、穩(wěn)定塔設(shè)備等，管廊分為三層，總體尺寸為210 m ×10 m×10 m。以工藝設(shè)備作為模塊主體進行布置和劃分，得到工藝設(shè)備單元模塊24個。油區(qū)管廊則結(jié)合模塊尺寸限制、管廊層高，以及管廊頂部操作平臺布置等因素，劃分得到管廊單元模塊40個，具體模塊布置如圖2所示。

4.3" " 工藝設(shè)備模塊化設(shè)計

在滿足工藝需求及模塊尺寸限制的前提下，統(tǒng)籌設(shè)備本體尺寸、管道設(shè)置、平臺結(jié)構(gòu)、操作維檢修要求、模塊載荷分布、電儀布置等因素[11-16]，總結(jié)工藝設(shè)備模塊的基本設(shè)計原則如下。

1）模塊內(nèi)的設(shè)備應(yīng)布置在易于檢修的位置，如果不可避免地要定位在模塊內(nèi)部或模塊重心，需要充分考慮維檢修的空間需求，涉及抽芯操作的設(shè)備應(yīng)預(yù)留有足夠的抽芯空間。

2）模塊內(nèi)的管道、閥門、儀表應(yīng)布置在便于操作、觀察及維檢修的地方；管道的拆分點不得超過模塊邊緣，且應(yīng)避開模塊吊耳位置，以便于模塊的吊裝、包裝和運輸；在工藝設(shè)備模塊邊界位置，宜利用現(xiàn)有設(shè)備、閥門、儀表等的法蘭作為管道的連接端面，有效避免在模塊邊界位置新增法蘭，同時可以減少模塊間管道的焊接工作及潛在泄漏點；管道支架的設(shè)置需考慮模塊運輸過程中的振動和移動，采取防松拖措施，必要時應(yīng)設(shè)置臨時支架。通過應(yīng)力、抗振和降噪分析以確保模塊內(nèi)管系的整體穩(wěn)定性[1]。

3）模塊框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)能承載所有受支撐設(shè)備和其他組件的裝運重量、起重重量和操作重量；模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各設(shè)計工況（陸運、海運、吊裝、安裝、試壓、運行）下的強度及剛度均應(yīng)滿足要求；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少用鋼量。必要時可采用臨時支撐結(jié)構(gòu)。

4）電儀接線盒應(yīng)布置在模塊內(nèi)側(cè)邊緣，便于外部接線；模塊內(nèi)的電氣、儀表穿管敷設(shè)至接線箱處，局部電纜密集處設(shè)置橋架。電纜敷設(shè)應(yīng)整潔、統(tǒng)一，不應(yīng)影響設(shè)備的運行和維護，同時電纜橋架應(yīng)避開模塊吊點位置，確保與起重設(shè)備無碰撞[1]；當(dāng)模塊為多層、多跨時，接線盒的設(shè)置應(yīng)遵循盡量減少布線和施工的原則。

結(jié)合上述模塊化設(shè)計原則，對油區(qū)的24個工藝設(shè)備單元模塊進行單體模塊劃分和設(shè)計，以一級分離器、導(dǎo)熱油換熱器、泵3類典型設(shè)備為例，進行工藝設(shè)備模塊化設(shè)計思路詳細解析。

4.3.1" " 一級分離器

該項目一級分離器設(shè)備直徑為4 m，長度為20 m，分離器單元模塊整體設(shè)計方案如圖3所示，整體尺寸為30 m × 6 m × 8 m（高），由于寬度和高度受限，故將其拆分為4個單體模塊（見圖4），分別為底層工藝閥組模塊、頂層工藝閥組模塊、設(shè)備主體模塊、設(shè)備附屬設(shè)施模塊。其中，底層工藝閥組模塊包括原油處理出口管道和生產(chǎn)水出口管道，頂層工藝閥組模塊包括原油進口管道和分離器氣出口管道等[17]。整個分離器單元模塊在預(yù)制廠進行預(yù)組裝后，拆分成單體模塊出廠，設(shè)備附屬爬梯拆卸后，隨其他3個單體模塊一同運輸。最終在項目現(xiàn)場進行單元模塊整體復(fù)裝和調(diào)試工作，管道所有現(xiàn)場連接點均為法蘭形式。底層和頂層工藝閥組模塊中設(shè)有預(yù)留電纜槽盒，電氣、儀表及通訊電纜需要進行現(xiàn)場敷設(shè)。

鑒于二級分離器、電脫鹽和電脫水臥式設(shè)備的模塊化設(shè)計思路與一級分離器基本相似，故此本文不再贅述。

4.3.2" " 換熱器

項目導(dǎo)熱油換熱器設(shè)備直徑為1.6 m，長度為14 m，結(jié)合模塊限制尺寸，將換熱器設(shè)備主體及配套管道、閥門、結(jié)構(gòu)支撐、電纜、槽盒、接線箱等放置于一個獨立的單體模塊內(nèi)（見圖5），換熱器單元模塊整體尺寸為17 m × 5 m × 5 m（高）?？紤]到模塊穩(wěn)定性和操作維檢修需求，冷熱介質(zhì)的進出管道分別集中放置于換熱器設(shè)備兩側(cè)[17]，所有閥門、閥桿均朝向模塊外側(cè)；針對換熱器模塊內(nèi)的冷熱介質(zhì)管道進行應(yīng)力計算，并根據(jù)結(jié)果對管道設(shè)置支撐支架、導(dǎo)向支架和限位支架等；模塊內(nèi)設(shè)有獨立接線箱，從電動閥、各儀表到接線箱之間的電儀電纜均完成連接。該換熱器單元模塊在預(yù)制廠完成組裝調(diào)試后出廠，運至現(xiàn)場后，僅需要完成模塊管道法蘭端與現(xiàn)場預(yù)留法蘭之間的螺栓連接，以及現(xiàn)場電纜與模塊接線箱的接線工作即可。

4.3.3" " 泵類設(shè)備

根據(jù)泵類設(shè)備的尺寸及重量情況，分為超限類和非超限類2種泵類單元模塊。

對于超限類泵設(shè)備，泵設(shè)備本體需要進行獨立運輸；泵進口的過濾器、閥門、管道、電纜槽盒、接線箱等配套元件集中設(shè)計在一個獨立的單體模塊內(nèi)（見圖6），單體模塊在預(yù)制廠完成組裝后出廠，運至現(xiàn)場后，與泵設(shè)備本體進行現(xiàn)場連接調(diào)試。由于泵設(shè)備與泵單體模塊未在建造廠進行預(yù)組裝，需要在泵的進出口管道設(shè)置適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場焊接點及管道富余量，便于現(xiàn)場實施泵進出口位置處的無應(yīng)力組裝和設(shè)備基礎(chǔ)的誤差調(diào)整。

對于非超限類泵設(shè)備，其模塊化設(shè)計和預(yù)制廠建造，以及現(xiàn)場復(fù)裝的思路和程序與上述提及的換熱器單元模塊基本相似，即將泵設(shè)備本體與配套設(shè)施設(shè)計為一個獨立的單體模塊。以脫水泵AB為例（見圖7），兩個泵模塊內(nèi)的管道對稱布置，泵設(shè)備與管路系統(tǒng)滿足整體穩(wěn)定性要求。

4.4" " 管廊模塊化設(shè)計

結(jié)合模塊運輸尺寸及吊裝限制，對原油處理單元內(nèi)的工藝管廊進行縱、橫、豎（長、寬、高）三個方向的拆分[18-20]，為便于現(xiàn)場安裝，拆分點處的管廊鋼結(jié)構(gòu)采用栓接形式；相鄰管廊模塊中的管道連接形式可考慮法蘭或者焊接形式，法蘭連接便于現(xiàn)場安裝，但會增加管道法蘭數(shù)量，提高材料成本；若相鄰管道為焊接連接，有縫管應(yīng)避免十字焊縫，推薦管道連接形式如表1所示；所有電氣、儀表及通訊槽盒均在預(yù)制廠完成，電纜卷在某一管廊模塊中，運至現(xiàn)場后進行整體敷設(shè)；超出運輸限制的管廊外側(cè)直爬梯預(yù)組裝后拆除，進行單獨運輸。

綜合分析管廊模塊的經(jīng)濟性和運輸可實施性，推薦每個單元管廊模塊的長度為24～30 m[21]，相鄰單元管廊模塊通常按照縱向間隔3～6 m布置，具體間隔尺寸由管道及槽盒的最大跨度決定，若管道和槽盒跨度較小，可在相鄰單元管廊連接處采用懸臂梁外挑進行支撐，各相鄰單元管廊模塊的鋼結(jié)構(gòu)獨立，不做相互連接[21]。

管廊立柱的拆分點宜設(shè)置在梁下的立柱上，一般考慮拆分點上、下各留出至少500 mm的凈空，作為拆分點處立柱連接構(gòu)件的布置及安裝空間。管廊立柱連接方式可以分為端板連接和翼緣板連接兩種形式，端板連接在橫向上需要更多空間，影響管廊實際使用寬度和模塊最外側(cè)尺寸；翼緣板連接相比于端板連接，減少了橫向占位，但在豎向上需要考慮600～800 mm的立柱段，且螺栓數(shù)量有所增加。

以油區(qū)管廊為例，傳統(tǒng)建設(shè)模式下，油區(qū)管廊尺寸為215 m × 10 m，管廊共4層，分別布置主工藝管道、公用工程管道、電纜槽盒和放空管道等，每層距離地面高度分別為3、5.5、8、9.8 m。由于管廊超寬，在模塊化建設(shè)模式下，管廊按照“5 m-5 m”的形式拆分為A、B兩列并行管廊，見圖8（a），每層高度與傳統(tǒng)模式保持一致，此方案下，需要增加一列管廊立柱和縱梁，鋼結(jié)構(gòu)用量增加約25%。根據(jù)模塊尺寸限制進行管廊模塊拆分，對第一層下的管廊立柱拆分后進行單獨運輸，將第一、二層管廊布置在一個模塊內(nèi)（Part2模塊、Part3模塊），第三、四層管廊獨立布置在一個模塊內(nèi)（Part4模塊、Part5模塊），見圖8（b），其中各管廊立柱節(jié)點連接形式均采用翼緣板連接，模塊內(nèi)管道連接點形式依照表1推薦執(zhí)行，管廊模塊預(yù)制電纜槽盒，電儀電纜需在現(xiàn)場進行敷設(shè)；所有管廊模塊在國內(nèi)預(yù)制工廠預(yù)組裝無誤后，進行拆分出廠，模塊運至現(xiàn)場后，按照“先下后上，先內(nèi)后外、先重后輕、先關(guān)鍵后常規(guī)”的工序進行多層管廊模塊復(fù)裝。

5" " 模塊化設(shè)計經(jīng)濟分析

對比傳統(tǒng)建設(shè)模式，海外油田的模塊化建設(shè)能夠有效提升工程質(zhì)量，降低安全風(fēng)險，縮短建設(shè)周期，具有廣闊的應(yīng)用前景[22]。本文中的聯(lián)合站地上工藝設(shè)施全面采用模塊化建設(shè)，EPC建設(shè)周期相比傳統(tǒng)模式縮短20%以上；由于模塊化建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)用量有所增加，模塊運輸相比散材運輸成本高，EPC總投資受工程建設(shè)當(dāng)期鋼結(jié)構(gòu)價格及運輸費用波動影響[23]，以2022年第二季度市場數(shù)據(jù)測算，EPC總投資可下降約10%～20%?？紤]到海外油田工程建設(shè)項目的差異性，建議在工程前期策劃階段進行必要的模塊化價值分析[16]，優(yōu)化采購策略、模塊化范圍、運輸方案、現(xiàn)場施工安排等內(nèi)容，以實現(xiàn)模塊化建設(shè)工程的經(jīng)濟效益最大化。

6" " 結(jié)束語

本文以中東地區(qū)某大型油田聯(lián)合站（原油處理量500 × 104" t/a）為例，對其原油處理單元模塊化設(shè)計方案進行重點介紹，包括模塊布置劃分、工藝設(shè)備模塊設(shè)計、管廊模塊設(shè)計的基本原則和設(shè)計思路。該模塊化設(shè)計方案具有較強適用性，可在中東地區(qū)原油處理工藝流程相似且處理量相近的大中型油田聯(lián)合站項目的建設(shè)中進一步借鑒應(yīng)用。

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作者簡介：

龐" " 帥（1991—），男，河北任丘人，工程師，2016年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田地面工程建設(shè)工作。Email：pangshuaitc@163.com

收稿日期：2024-03-11；修回日期：2024-05-06