三維設計軟件在高尚堡油氣處理廠工程中的應用

何武

中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司 （天津 300457）

三維設計是新一代智能設計平臺，它是在平面和二維設計的基礎上，利用三維軟件技術讓設計目標更立體化、形象化的一種設計方法［1］。三維設計軟件可將實體產品進行提前虛擬，僅以較低的人力成本短時間實現方案的多樣性。三維設計軟件中內置設計規定可以設定設備、管道布置習慣及規則，減少標準和規范查閱時間，提高設計質量，大大縮短設計周期；三維設計軟件內置碰撞檢查，可以在設計階段避免碰撞，大大減少現場施工的返工、停工情況，提高施工質量。中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司堅持科技引領，在高尚堡油氣處理廠天然氣脫碳和CO2回收利用EPC總承包工程中充分應用三維設計軟件，提高了設計質量、縮短了施工工期、增強了施工控制、降低了施工成本，取得了較好的應用效果［2］。

1 項目背景及概況

1.1 項目背景

冀東陸上油田作業區自2010年開展CO2吞吐工藝以來，高尚堡油氣處理廠原料氣中CO2含量逐年升高，原料氣中CO2含量最高時達到30%（標準要求小于3%），生產的天然氣因CO2含量過高不能達到外銷天然氣熱值要求，所產天然氣通過火炬放空，已嚴重影響處理廠正常生產。因此，需要脫除天然氣中的CO2，滿足外輸氣指標要求。

1.2 項目概況

本工程依托高尚堡油氣處理廠已建設施，在原址上新建1套脫碳裝置和1套CO2回收裝置［3］。脫碳裝置設計規模為日平均20×104m3，CO2回收裝置設計規模為日均100 t，新建配套給排水及消防、供電、自動控制、通信、結構、總圖和道路、陰極保護等工程。工程初步設計、施工圖設計、設備材料采購、施工安裝、投產試運均由中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司承擔。按照業主要求，以上兩個項目是同時設計、同時施工，工程開工日期為2016年3月7日，工程交接日期為2016年9月30日。項目建成后，要求高尚堡油氣處理廠烴類回收率≥98%，副產品CO2回收率≥98%，原料氣中CO2含量＜3%。

2 三維設計軟件在總圖布置中的應用

高尚堡油氣處理廠場地有限，現場已經布置增壓裝置、脫硫裝置、脫水裝置、制冷和分餾裝置、干氣增壓裝置和產品儲罐。天然氣脫碳和CO2回收利用工程是因為原料氣中CO2含量逐年升高，生產的天然氣熱值不斷減低，在無法滿足生產需求情況下采取的應對措施，在處理廠內很小一塊原穩裝置拆除區增設脫碳裝置、CO2回收裝置、吸收塔、再生塔、溶液儲罐等大量設備，場地小、設備多、流程復雜，現場設備和管線合理布局就尤為重要。初始方案中吸收塔（高31.3 m）在最左側、再生塔（高 42.05 m）在中間部位、溶液儲罐(左下角拱頂罐)也在中間部位，設計人員充分發揮三維設計軟件作用，在計算機上模擬布置，發現按照初始方案場地寬度不夠、設備擺放困難、管線布局復雜。經過三維設計軟件優化構圖、多方案比對，最終形成再生塔在最左側、吸收塔在中間、溶液儲罐放在再生塔附近，完全可以滿足現場需要，形成如圖1所示的現場布置，冀東油田、監理單位和單位專家一致審查通過。

圖1 高尚堡油氣處理廠天然氣脫碳和CO2回收利用工程現場布置三維設計圖

3 三維設計軟件在設備布置中的應用

3.1 設計規劃

高尚堡油氣處理廠生產任務重，現有生產線不能停產、設備不能停工，天然氣脫碳和CO2回收利用工程在運行裝置間作業，對施工安全、質量、環保等要求較高，設備和管線連接要環環相扣、嚴絲合縫。設計人員通過三維軟件中內置設計規定，反復模擬比對，對設備、管道布置進行多輪推演，最終設定主體工藝設備采用密集型布置，采取撬裝化設計、安裝。利用三維軟件設計和計算，確定脫碳裝置、CO2回收裝置、吸收塔、再生塔、溶液儲罐以及相應連接管線尺寸和位置，將脫碳主體工藝部分和CO2回收分子篩脫水部分撬裝化設計。

3.2 脫碳裝置

利用三維設計軟件，脫碳裝置經過反復模擬分成5個單元撬模塊，利用工字鋼制成底盤，將原料氣過濾分離器、凈化氣分離器、胺液預過濾器、胺液后過濾器、氣氣換熱器、貧富液換熱器、再生塔頂回流罐、再生塔底重沸器、再生塔頂冷凝器、凈化氣冷卻器、貧液冷卻器各1具，貧液泵3臺，再生塔頂回流泵2臺，閥門約270個按照施工圖設計形成不同的集合。

3.3 CO2回收裝置

利用三維設計軟件將CO2回收裝置經過反復模擬分成6個單元撬模塊，利用工字鋼制成的底盤將CO2分子篩入口分離器、分子篩出口過濾器、CO2再生氣冷卻器、CO2再生氣分水罐、CO2冷凝器出口分離器、藍式過濾器各1具，干燥器、CO2再生氣換熱器各2具，閥門約190個按照施工圖設計形成不同的集合。

3.4 設計安裝

設備采取撬裝化設計和安裝，所有大型設備生產、組裝和閥門、儀表連接、調試都在工廠內預制完成，便于控制焊接質量，工效也大大提高，也便于安裝和搬移?，F場進行管線和電氣連接，不僅減少現場施工的返工、停工情況，而且減少現場施工人員并節約時間，實現了安全文明施工。

4 三維設計軟件在現場施工中的應用

1）現場施工過程針對場地小問題，利用三維設計軟件模擬不同撬裝場地人員需求，最終確定安裝部分施工高峰期人員不超過80人，其中工藝安裝部分約60人，防腐保溫部分約10人，腳手架搭建部分約10人。在業主批準項目進度計劃后，計劃工程師按進度計劃對項目實施安排、跟蹤和控制，通過現場采集的數據，利用計算機項目計劃管理軟件計算項目進度情況，將實際計劃執行情況與目標計劃對比，用圖表和報告對計劃執行情況、進展趨勢進行分析，并且根據分析結果提出進度建議［4-5］。利用周例會進行討論，形成周進度報告提交業主和監理，項目過程中共遞交周進度報告37期。

2）再生塔、吸收塔吊裝是本次施工的一個難點。再生塔（高42.05 m）、吸收塔（高31.3 m）塔體較高，吊裝需要作業空間，只有等再生塔、吸收塔吊裝完成后才能進行其他撬裝設備的安裝施工。因此，再生塔、吸收塔的吊裝成為本工程主體工藝施工的關鍵節點。由專業且經驗豐富的吊裝工程師利用三維設計軟件編制了兩塔的吊裝方案，2016年6月7日，組織業主、監理、施工單位等20余人對兩塔吊裝方案進行了審查，最終，設備吊裝采用“雙機抬吊法”吊裝［5］。用400 t汽車吊和130 t汽車吊順利完成吊裝工作。

3）再生塔、吸收塔梯子和平臺安裝通過三維設計軟件推演，結合現場安裝空間狹窄、工期要求緊的實際，否決了常規的塔器工廠內預裝，再拆卸、運至現場安裝方式，確定再生塔、吸收塔主體和梯子、平臺分批發貨，梯子、平臺在塔主體吊裝就位以后采用現場吊裝焊接的方式施工。施工4 d完成全部梯子、平臺吊裝焊接，比計劃施工時間（10 d）縮短了6 d。

5 生產裝置運行狀態

高尚堡油氣處理廠生產裝置重新改造后，經過檢測，原料氣中CO2含量為1%,烴類回收率為99.5%，副產品CO2回收率為99%,滿足外輸氣的各項指標，完全達到了設計、施工的預期要求。生產裝置改造和設計前后各項指標對比見表1。

表1 生產裝置改造前后各項指標對比表 %

6 結論

1）三維設計軟件在高尚堡油氣處理廠天然氣脫碳和CO2回收利用工程中聯系生產現場實際，從工藝設計開始，到施工圖設計、設備和管線布置、現場施工，最后到交工驗收均提前模擬、減少了碰撞和返工。

2）利用三維軟件系統模擬并確定總體方案后，再分部、分項進行設計，設計過程需要再次利用三維軟件系統反復推演，確定的方案由專家論證審批，避免局部影響整體現象發生，做到“開工先打樣、施工按樣干、過程不走樣、交工按樣查”。方案確保項目保質保量完成，且提前完成工程總體驗收，比計劃工期提前30 d。

3）三維設計軟件在高尚堡油氣處理廠天然氣脫碳和CO2回收利用工程中的成功應用，為其他工程EPC施工提供了有價值的經驗。

攝影/曉明