陸地LNG廠模塊化建設項目總體設計準則研究

＊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.天津大學建筑工程學院 天津 300072）

隨著LNG項目逐步向國際化、大型化方向發展，一些陸地LNG項目由于其地理位置、環境惡劣、勞動力稀缺等問題，開始逐漸采用模塊化的建設模式[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行生產與調試，再通過不同運輸路線最終運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廠模塊化建設項目總體部署和開發方案相關問題，需在項目之初進行全面的規劃，該規劃需包含每一模塊的部署與安排方案，即工程總體設計。總體計劃體現了承包方對項目如何實施這一具體問題的整體把控水平，如果總體設計存在錯誤或疏漏，將導致項目子任務的計劃與進展出現錯誤，項目總體發展方向與預期目標方向的偏差將不斷擴大。因此，在LNG廠模塊化建設項目具體實施之前，應對項目進行全面、綜合且徹底的總體設計，具體地，為完成總體設計方案，承包方首先需根據模塊化建設流程及其特點確定總體設計準則。

1.模塊化流程與特點

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

根據上述流程可知，與傳統陸地LNG項目直接在廠址進行建造、安裝的方式相比，模塊化的建設模式由于引入了大量的并行作業，因此還具有以下特點。

（1）采辦配合工作量大和工作難度大。對于多條生產線同時運營的LNG工廠，其模塊劃分的數量眾多，這對設計、采辦工作提出了高標準和高要求，且部分模塊材料需進口，因此供貨周期長，此外，一些材料如果是首次使用還需反復論證澄清其適用性，技術難度大。（2）協調界面和接口眾多。由于模塊化的建設模式涉及多國家和多領域，模塊的設計、建造與安裝在不同的國家、地區可能存在不同的標準，標準之間的轉化需要相關單位提供認證，且項目具體實施時，結構、機械、舾裝、電氣等各專業之間的協調作業也需要提前規劃，此外，項目承包方還要面對眾多生產廠家、業主、詳細設計單位等部門。

2.模塊化理念

根據上述模塊化建設的一般流程和特點，以及已有的模塊化項目相關實踐經驗，將模塊化總體設計理念簡化為以下幾點：

（1）模塊應具有相對獨立的完整功能；（2）模塊所包含的設施應最大化；（3）模塊尺寸應盡量優化到最小； （4）盡可能標準化設計；（5）優化施工順序；（6）優化安裝方法和路徑；（7）模塊重量應適應土壤承載力； （8）模塊重量尺寸應適應裝卸與運輸設施。

3.模塊化總體設計準則

在陸地LNG廠模塊化建設項目總體設計階段，不僅要設計好模塊是如何劃分的，還應對已劃分完成的模塊的建造、運輸與安裝過程做出安排。總體設計應遵循以下設計準則。

(1)模塊劃分準則

模塊劃分應以LNG的工藝流程為出發點，模塊應盡可能地布置更多的工藝設備，以減小模塊的劃分數量，從而降低工期成本。所劃分模塊的功能需相對獨立，盡可能將功能相同或相近且危險等級劃分相同的設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、模塊運輸方法和效率、模塊裝卸方法和能力、模塊現場安裝方法和設施能力以及模塊建造順序。為滿足后期開發需求，模塊還應預留部分接口。

(2)模塊重量與尺寸準則

模塊尺寸設計應綜合考慮模塊功能、運輸與安裝等因素，模塊需匹配相應的裝卸、運輸和安裝方法。模塊重量需考慮包括各設施、道路和場地限制因素，以此確定模塊準確的重量并估算模塊重心。尺寸和重量的優化也將推動簡化模塊內部設備與結構布置方案。

為便于模塊的生產設計與建造運輸，模塊應盡可能的標準化。對于模塊基礎和安裝方式，也需進行標準化設計，由于SPMT的高度調整范圍為1200mm到1800mm，因此模塊基礎高度不能低于1300mm，優選1500mm的基礎高度以便于適應SPMT要求。

(3)管道設計

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，管道布置設計文件應首先能表現出每個模塊的管道詳細信息、端點和連接點信息，同時能提取出每一模塊內所需的管道材料數量。

具體的，管道端點應保持在模塊內500mm內，并能通過平臺到達，模塊之間的連接管道應由管道和彎頭組成，只有當模塊端點已經延伸到法蘭連接處時才允許設置法蘭。管道布置應確保管道和儀表系統完整的體現在模塊內，滿足工廠操作需求。通常，支管和管匯應布置在同一模塊內以減少現場連接管道的工作量。特別地，對于要求應力分析的管道，例如一些在管線上明確標出來的，應將整根管從固定點或從固定點到設備進行應力分析。

(4)管廊設計

區別于各工藝單元，管廊模塊用于集中敷設各工藝單元管線。管廊由鋼結構立柱、橫梁及桁架構成，其設計應盡量標準化管廊長寬高、基礎標高等，管排應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能夠重復利用。此外還應注意，除管廊外，不能有物體突出模塊界限。

(5)總體布置

總體布置即根據模塊劃分結果對模塊進行空間布置，應保證模塊的工藝流程合理、緊湊，各模塊能適應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、逃生等在內的人機工程學設計。模塊在整個LNG廠內的布置應充分考慮現場運輸、安裝和調試空間需求，便于模塊運輸和安裝。

一般情況下，陸地LNG廠在布置時，應將脫酸、脫汞、脫水、制冷、液化等主工藝流程沿直線布置在工廠一側，以便于主工藝設備及管線的布置，其他的輔助工藝流程，例如熱介質模塊、空調機模塊、壓縮機高低壓滌氣罐模塊等，應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，包括QHSE和其它證書等；②項目管理人員、工程師和操作工人的知識技能水平；③各種吊裝機具、運輸機具和裝卸機具的工作能力；④場地的承載力、車間數量、總裝場地、無損檢測、調試能力等服務條件；⑤公用氣、儀表氣、電力、海水、淡水等公用介質；⑥場地碼頭、水深、裝卸設施的裝卸能力；⑦場地所具有的LNG項目和模塊化工程相關經驗； ⑧場地生產負荷情況。

(7)質量控制(尺寸公差控制)

制造場地和安裝現場需要進行嚴格地尺寸公差控制，包括模塊結構和管線。成功的尺寸公差控制使現場模塊間的連接僅需一道焊接工序即可完成，這將是模塊化建設項目成功的關鍵因素。

(8)模塊裝卸與運輸

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10000噸，SPMT可以在各個運輸和裝卸環節利用其特性發揮作用，實現各個方向的移動、回轉及安裝作業。

模塊的運輸則需要綜合考慮所有可能的運輸方式（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輸載具的疲勞計算，海上運輸還需充分考慮動載荷和風載。

4.結束語

通過對陸地LNG廠模塊化建設項目的總體設計理念和準則的分析，明晰了模塊化建設的全盤要素和重要環節，為模塊化項目總體設計方案的編制提供了參考依據和理論框架。當然，這些理念和準則在具體實施時也存在一定的可變性和挑戰性，例如物流能否及時有效地提供服務、對詳細設計完善程度和時間點的把控精度、各模塊采辦時間的控制、模塊中出現的非對稱結構等，因此，還需進一步調研、落實這些準則，并組織各環節的專業人員進行討論商議，以解決這些不可控因素，包括物流服務的盡早介入、合理的總包計劃安排、嚴格的采辦管理、嚴格的尺寸公差控制等，從而完成項目總體設計，制定出切實可行的模塊劃分方案與各模塊建造、運輸和安裝的具體安排。