順北五號聯(lián)地面工程標準化設(shè)計實踐

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，創(chuàng)新實施“標準化設(shè)計、工廠化預(yù)制、模塊化施工、機械化作業(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，而標準化設(shè)計是“五化”工作開展的基礎(chǔ)和龍頭[1-2]。順北五號聯(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、系列圖紙設(shè)計等工作，有序開展聯(lián)合站建設(shè)標準化設(shè)計，完成了通用化的工藝流程設(shè)計、模塊化的站場設(shè)計、橇裝化的設(shè)備選型、集約化的平面布局以及標準化的視覺形象設(shè)計，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了設(shè)計和施工周期，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

順北五號聯(lián)合站地處塔克拉瑪干沙漠北緣，順北油氣田1 號、5 號斷裂帶之間，距沙雅縣城約86 km，位置偏遠，氣侯溫差極大，夏季氣溫高達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50 天，揚沙天氣多達90 天，沙丘年移動速度達20～30 m，自然環(huán)境極為惡劣。聯(lián)合站設(shè)計原油處理規(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。工程立足于實現(xiàn)順北區(qū)塊百萬噸產(chǎn)能建設(shè)，針對順北油氣田環(huán)境惡劣、施工難度大、設(shè)計與施工技術(shù)要求高、工程建設(shè)工期緊、安全風(fēng)險高等特點，以打造中石化“五化”示范工程為目標，積極開展“五化”模式建設(shè)。

2 地面工程標準化設(shè)計

2.1 通用化的工藝流程

（1）兩級熱化學(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熱化學(xué)沉降脫水工藝。為消除油氣混輸段塞流對站內(nèi)生產(chǎn)造成的沖擊、脫除游離水，一級熱化學(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，同時預(yù)留加藥設(shè)施位置。

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

（3）混烴分餾脫除硫化氫工藝。原油經(jīng)負壓氣提脫硫穩(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)，實現(xiàn)混烴中硫化物分離，分離后尾氣進入原料氣系統(tǒng)進行進一步凈化，合格混烴經(jīng)冷卻后進入輕烴球罐，與天然氣單元輕烴共同儲存、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，達到了12 000～15 000 mg/m3，需要進行脫硫凈化處理。通過對干法、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、工藝特點以及工程投資進行分析，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+組分平均體積分數(shù)為7.28%，為提高產(chǎn)品經(jīng)濟效益，需要對天然氣中凝液進行回收，而凝液回收前需對凈化后的天然氣進行脫水處理。已知低溫分離、甘醇法脫水后，天然氣水露點基本在-15～-40 ℃之間，無法滿足后續(xù)低溫凝液回收工藝水露點（-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、運行成本、經(jīng)濟效益等方面考慮，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、成本及年均收入等方面考慮，確定凝液回收單元采用“膨脹機制冷”或“冷劑預(yù)冷+膨脹機聯(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、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)、原油儲罐區(qū)、輕烴儲罐區(qū)、污水處理工藝區(qū)、輕烴裝車區(qū)、事故污水池等十二個功能區(qū)塊。本工程依據(jù)進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，如圖1 所示。

圖1 五號聯(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)計過程中，基于“油預(yù)留、氣列裝”的方案設(shè)計理念，充分考慮了順北區(qū)塊碳酸鹽巖油藏滾動開發(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)合站后期擴建位置的同時，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、標識及內(nèi)飾標準化風(fēng)格，豐富了油氣田站場功能平面布置及視覺形象標準化設(shè)計成果。

2.3 模塊化的站場設(shè)計

運用SP 3D 三維設(shè)計軟件完成了模塊化的站場設(shè)計，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，各模塊之間相獨立，通過管網(wǎng)連接，可實現(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行劃分為各個建筑物單體模塊，各單體模塊由建筑本身、照明、火氣報警、暖通等部分組成[4-5]。全站共劃分了65 個工藝子模塊，20 個輔助工程子模塊以及6 個建筑物及構(gòu)筑物子模塊，形成了15 個標準化的功能單元，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)場實踐，以經(jīng)濟、安全、綠色、環(huán)保為原則，注重設(shè)備優(yōu)選。對于標準化設(shè)備，在設(shè)備技術(shù)說明書中明確接口方位、尺寸規(guī)格和標準；對于分離器、塔器等非標設(shè)備，統(tǒng)一標準、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，實現(xiàn)了不同處理規(guī)模的系列化設(shè)計，全站形成塔器、容器等43 類系列化設(shè)計成果，包括近400 個標準圖件，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準化定型圖庫[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 順北五號聯(lián)合站標準化圖集分類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、防腐專項論證，形成了7 大類14 小類的工藝選材標準。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項工程物資中，236項實現(xiàn)了標準化框架采購，標準化采購占比66.29%，有效地降低了采購成本。

在統(tǒng)一配管標準方面，編制了標準化的配管數(shù)據(jù)庫，制定了一套企業(yè)配管標準，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，在SP 3D三維設(shè)計軟件中，建立三維模塊化立體模型[8]，實現(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、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，針對順北油氣田初、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。在橇裝化設(shè)備選型方面，使用統(tǒng)一標準的管道及閥門配件、外形尺寸和技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)了標準化、規(guī)模化采購。同時，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 臺設(shè)備中，50 臺設(shè)備集成了22個橇裝模塊（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 認識及建議

順北五號聯(lián)合站地面工程積極推行站場標準化、模塊化設(shè)計，成果豐碩，形成了7 種標準化工藝流程，塔器、容器等43 類系列化設(shè)計成果，22個一體化橇裝集成裝置，7 大類14 小類工藝選材標準，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、標識及內(nèi)飾標準化風(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)庫及標準、技術(shù)規(guī)格書、計算書、站場標準化視覺風(fēng)格等137 項技術(shù)文件，并積極推廣應(yīng)用了采出水處理一體化集成裝置。標準化設(shè)計的成功開展為工程后續(xù)工廠化預(yù)制、模塊化施工、機械化作業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)，使得聯(lián)合站建設(shè)周期縮短20%以上，項目現(xiàn)場人工時節(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、標準化、精細化管理水平，提升了業(yè)主對工程進度、質(zhì)量以及安全的把控力。為了進一步提高標準化設(shè)計水平，建議可從以下幾個方面開展重點研究：

（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）建立標準化設(shè)計管理平臺。標準化設(shè)計管理平臺可將標準化設(shè)計實施過程中產(chǎn)生的一系列標準化設(shè)計成果，如定型工藝、設(shè)備圖紙等電子文檔進行存儲、歸類、查詢、共享，實現(xiàn)資源共享。