关键词：油气田地面工程；模块化建设；设计要点
1 传统建设模式与模块化建设模式
传统建设模式是将工程建设物资全部运到项目现场然后在现场开展安装工作的建设模式，基建设流程为先由土建人员完成土建施工，然后完成钢结构、设备、管道、仪表及电气设备设施施工，最后待整个系统施工完成后进行调试与投产运行。模块化建设模式是近十年工程建设领域发展中的新课题，是对传统建设模式的一次革命。如图1所示，模块化建设模式是将建构筑物或工艺装置作为一个能够标准化设计、工业化预制的产品，根据不同工程的工艺特点和功能要求将整个工程分割成若干个模块进行制造，模块经预组装及初步调试，再通过海上或者陆路运输到项目现场进行安装、调试并投产运行。
图1模块化建设模式流程图.png)
2 模块化设计的要点
2.1 模块划分
模块的划分需要基于一定深度的三维模型，模块划分与设备、配管等专业交叉，是模块化设计的重点。模块划分的设计要点包括：1）满足工艺流程和操作要求。合理划分设备和管道位置，满足工艺流程要求，同时兼顾操作及维检修的需求。2）结合运输线路、重量和尺寸等运输限制条件，确定模块大小，同时考虑现场机械吊装能力。3）考虑模块的功能完整性，每个模块尽可能包含所对应的P&ID（PipingandInstrumentDiagram）上的主要系统和辅助系统，并尽量以阀门、仪表等法兰连接件的法兰作为模块分界面。4）模块内的设备、管道及其他部件应该紧凑布置，同时考虑模块的平衡性，确保模块中心与几何重心偏离在合理范围内，确保模块运输和安装过程中的稳定性。5）相邻模块间设置公用操作、检维修通道，减小模块尺寸。
2.2 设备布置与总体布局
2.2.1 按工艺流程顺序布置
设备按照工艺流程顺序进行左右先后、高低上下的布置，确保工艺流体的顺序流动，避免因管道多次折返绕行增加压降，损耗动力；同时，设备布置按照工艺流程顺序，可以大量减少管材用量。
2.2.2 同类设备集中布置
同类设备集中布置有利于对特性相近的设备采取统一措施，进行防护。
2.2.3 设备布置应当满足操作及维修需要
模块建成后，需要为日常生产管理提供方便，确保正常生产中巡检、操作所需的空间。设备布置不能过于密集，必须满足维修维护的要求，确保大型设备拆装、调运及检修所需要的场地和大型吊机到达设备附近的通道。
2.2.4 总体布局适应总体规划
模块化总体布局需要遵循全厂总体规划。设计时，需要考虑后续开发的可能，不影响二期、三期工程的施工。根据全厂总流程设计的要求，将一些模块集中紧凑布置，组成联合装置，并合用一个仪表控制系统。
2.2.5 总体布局应当满足安全生产
危险区域的模块与含有火源和引爆源区域的模块分隔布置，确保安全距离。降低危险区域泄漏的可燃气体进入防爆区域的可能性。救生设备放置在安全且容易到达的位置，以便险情发生时，人员能够利用它快速撤离。
3 各专业设计协同
相比于传统设计，模块化的设计内容和工作量有所增加，设计精度和制造准确度要求更高。做好模块化设计，需要各专业紧密联系，协同设计。设备选型时，设备专业应当首先考虑卧式设备，其有利于设备成模块及运输；其次考虑避免模块内设备的顶部平台、配管等出现超高问题；不考虑大型立式设备的模块化设计，避免增加运输难度。配管专业的主要工作是布置设备和管道，在P&ID的指导下，将工艺设备通过管道、管件、阀门和仪表等联系起来，组成一个模块整体，需要其与各专业进行沟通和协调。管道布置必须满足安全逃生的需要，模块与外界管道的布局和形式应当统一设置，同时，注意管道与设备位置的协调性。工艺设备布置与电仪设备相结合，避免管道与电缆桥架、穿线管、信号变送器等位置相冲突。结构设计是模块设计的基础，钢结构必须确保设备安全运行。结构专业应当做好一般工况下的整体结构计算，同时进行模块吊装分析，验证吊装过程中的挠度和形变，分析是否会发生倾斜和转动。计算过程中，既要考虑静载荷要求，又要考虑模块运输过程中的动载荷。模块重要节点的设计，如：柱脚节点、模块的连接点、临时支撑点和吊耳节点等的设计，是结构专业的重点。电气专业分配的空间需要满足区域划分的要求；仪表专业要对仪器仪表位置、信号输入和输出点一级控制柜的大小进行确定。电仪和外界的连接应当考虑统一的连接形式，电仪接线箱适宜布置在模块靠近主桥架一端，确保仪表流量计前后直管段的要求，如：某些流量计要求前后直管道长度一般不小于20D和5D（D为管道直径）。
4 三维设计与审查
模块化设计采用三维设计，具有直观性和形象性。在三维模型建立完毕后，图纸和设备材料表可以直接从三维模型生成，用于原材料采购和现场施工。可以通过实景模拟，用三维模型指导碰撞检查、安全逃生、检测维修和可操作性等方面的设计，为模块的预制、组装、拆分、包装、吊装和运输提供帮助。
4.1 三维设计软件选择
目前主流的三维设计软件系统主要包括PDMS（PlantDesignManagementSystem）和PDS（PlantDesignSystem）系统。PDMS源于英国剑桥计算机辅助设计中心开发的集成设计布置数据库平台，PDMS三维设计可以通过数据传递，最大程度地渗透到EPC（EngineeringProcurementConstruction）项目整个过程，提高EPC项目整体水平，是目前应用最为广泛的三维设计软件。
4.2 三维协同建模
利用PDMS软件，管道专业可以通过数据库中的数据进行设备和管道的建模，土建专业可以进行钢结构、基础、房屋和地坪等的建模。PDMS软件展示立体模型，可以直接、方便地对模型进行校对和修改。同时，各专业开展三维协同设计：总图专业在模型中建立轴网坐标，规划道路、埋地管道、管沟、路灯和管廊的位置；配管专业组织各专业开展建模，统筹考虑各专业的需求；结构专业开展钢结构和构筑物设计；电气自控专业完成电气仪表、电缆槽体建模；暖通专业负责暖通设施建模，供各专业参考避让；依托其他专业设施，通信、防腐专业进行本专业三维布置，确定重要设施位置。
4.3 三维模型审查
三维模型的设计不但要做好模型搭建、管道和设备布置，而且各专业对三维模型的审查也极为重要。三维模型审查通常按照阶段划分，从三维设计开始到完成，按照30%、60%和90%三个节点分阶段审查。30%阶段审查模块设计的总体方案；60%阶段审查设备供应商资料与整体的冲突，需要各专业详细逐条审查确认，避免设计返工；90%阶段审查各专业协作与分工的合理性，重点检查专业间的碰撞及生产操作界面的合理性，需要具有丰富现场经验的人员参与。
结束语：
模块化技术已成为大型油气田工程高效施工的重要手段。模块化设计中的问题对模块化设计的顺利实施和成功应用有着重要的影响。在模块化设计过程中，需要考虑模块划分、设备布置和总体布置、各专业协调、三维设计与审查、包装与防护、吊装与运输、现场装配等方面，以保证模块化的顺利实施。
参考文献：
[1]陈朝明. 陈伟才. 李安山. 等.大型气田地面工程模块化建设模式的优点剖析[J].天然气与石油,2016,34(1):8-13.
[2]李 庆. 李秋忙. 油气田地面工程厂站模块化建设关键技术与发展[J].石油规划设计,2018,29(1):5-8.
论文作者:周 亮
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷23期
论文发表时间:2020/4/3
标签：模块论文; 设备论文; 管道论文; 各专业论文; 专业论文; 模型论文; 模式论文; 《建筑实践》2019年38卷23期论文;