LNG核心工藝模塊HVAC系統及其結構支撐設計

劉　帆，周　武，于嘉驥，吳　彬，曹莉莉

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島　266520；2.青島龍嘉海事工程技術有限公司，山東 青島　266400)

近年來隨著低碳清潔能源的大力開發和推廣應用，LNG越來越受到能源開發者的青睞。[1]國際先進的LNG生產建設項目目前多采用模塊化設計、異地建造、運輸至天然氣生產基地進行組裝的模式。

LNG生產核心工藝模塊因生產工藝需要而設計有獨立房間區域，HVAC系統是一套給房間內提供適宜工作環境的空氣調節系統，該系統通過特定的結構支撐安裝固定在模塊中。某LNG項目是全球最大的天然氣生產項目之一，該項目核心工藝模塊在國內某海洋工程基地完成了設計建造和裝船工作，屬國內首次。[2]本文以該項目核心工藝模塊為例，介紹模塊上的HVAC系統組成，探討HVAC系統的結構支撐設計。

1　HVAC系統

HVAC系統是一套復雜龐大的系統集合體，該系統主體由空調機(AHU)、風機(FAN)和風管(DUCT)組成，其中風管分為連接空調機的進氣風管及送風風管、連接風機的吸氣風管及排氣風管和平衡房間內外氣壓的自然進出氣風管三大類。

空調機和風機作為大型設備[3]固定在模塊房間內的底甲板上，風管根據系統分區功能不同貫穿房間內外，其中進氣風管和排氣風管豎直貫穿中甲板和屋面板，送風風管和吸氣風管水平方向圍繞房間內鋪設，自然進出氣風管貫穿房間外墻，此外還有各種風管彎頭連接風管的走向，見圖1。

圖1　HVAC系統布置圖

2　結構支撐設計

HVAC系統在模塊中的安裝固定主要采用結構支撐的設計形式，這些支撐隨著設備固定和風管鋪設路徑的不同需要而呈現出不同的設計類型，可分為底座支撐、支架和吊架。

2.1設備底座支撐

空調機和風機作為HVAC系統的核心機械設備，其重量、體積較大，占用房間甲板面積大，設備重量由甲板結構承擔。為分散坐落在甲板上的重力，同時保證載荷有效傳遞到結構承力梁上，底座支撐宜考慮采用多條橫梁分散布置于設備底部的支撐設計形式。

根據設備底座的形式，合理布置支撐橫梁的位置和數量，使其能夠將設備重量較好的豎向傳遞到結構承力梁上；每根支撐橫梁與結構承力梁之間采用上下搭接滿焊焊接的連接形式，以保證足夠結構強度；支撐橫梁與設備底座之間采用螺栓連接的鉚接形式。支撐橫梁使得設備與甲板之間保持一定的空間距離，方便建造施工，便于維修拆卸。

支撐橫梁傳遞到結構承力梁的接觸點位置，可在結構承力梁腹板兩側上下翼緣板之間增加加強筋板；在設備底座傳遞到支撐橫梁的接觸點位置，可在支撐橫梁腹板兩側上下翼緣板之間增加加強筋板，以滿足結構強度要求，防止甲板局部發生過大形變。

如圖2是風機設備底座支撐設計示意圖，其工作狀態下具有振動特點，可在設備底座設計彈簧減震組件，為保證減震傳遞的平穩性和工作狀態下設備的整體穩定性，在支撐橫梁和風機底部彈簧組件之間設計一種橫梁框架的支撐。

圖2　設備底座支撐設計示意圖

2.2支架吊架支撐

風管鋪設路徑根據通風系統的工藝布置需要，有靠近甲板地面水平走向、靠近天花板下方水平走向、穿過甲板板和屋面板的豎直走向、穿過舾裝墻的水平走向及空間彎頭走向等多樣形式，無論哪種風管形式，都是懸空于模塊中，因此風管的支撐設計遵循就近依附承力結構原則，以簡單實用、堅固穩定、拆卸便捷為主。

1)水平走向風管支架。靠近甲板地面水平走向風管的支撐設計推薦以甲板結構主梁做支撐依托，支架立柱坐落到結構承力主梁上，左右兩根支架立柱之間以橫梁連接，立柱和承重橫梁、限位橫梁形成口字形框架。

支架立柱坐落在結構主梁上翼緣位置，在主梁上翼緣板兩側做傍板設計，同時傍板下方焊接加強筋板；支架的承重橫梁與支架立柱之間采用焊接連接，限位橫梁與支架立柱之間采用螺栓連接，限位橫梁作為風管拆卸活動口，見圖3。

圖3　水平走向風管支架示意圖

2)水平走向風管吊架。此處支撐設計推薦以天花板上的甲板主次結構梁為生根點，采用吊架形式，吊架主體由立柱和橫梁組成口字形框架；根據風管支撐需要和天花板結構梁的位置，可新增吊架托梁作為吊架的依托結構，托梁連接吊架和主次結構梁；由于托梁規格較小，受力較弱，吊架設置斜撐，增加受拉點的數量，從而保證吊架強度。

吊架的限位橫梁與支架立柱之間采用焊接連接，承重橫梁與支架立柱之間采用螺栓連接，承重橫梁作為風管拆卸活動口，見圖4。

圖4　水平走向風管吊架示意圖

3)風管彎頭支撐。風管彎頭處連接水平段和豎直段風管，該位置同時受到水平和豎向載荷，理論上只在彎頭兩端的直管段設置支撐也可以完成固定要求，但是從結構可靠角度考慮，在彎頭處彎弧面設置支撐落腳點是更好的設計選擇。

推薦支撐形式為底部甲板結構承重梁位置生根做支架的橫梁支撐，橫梁支撐兩端必須坐落在結構梁上；在支架立柱與風管彎頭連接處采用風管同材質的不銹鋼鋼板做成圓弧包板，不銹鋼包板與風管彎頭之間采用焊接連接形式，即滿足承重要求，又可滿足風管防腐要求，見圖5。

圖5　風管彎頭支架示意圖

4)豎向風管吊、支架支撐。豎向路徑的風管，需要在豎直方向不同高度位置設置支撐，以便分散風管重量的分布，由于豎向風管沒有合適的接觸面設置支撐，推薦采用在風管表面上焊接同材質不銹鋼法蘭作為支撐接觸位置的方法。

不銹鋼風管法蘭焊接到風管表面，法蘭坐落到結構槽鋼組成的口子形框架上，槽鋼框架與風管法蘭之間采用螺栓連接，即滿足豎向支撐需要，同時利于風管的固定和后期的拆卸。

口字形槽鋼框架根據所處位置，設計支架或吊架橫梁和立柱，通過吊、支架橫梁和立柱完成與模塊結構承力梁的連接，從而將風管重量轉移到模塊結構上，見圖6。

圖6　豎向風管與口字形槽鋼框架連接示意

3　結束語

本文以某液化天然氣項目為例，簡要介紹了其核心工藝模塊HVAC系統的設計組成，針對模塊的空間特點及HVAC系統在其中的安裝固定需求，從系統構成和功能特征、空間走向分布、結構受力優化、拆裝施工需要等方面入手，探討總結了針對不同位置風管的結構支撐形式設計。該形式簡潔、構造合理，滿足系統使用需求，對HVAC系統和其結構支撐的預制及安裝施工工藝設計具有一定的參考指導價值。