三維設(shè)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(shè)計是新一代智能設(shè)計平臺，它是在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用三維軟件技術(shù)讓設(shè)計目標更立體化、形象化的一種設(shè)計方法［1］。三維設(shè)計軟件可將實體產(chǎn)品進行提前虛擬，僅以較低的人力成本短時間實現(xiàn)方案的多樣性。三維設(shè)計軟件中內(nèi)置設(shè)計規(guī)定可以設(shè)定設(shè)備、管道布置習慣及規(guī)則，減少標準和規(guī)范查閱時間，提高設(shè)計質(zhì)量，大大縮短設(shè)計周期；三維設(shè)計軟件內(nèi)置碰撞檢查，可以在設(shè)計階段避免碰撞，大大減少現(xiàn)場施工的返工、停工情況，提高施工質(zhì)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(lǐng)，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(shè)計軟件，提高了設(shè)計質(zhì)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(yè)區(qū)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(chǎn)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(chǎn)天然氣通過火炬放空，已嚴重影響處理廠正常生產(chǎn)。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(shè)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(shè)計規(guī)模為日平均20×104m3，CO2回收裝置設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)、總圖和道路、陰極保護等工程。工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、設(shè)備材料采購、施工安裝、投產(chǎn)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(yè)主要求，以上兩個項目是同時設(shè)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(chǎn)品CO2回收率≥98%，原料氣中CO2含量＜3%。

2 三維設(shè)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(xiàn)場已經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)的天然氣熱值不斷減低，在無法滿足生產(chǎn)需求情況下采取的應對措施，在處理廠內(nèi)很小一塊原穩(wěn)裝置拆除區(qū)增設(shè)脫碳裝置、CO2回收裝置、吸收塔、再生塔、溶液儲罐等大量設(shè)備，場地小、設(shè)備多、流程復雜，現(xiàn)場設(shè)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(cè)、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(shè)計人員充分發(fā)揮三維設(shè)計軟件作用，在計算機上模擬布置，發(fā)現(xiàn)按照初始方案場地寬度不夠、設(shè)備擺放困難、管線布局復雜。經(jīng)過三維設(shè)計軟件優(yōu)化構(gòu)圖、多方案比對，最終形成再生塔在最左側(cè)、吸收塔在中間、溶液儲罐放在再生塔附近，完全可以滿足現(xiàn)場需要，形成如圖1所示的現(xiàn)場布置，冀東油田、監(jiān)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(xiàn)場布置三維設(shè)計圖

3 三維設(shè)計軟件在設(shè)備布置中的應用

3.1 設(shè)計規(guī)劃

高尚堡油氣處理廠生產(chǎn)任務重，現(xiàn)有生產(chǎn)線不能停產(chǎn)、設(shè)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(yè)，對施工安全、質(zhì)量、環(huán)保等要求較高，設(shè)備和管線連接要環(huán)環(huán)相扣、嚴絲合縫。設(shè)計人員通過三維軟件中內(nèi)置設(shè)計規(guī)定，反復模擬比對，對設(shè)備、管道布置進行多輪推演，最終設(shè)定主體工藝設(shè)備采用密集型布置，采取撬裝化設(shè)計、安裝。利用三維軟件設(shè)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(shè)計。

3.2 脫碳裝置

利用三維設(shè)計軟件，脫碳裝置經(jīng)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(shè)計形成不同的集合。

3.3 CO2回收裝置

利用三維設(shè)計軟件將CO2回收裝置經(jīng)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(shè)計形成不同的集合。

3.4 設(shè)計安裝

設(shè)備采取撬裝化設(shè)計和安裝，所有大型設(shè)備生產(chǎn)、組裝和閥門、儀表連接、調(diào)試都在工廠內(nèi)預制完成，便于控制焊接質(zhì)量，工效也大大提高，也便于安裝和搬移。現(xiàn)場進行管線和電氣連接，不僅減少現(xiàn)場施工的返工、停工情況，而且減少現(xiàn)場施工人員并節(jié)約時間，實現(xiàn)了安全文明施工。

4 三維設(shè)計軟件在現(xiàn)場施工中的應用

1）現(xiàn)場施工過程針對場地小問題，利用三維設(shè)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(yè)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(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，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(zhí)行情況與目標計劃對比，用圖表和報告對計劃執(zhí)行情況、進展趨勢進行分析，并且根據(jù)分析結(jié)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(yè)主和監(jiān)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(yè)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(shè)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(guān)鍵節(jié)點。由專業(yè)且經(jīng)驗豐富的吊裝工程師利用三維設(shè)計軟件編制了兩塔的吊裝方案，2016年6月7日，組織業(yè)主、監(jiān)理、施工單位等20余人對兩塔吊裝方案進行了審查，最終，設(shè)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(shè)計軟件推演，結(jié)合現(xiàn)場安裝空間狹窄、工期要求緊的實際，否決了常規(guī)的塔器工廠內(nèi)預裝，再拆卸、運至現(xiàn)場安裝方式，確定再生塔、吸收塔主體和梯子、平臺分批發(fā)貨，梯子、平臺在塔主體吊裝就位以后采用現(xiàn)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(chǎn)裝置運行狀態(tài)

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

表1 生產(chǎn)裝置改造前后各項指標對比表 %

6 結(jié)論

1）三維設(shè)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(lián)系生產(chǎn)現(xiàn)場實際，從工藝設(shè)計開始，到施工圖設(shè)計、設(shè)備和管線布置、現(xiàn)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(tǒng)模擬并確定總體方案后，再分部、分項進行設(shè)計，設(shè)計過程需要再次利用三維軟件系統(tǒng)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(xiàn)象發(fā)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(zhì)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(shè)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(jīng)驗。

攝影/曉明