順北五號聯地面工程標準化設計實踐

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

當前工業化和信息化深度融合，傳統粗放的油氣田地面工程建設模式已經不具備優勢，創新實施“標準化設計、工廠化預制、模塊化施工、機械化作業、信息化管理”的“五化”建設模式已成為國內外油氣田地面工程建設發展的重要方向，而標準化設計是“五化”工作開展的基礎和龍頭[1-2]。順北五號聯合站地面工程通過系統規劃、整體部署、工作程序優化、系列圖紙設計等工作，有序開展聯合站建設標準化設計，完成了通用化的工藝流程設計、模塊化的站場設計、橇裝化的設備選型、集約化的平面布局以及標準化的視覺形象設計，提高了設計效率和質量，縮短了設計和施工周期，節省了工程投資，最大限度保證了工程質量。

1 工程概況

順北五號聯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℃，且該區域屬于典型的流沙區，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，自然環境極為惡劣。聯合站設計原油處理規模100×104t/a，天然氣處理規模3.8×108m3/a，污水處理規模1 500 m3/d，可實現原油、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。工程立足于實現順北區塊百萬噸產能建設，針對順北油氣田環境惡劣、施工難度大、設計與施工技術要求高、工程建設工期緊、安全風險高等特點，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。

2 地面工程標準化設計

2.1 通用化的工藝流程

（1）兩級熱化學沉降脫水工藝。根據順北油氣田開發初期產液量變化處理需求，順北油氣處理站場均采用兩級熱化學沉降脫水工藝。為消除油氣混輸段塞流對站內生產造成的沖擊、脫除游離水，一級熱化學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，同時預留加藥設施位置。

（2）負壓氣提脫硫穩定一體化工藝。順北區塊原油中硫化氫平均體積分數0.38%（800 mg/kg），原油穩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驗，順北區塊原油穩定均采用負壓氣提脫硫工藝。

（3）混烴分餾脫除硫化氫工藝。原油經負壓氣提脫硫穩定，塔頂排除氣提氣冷卻后產生混烴，其富含硫化物，采用混烴分餾脫硫技術，實現混烴中硫化物分離，分離后尾氣進入原料氣系統進行進一步凈化，合格混烴經冷卻后進入輕烴球罐，與天然氣單元輕烴共同儲存、統一外銷。

（4）“MDEA 循環脫硫＋硫磺回收”天然氣凈化工藝。順北區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+組分平均體積分數為7.28%，為提高產品經濟效益，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、經濟效益等方面考慮，確定順北區塊凝液回收工藝路線均采用深冷凝液回收方案；從C3+收率、液化氣及穩定輕烴產量、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“冷劑預冷+膨脹機聯合制冷”兩種制冷工藝；從差異化設備、能耗、天然氣減量以及產品指標、收益差等方面考慮，確定順北區塊天然氣凝液回收均配套DHX 工藝，本工程采用“冷劑預冷+膨脹機制冷+DHX”凝液回收工藝。

（7）高效旋流聚結沉降一體化工藝。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

根據各建筑物功能不同將聯合站分為輔助生產區、高低壓配電室、消防系統區、鍋爐房區、原油處理工藝區、天然氣處理工藝區、硫磺回收工藝區、原油儲罐區、輕烴儲罐區、污水處理工藝區、輕烴裝車區、事故污水池等十二個功能區塊。本工程依據進出站場工藝管線走向，結合站場周圍地形地貌、周邊交通條件及地區氣象風玫瑰開展站場平面布局設計，如圖1 所示。

圖1 五號聯合站場平面布置圖Fig.1 Layout plan of No.5 Multi-puropse Station

在平面布局優化設計過程中，基于“油預留、氣列裝”的方案設計理念，充分考慮了順北區塊碳酸鹽巖油藏滾動開發特征，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、設備立體布置的最優化，在解決聯合站后期擴建位置的同時，站場占地面積由23.53×104m2優化為18.20×104m2，減小22.65%，大大節約了工程建設投資，實現了集約化的平面布局。

此外，依據功能單元及處理規模，確定了站內原油脫水、原油穩定、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，統一了構筑物、建筑物、圍墻等5 類建筑元素的外觀、標識及內飾標準化風格，豐富了油氣田站場功能平面布置及視覺形象標準化設計成果。

2.3 模塊化的站場設計

運用SP 3D 三維設計軟件完成了模塊化的站場設計，依據工藝流程和功能將聯合站分為工藝處理模塊、輔助工程模塊、建筑物及構筑物模塊。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備、管線、防腐、保溫、閥門、儀表、結構基礎等組成，各模塊之間相獨立，通過管網連接，可實現工廠化預制、模塊化組裝（圖2）；建筑物及構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 原油處理系統模塊劃分表Tab.1 Module division table of crude oil treatment system

在工藝設備定型方面，立足于現場實踐，以經濟、安全、綠色、環保為原則，注重設備優選。對于標準化設備，在設備技術說明書中明確接口方位、尺寸規格和標準；對于分離器、塔器等非標設備，統一標準、統一外形尺寸、統一技術參數[6]，規范外部接口、配套防腐保溫，實現了不同處理規模的系列化設計，全站形成塔器、容器等43 類系列化設計成果，包括近400 個標準圖件，形成了一套包括關鍵設備結構圖、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用了采出水處理一體化集成裝置。

表2 順北五號聯合站標準化圖集分類Tab.2 Classification of standardized atlas of Shunbei No.5 Multi-purpose Station

在設備及管線選材方面，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，通過統一設備選型，優化物資分類，356項工程物資中，236項實現了標準化框架采購，標準化采購占比66.29%，有效地降低了采購成本。

在統一配管標準方面，編制了標準化的配管數據庫，制定了一套企業配管標準，統一了配管材料選用，規范了設備配管連接方式。同時，在SP 3D三維設計軟件中，建立三維模塊化立體模型[8]，實現了全站設備、管道、閥門、儀表、焊口以及相關配件的精確化顯示，實現了單元模塊及子模塊的精確定型，模塊建造前的模塊優化、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 橇裝化的設備集成

橇裝化設備具有小型、便于組合、適應搬遷等特點，針對順北油氣田初、中期壓力和產量變化較大的顯著特征，建設橇裝化可移動的地面設施是適應順北區塊油氣田開發的一種有效手段[9]。本工程對站內所有的工藝設施最大程度地采用橇裝化設備，全站共采用橇裝設備32 臺。在橇裝化設備選型方面，使用統一標準的管道及閥門配件、外形尺寸和技術參數，實現了標準化、規模化采購。同時，混烴處理及穩定、天然氣脫硫、天然氣脫水、天然氣凝液回收四大單元的62 臺設備中，50 臺設備集成了22個橇裝模塊（表3），提高了全站橇塊率。

表3 聯合站工藝撬裝模塊Tab.3 Process skid-mounted module of multi-purpose station

3 認識及建議

順北五號聯合站地面工程積極推行站場標準化、模塊化設計，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構以及5 類建筑元素的外觀、標識及內飾標準化風格，構建了一套較為完備的工藝、設備定型圖庫，編制了包含統一技術規定、定型設備庫、配管數據庫及標準、技術規格書、計算書、站場標準化視覺風格等137 項技術文件，并積極推廣應用了采出水處理一體化集成裝置。標準化設計的成功開展為工程后續工廠化預制、模塊化施工、機械化作業打下了堅實的基礎，使得聯合站建設周期縮短20%以上，項目現場人工時節約25%以上，工程投資節約5%以上，提升了施工現場模塊化、標準化、精細化管理水平，提升了業主對工程進度、質量以及安全的把控力。為了進一步提高標準化設計水平，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，節約工程投資，且可以實現工廠化預制，模塊化組裝，節約工程施工周期。

（2）開展高效多功能設備研究。高效多功能設備的研究是實現工藝簡約化、裝置橇裝化、小型化的關鍵。建議開展多功能高效三相分離器、高效離心泵、高效加熱/換熱器等設備的研發。

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