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模塊化設(shè)計(jì)的基本流程簡介

1確定工藝塊初步平面布置

首先由工藝專業(yè)根據(jù)工藝流程及功能把各主要設(shè)施分成一個(gè)個(gè)工藝塊，每個(gè)工藝塊包括了一定數(shù)量的工藝系統(tǒng)，并初步定義各工藝塊的輸入輸出及相應(yīng)管道尺寸，生成整個(gè)工廠的工藝塊流程圖。根據(jù)一些關(guān)鍵的現(xiàn)場位置因素比如風(fēng)向及管道、供電的接入點(diǎn)等來安排組織各個(gè)工藝塊的初步平面布置，同時(shí)要盡量減少各工藝塊之間主管道的連接數(shù)量。組織各專業(yè)工程師一起研究各工藝塊的平面布置，通過所有專業(yè)間的通力協(xié)作以使布置滿足各專業(yè)的基本要求。

2工藝塊空間分配

根據(jù)項(xiàng)目允許的最大模塊的運(yùn)輸尺寸和重量要求把各個(gè)工藝塊中的設(shè)備布置在鋼結(jié)構(gòu)的模塊中，同時(shí)盡量使各模塊間的界面降低到最少。在這個(gè)過程中需要考慮及優(yōu)化重要管道的布置、電儀室的位置及尺寸、主橋架的走向、土建專業(yè)主框架的尺寸、預(yù)留空間等等。其中，電儀室里集成了控制該模塊中所有電氣儀表設(shè)備的MCC和控制柜。

3發(fā)展總圖

利用已定義好尺寸大小的工藝塊來發(fā)展總圖，確定供電及控制系統(tǒng)的分配分布方案以及管道敷設(shè)和橋架的接入點(diǎn)。

4發(fā)展每個(gè)模塊的具體尺寸重量

根據(jù)模塊中已確定的所有設(shè)備來進(jìn)一步發(fā)展模塊的尺寸和重量，在這個(gè)過程中，要核實(shí)項(xiàng)目最終施工現(xiàn)場關(guān)于運(yùn)輸和物流的所有相關(guān)要求。

5對模塊進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

在這個(gè)階段由所有專業(yè)一起開始對模塊進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)并開始創(chuàng)建三維模型。

影響模塊化設(shè)計(jì)項(xiàng)目的重要因素

1項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃

跟采用傳統(tǒng)施工方式的項(xiàng)目相比，模塊化設(shè)計(jì)項(xiàng)目要求項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的深度更深，供貨商提交最終版文件的時(shí)間要早，設(shè)計(jì)圖紙及材料需要滿足預(yù)制廠預(yù)制計(jì)劃的要求。

2運(yùn)輸及物流因素

模塊的尺寸和重量限制是影響模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，運(yùn)輸?shù)姆绞椒椒ā⒉煌瑖液偷貐^(qū)對運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)法律法規(guī)等方面的要求都需要在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)有充分的考慮和完整的計(jì)劃。

3工程設(shè)計(jì)

早期的模塊化設(shè)計(jì)僅僅是針對管廊管架的模塊化設(shè)計(jì)，模塊的總體集成度水平較低，對設(shè)計(jì)而言僅需要考慮在施工的時(shí)候如何把管架預(yù)制成模塊以及現(xiàn)場施工時(shí)模塊間的安裝連接。隨著模塊化設(shè)計(jì)理念的不斷發(fā)展，后期的模塊化設(shè)計(jì)集成了一些工藝設(shè)備，所以需要在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的考慮。而模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展至今，集成度水平已大大提高，包括了裝置廠房、管道、電氣及儀表的集成，設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜化，所以要求在項(xiàng)目的FEED階段就要應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)了。

4采購

模塊預(yù)制工廠的評定、材料控制、輔助材料采購、關(guān)鍵材料供應(yīng)商的催交等等都對模塊化項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。

5施工因素

施工是模塊化設(shè)計(jì)的最大推動因素同時(shí)也是最大的受益者。施工的一些重要因素比如現(xiàn)場勞動力成本、工作效率、現(xiàn)場安全性、現(xiàn)場位置及間接費(fèi)用等將會對模塊化設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

儀表及控制系統(tǒng)在模塊化設(shè)計(jì)中的基本設(shè)計(jì)原則

1控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)項(xiàng)目中，控制系統(tǒng)一般多采用I/O卡件集中在機(jī)柜室，現(xiàn)場儀表信號從現(xiàn)場接線箱通過多對的控制電纜（Homerun）連接到端子柜的方式。這樣的方式使得所有的控制電纜必須在現(xiàn)場安裝，也使得儀表只能在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試。而在應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)采用遠(yuǎn)程I/O，并將之集中在為各個(gè)模塊設(shè)置的電儀室中。各電儀室中的遠(yuǎn)程I/O再通過光纖連接到中央控制室，光纖應(yīng)采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。這樣的方案使得現(xiàn)場施工的工作量降到最低，而且每一個(gè)模塊中的儀表都可以在模塊預(yù)制車間進(jìn)行安裝接線，到了現(xiàn)場，僅需要將預(yù)埋好的通訊光纖進(jìn)行端接即可。在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡早確定系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)以及對控制柜的要求，以盡早開展電儀室的設(shè)計(jì)。盡早邀請DCS/SIS硬件供應(yīng)商的加入，提前確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案以滿足電儀室設(shè)計(jì)的要求。

2現(xiàn)場儀表

在模塊化設(shè)計(jì)中現(xiàn)場儀表通常遵循下列設(shè)計(jì)原則：

1）盡量減少分體式儀表的使用，或者分體部分在安裝時(shí)應(yīng)盡量安裝在已有的鋼結(jié)構(gòu)支撐上以減少對空間的占用。

2）盡早確定儀表所采用的測量技術(shù)及儀表類型，并使用儀表在樣本中的外形尺寸進(jìn)行前期的三維模型創(chuàng)建。

3）在傳統(tǒng)項(xiàng)目中，儀表的安裝位置一般在項(xiàng)目執(zhí)行的后期才需要確定，但是在模塊化設(shè)計(jì)中，儀表的安裝位置需要盡早確定以滿足模塊中空間的總體考慮協(xié)調(diào)。

4）對于流量儀表應(yīng)盡量選擇對前后直管段要求小的類型。

3儀表信號和電源電纜及路徑

1）增加使用儀表電纜快速連接技術(shù)及相應(yīng)材料，以減少現(xiàn)場電纜端接的工作量，減少現(xiàn)場施工的時(shí)間。

2）盡量減少各模塊間電纜的相互穿插連接，必要的模塊間電纜相互連接應(yīng)采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。

3）遠(yuǎn)程I/O到中央控制室的光纖采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。

4）模塊中電儀室里MCC主供電電纜及儀表用UPS的供電電纜均采用預(yù)先埋地敷設(shè)的方式。

5）電儀室里遠(yuǎn)程I/O到模塊中現(xiàn)場儀表的信號和供電電纜采用橋架敷設(shè)的方式。

4三維模型的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)項(xiàng)目中，在設(shè)計(jì)并創(chuàng)建項(xiàng)目三維模型階段，一般在60％模型審查階段要求完成的內(nèi)容比如分支電纜橋架、盤柜、接線箱等，在模塊化設(shè)計(jì)中則要求在30％模型審查階段就要完成，在傳統(tǒng)項(xiàng)目中90％模型審查階段要求完成的內(nèi)容如分析小屋等，則要求提前到60％階段，所以對儀表和控制系統(tǒng)設(shè)備定位以及外形尺寸、重量的盡早確定提了高要求。

5儀表和控制系統(tǒng)供應(yīng)商最終資料確定

在傳統(tǒng)項(xiàng)目中，除了閥門、流量計(jì)等在線儀表因?yàn)樾枰S家最終資料要求的時(shí)間相對較早外，其它的離線儀表和控制系統(tǒng)廠家資料的最終版要求時(shí)間比較晚。但是在模塊化設(shè)計(jì)中，這些資料在進(jìn)行60％模型審查時(shí)就需要提供，否則會影響整個(gè)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。所以需要項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商之間加強(qiáng)合作才能戰(zhàn)勝這個(gè)挑戰(zhàn)。

6儀表的檢驗(yàn)和測試

1）在儀表供應(yīng)商的廠房或車間進(jìn)行FAT及SIFT。

2）在模塊預(yù)制安裝車間進(jìn)行電纜通斷性測試以及儀表的標(biāo)定和功能測試。

3）在施工現(xiàn)場進(jìn)行回路測試和SAT。

模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

模塊化設(shè)計(jì)為業(yè)主提供了更具有價(jià)格競爭力的解決方案，從而也使工程公司在日益激烈的競爭中能夠占有一席之地，它的優(yōu)點(diǎn)很多，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）模塊化設(shè)計(jì)使得工藝裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而優(yōu)化了總的占地面積，同時(shí)降低材料數(shù)量從而降低了項(xiàng)目的總投資。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)最多時(shí)可以節(jié)約20％的總投資。對于總圖的優(yōu)化，模塊化設(shè)計(jì)可以讓總圖的占地面積顯著減少，多時(shí)可以減少30％－60％的面積。

2）根據(jù)統(tǒng)計(jì)，工人在現(xiàn)場施工的時(shí)間中，有30％的時(shí)間用于準(zhǔn)備工作及奔波在來回現(xiàn)場的路上，有32％的時(shí)間用于等待材料或人員，僅有38％的時(shí)間真用于施工，可見在現(xiàn)場，施工工人的工作效率比較低下。而模塊化設(shè)計(jì)將大量的施工時(shí)間從現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到效率更高的車間或更有競爭力的地區(qū)，從而降低了項(xiàng)目的總投資。另外，現(xiàn)場勞動力數(shù)量的降低，也大大降低了發(fā)生安全事故的可能性，這對于特別看重安全的業(yè)主來說確實(shí)是一個(gè)比較大的亮點(diǎn)。

3）現(xiàn)場施工的工作量大幅降低，使得現(xiàn)場間接費(fèi)用降低，從而總投資降低。模塊化設(shè)計(jì)會使得電儀的設(shè)計(jì)施工提前，這改善了傳統(tǒng)施工方式中電儀總是“拖后腿”的局面。

4）有的典型的模塊化設(shè)計(jì)具有一定的通用性，設(shè)計(jì)可以重復(fù)使用。

模塊化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

模塊化設(shè)計(jì)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在項(xiàng)目執(zhí)行的過程中也會面對很多困難和挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1）需要所有專業(yè)之間的良好協(xié)作。

2）供應(yīng)商最終版資料的及時(shí)提交是很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，因?yàn)樵谠缙诮r(shí)需要采用樣本資料以獲得設(shè)備的外形尺寸和重量，而最終版資料和樣本資料之間的差別和改動會影響設(shè)計(jì)。

3）模塊化設(shè)計(jì)要求業(yè)主操作維護(hù)團(tuán)隊(duì)的早期介入從而能在設(shè)計(jì)初期就充分考慮到操作維護(hù)對空間的要求。

4）模塊化設(shè)計(jì)使得項(xiàng)目的改動要求和后期的擴(kuò)展要求變得困難。

5）工藝數(shù)據(jù)的改變及儀表類型的改變會影響儀表的尺寸和重量，這也會給設(shè)計(jì)帶來麻煩。

6）某些控制系統(tǒng)元器件從安全區(qū)轉(zhuǎn)移到危險(xiǎn)區(qū)中，會導(dǎo)致需要防爆外殼，這會導(dǎo)致項(xiàng)目費(fèi)用的增加。

結(jié)束語

模塊化設(shè)計(jì)在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用比較普遍，也是近年來國內(nèi)外各行各業(yè)普遍關(guān)注的新的研究課題。在工程行業(yè)，模塊化設(shè)計(jì)有越來越多的應(yīng)用，設(shè)計(jì)施工管理水平也在不斷提高。本文僅是對這一課題進(jìn)行了簡單的探討，發(fā)表的觀點(diǎn)也僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，供大家參考，如有不當(dāng)之處還請批評指正。

作者：朱虹單位：福陸(中國)工程建設(shè)有限公司