LNG核心工藝模塊HVAC系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)

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(shù)有限公司，山東 青島　266400)

近年來(lái)隨著低碳清潔能源的大力開發(fā)和推廣應(yīng)用，LNG越來(lái)越受到能源開發(fā)者的青睞。[1]國(guó)際先進(jìn)的LNG生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目目前多采用模塊化設(shè)計(jì)、異地建造、運(yùn)輸至天然氣生產(chǎn)基地進(jìn)行組裝的模式。

LNG生產(chǎn)核心工藝模塊因生產(chǎn)工藝需要而設(shè)計(jì)有獨(dú)立房間區(qū)域，HVAC系統(tǒng)是一套給房間內(nèi)提供適宜工作環(huán)境的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過特定的結(jié)構(gòu)支撐安裝固定在模塊中。某LNG項(xiàng)目是全球最大的天然氣生產(chǎn)項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目核心工藝模塊在國(guó)內(nèi)某海洋工程基地完成了設(shè)計(jì)建造和裝船工作，屬國(guó)內(nèi)首次。[2]本文以該項(xiàng)目核心工藝模塊為例，介紹模塊上的HVAC系統(tǒng)組成，探討HVAC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)。

1　HVAC系統(tǒng)

HVAC系統(tǒng)是一套復(fù)雜龐大的系統(tǒng)集合體，該系統(tǒng)主體由空調(diào)機(jī)(AHU)、風(fēng)機(jī)(FAN)和風(fēng)管(DUCT)組成，其中風(fēng)管分為連接空調(diào)機(jī)的進(jìn)氣風(fēng)管及送風(fēng)風(fēng)管、連接風(fēng)機(jī)的吸氣風(fēng)管及排氣風(fēng)管和平衡房間內(nèi)外氣壓的自然進(jìn)出氣風(fēng)管三大類。

空調(diào)機(jī)和風(fēng)機(jī)作為大型設(shè)備[3]固定在模塊房間內(nèi)的底甲板上，風(fēng)管根據(jù)系統(tǒng)分區(qū)功能不同貫穿房間內(nèi)外，其中進(jìn)氣風(fēng)管和排氣風(fēng)管豎直貫穿中甲板和屋面板，送風(fēng)風(fēng)管和吸氣風(fēng)管水平方向圍繞房間內(nèi)鋪設(shè)，自然進(jìn)出氣風(fēng)管貫穿房間外墻，此外還有各種風(fēng)管彎頭連接風(fēng)管的走向，見圖1。

圖1　HVAC系統(tǒng)布置圖

2　結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)

HVAC系統(tǒng)在模塊中的安裝固定主要采用結(jié)構(gòu)支撐的設(shè)計(jì)形式，這些支撐隨著設(shè)備固定和風(fēng)管鋪設(shè)路徑的不同需要而呈現(xiàn)出不同的設(shè)計(jì)類型，可分為底座支撐、支架和吊架。

2.1設(shè)備底座支撐

空調(diào)機(jī)和風(fēng)機(jī)作為HVAC系統(tǒng)的核心機(jī)械設(shè)備，其重量、體積較大，占用房間甲板面積大，設(shè)備重量由甲板結(jié)構(gòu)承擔(dān)。為分散坐落在甲板上的重力，同時(shí)保證載荷有效傳遞到結(jié)構(gòu)承力梁上，底座支撐宜考慮采用多條橫梁分散布置于設(shè)備底部的支撐設(shè)計(jì)形式。

根據(jù)設(shè)備底座的形式，合理布置支撐橫梁的位置和數(shù)量，使其能夠?qū)⒃O(shè)備重量較好的豎向傳遞到結(jié)構(gòu)承力梁上；每根支撐橫梁與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度；支撐橫梁與設(shè)備底座之間采用螺栓連接的鉚接形式。支撐橫梁使得設(shè)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(jié)構(gòu)承力梁的接觸點(diǎn)位置，可在結(jié)構(gòu)承力梁腹板兩側(cè)上下翼緣板之間增加加強(qiáng)筋板；在設(shè)備底座傳遞到支撐橫梁的接觸點(diǎn)位置，可在支撐橫梁腹板兩側(cè)上下翼緣板之間增加加強(qiáng)筋板，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，防止甲板局部發(fā)生過大形變。

如圖2是風(fēng)機(jī)設(shè)備底座支撐設(shè)計(jì)示意圖，其工作狀態(tài)下具有振動(dòng)特點(diǎn)，可在設(shè)備底座設(shè)計(jì)彈簧減震組件，為保證減震傳遞的平穩(wěn)性和工作狀態(tài)下設(shè)備的整體穩(wěn)定性，在支撐橫梁和風(fēng)機(jī)底部彈簧組件之間設(shè)計(jì)一種橫梁框架的支撐。

圖2　設(shè)備底座支撐設(shè)計(jì)示意圖

2.2支架吊架支撐

風(fēng)管鋪設(shè)路徑根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)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(wú)論哪種風(fēng)管形式，都是懸空于模塊中，因此風(fēng)管的支撐設(shè)計(jì)遵循就近依附承力結(jié)構(gòu)原則，以簡(jiǎn)單實(shí)用、堅(jiān)固穩(wěn)定、拆卸便捷為主。

1)水平走向風(fēng)管支架?？拷装宓孛嫠阶呦蝻L(fēng)管的支撐設(shè)計(jì)推薦以甲板結(jié)構(gòu)主梁做支撐依托，支架立柱坐落到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主梁上翼緣位置，在主梁上翼緣板兩側(cè)做傍板設(shè)計(jì)，同時(shí)傍板下方焊接加強(qiáng)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(fēng)管拆卸活動(dòng)口，見圖3。

圖3　水平走向風(fēng)管支架示意圖

2)水平走向風(fēng)管吊架。此處支撐設(shè)計(jì)推薦以天花板上的甲板主次結(jié)構(gòu)梁為生根點(diǎn)，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(jù)風(fēng)管支撐需要和天花板結(jié)構(gòu)梁的位置，可新增吊架托梁作為吊架的依托結(jié)構(gòu)，托梁連接吊架和主次結(jié)構(gòu)梁；由于托梁規(guī)格較小，受力較弱，吊架設(shè)置斜撐，增加受拉點(diǎn)的數(shù)量，從而保證吊架強(qiáng)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(fēng)管拆卸活動(dòng)口，見圖4。

圖4　水平走向風(fēng)管吊架示意圖

3)風(fēng)管彎頭支撐。風(fēng)管彎頭處連接水平段和豎直段風(fēng)管，該位置同時(shí)受到水平和豎向載荷，理論上只在彎頭兩端的直管段設(shè)置支撐也可以完成固定要求，但是從結(jié)構(gòu)可靠角度考慮，在彎頭處彎弧面設(shè)置支撐落腳點(diǎn)是更好的設(shè)計(jì)選擇。

推薦支撐形式為底部甲板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)梁上；在支架立柱與風(fēng)管彎頭連接處采用風(fēng)管同材質(zhì)的不銹鋼鋼板做成圓弧包板，不銹鋼包板與風(fēng)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(fēng)管防腐要求，見圖5。

圖5　風(fēng)管彎頭支架示意圖

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

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

口字形槽鋼框架根據(jù)所處位置，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)承力梁的連接，從而將風(fēng)管重量轉(zhuǎn)移到模塊結(jié)構(gòu)上，見圖6。

圖6　豎向風(fēng)管與口字形槽鋼框架連接示意

3　結(jié)束語(yǔ)

本文以某液化天然氣項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要介紹了其核心工藝模塊HVAC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成，針對(duì)模塊的空間特點(diǎn)及HVAC系統(tǒng)在其中的安裝固定需求，從系統(tǒng)構(gòu)成和功能特征、空間走向分布、結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化、拆裝施工需要等方面入手，探討總結(jié)了針對(duì)不同位置風(fēng)管的結(jié)構(gòu)支撐形式設(shè)計(jì)。該形式簡(jiǎn)潔、構(gòu)造合理，滿足系統(tǒng)使用需求，對(duì)HVAC系統(tǒng)和其結(jié)構(gòu)支撐的預(yù)制及安裝施工工藝設(shè)計(jì)具有一定的參考指導(dǎo)價(jià)值。