系統布置法在化工總圖中的應用

姚娟 (科思創聚合物 (中國) 有限公司，上海 201210)

1 概述

系統布置設計（systematic layout planning, 簡稱SLP）是美國理查德·繆瑟在20世紀60年代提出[1]，后來被運用到各種設施布置以及物流規劃之中，它作為一種比較基礎的程序模式，不但可以運用到各種工廠的新建和擴建中，也可以運用到廠房內部的布置優化和各個作業單位的布置，還能運用于醫院商店餐飲等各類服務業的設計。蘇術鋒、蘇先娜[2]運用SLP，對變壓器生產車間布局現狀進行分析，重新規劃和設計車間布局，使車間運輸路線最短、生產成本降低。李健、李明[3]以油泵廠的現狀為研究對象,運用系統化設施布置規劃原理方法,通過物流分析和非物流分析,在原有廠區的基礎上通過調整設施位置而達到優化,達到減少搬運量和搬運距離，降低了運營成本。

系統布置設計（SLP）將研究設施布置問題總結為五大要素，包括P—產品、Q—產量、R—工藝過程、S—輔助部門、T—時間。主要內容和步驟如圖1所示。

圖1 系統布置設計的主要步驟

2 系統布置法在化工項目中的應用

隨著化工產業的不斷發展，工藝流程的日趨復雜，廠區的規模也越來越大，這就需要我們運用定量和定性的分析整個廠區的布置，運用系統布置設計方法分析工廠物流和工藝流程，再加上一些化工行業特殊的外部制約條件，就可以得出一版比較科學系統的總平面布置圖。

2.1 項目簡介

現以某甲醇深加工項目為例，系統闡述一下系統布置法在化工項目中的應用。

本項目擬占地1 192 718 m2，根據功能將廠區劃分為工藝裝置、配套公用工程及輔助設施。工藝裝置包括：甲醇合成及精餾裝置、甲醇深加工裝置、EVA裝置、丙烯酸裝置、丙烯酸及酯裝置、吸水性樹脂裝置；輔助生產設施包括消防泵站、辦公樓、分析化驗室及環境監測站、檢維修車間、化學品倉庫等；公用工程包括總變電所、循環水站、中央控制室、污水處理場、消防泵站、火炬等。

2.2 劃分關系等級

根據裝置和公用工程及輔助設施之間的關聯程度，劃分6個等級。絕對重要等級為A，特別重要為E，重要為I，一般為O，不重要為U，不需要為X。

2.3 物流關系表

通過對整個工藝流程和全廠工藝平衡數據的分析，得出各裝置之間的流程及物流量關系如圖2所示。

圖2 全廠工藝流程分析圖

從物料平衡中得出全廠的物流量和分布情況，劃分了六個關系級別，物流量>300 kt/a的為A級； 200～300 kt/a的為E級；100～200 kt/a的為I級；50～100 kt/a的為O級；0～50 kt/a的為U級；0 kt/a的為X級。

根據物流關系劃分標準，結合全廠工藝平衡數據，裝置間的物流關系為：甲醇合成及精餾裝置-甲醇深加工裝置A級，甲醇深加工裝置-EVA裝置I級, 甲醇深加工裝置-丙烯酸裝置I級,丙烯酸裝置-丙烯酸及酯裝置E級,丙烯酸裝置-吸水性樹脂裝置U級。

結合裝置間物流量及關系等級，繪制物流關系表，如表1所示。

表1 物流關系表

2.4 非物流關系表

對化工廠的非物流關系因素進行分析，得出制約非物流關系的幾個主要的非物流關系因素，如安全、環境、聯系頻繁程度等。將非物流關系級別劃分為A、E、l、O、U、X，6個級別，根據非物流關系級別的劃分，列出非物流關系表。

化工廠的非物流關系雖然不能完全定量分析，但是可以從工藝角度對裝置的公用工程消耗進行分析，甲醇合成及精餾裝置的循環水消耗為每小時6 150 t，脫鹽水為每小時1.5 t，蒸汽為94.3 t，電力消耗為1 630 kWh；甲醇深加工裝置的循環水消耗為每小時11 006 t，脫鹽水為每小時0 t，蒸汽為83.1 t，電力消耗為7 015 kWh；丙烯酸裝置的循環水消耗為每小時10 545 t，脫鹽水為每小時1.4 t，蒸汽為32.1 t，電力消耗為5 185 kWh；丙烯酸及酯裝置的循環水消耗為每小時18 743 t，脫鹽水為每小時12.8 t，蒸汽為60.5 t，電力消耗為14 953 kWh；EVA裝置的循環水消耗為每小時1 140 t，脫鹽水為每小時2 t，蒸汽為5.8 t，電力消耗為41 250 kWh；吸水性樹脂裝置的循環水消耗為每小時2 062 t，脫鹽水為每小時18.75 t，蒸汽為29.5 t，電力消耗為6 562 kWh。根據輔助設施之間的生產關系，再結合安全防護和預留發展等要求，編制出非物流關系如表2所示。

表2 非物流關系表

2.5 綜合關系表

先規定各等級的值為A=6,E=5,I=4,O=3,U=2,X=1，然后再規定物流關系和非物流關系的比值，不同的項目中的比值取值不同，如果物流占主導地位的可以取2：1或者1.5：1甚至于3：1，如果是物流影響比較小，只需要考慮非物流的因素，就可以取小于1的比值[4]，根據以往的化工項目經驗，本項目取比值為1.5：1，根據計算公式，物流等級×1.5+非物流等級×1，由此得出綜合關系的最終得分。結合綜合關系劃分標準（綜合關系值為10/8.5/7，綜合關系為A級，綜合關系值為6.5，綜合關系為E級，綜合關系值為5.5，綜合關系為I級，綜合關系值為4.5/4，綜合關系為0級，綜合關系值為3.5，綜合關系為U級，綜合關系值為2.5，綜合關系為X級），繪制出裝置及公用工程的綜合關系表（如表3所示）。

表3 裝置及公用工程的綜合關系表

2.6 總關系值

由綜合關系表，結合等級賦值A=6,E=5,I=4,O=3,U=2,X=1。

2.7 總平面布置

根據以上的分析計算結果，各個工藝單元的優先布置順序和工藝裝置的實際占地面積大小進行總平面布置，從總關系最大的甲醇深加工裝置開始，以核心的裝置為主線，輔助設施為輔線。

（1）首先布置的是甲醇深加工裝置，這是總關系值最高且和其他裝置聯系緊密的一個裝置，所以布置在廠區的最中間；丙烯酸裝置總關系值為40，與甲醇深加工裝置是A級關系，第二布置；甲醇合成及精餾裝置的總關系值是34，與甲醇深加工裝置是A級關系，第三布置；EVA的總關系值是34，與甲醇深加工裝置是A級關系，第四布置；丙烯酸及酯裝置總關系值為37，與丙烯酸裝置是A級關系，第五布置；總體說來形成一個以甲醇深加工為中心，其他四套裝置布置在周邊的工藝裝置區。

（2）循環水場和供熱裝置的總關系值為39，其中循環水裝置與甲醇深加工/丙烯酸/丙烯酸及酯裝置的關系為I，第六布置，布置盡量靠近這三個裝置的位置，既節約循環水管道的建設費用及工廠建成后的運營費用，供熱裝置與甲醇合成及精餾/甲醇深加工/丙烯酸及酯裝置關系為I，第七布置，考慮到供熱裝置以煤炭為燃料，盡量布置在廠區邊緣。

（3）總變電所的總關系值為38，與EVA裝置的關系為E，在遵循總變電所應布置在便于輸電線路進出，不妨礙工廠擴建和發展的地方的原則下，盡量就近EVA裝置；脫鹽水裝置總關系值為37，與丙烯酸及酯和供熱裝置關系為I，脫鹽水與供熱關系密切，可能的情況下就近布置比較合理。

（4）吸水性樹脂裝置總關系值為33，與丙烯酸裝置的物流關系是U，由于吸水性樹脂的成品為固體，在靠近丙烯酸的同時要考慮汽車運輸的可能性，盡量將汽車運輸區域布置在廠區邊緣，方便管理。

（5）空分裝置總關系值為31，與甲醇深加工裝置是E級關系，因盡量靠近甲醇深加工裝置；污水處理場總關系值為30，與全廠火炬是I級關系，可考慮就近結合布置同時需要布置在廠區邊緣；消防泵站總關系值為28，與廠前區和輔助公用工程都可就近布置，注意到工礦企業消防供水的最大保護半徑不宜超過1 200 m，或占地面積不宜大于200 m2即可；儲運設施的總關系值為27，布置同時需要注意罐組就近裝置，裝卸設施需要在廠區邊緣布置，方便車輛的出入及裝卸區管理。

（6）廠前區和全廠火炬的總關系值為22和18，兩者布置均需要在廠區邊緣，高架火炬需要布置在全年最小風頻率的上風測，而廠前區需要布置在全年最小風頻率的下風測。

根據以上分析布置，在滿足了工藝流程和使用功能并且遵循我國有關防火、安全、消防等規范的前提下，結合場地條件進行了局部調整，具體布置如圖3所示。

圖3 總平面布置圖

3 結語

系統布置設計運用了大量的圖表數據分析，對比于傳統的經驗化的總圖設計，更加具有科學性和合理性，但是化工企業生產流程中的物料運輸一般使用管道，不同種類物料，依據一定的原則應該存在不同的校正系數，來體現運輸不同物料的難易程度，SLP的方法在運用到化工總圖布置方面還有待于進一步地改進。