系统布置法在化工总图中的应用

姚娟 (科思创聚合物 (中国) 有限公司，上海 201210)

1 概述

系统布置设计（systematic layout planning, 简称SLP）是美国理查德·缪瑟在20世纪60年代提出[1]，后来被运用到各种设施布置以及物流规划之中，它作为一种比较基础的程序模式，不但可以运用到各种工厂的新建和扩建中，也可以运用到厂房内部的布置优化和各个作业单位的布置，还能运用于医院商店餐饮等各类服务业的设计。苏术锋、苏先娜[2]运用SLP，对变压器生产车间布局现状进行分析，重新规划和设计车间布局，使车间运输路线最短、生产成本降低。李健、李明[3]以油泵厂的现状为研究对象,运用系统化设施布置规划原理方法,通过物流分析和非物流分析,在原有厂区的基础上通过调整设施位置而达到优化,达到减少搬运量和搬运距离，降低了运营成本。

系统布置设计（SLP）将研究设施布置问题总结为五大要素，包括P—产品、Q—产量、R—工艺过程、S—辅助部门、T—时间。主要内容和步骤如图1所示。

图1 系统布置设计的主要步骤

2 系统布置法在化工项目中的应用

随着化工产业的不断发展，工艺流程的日趋复杂，厂区的规模也越来越大，这就需要我们运用定量和定性的分析整个厂区的布置，运用系统布置设计方法分析工厂物流和工艺流程，再加上一些化工行业特殊的外部制约条件，就可以得出一版比较科学系统的总平面布置图。

2.1 项目简介

现以某甲醇深加工项目为例，系统阐述一下系统布置法在化工项目中的应用。

本项目拟占地1 192 718 m2，根据功能将厂区划分为工艺装置、配套公用工程及辅助设施。工艺装置包括：甲醇合成及精馏装置、甲醇深加工装置、EVA装置、丙烯酸装置、丙烯酸及酯装置、吸水性树脂装置；辅助生产设施包括消防泵站、办公楼、分析化验室及环境监测站、检维修车间、化学品仓库等；公用工程包括总变电所、循环水站、中央控制室、污水处理场、消防泵站、火炬等。

2.2 划分关系等级

根据装置和公用工程及辅助设施之间的关联程度，划分6个等级。绝对重要等级为A，特别重要为E，重要为I，一般为O，不重要为U，不需要为X。

2.3 物流关系表

通过对整个工艺流程和全厂工艺平衡数据的分析，得出各装置之间的流程及物流量关系如图2所示。

图2 全厂工艺流程分析图

从物料平衡中得出全厂的物流量和分布情况，划分了六个关系级别，物流量>300 kt/a的为A级； 200～300 kt/a的为E级；100～200 kt/a的为I级；50～100 kt/a的为O级；0～50 kt/a的为U级；0 kt/a的为X级。

根据物流关系划分标准，结合全厂工艺平衡数据，装置间的物流关系为：甲醇合成及精馏装置-甲醇深加工装置A级，甲醇深加工装置-EVA装置I级, 甲醇深加工装置-丙烯酸装置I级,丙烯酸装置-丙烯酸及酯装置E级,丙烯酸装置-吸水性树脂装置U级。

结合装置间物流量及关系等级，绘制物流关系表，如表1所示。

表1 物流关系表

2.4 非物流关系表

对化工厂的非物流关系因素进行分析，得出制约非物流关系的几个主要的非物流关系因素，如安全、环境、联系频繁程度等。将非物流关系级别划分为A、E、l、O、U、X，6个级别，根据非物流关系级别的划分，列出非物流关系表。

化工厂的非物流关系虽然不能完全定量分析，但是可以从工艺角度对装置的公用工程消耗进行分析，甲醇合成及精馏装置的循环水消耗为每小时6 150 t，脱盐水为每小时1.5 t，蒸汽为94.3 t，电力消耗为1 630 kWh；甲醇深加工装置的循环水消耗为每小时11 006 t，脱盐水为每小时0 t，蒸汽为83.1 t，电力消耗为7 015 kWh；丙烯酸装置的循环水消耗为每小时10 545 t，脱盐水为每小时1.4 t，蒸汽为32.1 t，电力消耗为5 185 kWh；丙烯酸及酯装置的循环水消耗为每小时18 743 t，脱盐水为每小时12.8 t，蒸汽为60.5 t，电力消耗为14 953 kWh；EVA装置的循环水消耗为每小时1 140 t，脱盐水为每小时2 t，蒸汽为5.8 t，电力消耗为41 250 kWh；吸水性树脂装置的循环水消耗为每小时2 062 t，脱盐水为每小时18.75 t，蒸汽为29.5 t，电力消耗为6 562 kWh。根据辅助设施之间的生产关系，再结合安全防护和预留发展等要求，编制出非物流关系如表2所示。

表2 非物流关系表

2.5 综合关系表

先规定各等级的值为A=6,E=5,I=4,O=3,U=2,X=1，然后再规定物流关系和非物流关系的比值，不同的项目中的比值取值不同，如果物流占主导地位的可以取2：1或者1.5：1甚至于3：1，如果是物流影响比较小，只需要考虑非物流的因素，就可以取小于1的比值[4]，根据以往的化工项目经验，本项目取比值为1.5：1，根据计算公式，物流等级×1.5+非物流等级×1，由此得出综合关系的最终得分。结合综合关系划分标准（综合关系值为10/8.5/7，综合关系为A级，综合关系值为6.5，综合关系为E级，综合关系值为5.5，综合关系为I级，综合关系值为4.5/4，综合关系为0级，综合关系值为3.5，综合关系为U级，综合关系值为2.5，综合关系为X级），绘制出装置及公用工程的综合关系表（如表3所示）。

表3 装置及公用工程的综合关系表

2.6 总关系值

由综合关系表，结合等级赋值A=6,E=5,I=4,O=3,U=2,X=1。

2.7 总平面布置

根据以上的分析计算结果，各个工艺单元的优先布置顺序和工艺装置的实际占地面积大小进行总平面布置，从总关系最大的甲醇深加工装置开始，以核心的装置为主线，辅助设施为辅线。

（1）首先布置的是甲醇深加工装置，这是总关系值最高且和其他装置联系紧密的一个装置，所以布置在厂区的最中间；丙烯酸装置总关系值为40，与甲醇深加工装置是A级关系，第二布置；甲醇合成及精馏装置的总关系值是34，与甲醇深加工装置是A级关系，第三布置；EVA的总关系值是34，与甲醇深加工装置是A级关系，第四布置；丙烯酸及酯装置总关系值为37，与丙烯酸装置是A级关系，第五布置；总体说来形成一个以甲醇深加工为中心，其他四套装置布置在周边的工艺装置区。

（2）循环水场和供热装置的总关系值为39，其中循环水装置与甲醇深加工/丙烯酸/丙烯酸及酯装置的关系为I，第六布置，布置尽量靠近这三个装置的位置，既节约循环水管道的建设费用及工厂建成后的运营费用，供热装置与甲醇合成及精馏/甲醇深加工/丙烯酸及酯装置关系为I，第七布置，考虑到供热装置以煤炭为燃料，尽量布置在厂区边缘。

（3）总变电所的总关系值为38，与EVA装置的关系为E，在遵循总变电所应布置在便于输电线路进出，不妨碍工厂扩建和发展的地方的原则下，尽量就近EVA装置；脱盐水装置总关系值为37，与丙烯酸及酯和供热装置关系为I，脱盐水与供热关系密切，可能的情况下就近布置比较合理。

（4）吸水性树脂装置总关系值为33，与丙烯酸装置的物流关系是U，由于吸水性树脂的成品为固体，在靠近丙烯酸的同时要考虑汽车运输的可能性，尽量将汽车运输区域布置在厂区边缘，方便管理。

（5）空分装置总关系值为31，与甲醇深加工装置是E级关系，因尽量靠近甲醇深加工装置；污水处理场总关系值为30，与全厂火炬是I级关系，可考虑就近结合布置同时需要布置在厂区边缘；消防泵站总关系值为28，与厂前区和辅助公用工程都可就近布置，注意到工矿企业消防供水的最大保护半径不宜超过1 200 m，或占地面积不宜大于200 m2即可；储运设施的总关系值为27，布置同时需要注意罐组就近装置，装卸设施需要在厂区边缘布置，方便车辆的出入及装卸区管理。

（6）厂前区和全厂火炬的总关系值为22和18，两者布置均需要在厂区边缘，高架火炬需要布置在全年最小风频率的上风测，而厂前区需要布置在全年最小风频率的下风测。

根据以上分析布置，在满足了工艺流程和使用功能并且遵循我国有关防火、安全、消防等规范的前提下，结合场地条件进行了局部调整，具体布置如图3所示。

图3 总平面布置图

3 结语

系统布置设计运用了大量的图表数据分析，对比于传统的经验化的总图设计，更加具有科学性和合理性，但是化工企业生产流程中的物料运输一般使用管道，不同种类物料，依据一定的原则应该存在不同的校正系数，来体现运输不同物料的难易程度，SLP的方法在运用到化工总图布置方面还有待于进一步地改进。