新建大型化工廠開展概念設計若干問題探討
李安學，李志強，劉永健，李春啟，左玉幫
（1．中國大唐集團公司，北京100033；
2．大唐能源化工有限責任公司，北京100030；
3．中國石化工程建設公司，北京100101;
4．大唐國際化工技術研究院有限公司，北京100070）
摘要：分析了新建化工廠可行性研究報告編制的過程，闡述了新項目完整的研發(fā)與工程化開發(fā)范圍應包括基礎研究、過程研究及工程研究、工程設計三部分，探討了工廠概念設計的主要內容和目的。
關鍵詞：化工廠設計；概念設計；工程研究
1 新建工廠開展概念設計十分必要
化工廠是由若干生產裝置（或化工單元）組成、從事化工品生產的場所。由于原料性質、產品要求和建設條件等因素的影響，世界上一般不會存在一模一樣的裝置，也不會存在一模一樣的工廠。因此，工廠建設應該是一個創(chuàng)新的過程，也是“制造”工廠這種“產品”的過程。
可行性研究報告是項目評價、企業(yè)決策、政府核準的關鍵文件。項目可行性研究報告編制以預可行性研究報告（或項目建議書，以下稱預可研）及其批復文件等為依據，一般來講，裝置預可研根據參考裝置，或與裝置工藝包（技術）提供方進行技術交流得到的資料來進行編制；工廠預可研根據參考工廠，或由設計單位在進行技術交流或掌握資料基礎上進行編制。經驗表明，根據有參考工廠預可研編制的可行性研究報告比較準確，反之，則編制的可行性研究報告誤差較大，近些年建設的部分大型化工廠出現的問題已經證明了這一點。為了使可行性研究報告更加準確，筆者建議要針對新建大型化工廠開展概念設計。在此之前，鮮有人開展化工廠概念設計，筆者認為這與我國化工建設的發(fā)展過程有關。過去在我國大型化工項目建設過程中，自主創(chuàng)新較少，自行設計工廠一般以引進消化吸收再創(chuàng)新為主，可參考引進或成熟的工廠技術流程，所編制的可行性研究報告也比較準確。近年來，隨著我國綜合國力的提升、技術創(chuàng)新能力的增強，原創(chuàng)性成果越來越多地被應用到新建大型化工廠中，由于沒有同等規(guī)模的已建工廠或成功的項目可以參照，將實驗室或中試技術直接用于工業(yè)化工廠建設，若仍采用傳統(tǒng)建廠模式，顯然風險會很大。為此，有些企業(yè)采取了在可行性研究報告核準（批復）前就基本完成了總體設計等策略，如神華煤直接液化示范工程可行性研究報告于2002年8月獲得國家批復，2002年10月即完成了先期工程和一期工程的總體設計工作。
2概念設計是化工新技術開發(fā)過程的必經階段
化工新技術開發(fā)是從概念的形成，經過科研、設計、建設，使一項新技術、新工藝或新產品付諸實施的整個過程，其研究范圍一般包括基礎研究、過程研究及工程研究、工程設計3個部分，詳見圖1。對此，原化工部制定的新技術開發(fā)管理條例中有明確規(guī)定，中國石化集團公司編寫的手冊也有介紹。
在化工新技術開發(fā)階段，概念設計是工程研究的一個環(huán)節(jié)，它是應用研究到一定階段后，按未來的生產裝置規(guī)模所進行的假想設計。它的工作內容主要是根據研究和提供的概念及數據，確定流程和工藝條件以及主要設備的形式和材質、“三廢”處理設施等，最終得出基建投資和產品成本等主要技術經濟指標。一般情況下，概念設計在中試以前進行。通過概念設計判斷研究的工藝條件是否合理，數據是否充分，并在這個基礎上提出對開發(fā)項目進行初步的經濟評價，以確定技術路線的先進性和可靠性、開發(fā)項目需要改進之處、還需要補充的試驗內容和課題、有無必要建立中試裝置，以及確定中試的規(guī)模、范圍和必須通過中試解決的問題和取得的數據。
研究過程中的基礎設計(Basic Design，或Foundation Design)是一個完整的技術文件，是整個技術開發(fā)階段的研究成果。一般情況下應在研究內容全部完成并通過鑒定后進行�；A設計的內容應包括建設生產裝置的一切要點，合格的工程設計人員應能根據基礎設計完成一個能順利投產，達到一定產量和質量的生產裝置。基礎設計內容包括設計基礎、工藝流程說明、物料流程圖與物流表、帶控制點管道儀表流程圖、設備表和設備規(guī)格書、對工程設計的要求、設備布置建議圖、操作規(guī)程、消耗定額、有關技術資料和物性數據等，還應包括安全技術、環(huán)保技術和勞動保護說明。
工程研究過程中的基礎設計不是工程建設階段的基礎工程設計（Basic Engineering Design），它僅僅是基礎工程設計的依據，依基礎設計所建設的工業(yè)裝置還需要實踐檢驗；任何一個裝置都不是孤立的，都是全廠的一部分，采用新技術會改變工廠現狀，對全廠會產生什么影響，也需要驗證。因而在采用新技術、新方案建廠時，常常要求建設示范工程。
3 新建工廠開展概念設計已有先例
示范工程是新技術或新方案第一次工業(yè)化應用的工程，帶有試驗的性質，目的是總結出某種可供借鑒、參考的經驗或典范，在此基礎上對原示范工程設計進行完善，成為今后同類工程建設設計的基礎；示范工程的新技術或新方案，可以是有一定風險的新技術、新工藝、新材料、新設備、新原料、新廠址、新規(guī)模、新組合等一種或幾種的應用，所取得的成果具有推廣價值。示范工程可以是一套生產裝置（示范裝置），也可以是一個綜合工廠（示范工廠）。從某種意義上講，示范工程在工程建設階段相當于技術開發(fā)過程中進行的工業(yè)規(guī)模的“中試”，示范工程的工程設計可看作是“中試設計”，示范工程運行后所進行的完善設計可看作是技術開發(fā)過程中的“基礎設計”。從技術開發(fā)過程研究規(guī)定需要開展概念設計來看，對有開發(fā)作用、示范作用的新型化工廠建設，在開展可行性研究之前，應開展工程建設項目的概念設計。
我們有時可以選取一個已經建成、運行良好、相關參數相同的工廠作為“參考工廠”。有“參考工廠”的工程設計看上去比較簡單，似乎可以“翻版設計”，但實際上，由于廠址條件不同、技術改進，以及新規(guī)范、新標準的頒布帶來的設計改變，新建工廠與“參考工廠”不可能完全相同，這就需要在正式開展工程設計之前進行概念設計，在參考工廠的基礎上找出變化的內容對工廠建設的影響，制定設計原則。
眾所周知，工程具有“一次性”和“成果不可挽回性”的特點，這意味著工程是一次性的，而工程成果的使用是重復、長期的，所以工程建設前期需要花大力氣，對工程進行全方位的研究，理順與外圍各種需求關系，理順內部各主要裝置與系統(tǒng)、輔助裝置、公用工程的關系和配套需求，優(yōu)化全廠工藝流程和各生產裝置工藝流程，否則在工程實施階段進行修改或既成事實，均會增加工程投資或影響工程的使用。工程成果的不可挽回性決定了工程不能像其他事情那樣做壞了可以重來，也不可試著做，工程必須確保成功，一旦工程失敗就永遠失去了重新實施原工程的機會。這也說明在工程建設實施前，需要深入開展前期工作的必要性。工程概念設計正是在工程前期研究、論證過程中，整體上深層次研究所要建設工程的一個環(huán)節(jié)，或者說機會，缺少這個環(huán)節(jié)帶來的影響在以后的建設中無法彌補。雖然對于化工工程建設階段的概念設計在國內尚無規(guī)定，但在國內外的工程規(guī)劃或研究中均有先例。20世紀70年代，美國能源部( United States Department of Energy)在組織煤炭資源利用技術開發(fā)時，曾組織過部分項目的概念設計，如格雷斯公司( W.R．GRACE&CO.)在部分專利商（設備供應商）的支持下，組織編制了“合成氣示范工廠項目的商業(yè)化工廠概念設計與評價”( Synthesis Gas Demonstration Plant Program,Phase I.Commercial Plant Conceptual Designand Evaluation，1979)，該報告包含基礎數據、商業(yè)化工廠設備清單及參數、工藝流程、區(qū)域平面布置圖、技術經濟比較研究、風險提示等內容；20世紀末，中國石化工程公司完成了“21世紀千萬噸煉油廠概念設計（研究）”，指導了中石化鎮(zhèn)海煉化、中海油惠州煉化、中石油廣西石化等多個工廠的設計；遼寧大唐國際阜新煤制天然氣公司組織完成了“面向城鎮(zhèn)用戶的現代煤制天然氣工廠概念設計（研究）”，通過了中國石化聯合會組織的評審并得到了應用。另外，在核電站設計過程中，盡管概念設計也不是規(guī)定的必經工程設計程序，但得到了高度重視，認為是初步設計的準備階段，要從前期準備階段開始。
4工廠概念設計的基本內容
我們認為，工程設計階段的工廠概念設計，其內容可以比照技術開發(fā)階段概念設計的內容討論全廠性問題，它通過分析設計需求和技術現狀，找出滿足需求的技術策略并在設計中體現，是設計者綜合已有成果（如開發(fā)成果、文獻數據以及類似的工程、操作數據和工作經驗等），通過分析研究之后，按未來的工廠規(guī)模，從工程角度出發(fā)進行的預設計。通過這樣一個設計，以暴露提出擬定的全廠流程、主要化工單元（裝置）、設備結構、材質、控制案、安全和環(huán)保等在工程設計中將會存在的問題，同時提出解決途徑及方案，并進行經濟評價，調整技術策略。其主要內容應包括：原料和成品的規(guī)格，生產規(guī)模的估計，工藝流程圖簡要說明，物料衡算和熱量衡算，主要設備的尺寸、型號和材質的要求，檢測方法，輔助工程和配套工程初步方案、全廠總圖布置初步方案，主要技術指標和包括投資、成本的估算，投資回收預測的經濟指標，“三廢”治理的初步方案，對下一步工作的建議。工廠概念設計是較為詳細的技術方案，其深度應相當于預初步設計，對于不同的項目，其要求可有所不同。
工廠的概念設計主要用以解決以下問題：一是對開發(fā)的新技術進行深入的分析和討論，提出工業(yè)化中可能出現的問題及對全廠的影響，并分析其中哪些技術是可靠的，還缺哪些數據和需要驗證的技術，對新技術有一個明確的認識；二是用系統(tǒng)工程的觀點，吸收、集成有關技術成果，研討改進技術方案，爭取轉化率、收率、能耗、設備投資、安全、環(huán)保、占地、配套等的總體最優(yōu)；三是做出認真的技術經濟分析和市場預測，分析產品及目標市場并提出對策，分析設備、材料的可獲得性，哪些技術和設備由自己開發(fā)，哪些用已有的，哪些需要進口；四是提出工廠建設條件和運營的要求，以及廠址的滿足情況，做出技術比較；五是找出工廠的特點對社會可能產生的影響，廠址所在地對工廠的要求，提出相互適應的措施；六是明確全廠性輔助工程和公用工程配套要求，提出初步方案；七是對全廠總圖布置進行論證和分析，提出滿足要求的基本條件；八是暴露設計工作中存在的問題和不足之處，從而能及時解決問題，以便集中力量解決最關鍵的問題。
概念設計應在可行性研究之前進行。沒有依托項目的示范工程的概念設計屬于一個假想設計，應由開發(fā)單位聯合設計單位完成，為投資方決策提供依據，或據此尋找投資方。有依托項目的示范工程的概念設計是一個預設計，應結合項目實際，由建設單位組織設計單位和開發(fā)單位共同完成，從項目前期準備階段開始進行，該項工作可以作為預可研階段的專題研究，其成果可以作為可行性研究的依據，也可以作為總體設計的內容，為后續(xù)的初步設計或基礎工程設計奠定基礎。概念設計進行得越早，后續(xù)工程設計越主動。
5結語
大型化工廠建設投資大，技術復雜，存在很大的不確定性。如何做好頂層設計，從技術、經濟、社會發(fā)展的角度把最有希望的方案設計出來作為設計工作的方向，這是一種系統(tǒng)化的分級決策過程，也正是概念設計的真諦，是工程設計過程中十分關鍵的一項工作。
目前盡管工廠概念設計還不是規(guī)定的工程設計階段，但設計是“制造”的基礎，因而對于大型化工廠這樣復雜的工程項目，在項目早期開展概念設計，以新的視角、科學定義項目內容、研究和制定建設策略、明確項目目標并對其給出初步評價，是十分必要的。通過概念設計可以尋找最佳工藝流程（即選擇過程單元以及這些單元之間的相互連接）和估算最佳設計條件，使全廠輔助工程、公用工程配置最優(yōu)化、全廠布置最佳化。成功的概念設計不但可以節(jié)省大量的人力和物力，還可以加快新技術的開發(fā)和推廣速度，提高開發(fā)的技術水平和工廠的運營價值。
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