钢铁厂总图布置战略规划：实现最优生产效率

钢铁厂总图系统规划

钢铁厂总图设计是一个涉及设施空间需求认知与合理布置的机制，旨在实现生产周期连续稳定运行。总图布置对生产率、厂区效率有重大贡献。

总图设计是至关重要的活动，需投入最高度关注。一旦钢铁厂建成，总图基本性质在厂区全寿命期内不可改变。后期修改不仅困难，还涉及巨额资本支出。钢铁厂性能在很大程度上取决于总图布置。布置错误通常具有永久性且代价高昂，因此工程设计阶段必须投入大量时间精力演化最优布置。图1展示典型钢铁厂总图（伯利恒钢铁厂）。

图1 典型钢铁厂总图

总图涵盖的设施范围

"总图"主要指厂区各设施物理布置。这些设施用于从原料生产成品，包括：

1. 生产所需全物料接收设施
2. 按工艺要求的生产设施
3. 辅助生产设施
4. 人员物料移动通讯设施
5. 产品发运设施
6. 各类物料产品存储设施
7. 行政管理设施
8. 人力资源福利设施
9. 环境维护设施
10. 安全安保设施

钢铁厂总图是生产车间、设备、机械、建筑、路网、管网等生产与配套设施的物理布置。布置决定物料及信息等其他投入在运营中的流动方式。布置应规划实现物料公用工程工艺流程顺畅、从原料接收到成品发运搬运量最少。涉及所有设施的审慎布置以保障顺利生产。工程阶段布置规划缺陷会导致效率低下、僵化、大量库存与在制品、高运营成本等。

简言之，钢铁厂设计师总体目标是设计物理布置，分配必要空间、配置厂房设施，在确保经济生产的同时，满足终产品质量与数量要求。

总图设计所需基础信息

制定合理总图，设计师需掌握：

• 用地场地限制条件
• 外部道路、周边环境、用地边界的场地图
• 土壤特性与场地等高线图（标高）
• 水、电等公用设施可用位置
• 外部公路铁路系统走向、进出交通方向、外部输电线路与进水管线走向
• 选定技术、工艺及设备的基础知识
• 厂区产能与规划未来扩建
• 法定要求

钢铁厂总图应：

1. 充分利用当地自然条件，合理用地
2. 系统布置厂区单元创造协同效应
3. 确保各项活动所需工作量最小化
4. 保证有效环境保护

厂区总图设计方法

总图设计方法包括：

• 系统布置规划法（SLP）
• 算法法
• Arena仿真法

SLP法最适合钢铁厂总图设计。

总图定义权威观点

Moore认为厂区布置是"规划设施（含人员、运行设备、存储空间、物料搬运设备及所有配套服务）的最优布置计划或规划行为，以及容纳这些设施的最佳结构设计"。

Riggs指出："厂区布置总体目标是设计物理布置，以最经济方式满足要求的产量与质量。"

J L Zundi认为："厂区布置涉及空间分配与设备布置，使总运营成本最小化。"

Dr. MN Dastur指出："联合钢铁厂总图基本上是在选定场地限制下，对主生产单元、能源网络、辅助车间进行合理布置的练习。"

总图设计八大原则

总图决定不同生产设施位置及设施间通讯联络。车间布置涉及生产设施内设备机械详细位置。设计总图遵循八大原则：

1. 最小移动原则：确保厂区人员物料移动最少，节省时间减少物料损耗
2. 顺序/流程原则：生产单元按工艺技术流程布置，避免物料不必要往返
3. 使用原则：空间需求基于最优利用
4. 紧凑原则：所有重要因素充分整合关联，形成高度集成总图
5. 安全满意原则：布置包含厂房设备与人员安全措施，基于工作人员舒适便利规划，满足法规要求，含消防安全与安保
6. 灵活性原则：布置允许以最小困难和成本改进，预留未来扩建余地
7. 相互依赖原则：相互依赖单元就近布置
8. 最小投资原则：在不忽视必需设施安装、高效优化利用现有设施前提下，实现固定资本投资最小化

SLP布置设计法

SLP法广泛用于厂区总图、生产车间详细布置及各类设施布置设计。

设计总图前，必须研究区域风玫瑰图，了解全年风向风频。其他重要研究项：

• 用地边界内各地块标高
• 连接外部路网铁路的接入条件
• 进水管线接入条件
• 接收外部电网电力的输电线路接入条件
• 固液废弃物处置区域

土地平整工程量大、投资高。终定总图时利用现有地形地貌可降低平整成本。

首先考虑按厂区工艺技术要求的各生产工艺间关系及物料（固液气）流向。常规做法编制厂区物料衡算流程图。基于产率与物料循环计算原辅材料、燃料、中间材料等需求，需编制水衡算图、能量衡算图等各类衡算图。最终赋予各活动适当权重，建立综合关系。图2为典型物料衡算流程图，图3为典型水衡算图。

图2 典型物料衡算流程图

图3 典型水衡算图

下一步按工艺流程将厂区划分为独立区块单元，再定位单元设施，形成厂区地块规划图。编制地块布置时，优先按生产流程定位主生产车间，继而定位辅助生产设施。此阶段形成的布置称厂区块状布置图。

块状布置图达到满意水平后，依据生产技术与空间需求在区块内定位设施。定位时须考虑设施间满足法定要求及物料移动（如皮带输送机角度）所需最小距离。

随后决策存储设施与物流布置位置。物流决策含外部物料接收与产品发运。此步骤同时确定厂区管网、输电网、路网、铁路网。规划各网络时须注意：网络越长投资越大、输送损耗越高；网络须满足法定最小间距要求。

项目中规划优良布置的技术规范

布置决策至关重要，代表长期承诺。产出、面积、工艺流程关系非最优将影响厂区全寿命期运营。优良布置设计技术规范如下：

• 集成性：人、物料、设备、配套服务紧密集成，实现资源最优产出
• 土地（空间）利用：水平垂直空间合理利用，设施高度长度优化，厂区面积最经济化利用
• 距离：人员物料运输距离最小化，优先直线移动
• 生产单元布置：按工艺流向，使人员、物料、半成品、成品朝最终阶段正向流动
• 协调性：进出任意部门的进出口规划对发货收货双方均最便利，整体考量布置
• 灵活性：预留充分余地应对厂区扩建修改需求
• 可达性：所有厂区区域易于到达，便利生产与设备维护
• 安全性：充分考虑工业安全方法，满足人员厂房、道路、气体、电气、火灾爆炸等全方位安全要求
• 物料搬运：物料搬运最小化，过度搬运影响作业时间与生产成本

编制优良总图其他基本考量：

1. 便利生产流程，满足所有运营需求
2. 便利原料接收、物料存储、成品发运
3. 便利半成品流动存储
4. 允许厂区内所有物料顺畅流动
5. 允许运营灵活性
6. 助力生产工艺技术流程顺畅
7. 提供工作人员便利舒适，关怀福利与职业健康
8. 提升员工效率、监督与管控
9. 满足所有法定要求
10. 预留足够空间应对未来扩建
11. 助力最小化资本与运营成本

总图从初稿到最终浇筑基础通常经历多轮修订。"最终布置"必然是在满足上述各项标准的愿望与多种限制因素间的妥协。但设计师若具备超越当前需求与眼前困难的概念愿景，所得布置将具备逻辑性、灵活性，并能在条件变化下提供急需的运营性能。

日本福山与仓敷钢铁厂总图见图4，年产能300万吨的维沙卡帕特南钢铁厂总图见图5。

图4 福山与仓敷钢铁厂总图

图5 维沙卡帕特南钢铁厂总图