大型化工項目中心化驗室的建設探究

孫 偉

（國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831404）

傳統化工項目的化驗室建設大多只注重建筑結構的設計，忽視建筑規劃設計，容易導致化驗室的分析功能和基礎設施不足，滿足不了大型化工項目現代化驗室的分析需要。筆者通過新疆某公司68 萬t/a煤制烯烴項目中心化驗室（以下簡稱本項目化驗室）的建設實踐，認識到化驗室的建筑規劃設計與設備選型采購是兩個重要環節。在化驗室建筑規劃設計上，需要考慮化驗室的建筑規模、整體規劃、功能布局；在化驗室儀器設備的選型采購上，應按照輕重緩急和分類采購的原則，及早介入并參考相關化驗專業書籍[1]，多方了解儀器設備性能，作出合理的選型和分包采購方案。

1 化驗室的建筑規模及整體規劃

1.1 建筑規模

一般而言，工廠中心化驗室作為化工項目的重要配套工程，承擔著進廠原輔料的分析、各裝置過程控制的分析、全廠公用工程及輔助裝置的分析、出廠產品質量檢驗、檢測等任務，其建筑規模應根據項目的總體規劃和分析需求規劃進行確定。以本項目化驗室為例，其建筑規模以滿足化驗室日常生產分析為主（從原料煤到最終產品聚烯烴樹脂的全過程各種指標分析），以滿足辦公以及會議和大型考試需要為輔，并考慮企業后續發展空間，兼顧后續新增工藝裝置的分析需求，適當預留5%～10%的分析房間及配套設施。

在本項目化驗室的總體設計階段，筆者考察了相似生產裝置及規模的內蒙古某煤化工化驗室（以下簡稱甲化驗室）以及新疆某乙烯新區化驗室（以下簡稱乙化驗室），著重參照類似生產企業甲化驗室的建筑規模（總建筑面積9000 m2）和預留面積，并從本企業后續發展規劃長遠考慮，確定出本化驗室項目主體樓應保證建筑面積不低于8000 m2，配套設施中聚烯烴樹脂制樣廠房面積在500 m2左右，鋼瓶間規劃面積在120 m2，煤制樣間規劃面積在100 m2。

1.2 整體規劃

整體規劃是化驗室功能布局的基礎，本項目化驗室在整體規劃上借鑒參考甲、乙化驗室，分主體樓和附樓兩部分。主體樓是分析測試及辦公用樓的主要場所，結構上采取中心走廊式，分析房間分布在走廊兩側；根據主體樓建筑面積、單層面積消防設計限值，結合樓層功能劃分，主體樓層數確定為3 層；層高應根據儀器設備的高度尺寸并結合水、電、氣、暖通空調等公用管線的布置和吊頂方式計算。本項目化驗室主體樓1 至3 層最終設計層高定為5.8 m、5.5 m 和5.5 m。

需要強調的是，化驗室配套設施附樓的規劃設計與主體化驗樓的規劃設計同等重要。本化驗室項目附樓最初包含樹脂制樣廠房、煤制樣間和鋼瓶間3 塊，但在后續基礎設計階段的實踐中，通過利用層高與吊頂處理，將樹脂制樣廠房設置在化驗室主體樓一層的拐角處，使化驗樓形成一個L 型的結構，便于樹脂制樣與檢測的良好銜接。

就聚烯烴樹脂制樣廠房而言，前期考察交流中了解到，目前甲、乙化驗室都采用單獨的樹脂制樣廠房，但在建設前期甲化驗室并沒有規劃設計樹脂制樣廠房。因甲化驗室所在項目的聚烯烴樹脂產品單一，起初只是將樹脂制樣廠房當作普通的分析房間進行規劃，但矛盾很快表現出來：一是普通的分析房間面臨叉車倒運重型制樣設備及吊裝定位的操作不便，二是后期制樣設備開機運行對其他房間儀器造成了干擾，因此在后續即將交工時才臨時建了鋼結構式制樣廠房。隨著時間推移，現在甲化驗室鋼結構式制樣廠房突出的問題是四周漏風嚴重，冬天冷夏天熱，廠房無法滿足制樣設備對溫度、濕度的要求。而乙化驗室所在項目的聚烯烴樹脂生產線較多，相應的產品種類較多，因此乙化驗室起初就設計有3000 m2框架結構樹脂制樣廠房，避免了后期許多不必要的麻煩。類似甲化驗室在聚烯烴樹脂制樣廠房設計、建設中的不足之處，本項目實驗室在設計、建設過程中要盡量避免。

煤化工建設項目的化驗室規劃中，需考慮煤制樣間，但因煤樣制備過程對環境污染大，為避免煤粉對主體樓整體室內環境和其他分析造成污染和干擾，一般按照就近取樣制樣的原則，將煤制樣間規劃在卸儲運煤裝置內。鋼瓶間按《石油化工中心化驗室設計規范》（SH/T 3103—2019），一般單獨規劃在主體樓后側。

2 化驗室的房間功能布局

中心化驗室是一個有機的整體，化驗室各房間需要根據功能定位，進行統籌布局與組合，以滿足各類實驗分析工作的要求。

2.1 化驗室房間功能布局基本要求

化驗室房間分為實驗性房間、實驗輔助房間兩類。實驗性房間一般又可分為儀器分析實驗室、化學分析實驗室。儀器分析實驗室對電源、氣源、溫濕度等要求較高；化學分析實驗室對水源、溫度、通風櫥等布置要求較高。

總體來講，化驗室房間布局有以下特點和要求：（1）形式：化驗室適合選擇“集中配置+分散式”形式，即常規或同類檢測的儀器較為集中放置、精密檢測儀器分開放置的形式，如氣相色譜儀、樹脂物性分析類儀器、煤質分析類儀器、環保分析類儀器宜集中配置在不同的大開間房間，煤質發熱量測定儀、原子吸收儀、X 熒光分析儀等宜配置在單獨的小房間。（2）朝向：人員集中的分析室應布置在朝南位置，包括交接班室、辦公室等房間；精密儀器、標氣鋼瓶、化學藥品室宜布置在朝北位置，以避免陽光直曬。（3）防震：有防震要求的儀器一般應建操作臺放置，如力學儀器、天平、精密儀器。（4）便利性：化驗室的布置要便于儀器設備的安放，便于化驗員的日常操作及人員的行走。

2.2 本項目化驗室房間的功能布局

結合2.1 節化驗室布局要求，以本項目化驗室一層房間布局為例進行說明：在明確一層主要承擔樹脂分析、煤質分析的功能定位前提下，可將分析頻次高的儀器、重型設備以及安裝條件復雜的儀器設備布置在化驗室一層，同時考慮樹脂樣品制樣和測試時的銜接性進行房間功能的綜合劃分。本項目化驗室一層主要功能房間規劃見表1。

表1 所列為主要功能房間，此外，一層的房間規劃還應包括中央空調機組室、電信通訊機房、火警報警檢測機房、留樣室、庫房、數據處理室、交接班室等輔助房間。

表1 本項目化驗室一層主要功能房間規劃

2.3 化驗室的建筑規劃與基礎設施建設的銜接設計

基礎設施是化驗室進行各項分析檢測的前提要素，化驗室建筑規劃設計上，除考慮總體規劃與房間功能布局外，也要考慮基礎設施建設，如水、電、氣、暖通、安全措施、物料傳遞、信息傳遞等各種設計要素的銜接。設計中重點注意以下幾點：（1）根據化驗室的布局及功能區分，充分考慮各類水、電、氣管線的預留或預埋。（2）用水設計上，若有需求，化驗室每層、每個房間、每個實驗臺均應設有對應控制供水的球閥。（3）用電設計上，動力電應考慮全部設備用電總負荷；大型設備還應考慮三相電源用電；關鍵分析性房間應單獨設置配電箱。有條件的化驗室，可另設置不間斷電源（UPS）配電柜[2]，以保證重要儀器設備正常使用。（4）用氣設計上，化驗室氣路的設計要統籌規劃，遵循用氣房間集中化、相同用氣種類的房間盡量靠近的原則。本項目化驗室用氣房間大部分安排在一、二層，以減少管道鋪設的距離，也便于出現泄漏時排查和控制，符合安全設計的原則。需要注意的是，根據SH/T 3103—2019 要求，引入化驗室的所有工藝管道總管應設置切斷閥，并根據需要安裝壓力表、溫度計、流量計、過濾器、減壓穩壓閥等。另外，現代大型化驗室項目還應考慮化驗室規劃的鋼瓶氣的氣路與界區引入的儀表空氣、氮氣等氣體的良好銜接，可設計安裝氣路匯流排裝置，實現兩者之間的相互切換。在滿足分析所用氣體的品質前提下，盡量用界區過來的氣體，以達到節約成本、減少鋼瓶搬運及換裝中的勞動強度。

另外，化驗室的信息建設需要提前考慮網絡通訊的需求進行設計，分析房間及實驗臺應預留通訊端口或網絡接口，在化驗室投入使用后，可開展化驗室信息管理系統（LIMS）建設。在化驗室安全管理規劃上，可規劃設置閉路電視監控系統（CCTV），通過在大門出入口、庫房、關鍵儀器房間等點位安裝視頻監控的攝像頭，實現樓內重要點位的安全監控。化驗室的火災報警系統一般納入全廠消防范疇來考慮和建設，由全廠消防專業統籌設計。

3 化驗室分析儀器與設備的選購

設備選購是化驗室項目建設的另一個工作重心，一方面在新建化驗室的經費支出中儀器設備的采購費用占比很大，另一方面儀器設備選購的好壞直接關系到新建化驗室日后能否正常分析運行。

3.1 儀器選型原則

大型項目化驗室所需儀器設備種類繁多，功能各異，形式上既有手動的，也有全自動的，應在遵循下列原則下開展選型工作：（1）選用儀器應符合分析標準并滿足工藝生產的要求；（2）儀器設備選型應以技術先進可靠、操作快速方便為原則；（3）國內有生產廠且技術性能能滿足分析測試要求的分析儀器、設備由國內配套解決，如專利商有特殊要求的，需經專利商確認；（4）當國內儀器分析精度及壽命達不到要求時，可選用進口分析儀器；（5）除特殊要求外，盡量選擇同一類型的產品。

就本項目化驗室而言，儀器選型前先要制訂分析儀器需求清單，確定儀器的種類和數量。但在化工企業籌建期間，各裝置均未建立，可通過參考相關設計單位的設計文件以及其他化工企業類似裝置設計資料或實際分析計劃進行對標梳理確定[3]。本項目分析儀器需求清單統計顯示，需要的分析儀器涉及200 多種，數量達700 多臺（套）。按照上述選型原則，結合國情與儀器行業發展現狀，對分析精度要求不高的常規類分析儀器，選購設計上立足于選擇國產儀器，如干燥箱、恒溫水浴箱、加熱器、常規水質分析儀、油品分析儀、煤分析儀器等；對于工藝質量控制要求高、分析精度要求高的分析儀器，宜選用進口儀器，如液相色譜儀、氣相色譜儀、等離子發射光譜儀、原子吸收光譜儀、紅外/ 紫外光譜儀、熱重儀、熔融指數測定儀、自動電位滴定儀、K-F 水分測定儀、離子色譜儀、露點儀、微量氣體檢測儀等。

3.2 化驗室設備選型理念差異的影響分析

儀器設備選型理念的差異，直接關系到儀器的采購質量，也對儀器后期的運行養護構成很大影響。以甲、乙化驗室為例，甲化驗室和乙化驗室的儀器設備種類和數量雖無法直接比較，但設備選型理念可作分享：（1）乙化驗室建設之初的目標是建國內一流的化驗室，所以乙化驗室設備選型原則是保證關鍵儀器的性能代表世界領先水平，確保儀器設備在今后一段時間不落伍。除油品分析類儀器按慣例采用國內廠家產品外，其余大部分儀器設備均為進口，所采用儀器廠家皆為分析行業領先者，據乙化驗室技術人員和操作人員反饋，儀器日常使用效果良好，且運行養護成本低。（2）相比較而言，甲化驗室的儀器選購就存在許多不足之處，例如聚烯烴樹脂制樣設備選購中，吹膜機、壓片機、流延膜機3 大設備品牌不一致，存在不同品牌交叉購買現象，不便于后期設備的維護保養；另外氣相色譜儀是現代化驗室中必不可少的主要分析儀器，從甲化驗室采購的氣相色譜儀實際使用效果來看，雖然能滿足分析要求，但日常使用中該氣相色譜儀存在穩定性較差，故障頻繁，操作界面繁瑣等諸多缺點，面臨后期耗材成本居高的問題。

價格是影響儀器設備選購的重要因素，但對于在化工生產控制分析中使用頻繁的儀器，尤其是需要常年24 h 開機運行的儀器，建議選購時淡化價格因素，多從儀器質量、長期穩定性出發考慮。在條件允許情況下，建議適當開展擬購設備使用情況的調研和篩選工作。乙化驗室在選購儀器設備之前，對主要儀器設備生產廠家進行過詳細的摸底考察，并開展了技術交流和談判，對主要儀器的相關用戶進行走訪了解，因此總體講，乙化驗室后續設備和儀器運行效果較好。

3.3 儀器的分包

儀器的分包是設備采購環節中的基礎性和關鍵工作，在完成儀器選型的基礎上，對分析儀器需求清單進行調整與完善，確定出最終的儀器采購清單后，就要制訂化驗室儀器分包方案，以確保儀器采購進度、到貨進場時間與化驗樓土建中交時間匹配。

在制訂儀器分包方案過程中要注意以下幾點：（1）按輕重緩急的采購原則，先期開工裝置所需儀器、進口設備、長周期設備進行提前分包采購；（2）按儀器性能相近的原則進行分包；（3）根據儀器產地屬性按進口、國產分開原則進行分包；（4）將多種價值較低的小型儀器組合后進行分包；（5）將化驗室輔助類儀器或耗材組合后進行分包。

就本項目化驗室而言，對照儀器采購清單，按分析屬性對儀器進行分類，實驗儀器大致可分為：氣液相色譜儀器、樹脂物性測試類儀器（熔融指數測定儀、拉伸儀、沖擊強度分析儀、熱重分析儀等）與樹脂制樣類(注塑機、壓片機、吹膜機等)、光學類儀器（離子發射光譜儀、原子吸收光譜儀、紅外/ 紫外光譜儀等）、水質及電化學類儀器、煤質分析儀器、加熱類儀器、天平類等輔助儀器和化驗室常規類設備。

結合上述分包原則，將儀器設備組合為6 個大包，分別為色譜包、光學儀器包、物性材料測試制樣包、水質電化學包、進口常規包、國產綜合包。制訂科學合理的分包方案，便于后續集中開展技術交流，或是線上聯系儀器廠家確定儀器的性能、質量、價格、耗材及售后服務等，有助于生成規范詳細的儀器采購技術協議，保證詢價、比價、掛網等采購流程的順利推進。

4 結 語

大型化工項目中心化驗室的建設是一項復雜的系統工程，涉及到很多方面。筆者結合實際工作分享了本項目化驗室建設實踐中的一些經驗。在條件允許的情況下，化驗專業人員可在項目建設前期開展關鍵儀器設備的調研工作，考察同行業、同規模、同類型項目的中心化驗室建設和運行情況，以便吸收與借鑒成功經驗、規避不足。