汽車涂裝車間節(jié)能方法研究與應(yīng)用

周康渠，鄒冰倩

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶　400054)

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引用格式：周康渠，鄒冰倩.汽車涂裝車間節(jié)能方法研究與應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016(1):37-42.

Citation format：ZHOU Kang-qu, ZOU Bing-qian.Research and Application of Energy-Saving Method for Car Coating Workshop[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):37-42.

汽車涂裝車間節(jié)能方法研究與應(yīng)用

周康渠，鄒冰倩

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶400054)

摘要：針對目前汽車涂裝車間存在的預(yù)熱設(shè)備啟動模式、壓縮空氣泄漏及低溫余熱利用3方面能源浪費(fèi)問題進(jìn)行了分析，并對某汽車涂裝車間進(jìn)行實證研究。通過對預(yù)熱設(shè)備的自動化啟動控制問題節(jié)能方法的研究，改善了該涂裝車間的能源浪費(fèi)情況，并對節(jié)能效果進(jìn)行量化分析，為汽車涂裝車間的節(jié)能改進(jìn)提供了理論和現(xiàn)實的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：涂裝車間；節(jié)能；預(yù)熱設(shè)備；壓縮空氣泄露

汽車涂裝車間是汽車制造企業(yè)中最嚴(yán)重的公害發(fā)生源之一，涂裝車間所消耗的能源、水以及揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的排放占汽車制造過程的60%以上[1-2]，使得降低涂裝車間的能源消耗成為降低汽車制造成本中能源成本的重點(diǎn)。與國際先進(jìn)涂裝水平相比，我國汽車涂裝技術(shù)在節(jié)能減排、資源利用及工藝設(shè)計等方面存在著明顯差距[3-6]。所以，無論從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、降低汽車制造成本，還是從達(dá)到國際化先進(jìn)的汽車生產(chǎn)制造水平來說，迫切需要對汽車涂裝車間進(jìn)行節(jié)能研究。

近幾年，國內(nèi)外科研人員對汽車涂裝生產(chǎn)中的涂裝成本、能源使用及節(jié)能等方面進(jìn)行了實質(zhì)性研究。Meeso Naret、Kumar A等[7]對涂裝車間烘房結(jié)構(gòu)和烘房的加熱方式進(jìn)行了節(jié)能研究。李春旺等[8]針對汽車涂裝車間全新風(fēng)空調(diào)的特點(diǎn)提出了利用i-d圖的多工況區(qū)分控制策略，即在不同工況下，啟動相應(yīng)的溫度及濕度控制曲線來降低空調(diào)系統(tǒng)耗能。李冰笑、喻國琴等[9]針對涂裝車間噴漆室空調(diào)系統(tǒng)蒸汽浪費(fèi)的問題，對噴漆室空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與節(jié)能改造，通過設(shè)置2套空調(diào)機(jī)組，采用自動控制系統(tǒng)監(jiān)控?zé)崃?shù)，實現(xiàn)了噴漆室空調(diào)系統(tǒng)值班狀態(tài)和生產(chǎn)狀態(tài)的性能優(yōu)化。此外，林驥[10]根據(jù)理論和工程實例進(jìn)行的研究表明：安裝煙氣余熱回收裝置可以提高噴漆室的效率，降低汽車制造過程的總體能耗?？梢钥闯觯簢鴥?nèi)外學(xué)者對涂裝車間節(jié)能問題日益重視，研究重點(diǎn)主要集中在空調(diào)系統(tǒng)和烘房加熱結(jié)構(gòu)及煙氣余熱利用的新技術(shù)等方面。但是涂裝車間的節(jié)能研究應(yīng)從多方面、多角度入手。本文主要從預(yù)熱設(shè)備啟動模式和壓縮空氣泄漏2方面對涂裝車間節(jié)能方法進(jìn)行研究。

1汽車涂裝車間能源浪費(fèi)問題

1.1預(yù)熱設(shè)備啟動模式問題

目前，很多涂裝車間中預(yù)熱設(shè)備在啟動模式上普遍存在著能源浪費(fèi)的問題。在正常噴涂生產(chǎn)過程中，車間電泳烘爐、膠干烘爐、中涂烘爐、面漆烘爐和中涂噴漆室以及面漆噴涂室都需要預(yù)熱和預(yù)通風(fēng)。在日常生產(chǎn)中，預(yù)熱設(shè)備的提前開啟都是人工操作，并且很多涂裝車間并未對這些設(shè)備的預(yù)熱時間進(jìn)行測算，只是為了方便由工人在生產(chǎn)開始前的某個時間統(tǒng)一開啟。然而，在實際操作中存在不準(zhǔn)時開啟設(shè)備的情況。過早開啟預(yù)熱設(shè)備會造成對燃?xì)?、電能、水的浪費(fèi)；過晚開啟則會造成環(huán)境條件達(dá)不到生產(chǎn)需求而耽誤生產(chǎn)，影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率。同時，車間還存在著對多臺設(shè)備和工序一鍵式控制的情況。例如，前處理所有工序都由一個開關(guān)控制，在車間斷產(chǎn)、清產(chǎn)后恢復(fù)生產(chǎn)時，設(shè)備同時一鍵式啟動造成了能源的浪費(fèi)。首臺車體之前處理的第1個工位到達(dá)最后一個工位需要近1.5 h的時間。工序越靠后，設(shè)備做無用功的時間越長，同樣造成了能源的浪費(fèi)。

1.2壓縮空氣泄漏問題

在目前的汽車涂裝車間中，普遍存在著壓縮空氣的泄漏問題。壓縮空氣的泄漏容易造成噴涂機(jī)器人等氣動工具因空氣壓力低而無法穩(wěn)定工作，還存在增加壓縮機(jī)的負(fù)荷及工作時間、增加電能等其他能源消耗、增大工作環(huán)境噪音，以及增加維修工作量、增加汽車制造成本等一系列問題。從圖1可以看出壓縮空氣從制造到使用過程中的損失情況。

圖1　壓縮空氣損失情況

由圖1可以看出各個環(huán)節(jié)中壓縮空氣損失的百分比，壓縮空氣的輸出只占輸入電能的21%。由此可以看出：壓縮空氣是很“昂貴”的能源，而在此過程中因泄漏造成的損失就占到31%，能源的白白流失增加了產(chǎn)品的制造成本。從表1中的數(shù)據(jù)可知壓縮空氣泄漏所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

表1　壓縮空氣損失流量與孔徑的關(guān)系　(m3·min-1)

由表1可以看出：一個孔徑為5 mm、壓力為8 kPa的壓縮空氣泄漏孔，查表漏氣量為2.09 m3/min，那么該孔一年泄漏的氣量為

2.09×60×24×300=902 880 m3/年

如果按壓縮空氣價值0.15元/m3計算，該孔造成的年損失價值為

0.15×902 880=135 432 元

通過簡單計算可以看出：一個直徑5 mm的泄漏孔，每年造成的損失是13 萬元。而汽車涂裝車間以及其他車間中，對壓縮空氣泄漏管制比較松懈，所以像這種空氣泄漏孔的存在是很普遍的。

目前，對壓縮空氣泄漏的監(jiān)測和控制可以從以下幾方面入手：

1) 增加泄漏檢測和維修等預(yù)防機(jī)制。

2) 通過超聲波檢測法對壓縮空氣泄漏狀況進(jìn)行精確檢測。

3) 斷開不工作設(shè)備的氣源供應(yīng)。

4) 安裝油氣分離器或氣水分離器，防止冷凝液排放點(diǎn)造成的壓縮空氣泄漏。

5) 更換泄漏處的接口和閥門。更換后的接口設(shè)備應(yīng)考慮以下幾方面： ① 口徑較大，與壓縮機(jī)口匹配度較高；② 選用流線型氣流入口減小阻力；③ 接口內(nèi)部表面粗糙度較小，以減少流動阻力和腐蝕顆粒；④ 具有多層過濾層等。

6) 穩(wěn)定系統(tǒng)供氣壓力和降低使用點(diǎn)與壓縮機(jī)輸出點(diǎn)的壓差損失。

1.3低溫余熱能源浪費(fèi)問題

目前，我國工業(yè)用能中近70%的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源，其中350 ℃以下的低溫余熱約占余熱總量的50%。在汽車制造企業(yè)涂裝車間中，存在烘爐余熱排放。噴漆室余熱排放等余熱資源浪費(fèi)問題。這些低溫余熱沒有經(jīng)過良好的回收利用，幾乎全以廢氣、廢水等形式直接排出，造成熱能的浪費(fèi)以及環(huán)境污染等問題。

這些熱能可以通過低溫余熱回收技術(shù)和設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。例如：可以預(yù)熱車間、烘爐內(nèi)和噴漆室內(nèi)空氣，對電泳烘爐內(nèi)的空氣進(jìn)行預(yù)干燥，生產(chǎn)熱水和蒸汽，制冷或制熱，也可以用來驅(qū)動風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等設(shè)備。

低溫余熱資源發(fā)電技術(shù)和設(shè)備在瑞典、日本、美國等國家已進(jìn)行開發(fā)，有些國家已經(jīng)成功進(jìn)入了市場化推廣應(yīng)用階段。我國在低溫余熱發(fā)電技術(shù)方面處于起步階段[11-15]，有些高校和研究機(jī)構(gòu)研制出了低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。例如：湖南大學(xué)研制的“高速透平膨脹機(jī)+永磁發(fā)電機(jī)”直驅(qū)式余熱發(fā)電系統(tǒng)；中船712所研制的“透平膨脹機(jī)+工頻發(fā)電機(jī)”余熱發(fā)電系統(tǒng)等。汽車涂裝車間可以利用這些技術(shù)和設(shè)備對車間所產(chǎn)生的低溫余熱進(jìn)行回收利用，提高資源利用率，達(dá)到涂裝車間節(jié)能的效果。

通過對涂裝車間以上能源浪費(fèi)問題的分析可以看出：對于汽車涂裝車間這樣一個能源耗費(fèi)高的生產(chǎn)車間，需要從工藝、設(shè)備、排放、檢測等多方面對其節(jié)能問題進(jìn)行分析研究。本文主要對涂裝車間中普遍存在的預(yù)熱設(shè)備啟動模式耗能問題進(jìn)行改善。

2汽車涂裝車間能源浪費(fèi)問題的改進(jìn)

2.1涂裝車間預(yù)熱設(shè)備啟動模式分析

某大型汽車企業(yè)涂裝車間在預(yù)熱設(shè)備啟動模式上存在著能源浪費(fèi)問題。在日常生產(chǎn)中，烘爐和噴涂室需要預(yù)熱和預(yù)通風(fēng)1.5 h左右。在實際生產(chǎn)過程中，車間每天早上8點(diǎn)開始生產(chǎn)，相關(guān)人員在6點(diǎn)30分需要將整個前處理線、電泳烘爐、膠干烘爐、中涂烘爐、面漆烘爐、中涂和面漆2個噴漆室開啟。該過程造成了水能、電能和燃?xì)獾睦速M(fèi)。在對問題進(jìn)行充分調(diào)查研究后，對預(yù)熱設(shè)備啟動模式造成的能源浪費(fèi)問題進(jìn)行改進(jìn)。

2.2預(yù)熱設(shè)備啟動模式改進(jìn)

1) 首先，對車間電泳烘爐、膠干烘爐、中涂烘爐、面漆烘爐和中涂噴漆室以及面漆噴涂室所需要的預(yù)熱和預(yù)通風(fēng)時間進(jìn)行了測量和計算。由于夏季和冬季環(huán)境溫度差異大，將設(shè)備所需要的預(yù)熱時間和預(yù)通風(fēng)時間分為了夏季和冬季2種情況。具體設(shè)備升溫時間見表2。

表2　設(shè)備預(yù)升溫(通風(fēng))時間

2) 自動化準(zhǔn)時啟動程序設(shè)計

針對該汽車涂裝車間存在的不準(zhǔn)時開啟預(yù)熱設(shè)備造成能源浪費(fèi)的問題，通過采用西門子S7-300PLC設(shè)備對電泳烘爐、膠干烘爐、中涂噴漆、中涂烘爐、面漆噴涂、面漆烘爐6個需要預(yù)熱的設(shè)備進(jìn)行自動化準(zhǔn)時啟動控制。利用STEP7編程軟件對該控制過程進(jìn)行了編程，通過定時和計數(shù)控制功能實現(xiàn)了對設(shè)備的準(zhǔn)時啟動。

PLC程序主體包含設(shè)備啟動模塊、時間調(diào)用模塊和設(shè)備電機(jī)啟動模塊。主要原理：通過設(shè)備啟動模塊控制PLC程序的開啟，對系統(tǒng)時間進(jìn)行調(diào)用，然后與設(shè)備電機(jī)啟動的目標(biāo)時間進(jìn)行比較，在系統(tǒng)時間到達(dá)目標(biāo)啟動時間時開啟預(yù)熱設(shè)備。具體的PLC程序見圖2～4。

圖2　設(shè)備啟動控制模塊

圖3　時間調(diào)用模塊

圖4　電泳烘爐啟動模塊

對于后續(xù)3個烘爐與2個噴漆室的啟動控制模塊與電泳烘爐啟動原理相同，僅需要根據(jù)表2中的設(shè)備目標(biāo)啟動時間設(shè)定各自啟動時間即可。

通過對該涂裝車間中預(yù)熱設(shè)備自動化準(zhǔn)時啟動控制程序的建立，能夠初步實現(xiàn)對需要提前預(yù)熱的設(shè)備進(jìn)行自動化啟動控制。并且，在對該涂裝車間完成了節(jié)能技術(shù)改進(jìn)之后，通過一段時間的運(yùn)行，對該方案的實施所節(jié)約的能源進(jìn)行定量評估。

3節(jié)能效果分析

通過對汽車企業(yè)涂裝車間設(shè)備功率、設(shè)備數(shù)的調(diào)查分析，可以初步分析出采用PLC技術(shù)對4個烘爐和2個噴漆室啟動的自動化控制能達(dá)到的節(jié)能效果，并對這些節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的量化，使其更加直觀。

4個烘爐及2個噴漆室在使用過程中消耗了電能、天然氣等，消耗這些能源的設(shè)備主要有烘爐、送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)等。具體如下：首先，烘爐和風(fēng)機(jī)在使用過程中需要消耗電能工作，需要燃?xì)膺M(jìn)行加熱升溫，同時，烘爐工作過程中還需要送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)對烘爐內(nèi)的空氣進(jìn)行通風(fēng)循環(huán)；其次，噴漆室在工作中也需要風(fēng)機(jī)消耗電能對噴漆室內(nèi)的空氣進(jìn)行上下通風(fēng)，便于廢漆渣與水接觸；最后，噴漆室地下有水循環(huán)系統(tǒng)攜帶廢漆渣進(jìn)入回收處理站進(jìn)行漆渣清潔和打撈。

文本已計算出需要預(yù)熱設(shè)備的啟動時間。在實際生產(chǎn)中，工人會在6∶30左右開啟需要預(yù)熱和預(yù)通風(fēng)的設(shè)備。在該汽車企業(yè)涂裝車間中，平均一年工作時間約300天。假設(shè)采取半年夏季控制時間、半年冬季控制時間，根據(jù)以上這些數(shù)據(jù)，可以計算出該車間通過改進(jìn)設(shè)備自動化預(yù)熱控制所達(dá)到的節(jié)能效果。該涂裝車間烘爐和噴漆室實際采用的送風(fēng)機(jī)功率、排風(fēng)機(jī)功率、烘爐數(shù)量和功率、燃?xì)庀牧?、水流速度及電費(fèi)、水費(fèi)、燃?xì)赓M(fèi)等計算數(shù)據(jù)見表3。

表3　烘爐和噴漆室設(shè)備數(shù)量及功率

通過計算可得：由于對涂裝車間烘爐和噴漆室這6道工序設(shè)備進(jìn)行自動化啟動控制，一年可以節(jié)省能源費(fèi)用約66.75萬元(如表4所示)，節(jié)能效果顯著，可為其他汽車涂裝車間的節(jié)能改進(jìn)提供實際案例和改進(jìn)依據(jù)。

表4　節(jié)約能源費(fèi)用

4結(jié)束語

本文對普遍存在于汽車涂裝車間的預(yù)熱設(shè)備啟動模式問題、壓縮空氣泄漏問題以及涂裝車間內(nèi)低溫余熱能源浪費(fèi)問題進(jìn)行了分析與研究。以某汽車涂裝車間為例，對該涂裝車間因預(yù)熱設(shè)備啟動模式引起的能源浪費(fèi)的問題進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了較理想的節(jié)能效果。同時，本文在實際情況考慮中還存在一些缺點(diǎn)，例如暫時未考慮工廠每天16 h的兩班制生產(chǎn)情況；未考慮清產(chǎn)后整線重新開機(jī)情況等，這些將在下一步的研究工作中完善。綜合來看，本文能為其他涂裝車間采取節(jié)能措施提供借鑒。

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(責(zé)任編輯陳艷)

Research and Application of Energy-Saving Method

for Car Coating Workshop

ZHOU Kang-qu, ZOU Bing-qian

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology，

Chongqing 400054, China)

Abstract:The energy waste problems of the current car coating workshop of equipment preheating model, compressed air leak and low temperature waste heat utilization were analyzed. And we had empirical research on a certain car coating workshop. Through the research of energy saving method of automation start control of preheating equipment, the energy waste problem in the coating workshop was improved and we made quantitative analysis of the effect of energy saving, which provides theoretical and practical reference for the energy saving improvement of car coating workshop.

Key words:car coating workshop; energy saving; preheating equipment; compressed air leak

文章編號：1674-8425(2016)01-0037-06

中圖分類號：TK01+8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.007

作者簡介：周康渠(1967—)，女，四川達(dá)州人，博士，教授，主要從事生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、制造業(yè)信息化等方面研究。

基金項目：重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項目(cstc2013jcyjA60002);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1400908)；重慶市教委人文社會科學(xué)研究項目(15SKG133)

收稿日期：2015-08-01