淺談大型電力方艙水性涂裝生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計

徐 進，胡丙群

(許繼電氣股份有限公司工藝研發(fā)部，河南許昌 461000)

0 前 言

根據(jù)《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書中列舉數(shù)據(jù)表明，“十四五”期間我國將進一步加快清潔能源的開發(fā)利用，到2030年非化石能源的消費比重要達到25%左右。清潔能源的加速開發(fā)意味著以一次和二次預(yù)制式電力設(shè)備為依托的大型電力方艙類產(chǎn)品近幾年將呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢。而隨著國家環(huán)保政策的不斷“收緊”，油性漆轉(zhuǎn)水性漆成為必然的趨勢，近些年水性漆在集裝箱、工程機械、汽車等行業(yè)均有批量應(yīng)用的先例。但水性漆對溫濕度要求比較高，施工窗口比較窄，為了保證涂裝質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍，滿足環(huán)評要求，對水性涂裝生產(chǎn)線的規(guī)劃非常必要。大型電力方艙涂裝生產(chǎn)線由于產(chǎn)品加工尺寸較大(12.5 m×3.3 m×3.3 m)，產(chǎn)品防腐要求比較高(涂層厚度>250 μm)，對加工場地需求面積比較大，因此大型電力方艙水性涂裝生產(chǎn)線的規(guī)劃和設(shè)計必須立足于穩(wěn)定性、高效性、節(jié)能性、先進性進行成熟的規(guī)劃設(shè)計。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 項目建設(shè)地點

本項目的規(guī)劃地點位于河南省許昌市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)許繼電氣城工業(yè)園區(qū)西北部3號廠房中跨和北跨，在得到當?shù)丨h(huán)保部門的明確批復(fù)之后，根據(jù)環(huán)境影響報告和批復(fù)報告同時進行環(huán)境保護設(shè)施與主體工程的設(shè)計。項目建設(shè)地點的規(guī)劃需要注意以下幾點：

(1)由于涂裝生產(chǎn)線的特殊性，項目地點的規(guī)劃必須在以滿足國家和地方的安全、衛(wèi)生、環(huán)保、消防相關(guān)規(guī)范法規(guī)的前提下進行實施開展，以免影響到項目竣工驗收。

(2)根據(jù)項目建設(shè)地的氣象條件進行相關(guān)設(shè)備的選型計算，車間、工位是否考慮制冷、采暖措施，為噴漆室空調(diào)能耗計算提供設(shè)計依據(jù)。

(3)涂裝生產(chǎn)線的建設(shè)地點應(yīng)當考慮到與鈑金、焊接和成品車間之間的物流轉(zhuǎn)運距離和轉(zhuǎn)運方式，以免影響整體產(chǎn)品加工周期。

(4)項目建設(shè)地規(guī)劃應(yīng)充分考慮到能源動力供應(yīng)情況，廠區(qū)應(yīng)建有變電站、空壓站等輔助站房，保證供區(qū)給水、供電、供氣可以滿足生產(chǎn)要求。

1.2 生產(chǎn)綱領(lǐng)

生產(chǎn)綱領(lǐng)是生產(chǎn)線設(shè)計的關(guān)鍵指標，對生產(chǎn)線方案的設(shè)計、投資等有很大的影響。數(shù)據(jù)設(shè)定時首先對公司近幾年訂貨進行了詳細調(diào)研，然后結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢進行了分析，確保既滿足目前生產(chǎn)需求，又留有一定的發(fā)展空間，最終通過充分論證后設(shè)定指標。最后確定生產(chǎn)班制為250 d/a，3班制，每班工作6.5 h組織生產(chǎn)。組合裝車后年產(chǎn)約6 200車，設(shè)計節(jié)拍為42 min/車。

1.3 環(huán)保排放指標

根據(jù)環(huán)保批復(fù)要求，生產(chǎn)線廢水排放指標需滿足GB 8678-1996“污水綜合排放標準”表4三級標準及當?shù)匚鬯幚韽S進水水質(zhì)要求。廢氣排放需滿足GB 16297-1996“大氣綜合污染物排放標準”表2二級標準及無組織排放監(jiān)控濃度限值要求。天然氣熱風爐燃燒廢氣應(yīng)滿足DB 41/1066-2015“工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準”表1常規(guī)大氣污染物排放濃度限值要求。廠界噪聲應(yīng)滿足GB 12348-2008“工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準”表1中二類標準要求。固廢處理符合GB 18597-2001“危險廢物貯存污染控制標準”的相關(guān)標準。

1.4 工藝流程配置

目前大型方艙產(chǎn)品水性涂裝的生產(chǎn)工藝已趨向穩(wěn)定成熟，行業(yè)內(nèi)主流水性漆噴涂工藝分為以下4類: 3C3B(三涂三烘)、3C2B工藝(三涂兩烘水性工藝)、3C1B工藝(三涂一烘水性工藝)、B1B2工藝(免中涂水性漆工藝)，其中相較于3C2B及3C1B工藝，B1B2工藝最節(jié)能、運行成本及投資成本最低，但涂料成本、生產(chǎn)管理難度、對涂裝工藝質(zhì)量要求最高。由于電力方艙類產(chǎn)品涂層厚度比較厚，對涂膜單道施工厚度要求比較高，因此確定3C3B(三涂三烘)為標準工藝流程(如表1)[1]。

2 工藝平面圖繪制

2.1 主要設(shè)備形式的確定

2.1.1 噴漆室

本水性涂裝線包括2個干式噴漆室，設(shè)備主要由噴漆室體、新風系統(tǒng)、循環(huán)風系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、底部結(jié)構(gòu)、照明裝置、漆霧凈化裝置、漆霧濃度報警裝置、電控系統(tǒng)、移動式往復(fù)機、三維升降平臺、電動大門等組成(見圖1)。兩端布置升降大門，方便工件進出。室體內(nèi)被漆霧污染的空氣在排風裝置的作用下，經(jīng)過以及漆霧過濾棉及二級漆霧過濾模組引入廢氣處理，排風量略大于送風量，成微負壓環(huán)境。整個室體實行信息化管理，送風空調(diào)，排風系統(tǒng)，室體內(nèi)溫濕度均可在信息化系統(tǒng)中顯示或提示。

(1)漆霧凈化裝置 漆霧凈化裝置處理室體內(nèi)被漆霧污染的空氣，第一級安裝在室體下部的地坑內(nèi)(見圖1)，過濾效率高達90%以上，耐火溫度達240 ℃，由漆霧過濾棉、地坪格柵、迷宮式折流板等組成。第二級采用漆霧過濾模組，過濾材質(zhì)為紙盒，漆霧捕捉率超過95%，處理后接入廢氣處理機組。

漆霧捕集箱的外殼由高強度硬紙板制作，整個外殼的強度需滿足搬運和漆霧捕集工況的需要，其內(nèi)部有漆霧捕集段和終過濾段2段組成。漆霧捕集段位于漆霧捕集箱的入口端，終過濾段位于漆霧捕集箱的出口端。漆霧捕集段的作用是捕集絕大部分的漆霧，終過濾段用來全面攔截剩余的微量漆霧[2]。

(2)送風系統(tǒng) 噴漆室采用循環(huán)風方案，循環(huán)風段只做溫度控制功能，新風段進行溫濕度控制。一臺新風空調(diào)補充2個噴漆室新風，最大風量為單個噴漆室全新風。

整個送風系統(tǒng)包括空調(diào)送風機組、送風風管和風閥等組成。

進風段+初效過濾段+表冷段+天然氣直接加熱段+噴淋段+中間段+風機段+均流段+中間段+中效過濾段+送風段，空調(diào)機組應(yīng)配置水冷式冷凍機組，供應(yīng)空調(diào)機組夏季降溫。

針對噴漆室要求：溫度15～30 ℃，濕度40%～70%，空調(diào)機組參數(shù)需要根據(jù)當?shù)貧夂颦h(huán)境進行計算，計算過程如下。

①項目當?shù)貧庀髼l件 夏季空調(diào)室外計算干球溫度：35.6 ℃，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度：28.2 ℃；冬季空調(diào)室外計算干球溫度：-7 ℃，冬季空調(diào)室外計算相對濕度：63%。

根據(jù)焓濕圖可得以下環(huán)境條件數(shù)據(jù)(見表2)。

表2 當?shù)丨h(huán)境參數(shù)

②設(shè)計施工條件 根據(jù)水性漆的施工窗口數(shù)據(jù)：溫度15～30 ℃，濕度40%～70%，則夏季空調(diào)室內(nèi)計算干球溫度：30 ℃，夏季空調(diào)室內(nèi)計算相對濕度：70% ；冬季空調(diào)室內(nèi)計算干球溫度：15 ℃，冬季空調(diào)室內(nèi)計算相對濕度：40%。

根據(jù)焓濕圖可得以下室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)(見表3)。

表3 空調(diào)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

③參數(shù)計算 根據(jù)風量125 000 m3/h及表冷段出風空氣參數(shù)：

干球溫度：21.93 ℃，濕球溫度：20.60 ℃，相對濕度：88.91%，含濕量：14.71 g/kg 干空氣，焓:59.45 kJ/kg 干空氣，可得：

冬季加熱量：Q=(125 000×1.2)/3 600×(15+7+3)=1 041 kW(工作狀態(tài)范圍，15 ℃，40%)

夏季制冷量：Q=(125 000×1.2)/3 600×(90.458-59.45)=1 291 kW (工作狀態(tài)范圍，30 ℃，70%)

二次加熱量：Q=(125 000×1.2)/3 600×5=210 kW(工作狀態(tài)27 ℃，65%)

加濕量：(噴淋加濕為等焓加濕)

D=(125 000×1.2)/3 600×(4.21-1.403)×3.6=450 kg/h(工作狀態(tài)15 ℃，40%)

(3)循環(huán)風系統(tǒng) 噴漆室是涂裝車間能耗最大的設(shè)備，占涂裝車間總能耗的 50%左右，其中空調(diào)能耗又占總能耗的40%。油漆實現(xiàn)水性化后，要求嚴控作業(yè)環(huán)境的溫濕度，空調(diào)加熱和冷卻的能耗與采用原有的有機溶劑型涂料相比，上升約1.6倍(見表4)。為保護生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排，需努力降低單位GDP產(chǎn)值或每臺產(chǎn)品的能耗，必須采用綠色涂裝技術(shù)，走循環(huán)經(jīng)濟之路。

表4 噴漆室供新鮮空氣調(diào)溫所需能耗

①噴漆室排風循環(huán)利用技術(shù) 噴漆室配置供/排風系統(tǒng)的目的是及時排除噴涂時產(chǎn)生的未附著在被涂物上的飛散漆霧和溶劑蒸氣，防止飛散的漆霧(粒)再掉落在新噴涂的表面上和防止溶劑(VOC)濃度超標，產(chǎn)生安全問題，并為噴漆作業(yè)創(chuàng)造最佳的作業(yè)環(huán)境。與所供的新鮮空氣對比，噴漆室排風中含有漆霧、顆粒物、有機溶劑氣體(VOC)等污染物。經(jīng)技術(shù)狀態(tài)良好的漆霧捕集裝置，基本上可以除掉排風中的漆霧及顆粒物 ，VOC幾乎除不掉，排風的濕度增高(水性漆水分蒸發(fā))，干式漆霧捕集裝置的噴漆室排風顆粒含量≤0.3 mg/m3，不需追加過濾就可直接循環(huán)使用。VOC也除不掉，需補充 5%～20%的新鮮空氣才可循環(huán)利用。噴漆室排風中的VOC含量是決定排風可否循環(huán)利用(或排風利用率)的關(guān)鍵因素，排風在循環(huán)過程中除塵、除濕易實現(xiàn)，可配置再循環(huán)空調(diào)供風裝置，而在這樣大風量的場合除掉或降低VOC含量的難度非常大。為確保噴漆作業(yè)的人身安全和消防安全，必須嚴控噴漆作業(yè)工位空氣中的VOC含量，可理解為：人操作時作業(yè)區(qū)VOC含量應(yīng)維持在衛(wèi)生許可濃度以內(nèi)，自動作業(yè)時VOC含量應(yīng)維持在消防濃度以下(即可燃氣體爆炸下限濃度的25%以下)。涂裝用有機溶劑的爆炸濃度和衛(wèi)生許可濃度列于表5中。[3]按表5所列數(shù)據(jù)估算，取涂裝常用的正丁醇、醋酸乙酯、二甲苯等3種溶劑為代表，其平均爆炸下限濃度為(51+80.4+130)/3=87.1 g/m3，消防安全濃度為 87.1/4=21.78 g/m3，衛(wèi)生許可濃度為(0.20+0.20+0.05)/3=0.15 mg/L。因此，噴漆室排風循環(huán)利用率與單位時間內(nèi)噴涂的涂料量、涂料類型、涂料施工固體含量(或VOC含量)、涂裝方法及涂著效率等因素有關(guān)。噴漆室的供/排風量由噴漆作業(yè)面積(噴漆室噴涂區(qū)段的長度×寬度)和風速設(shè)計選定，基本是定值，因而，產(chǎn)能越大，單位時間的噴漆量越大，涂料的 VOC 含量越高，排風循環(huán)利用率越低。而水性底色漆VOC含量為10%～15%，完全可供循環(huán)風，僅需補充少量(約10%)新鮮空氣。

表5 涂裝常用有機溶劑的特性

②噴漆室排風循環(huán)利用計算 決定噴漆室排風循環(huán)利用率高低的關(guān)鍵因素是供/排風系統(tǒng)中的VOC濃度(含有量)。噴漆室供/排風中的VOC濃度的設(shè)計基準為：有人作業(yè)的噴漆的供風VOC濃度應(yīng)以所用有機溶劑的衛(wèi)生許可濃度(≤200 mg/m3)為基準；自動噴漆的供/排風VOC濃度以小于消防安全濃度[一般為有機溶劑爆炸下發(fā)濃度的1/4(約20 g/m3)]為基準。后者的VOC濃度為衛(wèi)生許可濃度的100倍。因此自動噴漆室排風循環(huán)利用率可達80%以上。當單位時間內(nèi)噴涂的涂料(產(chǎn)生VOC量)小的場合，在衛(wèi)生許可的VOC濃度范圍內(nèi)，可混用部分本噴漆室的循環(huán)排風。

噴漆室供/排風系統(tǒng)中VOC含量和排風循環(huán)利用率(%)的計算：ρVOC=M/V。式中：ρVOC為供/排風體系中的VOC濃度(含有量,g/m3)；M為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的VOC量,g/h,它由單位時間內(nèi)在該工位噴涂的涂料量×(1-NV-W)×60%(在噴漆區(qū)的揮發(fā)率)計算所得[W為水性涂料的含水量(%),NV為固含量(%)，有機溶劑型涂料場合W=0]；V(m3/h)為該噴漆段的總供風量,它是由新風供風量+排風循環(huán)量組成。

通過數(shù)據(jù)計算，新風補充20%為最合理循環(huán)風方案，噴漆室恒溫恒濕由新風量去控制，新風過小時，無法保證恒溫恒濕，室體無保溫，熱損失大于補充能量，風量過小時，無法帶走表冷器和加熱器能量，所以20%新風為最低新風補充界限。

循環(huán)風空調(diào)不帶冷熱源，設(shè)備初運行時，新風空調(diào)送全新風，循環(huán)風空調(diào)全排風，待溫濕度控制穩(wěn)定后，開啟循環(huán)風模式，此時能量損失為排風風量帶出去的能量和室體未保溫損失能量，新風補充量大于損失就可維持恒溫恒濕狀態(tài)。新風空調(diào)設(shè)計參數(shù)足以保證新風20%狀態(tài)下，維持恒溫恒濕參數(shù)。

(4)噴漆系統(tǒng) 2個噴漆室體內(nèi)設(shè)三維升降小車、移動式往復(fù)機。往復(fù)機與三維小車互不干涉，共用1條軌道，當一個在工作時，另一個在噴漆室一端頭等待，帶限位裝置，防止發(fā)生故障自動運行。

三維升降小車便于作業(yè)人員在噴漆時可左右、上下、前后移動。對大型設(shè)備的涂裝作業(yè)可減輕作業(yè)人員的勞動強度和提高工作效率。

移動式往復(fù)機可同時三面噴涂，來回移動式完成工件多次表面噴涂，完成噴涂作業(yè)后移動到室體一側(cè)，帶限位裝置，防止人工補漆時發(fā)生安全事故。整體由龍門架、整體移動模組、水平滑動模組、垂直滑動模組、電氣控制系統(tǒng)等組成，設(shè)備主要參數(shù)：軌道總長16 000 mm，軌道內(nèi)側(cè)距離為4 000 mm，行走速度為300～3 000 mm，行走電機為防爆變頻制動電機，滑板移動范圍約4 200 mm，滑板移動速度為200～2 000 mm/min。滑板移動電機防爆變頻制動電機：滑板升降速度200～2 000 mm/min，滑板升降電機為防爆變頻制動電機，電源供應(yīng)為380V-3P-50HZ，高壓無氣噴涂系統(tǒng)為GRACO，噴涂系統(tǒng)固定平臺為500 mm×850 mm×1 200 mm。自動噴槍懸掛滑板：噴槍滑板升降調(diào)節(jié)為SMC300氣缸，噴涂管路行走拖鏈為履帶式拖鏈槽。工作示意圖如圖2。與固定式往復(fù)機相比，移動式往復(fù)機具備一定的靈活性，同時也可以節(jié)省減少項目占地面積、供漆系統(tǒng)的投資。但是由于隨動供漆系統(tǒng)的容量有限，只適用于間歇式生產(chǎn)而不適用于連續(xù)式生產(chǎn)模式。

(5)烘干系統(tǒng) 烘干室由室體、三元體熱風爐、循環(huán)風管、廢氣排放管路、平臺、溫控系統(tǒng)、電動升降大門等組成，主要用于噴漆后的漆膜干燥固化，烘干室兩端設(shè)置電動升降大門。按照水性漆的特性，烘干室溫度升溫有預(yù)升溫時間段、預(yù)熱時間段(40 ℃，10 min)、升溫時間段，保溫時間段(80 ℃，30 min)。

烘干室熱量計算：

N=860KA

式中：A為烘干室內(nèi)腔容積，m3；K為每m3加熱40～50 時所需的熱量=0.8 kW/m3。

烘干時總循環(huán)風量

Qs=60FN

式中：Qs為循環(huán)風量，m3/h；F為烘干室容積，m3；N為換氣次數(shù)，取3次/min。

2.1.2 地面輸送系統(tǒng)

采用電動轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軌車、地面鏈及小車系統(tǒng)的方式來輸送工件。全線配備8套無動力工藝臺車，每臺小車承重10噸。2套轉(zhuǎn)軌車，每臺轉(zhuǎn)軌車承重10噸。下線轉(zhuǎn)盤配置旋轉(zhuǎn)工位，承重20噸(最大工件重量+運送拖車總載荷，約20噸)，1套自帶動力軌道小車，小車能與工藝臺車自動對接，實現(xiàn)工件在兩個跨度之間的轉(zhuǎn)移。工位之間的轉(zhuǎn)換主要靠2套轉(zhuǎn)軌車來回擺渡實現(xiàn)，涂裝下線后，由車間10噸行車配合動力軌道小車下件，實現(xiàn)輸送的循環(huán)，車間改造10噸行車把工件舉升約500～1 000 mm，運送拖車可立即開出車間，此時工裝小車輸送到工件下方，人工配合工件落到小車固定位置。

2.1.3 環(huán)保處理系統(tǒng)

噴漆室和烘干室廢氣采用“催化燃燒裝置脫附再生”工藝處理方案，處理后的尾氣排放達到國家的排放標準。噴砂室，打磨間各設(shè)置有除塵設(shè)備，降低粉塵對空氣的污染。如圖3所示。

2.1.4 信息化設(shè)備

水性涂裝生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)控制層以信息收集和設(shè)備控制為主，具備信息統(tǒng)計收集以及分析功能，可實現(xiàn)生產(chǎn)管理、安全管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等數(shù)據(jù)的信息化控制，詳見圖4。

2.1.5 其他設(shè)備

此外，水性涂裝生產(chǎn)線還包括強冷室、拋丸室、膩子打磨室、消防設(shè)備等相關(guān)配置，保證水性涂裝生產(chǎn)線的安全、高效運行。

2.2 總平面布置

水性涂裝生產(chǎn)線的總平面布置圖如圖5。圖5中廠房南跨為原槽式處理生產(chǎn)線和粉末噴涂線，中跨為水性涂裝生產(chǎn)線臨時待轉(zhuǎn)區(qū)，北跨為水性涂裝生產(chǎn)線。北側(cè)綠化帶內(nèi)布置除塵器、風機、空調(diào)、廢氣處理機組等輔助設(shè)備。電力方艙從廠房東側(cè)開門進入，經(jīng)行車起吊、電動轉(zhuǎn)盤、地面鏈、平移車依次輸送至各室體進行作業(yè)，涂裝作業(yè)后再從東側(cè)大門出件。此平面布局方案具備占地面積最小、物流路線最短，轉(zhuǎn)運便捷、投資經(jīng)濟等多個優(yōu)點，是華中地區(qū)少見的大型水性涂裝生產(chǎn)線。

3 結(jié) 語

大型方艙水性涂裝生產(chǎn)線屬于大型非標自動化生產(chǎn)線，其產(chǎn)線規(guī)劃涉及土建、結(jié)構(gòu)、消防、公用、化工、機械等多個學(xué)科的綜合性知識，需要在設(shè)計過程中充分收集準確的設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合大型方艙產(chǎn)品特點、生產(chǎn)綱領(lǐng)、投資預(yù)算、環(huán)保法規(guī)、水性涂裝工藝、建設(shè)地法規(guī)選取合理的工藝配置、建筑結(jié)構(gòu)、公用能源等合理規(guī)劃工藝平面布置圖。從設(shè)計階段就要遵循節(jié)能減耗、綠色環(huán)保、精益設(shè)計的原則對設(shè)備長度、形式合理選型，才能保障正式運行后生產(chǎn)線的高效節(jié)能運轉(zhuǎn)。