自動(dòng)化涂裝車間方案設(shè)計(jì)中對(duì)于節(jié)能減排和降成本的思考

摘 要：在涂裝工廠方案設(shè)計(jì)中，基于當(dāng)下現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化和方案上的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)低污染物排放，達(dá)到了節(jié)能降耗和降低成本的預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：涂裝;能耗;VOC排放;環(huán)保;節(jié)能減排;方案設(shè)計(jì);規(guī)劃

0? ? 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，環(huán)保節(jié)能和低成本越來越成為社會(huì)共識(shí)和衡量工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)尺。涂裝工業(yè)作為與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，其方案設(shè)計(jì)水平與節(jié)能綠色目標(biāo)的達(dá)成密切相關(guān)。鑒于此，本文將重點(diǎn)討論在工業(yè)涂裝行業(yè)大型自動(dòng)化流水線式涂裝車間的方案設(shè)計(jì)中，如何綜合考慮多方因素，以滿足節(jié)能綠色的環(huán)保要求，并兼顧成本控制。

1? ? 方案設(shè)計(jì)綱領(lǐng)

涂裝方案設(shè)計(jì)邏輯，一般第一步先確定工藝方向，第二步確定廠房，第三步確定總體布局，第四步確定詳細(xì)布局，第五步確定實(shí)施細(xì)節(jié)。本文將根據(jù)這樣的邏輯順序分析各個(gè)階段中影響能耗、環(huán)保和成本的因素。

2? ? 主要技術(shù)方向的節(jié)能降本

第一步先確定涂裝工序的工藝方向，工藝方向與后續(xù)的節(jié)能效果和整體布局密切相關(guān)。一般來說，涂裝工藝大致分前處理階段和噴涂階段。

其中，前處理階段工藝需要做基礎(chǔ)防腐和表面處理，讓工件表面處于適合噴涂的狀態(tài)。該階段主要影響前處理線和能源系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

而噴涂階段，根據(jù)涂料類型不同，常見的工藝有溶劑型涂料3C2B，水性涂料3C1B、B1B2工藝（C代表一道噴涂，B代表一道烘干）。涂料類型的選擇會(huì)極大地影響VOC的排放，而且配套工藝設(shè)備的不同也會(huì)影響噴漆室的段位設(shè)計(jì)和烘房的數(shù)量。水性涂料工藝中由于有機(jī)溶劑被去除，所以直接降低了VOC排放，并且減少了烘干次數(shù)，也降低了烘房能耗。水性漆工藝相比溶劑型的3C2B能源消耗降低30%，VOC降低70%，油漆消耗量降低20%。傳統(tǒng)水性漆3C3B、水性漆3C1B、水性漆免中涂示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

3? ? 廠房布局中的節(jié)能降本

第二步是確定廠房布局，廠房的布局要考慮節(jié)拍、工藝設(shè)備和土建等因素的影響，繼而做出廠房樓層數(shù)、跨距、是否需要搭建二樓架高層和中間層進(jìn)行跨線物流等問題的決策。

3.1? ? 從節(jié)拍上考慮

設(shè)計(jì)節(jié)拍決定了生產(chǎn)線的規(guī)模大小，一般考慮到市場(chǎng)反應(yīng)的不確定性和減少初期投資，大規(guī)模生產(chǎn)線會(huì)設(shè)計(jì)為兩條線分階段投產(chǎn)，一期只建設(shè)一條線，預(yù)留二期空間和不同工藝之間的連通線（一般在中間層即一樓設(shè)備上方到二樓樓板之間的空間，搭建連通線，可以在實(shí)現(xiàn)跨線連通功能的同時(shí)不影響地面的工位和通道），如圖4所示。

30JPH左右的生產(chǎn)線一般單線生產(chǎn)即可滿足需求，不需要考慮做中間層，也很少需要在二樓搭建鋼平臺(tái)用于緩存區(qū)。所以廠房高度可以定義為一樓標(biāo)高0 m，二樓標(biāo)高7 m，屋面底部?jī)舾?8 m。較小的廠房空間體積有利于減少廠房空調(diào)容量，進(jìn)而降低投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，也能提高換氣效率和塵埃過濾效率，有利于提高質(zhì)量水平。

60JPH左右的生產(chǎn)線一般需要雙線生產(chǎn)，需要考慮中間層和搭建鋼平臺(tái)的需求，因此廠房高度大致應(yīng)定義為一樓標(biāo)高0 m，二樓標(biāo)高8～9 m，屋面底部?jī)舾?8～20 m。

3.2? ? 從工藝上考慮

前處理線的輸送設(shè)備和工藝路線會(huì)影響整條線的長(zhǎng)度。例如采用EMS輸送，由于存在入槽坡度，所以槽體長(zhǎng)度不得不加長(zhǎng)，加大了槽液用量和能耗;而采用翻轉(zhuǎn)式輸送機(jī)，可以取消入槽段的斜坡，直接采用矩形截面槽體，在達(dá)到同樣全浸沒時(shí)間的條件下，翻轉(zhuǎn)式輸送機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更短的槽體長(zhǎng)度，使得前處理線的空間占用更小，如圖5所示。

廠房總長(zhǎng)度的瓶頸往往存在于工件上掛段長(zhǎng)度+前處理線長(zhǎng)度，或者存在于噴房長(zhǎng)度+面漆烘房長(zhǎng)度。所以只要確定了以上主要工藝和工藝段的長(zhǎng)度，就能預(yù)估出廠房的總體長(zhǎng)度。

3.3? ? 從土建上考慮

根據(jù)建筑常用的模數(shù)，廠房跨距的尺寸一般應(yīng)該為3 m的倍數(shù)，非標(biāo)準(zhǔn)跨距可能帶來建筑成本的上升和項(xiàng)目升級(jí)改造的難點(diǎn)。例如，由于前處理入口處和電泳出口一般要考慮線體側(cè)面有工件橫向換線裝置以便切換到下道工序生產(chǎn)線，因此前處理和電泳線所在的跨寬度一般為12 m才能確保容納上下兩道工序的生產(chǎn)線和換線設(shè)備。

4? ? 總體布局中的節(jié)能降本

總體布局上，優(yōu)先考慮把高溫區(qū)和需要介質(zhì)循環(huán)的區(qū)域集中布置。例如，前處理和電泳區(qū)域一般可以相鄰平行布置;噴房由于廢氣處理區(qū)域需要與其他區(qū)域密閉隔離;應(yīng)該把色漆線和清漆線相鄰平行布置，讓用漆點(diǎn)盡量集中，減少供漆管線的長(zhǎng)度;烘房與烘房盡量靠近，減少與其他區(qū)域的熱量交換造成的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，如圖6所示。

同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意，在電泳區(qū)域附近，應(yīng)該有可以就近布置供電站的空間;在噴房附近，也應(yīng)該有空間來布置調(diào)漆間和空調(diào)等附屬設(shè)備。遵循就近原則，可以減少烘房熱量流失，減少管路和線纜投資，減少線路損耗，也有利于在換色、管路清洗等情況下減少介質(zhì)損失，降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。

總體布局時(shí)，一般把前處理噴房和烘房布置在二樓，人工工位都布置在一樓。因?yàn)槿斯すの簧婕肮ぱb輔具的流轉(zhuǎn)，最好在同一層并盡量靠近以便物流。集中布置人工工位意味著新鮮空氣的供給系統(tǒng)也相對(duì)規(guī)則，不需要穿插樓層。

5? ? 詳細(xì)布局

在使用高單價(jià)設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意盡量提升高單價(jià)設(shè)備的節(jié)拍利用率。例如，如果規(guī)劃的生產(chǎn)線節(jié)拍為兩條線各20JPH，遠(yuǎn)低于升降機(jī)的設(shè)計(jì)節(jié)拍60JPH時(shí)，應(yīng)考慮一個(gè)升降機(jī)負(fù)責(zé)多種任務(wù)，以提高利用率，減少設(shè)備閑置時(shí)間。

如圖7所示，通常情況下，升降機(jī)布置時(shí)只負(fù)責(zé)單一任務(wù)。二樓烘房出口連接位于一樓精修線和二樓架高層的緩存區(qū)時(shí)，1號(hào)升降機(jī)負(fù)責(zé)烘房往精修線，實(shí)際使用節(jié)拍只有60%，存在節(jié)拍閑置情況;2號(hào)升降機(jī)負(fù)責(zé)烘房往緩存區(qū)，一般僅在后道工序堵塞或準(zhǔn)備停工時(shí)排空烘房等非正常生產(chǎn)模式下使用，使用率10%。而且從邏輯上來說，出現(xiàn)需要?jiǎng)佑?號(hào)升降機(jī)的非正常生產(chǎn)情況時(shí)，1號(hào)升降機(jī)處于非正常的低節(jié)拍運(yùn)行或者停止?fàn)顟B(tài)。

考慮到升降機(jī)節(jié)拍閑置過于浪費(fèi)，應(yīng)用單臺(tái)升降機(jī)兼顧正常生產(chǎn)時(shí)面漆烘房往精修線和非正常生產(chǎn)時(shí)面漆烘房往緩存區(qū)的雙重任務(wù)，如圖8所示。取消升降機(jī)2，可以降低投資約25萬元，減少數(shù)萬元的備件需求。

在設(shè)計(jì)工件緩存區(qū)時(shí)，應(yīng)考慮讓工件可以不經(jīng)過緩存區(qū)直接到下一工藝段接口，這樣有利于減少工件的無意義在線時(shí)間和物流路線上的設(shè)備能耗。

如圖9所示，工件途經(jīng)7個(gè)輥床、2個(gè)橫移機(jī)才能到達(dá)下道工序接口。

如圖10所示，工件只經(jīng)過1個(gè)輥床、1個(gè)橫移機(jī)即可到達(dá)下道工序接口。

對(duì)比以上兩種方案，每個(gè)工件經(jīng)過這一路段時(shí)，方案二能減少6臺(tái)0.37 kW/h規(guī)格電機(jī)的能耗，按照雙班工作制計(jì)算，方案二每年節(jié)能約8 525 kW。

6? ? 實(shí)施細(xì)節(jié)

經(jīng)過以上步驟，涂裝車間所需的廠房、工藝及設(shè)備基本都已經(jīng)確定，投資成本基本固定。但是在后續(xù)的細(xì)化落地中，仍然有可以深度挖掘的節(jié)能減排、降低成本的潛力。

例如，在不改變?cè)O(shè)備規(guī)劃、增加投資的情況下，通過中控系統(tǒng)優(yōu)化，精細(xì)化管理設(shè)備的開機(jī)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降成本。過去的生產(chǎn)組織方式是開班時(shí)全線開機(jī)，1 h后，前處理線和前處理烘房預(yù)熱達(dá)到工藝條件后，首件上線;停工時(shí)，面漆烘房輸出末件后，全線關(guān)機(jī)。

當(dāng)下的實(shí)踐中，可以采取更加精細(xì)化的開關(guān)機(jī)管理策略。線體啟動(dòng)時(shí)，中控根據(jù)傳感器確認(rèn)首件所處工位，提前命令后續(xù)工位開機(jī)預(yù)熱。停線時(shí)，中控根據(jù)末件所在位置及時(shí)關(guān)閉已完工工藝段的設(shè)備和空調(diào)。

假設(shè)每個(gè)主要工藝段能耗折合為1 kW，每個(gè)主要工藝段工藝時(shí)間1 h。如圖11所示，傳統(tǒng)方式下，開班時(shí)全線開機(jī)，1 h后首件上線，當(dāng)班累計(jì)功耗70 kWh。

如圖12所示，精細(xì)化管理方式下，所有設(shè)備在工件到達(dá)本工位前提前1 h開機(jī)，當(dāng)班累計(jì)功耗45 kWh，優(yōu)化后能耗降低約36%。

根據(jù)公開資料，在業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用精細(xì)化開機(jī)管理的車間中，僅烘房就可以實(shí)現(xiàn)年節(jié)約天然氣和電能費(fèi)用11.7萬元。精細(xì)化關(guān)機(jī)措施主要用于及時(shí)關(guān)閉空調(diào)和工藝設(shè)備，每年可節(jié)約10.14萬元。

7? ? 結(jié)語

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈和時(shí)代變化，人們對(duì)涂裝工藝的環(huán)保和成本要求必然會(huì)越來越嚴(yán)格。研究如何在當(dāng)前穩(wěn)定的技術(shù)背景下，通過方案和布局設(shè)計(jì)水平的改善來提高設(shè)備利用率，減少能源浪費(fèi)，并降低生產(chǎn)成本具有重要意義，這也是響應(yīng)國(guó)家低碳發(fā)展要求和提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必經(jīng)之路。本文僅代表筆者個(gè)人觀點(diǎn)，與公司無關(guān)。

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收稿日期：2021-03-02

作者簡(jiǎn)介：劉杜宇（1988—），男，湖北孝感人，工程師，研究方向：機(jī)械自動(dòng)化。