劉 飛 王秋蓮
重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶,400030
制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)財富的同時,也消耗了大量制造資源特別是能源,并造成了對環(huán)境的嚴(yán)重影響。根據(jù)美國能源部的調(diào)查,美國約31%的能量消耗歸因于由制造業(yè)扮演主要角色的工業(yè)活動[1]。相似的情況在其他發(fā)達(dá)國家也已出現(xiàn)。而像中國這樣的發(fā)展中國家,制造業(yè)的能量消耗量巨大,能量利用率更低[2],節(jié)能減排的壓力很大。
加強(qiáng)企業(yè)能效評價、提高制造系統(tǒng)能量效率已成為制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。例如,美國能源部專門設(shè)立了以提高制造企業(yè)生產(chǎn)過程的能量效率作為首要目標(biāo)的工業(yè)評價中心(industrial assessment centers,IAC)。該中心依托美國29所高校,與美國工業(yè)部門聯(lián)手,已在15 000多家美國企業(yè)中實施了工業(yè)能源審計和工業(yè)評價建議項目[3]。
機(jī)械制造業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分。但過去人們總認(rèn)為單臺機(jī)械設(shè)備能量消耗不大,特別是與鋼鐵、化工等流程領(lǐng)域的設(shè)備相比較,能耗相對較小,因而學(xué)術(shù)界對其重視不夠,導(dǎo)致其研究不夠。
近年來,隨著機(jī)械制造業(yè)能源消耗問題和環(huán)境影響問題的日益嚴(yán)峻,學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均對機(jī)械制造業(yè)能量消耗問題進(jìn)行了重新分析和認(rèn)識。以機(jī)床為例,多篇文獻(xiàn)的分析結(jié)果均表明[4]:機(jī)床量大面廣,能量消耗總量巨大,并且有效能量利用率很低,因而節(jié)能潛力很大。不僅如此,美國麻省理工學(xué)院Gutowski[5]的研究結(jié)果表明,機(jī)床能量消耗所帶來的CO2等的環(huán)境排放也是令人震驚的。
因此,近年來,機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價問題引起了學(xué)術(shù)界的廣泛重視。如2009年9月,在愛爾蘭都柏林大學(xué)召開了第26屆國際制造會議(international manufacturing conference,IMC26),將“能源效率與低碳制造”作為會議主題,提出“為了確保制造業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展,必須準(zhǔn)確評價制造過程與系統(tǒng)的能量消耗狀況”[6]。2011年8月,第28屆IMC會議再次強(qiáng)調(diào)能量消耗優(yōu)化對可持續(xù)發(fā)展的重要性,并設(shè)有一個能量監(jiān)控和分析的分會場,專門討論制造過程的能量消耗評價和改善研究[7]。此外,第18屆CIRP生命周期工程國際會議論文集《制造可持續(xù)性的全球本土解決方案》中提出,將能效分析作為制造可持續(xù)性實現(xiàn)的重要技術(shù)手段[8]。2010年10月26日,國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(ISO)發(fā)布了《Environmental evaluation of machine tools—Part 1:Energy-saving design methodology for machine tools(ISO 14955-1)》的草案,并于2012年4月30日發(fā)布了投票稿;由此可以預(yù)見,不久的將來,機(jī)床的能耗指標(biāo)將成為機(jī)床產(chǎn)品的一個重要評價指標(biāo)[9]。
綜上所述,機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評價研究已經(jīng)在國際上興起。但是,現(xiàn)有的研究還比較分散,且由于機(jī)械制造系統(tǒng)具有涉及面廣和制造過程復(fù)雜等特點,因此機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評價中的許多問題還有待解決。因此,本文在多年研究的基礎(chǔ)上,參考國內(nèi)外大量文獻(xiàn),對機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的特點、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述。
制造系統(tǒng)能效評價包括制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài)及能量消耗過程的分析評價以及在此基礎(chǔ)上對能量效率的評價。
機(jī)械制造系統(tǒng)是由切削加工、壓力加工、鑄造、焊接、特種加工、熱處理、覆蓋層、裝配與包裝和其他等9類工藝[10]及其相應(yīng)設(shè)備構(gòu)成的將原材料(含半成品)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品或半成品的輸入輸出系統(tǒng)。從能量消耗的角度看,機(jī)械制造系統(tǒng)是由機(jī)床(切削加工機(jī)床、壓力加工機(jī)床)、鑄造設(shè)備等機(jī)械設(shè)備及其相應(yīng)的工藝過程為能量消耗主體的制造系統(tǒng)。
機(jī)械制造系統(tǒng)能耗主體構(gòu)成的多樣性及復(fù)雜性、能量消耗狀態(tài)及能量消耗過程的動態(tài)變化性及隨機(jī)性、機(jī)械產(chǎn)品的生命周期能耗特性等多方面原因,使得機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價相對于化工、冶金等制造系統(tǒng)的能效評價要復(fù)雜和困難得多。因此,首先對機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的復(fù)雜特點進(jìn)行分析。
機(jī)械制造系統(tǒng)涉及多種機(jī)械設(shè)備,其中加工設(shè)備就有九大類,輔助設(shè)備也有運輸設(shè)備、檢測設(shè)備、照明設(shè)備等多種,每種設(shè)備又由多個能量消耗源組成。以普通車床為例,普通車床包括主傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、刀架快速移動系統(tǒng)、照明和信號燈系統(tǒng)等。而數(shù)控機(jī)床就復(fù)雜得多,如YD31125CNC6數(shù)控滾齒機(jī)包括主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、靜壓系統(tǒng)、沖屑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等多個能量消耗系統(tǒng),每個能量消耗系統(tǒng)又由多個能量消耗源組成,見表1。機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗的多能量源特點意味著能效的深化評價需面向多能量源進(jìn)行。
表1 YD31125CNC6數(shù)控滾齒機(jī)能量源
機(jī)械制造系統(tǒng)是產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜載體,跨越產(chǎn)品、車間、任務(wù)、制造單元和生產(chǎn)設(shè)備等不同層次,每個層次的能量消耗都有其基本特征。如設(shè)備層能耗是機(jī)械制造系統(tǒng)的主體,而車間層除了加工設(shè)備消耗能量以外,一些輔助設(shè)備也要消耗能量。對于產(chǎn)品能耗而言,則要考慮從原材料準(zhǔn)備,零部件生產(chǎn),產(chǎn)品組裝、使用到回收處理等所有階段的產(chǎn)品全生命周期過程能耗。機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài)的層次分布情況如圖1所示。因此,機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài)以及能量效率也存在層次分布特性。
圖1 機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài)的層次分布
某一時段內(nèi)機(jī)械制造系統(tǒng)的能量消耗呈現(xiàn)復(fù)雜的動態(tài)變化特性。僅以其中的機(jī)床能量消耗過程為例:圖2所示為某機(jī)床加工一個簡單工件的能量消耗過程,其工序參數(shù)見表1??梢钥闯?,機(jī)械加工設(shè)備的能量消耗變化體現(xiàn)在以下三個方面:一是機(jī)床啟動過程的功率變化;二是不同加工工序能量消耗規(guī)律各異;三是每道加工工序的輸入功率隨時間發(fā)生的變化。機(jī)械加工設(shè)備能耗過程的動態(tài)變化直接造成機(jī)械制造系統(tǒng)能耗過程及其瞬態(tài)能量效率復(fù)雜多變。
機(jī)械產(chǎn)品的能量消耗貫穿于產(chǎn)品從原材料準(zhǔn)備到零部件生產(chǎn),產(chǎn)品組裝、運輸、使用和回收處理的整個生命周期,如圖3所示。機(jī)械產(chǎn)品(例如汽車、機(jī)床等)在生命周期各階段均需能量支撐;同時,機(jī)械制造產(chǎn)品在生命周期不同階段的能量消耗特性大不相同,需要對每個階段的能量特性進(jìn)行深入分析。因此,機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價需考慮產(chǎn)品生命周期全過程的能量消耗和能量效率問題。
現(xiàn)有的機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的研究內(nèi)容可以歸結(jié)為三類:一是機(jī)械制造系統(tǒng)總體能效評價;二是產(chǎn)品能效評價;三是機(jī)械設(shè)備和工藝能效評價。
圖2 機(jī)床加工過程能量消耗的動態(tài)變化[10]
表1 工序參數(shù)
圖3 產(chǎn)品全生命周期過程能量流圖[11]
2.1.1 機(jī)械制造系統(tǒng)總體能效評價
機(jī)械制造系統(tǒng)總體能效評價是對機(jī)械制造系統(tǒng)的綜合能量消耗效率進(jìn)行評價,一般以生產(chǎn)企業(yè)的整體能耗作為研究對象。比較成功的制造系統(tǒng)能效評價實踐是美國IAC的評價體系。IAC的評價內(nèi)容[3]包括:能量和廢棄物成本評價、電能評價、熱能評價、能源的原動機(jī)評價、冷卻系統(tǒng)評價、供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)評價和廢棄物評價等。
中國國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會共同發(fā)布的《企業(yè)能量平衡通則》和《綜合能耗計算通則》為企業(yè)進(jìn)行能量評價提供了一種框架體系[12],通過計算綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量可比綜合能耗等指標(biāo)來分析企業(yè)的能效水平[13]。
2.1.2 產(chǎn)品能效評價
產(chǎn)品能效評價是指對產(chǎn)品的生產(chǎn)和生命周期過程的能量消耗效率進(jìn)行評價。產(chǎn)品能效評價應(yīng)面向從原材料準(zhǔn)備到零部件制造、產(chǎn)品裝配再到產(chǎn)品回收利用的產(chǎn)品全生命周期過程。產(chǎn)品能量包括直接能量和間接能量兩類,其中,直接能量是指產(chǎn)品制造過程各種加工工藝消耗的能量;間接能量是指加工產(chǎn)品所需物料的內(nèi)含能[14]。不同地區(qū)能源制備過程有所不同,造成能源內(nèi)含能不同,因此,對產(chǎn)品能效評價有必要考慮全球制造背景下能源內(nèi)含能對制造過程和原材料選擇的影響[15]。
2.1.3 機(jī)械設(shè)備和工藝能效評價
機(jī)械設(shè)備和工藝能耗是機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗的主體,其能量消耗過程及能效評價也最為復(fù)雜,是目前國際上研究的熱點問題。機(jī)械設(shè)備和工藝能效評價是對設(shè)備運行過程的能量分布和能量利用率以及加工工藝的有效產(chǎn)出率等指標(biāo)進(jìn)行分析評價。一般認(rèn)為,機(jī)械加工設(shè)備能耗分為固定能耗和可變能耗[16-18];有效能量占設(shè)備總能量的比重可能會較低,如圖4所示。而且,不同的加工參數(shù)和刀具路徑會影響機(jī)械加工過程的能量消耗[19-22],不同加工工藝的能耗特性呈現(xiàn)不同態(tài)勢[23]。
對機(jī)械設(shè)備和工藝進(jìn)行能效評價時,能量數(shù)據(jù)的獲取是關(guān)鍵。常用的數(shù)據(jù)獲取方法是在線監(jiān)測[24-25]。雖然在理論研究中,可以通過加工實驗得到能耗分析所需數(shù)據(jù),但是往往一臺設(shè)備的能量構(gòu)成分析就需要基于十幾組甚至幾十組實驗,這在工程應(yīng)用上缺乏可行性。數(shù)據(jù)獲取困難成為阻礙企業(yè)有效實施能效評估的主要障礙之一[26]。
圖4 某加工中心的能量消耗統(tǒng)計[24]
機(jī)械制造系統(tǒng)的能量效率評價指標(biāo)包括瞬時能量效率指標(biāo)和過程能量效率指標(biāo)。
2.2.1 瞬時能量效率指標(biāo)
瞬時能量效率是指機(jī)械制造系統(tǒng)在某一時刻的有效能量變化率與輸入能量變化率的比值。對于主要消耗電能的機(jī)械制造系統(tǒng),其瞬時能量效率為有效輸出功率與輸入功率的比值。例如,對于金屬切削機(jī)床,有效能量一般理解為直接對工件進(jìn)行切削加工的能量,其瞬時能量效率為
式中,Pc(t)為切削功率;Pt(t)為總輸入功率。
2.2.2 過程能量效率指標(biāo)
機(jī)械制造系統(tǒng)過程能量效率是指某個制造過程或某個時間段的有效能量或有效產(chǎn)出與輸入能量的關(guān)系??梢?,過程能量效率指標(biāo)包括有效能量和有效產(chǎn)出兩種定義法。
(1)有效能量定義法。機(jī)械制造系統(tǒng)過程能量效率的有效能量定義是指某個制造過程或某個時間段的有效能量與系統(tǒng)消耗能量的比值。例如,一個工件的切削加工過程的能量效率E可定義為工件加工過程的有效能量和消耗總能量的比值[23],即
式中,E為能量效率;Ec為有效能量;Et為系統(tǒng)消耗能量;T為系統(tǒng)運行時間。
(2)有效產(chǎn)出定義法。過程能量效率的有效產(chǎn)出定義又稱“比能”定義。比能(specific energy consumption,SEC)RSEC是系統(tǒng)消耗能量與系統(tǒng)有效產(chǎn)出的比值,即
式中,Ei為輸入能量;Eo為輸出能量;Oe為有效產(chǎn)出,包括有效經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)產(chǎn)出量(如材料切除體積、產(chǎn)品個數(shù)等)。
(1)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)完整體系的建立。機(jī)械制造系統(tǒng)是產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜載體,跨越產(chǎn)品、車間、任務(wù)、制造單元和生產(chǎn)設(shè)備等不同層次,每個層次的能量消耗都有其基本特征。機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評價也應(yīng)具有明顯的層次性,可分為產(chǎn)品層、車間層、任務(wù)層、制造單元層和設(shè)備層;每個層次都有其能效指標(biāo)或指標(biāo)體系。而且,考慮到制造過程能量消耗的不確定性,對其能效評價要符合過程特性,即,既要分析機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài),又要評價其能量消耗過程。進(jìn)一步講,針對過程能量效率評價,結(jié)合有效能量指標(biāo)和比能指標(biāo),從不同角度反映機(jī)械制造系統(tǒng)的能效。
(2)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立。機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗指標(biāo)的計算需要基于大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),特別是各種工藝和各種設(shè)備及其各種狀態(tài)的能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這就需要建立機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫?;A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立需要基于大量實驗,包括各種設(shè)備在各種加工條件下的空載實驗和加工實驗,工作量巨大?;A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立將為能量效率的深度評價和生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)能性運行、工藝路線節(jié)能性優(yōu)化、工藝參數(shù)節(jié)能性優(yōu)化等節(jié)能措施分析奠定基礎(chǔ)。
(3)機(jī)械產(chǎn)品和制造任務(wù)能量消耗的定額化。通過機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗評價,建立各種制造任務(wù)的能量消耗定額,可為企業(yè)高效節(jié)能生產(chǎn)戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也可為政府和行業(yè)制定能耗定額標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化節(jié)能措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。所謂能量消耗定額是指在一定的條件下,為生產(chǎn)單位產(chǎn)品或完成單位工作量,合理消耗能源的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)??茖W(xué)的能量消耗定額能夠反映制造過程中能源消耗的客觀規(guī)律,是能源利用率考核和提高的依據(jù)。由前文所述機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗的四大特點可知,機(jī)械產(chǎn)品和制造任務(wù)的能量消耗定額問題特別復(fù)雜,尚有待深入研究。
(4)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價過程的標(biāo)準(zhǔn)化包括能量消耗邊界劃分的標(biāo)準(zhǔn)化和評價方法及評價流程的標(biāo)準(zhǔn)化。邊界劃分對能量效率分析影響很大,同一制造任務(wù),由于分析邊界不一樣,計算出來的能量消耗量會有數(shù)量級的區(qū)別。目前雖然已有一些典型產(chǎn)品和加工工藝的能量消耗量參考數(shù)據(jù),但是對邊界的劃分不統(tǒng)一,給工業(yè)企業(yè)應(yīng)用帶來不便。此外,一套標(biāo)準(zhǔn)的能效評價方法及評價流程有助于能效評價推廣,方便廣大企業(yè)開展能效自我評價和優(yōu)化。
(5)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價和提升的信息化支持平臺的開發(fā)。機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價和節(jié)能優(yōu)化運行涉及信息量大,模型、過程和方法復(fù)雜,因此,需要信息化平臺的支持。平臺的底層模塊應(yīng)包括數(shù)據(jù)庫、知識庫、方法庫;中間層模塊應(yīng)包括各種應(yīng)用模塊,如能效評價支持系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)能性運行方法及支持系統(tǒng)、工藝路線節(jié)能性優(yōu)化方法、工藝參數(shù)節(jié)能性優(yōu)化方法及支持系統(tǒng)等;頂層模塊應(yīng)有交互式的友好操作界面,能夠支持各種具體應(yīng)用。
(1)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價具有能量消耗的多能量源特性、能量消耗狀態(tài)及能量效率的層次分布特性、能量消耗過程及瞬態(tài)能量效率的復(fù)雜多變性、能量消耗及能效評價的產(chǎn)品生命周期過程特性四大特點。
(2)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價現(xiàn)狀。從研究內(nèi)容看,可以歸結(jié)為三類:一是機(jī)械制造系統(tǒng)總體能效評價,二是產(chǎn)品能效評價,三是機(jī)械設(shè)備和工藝能效評價;從能效指標(biāo)看,可以歸結(jié)為瞬時能量效率指標(biāo)和過程能量效率指標(biāo)兩個方面。
(3)機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的發(fā)展趨勢主要包括:機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)完整體系的建立、機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立、機(jī)械產(chǎn)品和制造任務(wù)能量消耗的定額化、機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械制造系統(tǒng)能效評價和提升的信息化支持平臺的開發(fā)。
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