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

        2021-06-11 13:45:06劉杜宇
        機(jī)電信息 2021年12期
        關(guān)鍵詞:環(huán)保規(guī)劃

        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(lái)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(lái)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(chē)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(lái)說(shuō),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(lèi)型不同,常見(jiàn)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(lèi)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(wèn)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?gòu)S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(guò)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(méi)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō),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(guò)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(wàn)元,減少數(shù)萬(wàn)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)以上步驟,涂裝車(chē)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(guò)中控系統(tǒng)優(yōu)化,精細(xì)化管理設(shè)備的開(kāi)機(jī)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降成本。過(guò)去的生產(chǎn)組織方式是開(kāi)班時(shí)全線開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)班時(shí)全線開(kāi)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(kāi)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(kāi)資料,在業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用精細(xì)化開(kāi)機(jī)管理的車(chē)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(wàn)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(wàn)元。

        7? ? 結(jié)語(yǔ)

        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(lái)越嚴(yán)格。研究如何在當(dāng)前穩(wěn)定的技術(shù)背景下,通過(guò)方案和布局設(shè)計(jì)水平的改善來(lái)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(wú)關(guān)。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [4] 羅文平.淺談涂裝車(chē)間節(jié)能措施[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2020,23(3):58-59.

        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。

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