汽車涂裝車間節能方法研究與應用

周康渠，鄒冰倩

(重慶理工大學 機械工程學院，重慶　400054)

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引用格式：周康渠，鄒冰倩.汽車涂裝車間節能方法研究與應用[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，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.

汽車涂裝車間節能方法研究與應用

周康渠，鄒冰倩

(重慶理工大學 機械工程學院，重慶400054)

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

關鍵詞：涂裝車間；節能；預熱設備；壓縮空氣泄露

汽車涂裝車間是汽車制造企業中最嚴重的公害發生源之一，涂裝車間所消耗的能源、水以及揮發性有機化合物(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。與國際先進涂裝水平相比，我國汽車涂裝技術在節能減排、資源利用及工藝設計等方面存在著明顯差距[3-6]。所以，無論從節約能源、保護環境、降低汽車制造成本，還是從達到國際化先進的汽車生產制造水平來說，迫切需要對汽車涂裝車間進行節能研究。

近幾年，國內外科研人員對汽車涂裝生產中的涂裝成本、能源使用及節能等方面進行了實質性研究。Meeso Naret、Kumar A等[7]對涂裝車間烘房結構和烘房的加熱方式進行了節能研究。李春旺等[8]針對汽車涂裝車間全新風空調的特點提出了利用i-d圖的多工況區分控制策略，即在不同工況下，啟動相應的溫度及濕度控制曲線來降低空調系統耗能。李冰笑、喻國琴等[9]針對涂裝車間噴漆室空調系統蒸汽浪費的問題，對噴漆室空調系統進行優化與節能改造，通過設置2套空調機組，采用自動控制系統監控熱力參數，實現了噴漆室空調系統值班狀態和生產狀態的性能優化。此外，林驥[10]根據理論和工程實例進行的研究表明：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。可以看出：國內外學者對涂裝車間節能問題日益重視，研究重點主要集中在空調系統和烘房加熱結構及煙氣余熱利用的新技術等方面。但是涂裝車間的節能研究應從多方面、多角度入手。本文主要從預熱設備啟動模式和壓縮空氣泄漏2方面對涂裝車間節能方法進行研究。

1汽車涂裝車間能源浪費問題

1.1預熱設備啟動模式問題

目前，很多涂裝車間中預熱設備在啟動模式上普遍存在著能源浪費的問題。在正常噴涂生產過程中，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熱和預通風。在日常生產中，預熱設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備的預熱時間進行測算，只是為了方便由工人在生產開始前的某個時間統一開啟。然而，在實際操作中存在不準時開啟設備的情況。過早開啟預熱設備會造成對燃氣、電能、水的浪費；過晚開啟則會造成環境條件達不到生產需求而耽誤生產，影響產品生產效率。同時，車間還存在著對多臺設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控制，在車間斷產、清產后恢復生產時，設備同時一鍵式啟動造成了能源的浪費。首臺車體之前處理的第1個工位到達最后一個工位需要近1.5 h的時間。工序越靠后，設備做無用功的時間越長，同樣造成了能源的浪費。

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器人等氣動工具因空氣壓力低而無法穩定工作，還存在增加壓縮機的負荷及工作時間、增加電能等其他能源消耗、增大工作環境噪音，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可以看出各個環節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品的制造成本。從表1中的數據可知壓縮空氣泄漏所帶來的經濟損失。

表1　壓縮空氣損失流量與孔徑的關系　(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防機制。

2) 通過超聲波檢測法對壓縮空氣泄漏狀況進行精確檢測。

3) 斷開不工作設備的氣源供應。

4) 安裝油氣分離器或氣水分離器，防止冷凝液排放點造成的壓縮空氣泄漏。

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

6) 穩定系統供氣壓力和降低使用點與壓縮機輸出點的壓差損失。

1.3低溫余熱能源浪費問題

目前，我國工業用能中近70%的能源轉化為余熱資源，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問題。這些低溫余熱沒有經過良好的回收利用，幾乎全以廢氣、廢水等形式直接排出，造成熱能的浪費以及環境污染等問題。

這些熱能可以通過低溫余熱回收技術和設備將其轉化為機械能或電能。例如：可以預熱車間、烘爐內和噴漆室內空氣，對電泳烘爐內的空氣進行預干燥，生產熱水和蒸汽，制冷或制熱，也可以用來驅動風機、水泵、壓縮機等設備。

低溫余熱資源發電技術和設備在瑞典、日本、美國等國家已進行開發，有些國家已經成功進入了市場化推廣應用階段。我國在低溫余熱發電技術方面處于起步階段[11-15]，有些高校和研究機構研制出了低溫余熱發電系統。例如：湖南大學研制的“高速透平膨脹機+永磁發電機”直驅式余熱發電系統；中船712所研制的“透平膨脹機+工頻發電機”余熱發電系統等。汽車涂裝車間可以利用這些技術和設備對車間所產生的低溫余熱進行回收利用，提高資源利用率，達到涂裝車間節能的效果。

通過對涂裝車間以上能源浪費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高的生產車間，需要從工藝、設備、排放、檢測等多方面對其節能問題進行分析研究。本文主要對涂裝車間中普遍存在的預熱設備啟動模式耗能問題進行改善。

2汽車涂裝車間能源浪費問題的改進

2.1涂裝車間預熱設備啟動模式分析

某大型汽車企業涂裝車間在預熱設備啟動模式上存在著能源浪費問題。在日常生產中，烘爐和噴涂室需要預熱和預通風1.5 h左右。在實際生產過程中，車間每天早上8點開始生產，相關人員在6點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、電能和燃氣的浪費。在對問題進行充分調查研究后，對預熱設備啟動模式造成的能源浪費問題進行改進。

2.2預熱設備啟動模式改進

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熱和預通風時間進行了測量和計算。由于夏季和冬季環境溫度差異大，將設備所需要的預熱時間和預通風時間分為了夏季和冬季2種情況。具體設備升溫時間見表2。

表2　設備預升溫(通風)時間

2) 自動化準時啟動程序設計

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

PLC程序主體包含設備啟動模塊、時間調用模塊和設備電機啟動模塊。主要原理：通過設備啟動模塊控制PLC程序的開啟，對系統時間進行調用，然后與設備電機啟動的目標時間進行比較，在系統時間到達目標啟動時間時開啟預熱設備。具體的PLC程序見圖2～4。

圖2　設備啟動控制模塊

圖3　時間調用模塊

圖4　電泳烘爐啟動模塊

對于后續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，僅需要根據表2中的設備目標啟動時間設定各自啟動時間即可。

通過對該涂裝車間中預熱設備自動化準時啟動控制程序的建立，能夠初步實現對需要提前預熱的設備進行自動化啟動控制。并且，在對該涂裝車間完成了節能技術改進之后，通過一段時間的運行，對該方案的實施所節約的能源進行定量評估。

3節能效果分析

通過對汽車企業涂裝車間設備功率、設備數的調查分析，可以初步分析出采用PLC技術對4個烘爐和2個噴漆室啟動的自動化控制能達到的節能效果，并對這些節能效果進行經濟性的量化，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，消耗這些能源的設備主要有烘爐、送風機和排風機等。具體如下：首先，烘爐和風機在使用過程中需要消耗電能工作，需要燃氣進行加熱升溫，同時，烘爐工作過程中還需要送風機和排風機對烘爐內的空氣進行通風循環；其次，噴漆室在工作中也需要風機消耗電能對噴漆室內的空氣進行上下通風，便于廢漆渣與水接觸；最后，噴漆室地下有水循環系統攜帶廢漆渣進入回收處理站進行漆渣清潔和打撈。

文本已計算出需要預熱設備的啟動時間。在實際生產中，工人會在6∶30左右開啟需要預熱和預通風的設備。在該汽車企業涂裝車間中，平均一年工作時間約300天。假設采取半年夏季控制時間、半年冬季控制時間，根據以上這些數據，可以計算出該車間通過改進設備自動化預熱控制所達到的節能效果。該涂裝車間烘爐和噴漆室實際采用的送風機功率、排風機功率、烘爐數量和功率、燃氣消耗量、水流速度及電費、水費、燃氣費等計算數據見表3。

表3　烘爐和噴漆室設備數量及功率

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

表4　節約能源費用

4結束語

本文對普遍存在于汽車涂裝車間的預熱設備啟動模式問題、壓縮空氣泄漏問題以及涂裝車間內低溫余熱能源浪費問題進行了分析與研究。以某汽車涂裝車間為例，對該涂裝車間因預熱設備啟動模式引起的能源浪費的問題進行了改進，達到了較理想的節能效果。同時，本文在實際情況考慮中還存在一些缺點，例如暫時未考慮工廠每天16 h的兩班制生產情況；未考慮清產后整線重新開機情況等，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能措施提供借鑒。

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(責任編輯陳艷)

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

文獻標識碼：A

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

作者簡介：周康渠(1967—)，女，四川達州人，博士，教授，主要從事生產系統優化技術、制造業信息化等方面研究。

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

收稿日期：2015-08-01