涂裝車間節(jié)能技術綜述

李金貴，彭松

（北京奔馳汽車有限公司，北京 101322）

能源是國家經濟和社會發(fā)展的物質基礎，是人民生活水平提高的必要條件。汽車作為國民經濟發(fā)展中的重要產業(yè)為我國的經濟發(fā)展做出了重要貢獻，但其能耗問題也日益嚴峻。涂裝車間作為整車廠的能耗大戶自然被視為節(jié)能降耗的主戰(zhàn)場。本文主要介紹涂裝車間具體用能環(huán)節(jié)如何通過技術方法或者管理手段來提高能源利用效率或者降低能耗。在新工廠設計階段就借鑒這些方法效果將更好，設備改造或者日常生產運行參考本文所述方法也可取得不錯的節(jié)能效果。

1 涂裝節(jié)能技術

1.1 智能烘房

烘房是涂裝車間內僅次于噴房的第二能耗大戶，烘房高溫廢氣帶走大量熱量造成巨大熱量損失，其主要原因是生產中斷及其相關的波動，如設備空轉、故障，即使在設備啟動和調試期間，也存在明顯的熱量損失。目前智能化節(jié)能型烘房應具備以下功能：（1）具有虛擬車身跟蹤功能的預測性控制，知道所有車身位于烘房具體位置，通過加熱箱或者氣密封向烘房提供變化的新鮮空氣量，實時精確調節(jié)新鮮風量和排風量。（2）烘房的溫度變化曲線隨時都精確匹配生產流程工藝要求以確保產品質量，保證每臺車身獲取新風風量恒定不變。2015 年德國DURR 公司的EcoSmart VEC（Variable Exhaust air Control）產品（圖1）已經在烘房上可以實現上述功能；目前國內中國汽車工業(yè)工程有限公司也在北京奔馳順義工廠通過硬件改造及相應的PLC 程序優(yōu)化也基本實現了上述功能。另外，烘房焚燒爐燃燒器熱氧化溫度值設定過高也會導致排風溫度過高造成燃氣的浪費。所有參數的調整必須遵循安全第一的原則。

圖1 智能烘房

1.2 余熱回收技術

涂裝車間是整車廠的燃氣最大能耗大戶，其烘房、噴房廢氣凈化系統焚燒爐會用掉大量燃氣同時產生大量高溫廢氣，如不加以回收其抵達煙囪的溫度甚至高達350℃，大量熱量將白白浪費。北京奔馳順義涂裝車間在烤箱等廢氣焚燒裝置排風風管末端安裝了氣-水式換熱器進行余熱回收且余熱回收效果顯著，具體如圖2 所示，所有經過余熱回收換熱器返回的高溫熱水進入車間熱水耦合罐，然后將回收的余熱供應給車間空調（夏季除濕，冬季預熱）、前處理（脫脂、磷化槽液加熱）、低溫烘房（如注蠟烘房、閃干烘房等）、浴室，當回收的余熱無法滿足用戶側的熱負荷時，工廠能源中心的蒸汽將通過蒸汽～水換熱器給該系統提供熱源。

圖2 涂裝車間余熱回收系統示意圖

1.3 空調節(jié)能技術

工業(yè)空調在涂裝車間為能耗第一大戶，鄭懷江介紹了可以通過提高冷源效率、減少風機水泵電耗、減少冷熱負荷及改善控制來降低空調能耗。其中，可通過提高蒸發(fā)溫度、降低冷凝溫度、合理選擇制冷設備來實現；減少空調冷熱負荷可通過提高建筑的保溫性能、選擇合理的室內溫濕度參數、控制和正確使用室外新風來提高冷源效率；可通過使用變頻控制、提高風機水泵效率、減小過濾阻力、設定合理流量、檢查電機及葉輪狀態(tài)來減少風機水泵電耗；可通過加裝自控系統、設定生產及非生產或假期模式來改善空調的控制。另外，新風空調冷盤管產生的冷凝水由于其低電導率、低溫特性，可以考慮回收到制冷機冷塔作為冷卻水使用，不僅可以節(jié)省大量水資源還能明顯提升制冷機能效。空調排風可通過熱回收裝置（轉輪式或盤管式）或者回風進行冷熱的回收已降低空調冷熱負荷即顯熱回收，如果轉輪材料可以進行濕度交換亦可降低空調濕負荷即潛熱回收。在滿足工藝的條件下，夏季提高室內溫濕度設定值，冬季降低室內溫濕度設定值對于車間節(jié)電省氣效果十分明顯。北京奔馳順義涂裝車間2 臺風量為182000m3/h 的廠房通風空調取消冬季加濕功能 后2021.10.1 ～2021.12.15 比2020 年同 期2個半月燃氣耗量降低約31.5 萬m3。

1.4 制冷機節(jié)能技術

制冷機作為空調系統的冷源每年需要消耗大量電能，普及制冷機的節(jié)能技術意義重大。直接免費制冷是最簡單、熱效率最高的免費制冷模式，卻因容易形成水垢需經常清洗冷水機組反而成了最不宜推廣的形式。間接免費制冷則無上述缺點，其中制冷機主機免費制冷（圖3）則是利用機組冷凝器與蒸發(fā)器高度差以及冬季運行時冷凝器內水溫低于蒸發(fā)器水溫這兩個特性，通過改造將冷媒流向改變從而實現免費制冷。冬季免費制冷利用室外冷空氣作為自然冷源，在室外濕球溫度低于室內要求的溫度時，即可運行免費制冷模式，運行時只需開啟與機組相配套的冷卻塔和循環(huán)水泵，冷水機組壓縮機可完全處于停機狀態(tài)。我國北方冬季持續(xù)時間長、外界溫度低，具備推廣免費制冷的天然優(yōu)勢。另外，如果在每臺制冷機的冷凍水測安裝流量計實時顯示制冷機的COP（能效比）值便可在程序里根據所有制冷機組的COP 值由高到低自動加載制冷機即優(yōu)先使用能效高的制冷機，COP 低于廠家推薦值的可以安排對其冷凝器和蒸發(fā)器進行及時化學清洗。

圖3 離心機免費制冷示意圖

1.5 熱泵技術

熱泵作為一種高效節(jié)能裝置已經在工業(yè)涂裝領域開始推廣應用。有人根據在噴漆室循環(huán)風空調系統使用熱泵技術的運行經驗證實了在同時需要加熱和制冷的場合熱泵的COP 值可達8 以上且設備運行可靠。李慶華介紹了熱泵技術應用在某整車廠涂裝車間的涂料溫控系統上的成功經驗。王錫春介紹了日本南電制作所在變壓器外殼的涂裝線上采用CO2熱泵產生80 ～120℃的熱風作為面漆和電泳烘干室的新鮮風的成功案例。當前許多新建涂裝車間均采用干式噴房，其循環(huán)風空調一年四季均需制冷，產生的廢熱都通過冷塔白白浪費了，可以借助熱泵技術（圖4）將這些廢熱合理利用，即將熱泵蒸發(fā)器作為空調冷盤管，熱泵的冷凝器將循環(huán)風空調產生的廢熱用至前處理磷化、車間空調（冬季預熱，夏季除濕）、浴室甚至低溫烘房。

圖4 循環(huán)風空調熱泵系統示意圖

1.6 前處理及電泳節(jié)能工藝

汽車涂裝車間前處理傳統采用鋅鹽磷化工藝，其工藝溫度在45 ～55℃，前處理的脫脂液及磷化液通過外部熱源（蒸汽或熱水）加熱至該工藝溫度需要消耗大量燃氣。近些年常溫脫脂劑和常溫磷化液已研發(fā)成功，工藝溫度可以降至20 ～25℃，基本上可以取消外界加熱裝置節(jié)省大量燃氣；電泳液選用省攪拌型涂料可在車間停產或節(jié)假日不用一直開啟電泳循環(huán)泵（最長可停用攪拌10 天，普通電泳液攪拌停止時間不得超過2h），僅在生產前開啟攪拌即可，該方法可削減電泳生產線85%的電能消耗；在確保清洗質量的前提下優(yōu)化脫脂、磷化、電泳等工序的后水洗工藝，比如采用逆工序補水法（圖5）可節(jié)省大量水資源的消耗。

圖5 逆工序補水法

1.7 滾浸式輸送機

傳統擺桿鏈和推桿懸鏈輸送機無法保證車身過電泳線時100%車身表面被處理，往往箱體內腔會出現氣泡造成質量缺陷，車身出槽之后帶液量較大往往會影響后續(xù)輸送設備，比如在輸送滾輪上電泳漆積漆嚴重。針對這些問題，DURR 公司開發(fā)了Rodip 滾浸式輸送機（圖6），其在環(huán)保、經濟方面優(yōu)勢明顯（表1），使用該設備可確保車身表面過前處理和電泳線時能得到完全處理，車身外觀的水平面顆粒明顯減少，帶液量可減少到1 ～2L/臺，車身為翻轉出入槽，槽體可縮短至原始尺寸的4/5。目前，國內中國汽車工業(yè)工程有限公司也研發(fā)了類似產品并取得了成功應用。

圖6 Rodip 滾浸式輸送機

表1 前處理·電泳線4 種輸送方式的工藝槽大小對比

1.8 換熱器節(jié)能措施

涂裝車間的換熱器根據介質種類主要可分為氣-氣換熱器（如烘房循環(huán)風換熱器及新風換熱器）、液-氣換熱器（如空調冷盤管及熱盤管）、液-液換熱器（如脫脂槽、磷化槽、電泳槽板式換熱器）。據相關研究顯示碳酸鹽水垢的導熱系數只有銅的1/400 ～1/300，碳鋼的1/100 左右，水垢對換熱效果影響非常明顯。本文提出提升換熱器能效的幾點建議。

（1）確定換熱器最佳除垢時機，一旦換熱器內部產生水垢或其他異物黏附在換熱表面都將大大降低整體導熱系數，長時間不清洗其能效會大大降低，造成燃氣或者電的浪費，甚至會造成設備故障停機（如圖7 烘房循環(huán)風換熱器或新風換熱器堵塞嚴重將導致爐溫無法達到烤車的工藝要求），如果清洗頻繁又會造成維護成本過高。

圖7 循環(huán)風換熱器清潔

（2）控制換熱溫差，可適當提高換熱溫差，但高溫流體溫度過高又將對換熱器有更高要求，同時也會增加燃料的消耗，不能盲目無限提高溫差。

（3）流體流速根據換熱情況相應調節(jié)但不可超過某個最大值，否則水泵或風機因提高頻率產生的能耗比節(jié)省的能耗更多。

（4）監(jiān)測換熱器運行狀態(tài)，及時修復破損換熱器（如圖8 烘房換熱器換熱管開焊脫落）。

圖8 烘房換熱管脫落

1.9 工業(yè)保溫隔熱

工業(yè)保溫指的是在設備上或者工業(yè)管道上覆蓋隔熱材料用來增加設備的導熱熱阻，減少熱量的損失。對于涂裝車間，最大的能耗來自于空調和烘房，車間建筑保溫效果不好，冬季將造成空調燃氣消耗增加，夏季將造成制冷機電能的浪費；烘房及其風管保溫不良，不僅造成燃氣的浪費，對相關人員也存在燙傷的安全隱患；制冷機組及其冷凍水管路如果保溫不良，不僅造成電能浪費，在保溫破損處還會出現冷凝水滴落，對車身質量和設備安全來說都存在一定影響。建筑或者設備的保溫隔熱情況，我們可以借助工業(yè)熱像儀安排日常點檢工作，對發(fā)現的問題及時記錄，再安排修復工作；在建筑或設備保溫施工階段可以借助熱流計確定其最經濟的保溫層厚度。對于設備散熱損失可以借助熱流計和紅外熱像儀一起確定具體損失熱量，在離設備較遠處用紅外熱像儀測量設備整個表面的溫度圖像，然后對溫度圖像中亮度不同的部分進行熱流測量，測量結果中亮度低的低溫部位熱流密度小，亮度高的高溫部位熱流密度大，這就可以有效而迅速地發(fā)現異常地點。另外，根據紅外熱像儀得到的溫度圖像（圖9）計算出相同亮度部位的面積，再將各部分的面積與熱流密度的乘積相加，即可求出散熱損失。

圖9 烘房風管泄漏

1.1 0 設備跑冒滴漏管理

設備跑冒滴漏是指液體、氣體在存放和運輸等過程中因操作不當或管理不善而產生的跑氣、冒水、滴液漏液的現象。目前來說，跑冒滴漏對于大部分企業(yè)來說都是普遍存在的問題，我們應該利用管理手段和技術手段盡早處理這類問題。具體的排查方法主要分為以下幾類：專人排查法，即由車間設備維護人員利用專業(yè)儀器系統化排查車間內設備及建筑跑冒滴漏情況并統計上報（如圖10）；分片包干制，即所屬區(qū)域的跑冒滴漏問題與責任人的績效掛鉤；工位上報法，即各工位每天除了處理日常工作外，還需檢查跑冒滴漏，并形成記錄及時上報；公司檢查法，即公司組織專門團隊對各車間進行跑冒滴漏專項檢查并記錄。對于跑冒滴漏工作的推進必須要由公司最高的領導層進行推動，層層推進工作，設置合理的獎懲措施（如能源之星計劃），這樣才能在企業(yè)內部形成良性循環(huán)，樹立大家的節(jié)能環(huán)保意識。

圖10 空壓氣管道泄漏檢測

1.1 1 泵及風機管理

在工業(yè)生產中風機和水泵設備占總用電量的1/3，通過新技術和管理手段提升風機和水泵設備能源利用率意義重大。已有眾多學者指出降低泵或風機系統能耗最經濟的方法是減少功率控制系統造成的能量損失。采用“縮小泵或風機”的技術或根據流量要求調節(jié)系統功率都是性價比很高的方法。在系統的流量要求不變時，可以修整泵的葉輪和更換風機的皮帶輪。在變流量系統中，安裝變頻器控制是最常用的方法。除了加裝變頻控制以外，通過日常點檢檢查水泵或者風機運行時的振動情況，發(fā)現振動異常盡快調整降低因此造成的能量損失。對于重點風機和水泵建議增加在線振動監(jiān)測設備，提前發(fā)出異常警告提前進行維護工作，避免突發(fā)設備停機故障，給生產造成重大損失。

1.1 2 壓縮空氣系統管理

壓縮空氣浪費主要原因如下：空壓氣泄漏、大馬拉小車空壓機能力過剩、生產線上的使用過剩、空壓機空轉。王朝政有針對性地提出了壓縮機及網管的更換改造，分別設置儲氣罐，改善入口空氣溫濕度等節(jié)能措施。李昱等人針對壓縮空氣系統節(jié)能的問題，從加工轉換、傳輸分配、終端使用這3 部分對某汽車廠壓縮空氣節(jié)能技術應用進行了分析和總結。張慶營等人研究發(fā)現空壓機運行過程中產生的余熱可以回收利用到中央空調進行冬季采暖或用到干燥塔吸附劑的脫水再生過程中。王蒙等研究了空壓機變頻節(jié)能群控改造的要點與方向。張江華發(fā)明了一種工業(yè)螺桿式空壓機群控系統的節(jié)能控制方法。王曉東著重研究了壓縮空氣流動過程的熱力學節(jié)能措施。馬思軍認為建立用氣考核規(guī)定和管理制度，對各用氣部門安裝空氣流量計，強化各用氣部門杜絕跑冒滴漏及節(jié)約用氣的意識非常重要。

1.1 3 能源管理系統

北京奔馳能源管理系統（圖11）采用分層分布式系統體系結構，對其下所有廠區(qū)（后驅車工廠、前驅車工廠、順義工廠、發(fā)動機工廠、電池工廠、能源中心）各車間設備和建筑的電力、燃氣、水、壓縮空氣、冷凍水、熱水、蒸汽等各種能耗數據進行采集、處理，并可分析設備及建筑實時及歷史能耗狀況，實現了設備和建筑節(jié)能應用。

圖11 能源管理系統儀表板

2 結語

涂裝工業(yè)在所有行業(yè)中屬于能耗高、環(huán)境污染風險大的行業(yè)，這也意味著在涂裝工業(yè)的節(jié)能減排的機會多、潛力大。本文列舉了一些在涂裝行業(yè)內已經得到應用的節(jié)能減排的相關技術，限于篇幅還有很多先進的節(jié)能環(huán)保技術未能一一介紹。隨著人類科學技術的進步，必將還會涌現出越來越多先進的節(jié)能減排技術，希望這些優(yōu)秀的經驗能夠在全世界得到分享，期待全人類早日實現碳中和這一偉大目標。