汽車發(fā)動機生產(chǎn)制造的節(jié)能實踐

文_吳銘良 上海大眾動力總成有限公司

1 能耗與碳排放概況

大眾動力成立于2005年，業(yè)務(wù)范圍是生產(chǎn)乘用車汽油發(fā)動機與提供相關(guān)服務(wù)，于2006年投產(chǎn)。最近10年的用能與碳排放概況如圖1和圖2所示。

圖1 2012～2021年總能耗

圖2 2012～2021年碳排放總量

用能的主要特點是：

（1）用能總量較高。大眾動力年產(chǎn)能為158萬臺，已經(jīng)累計生產(chǎn)了 1400多萬臺發(fā)動機。規(guī)模優(yōu)勢在2016年達到頂峰，以后隨著產(chǎn)量下降，提高能源績效、降低單耗壓力增大。

（2）能源使用結(jié)構(gòu)電氣化比例高。外購電力是企業(yè)的主要能源。天然氣用于生產(chǎn)、辦公區(qū)域環(huán)境溫濕度控制與后勤保障。對發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量檢測主要采用冷測試工藝，僅使用少量汽油用于質(zhì)量檢驗熱測試與產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)測試。大眾動力作為網(wǎng)電大工業(yè)用戶，用電量中水電與新能源占比約為30%。未來隨著網(wǎng)電綠色電力比例的提高，能源使用結(jié)構(gòu)的高電氣化有利于實現(xiàn)碳中和。

2 高能效的基礎(chǔ)設(shè)施

建設(shè)與使用高能效的設(shè)備，應(yīng)用各種節(jié)能技術(shù)，是節(jié)能降碳的基礎(chǔ)。一方面，采用高能效生產(chǎn)工藝與設(shè)備，另一方面，持續(xù)提高公用動力基礎(chǔ)設(shè)施的能效。2012年至今已經(jīng)應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)措施主要有：

（1）高能效運行空壓機與冷水機組

空壓機組與冷水機組是公用動力基礎(chǔ)設(shè)施中的主要耗能設(shè)備。管理實踐中，定期對空壓機組與管網(wǎng)、冷水機組做維護保養(yǎng)。每月監(jiān)測空壓機組電氣比，保持電氣比小于0.112kWh/m3。對全廠11臺空壓機群作集中控制，測量、監(jiān)控壓縮氣管網(wǎng)壓力、溫度、流量等參數(shù)，提高制備壓縮氣的整體效率。每年檢測冷水機組運行效率COP，COP值保持大于5.1。

（2）余熱回收

利用空壓機、冷凍機余熱。歷時5年，先后完成了對6臺355kW、1臺300kW空壓機、1臺2000kW螺桿制冷機的部分余熱回收。通過熱交換收集機組運行過程產(chǎn)生的熱能，制備車間、辦公區(qū)采暖除濕用水與員工洗浴用水，接近零成本利用了余熱。

（3）使用高能效等級電機

在2018年前，逐步淘汰更換了冷水機組水泵的56臺低能效等級電機。公用動力設(shè)施電機全部達到二級以上能效。

（4）LED照明

2015年起新建的建筑物都采用LED照明。以后每年結(jié)合自然損耗，逐步將金鹵燈、無極燈切換為高能效的LED光源照明，先后完成了LED光源在廠區(qū)路燈、車間與倉庫、實驗室、辦公區(qū)的推廣使用。 目前，按節(jié)能潛力計算，全公司范圍傳統(tǒng)光源向LED光源的切換率，已經(jīng)達到86%。

（5）余冷回收

收集車間空調(diào)冷凝水，作為冷卻塔的補充冷源。一共收集了分布在車間的33個空調(diào)箱的冷凝水，利用這些零星冷量。

（6）光伏發(fā)電

上海地區(qū)全年光照強度較大，自建光伏發(fā)電，使用綠色電力，減少外購網(wǎng)電，是在設(shè)施設(shè)備運行節(jié)能以外的一個降碳措施。公司地塊的建筑覆蓋率已經(jīng)達到許用上限，因此利用建筑物屋頂自建光伏發(fā)電。結(jié)合汽車行業(yè)向混合動力、純電驅(qū)動的轉(zhuǎn)型趨勢，選擇了在員工停車樓頂搭建光伏板遮陽棚，將太陽能轉(zhuǎn)換為員工汽車充電的電能。已經(jīng)建成的光伏板面積1500m3，功率400kW，每年為員工車輛充電27萬kWh。

（7）水蓄冷

在公司制冷量最大的冷水系統(tǒng)使用了水蓄冷。蓄冷儲水罐總?cè)莘e為3500m3，蓄放冷溫度為5/13℃,總蓄冷量為27500kWh。水蓄冷系統(tǒng)同時為工藝冷卻和車間中央空調(diào)提供冷卻水。其中，工藝冷卻水系統(tǒng)隨車間生產(chǎn)全年運行，全年有蓄冷需求，提高了水蓄冷系統(tǒng)的利用率。系統(tǒng)可實現(xiàn)主機單獨蓄冷、蓄水罐單獨放冷、主機單獨供冷、以及主機與蓄水罐聯(lián)合供冷四種工況。

企業(yè)使用水蓄冷技術(shù)，利用了夜間電網(wǎng)能力富余時的電能，間接減少了電網(wǎng)電力浪費，減少了部分白天用電引起的碳排放。制冷機在夜間電力需求低谷運行，利用峰谷電價差值，企業(yè)還能節(jié)約電費。

大眾動力近十年來持續(xù)提高基礎(chǔ)設(shè)施能源績效，上述措施取得了顯著的節(jié)能降碳效果，詳見表1。

表1 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果

3 高能效的生產(chǎn)

3.1 能源管理體系

大眾動力在2016年按ISO 50001能源管理體系要求，系統(tǒng)梳理了能源管理工作。圍繞公司能源方針，設(shè)定了能源目標(biāo)，推動主要用能單元開展節(jié)能機會識別、制定節(jié)能措施、提高能源績效，詳見表2。

表2 節(jié)能機會識別

3.2 能源管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型

在能源管理中使用數(shù)字化工具，采用能源大數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)“智慧節(jié)能”，是大眾動力為進一步節(jié)能降碳設(shè)定的途徑。具體而言，大眾動力建立了能效管理數(shù)字化平臺，對電力計量裝置中的電能表、電流表、電壓表等進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了用能三級計量，綜合分析用能情況，挖掘節(jié)能潛力，制定節(jié)能措施。

這一數(shù)字化平臺在2021年下半年上線運行。 在該系統(tǒng)上線前，大眾動力的能源計量方式是主要依靠人工抄表方式的二級計量，這一模式的主要不足是：

（1）計量粗。能源計量最小單位是生產(chǎn)車間。生產(chǎn)管理者無法知道每條生產(chǎn)線與主要動力設(shè)施的能源使用與產(chǎn)品產(chǎn)出的精確關(guān)系，能知道每月耗電總量，不能知道生產(chǎn)組織與用能量的具體關(guān)聯(lián)。更無從得知重點用能設(shè)備單機的耗能情況，例如熱處理設(shè)備、壓氣機、制冷機等。

（2）效率低。依靠人工巡視與抄錄變電站日志方式獲取耗能數(shù)據(jù)，耗人工，速度慢。

（3）分析弱。人工統(tǒng)計分析用能數(shù)據(jù)，耗時長、報告晚，難以及時高效地對用能與生產(chǎn)產(chǎn)出作關(guān)聯(lián)分析。例如，無法得知動力設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備開機、待機、停機、保養(yǎng)等不同狀態(tài)的耗能情況，限制了管理者挖掘節(jié)能潛力。

針對舊模式的這些弱點，大眾動力設(shè)定了能效平臺的功能目標(biāo)并實現(xiàn)了以下功能：

（1）按設(shè)定的用能單元分級計量

計量對象是電、天然氣、汽油、機油等一次能源，以及冷卻水、熱水、壓縮空氣等二次能源。能效平臺將用能單元劃分為工廠、車間、生產(chǎn)線或公用動力站房三個層級， 采集用能數(shù)據(jù)、按用能單元歸納整理。對用電量，采集、分析三個層級用能單元及部分重點耗能設(shè)備單臺的耗能數(shù)據(jù)。

（2）自動采集用能數(shù)據(jù)，生成用能信息庫。在22條生產(chǎn)線與3個公用動力站房，安裝了2200多件電力計量智能表具與通訊網(wǎng)線，采用企業(yè)云微服務(wù)軟件架構(gòu)，形成能效管理平臺，詳見圖3。可通過公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，使用瀏覽器進行單點登錄訪問。

圖3 能效管理平臺的主要功能

（3）基于用能信息作綜合用能分析

依托大眾動力已有數(shù)據(jù)湖中的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，借助服務(wù)器的算力，能效平臺具有強大的實時報表生成、數(shù)據(jù)分析能力。 例如：單位產(chǎn)出能耗跟蹤與目標(biāo)分析、同類產(chǎn)品能效對比、二次能源制備效率分析、車間溫控圖、工廠或車間層級綜合能流分析。由此，大眾動力利用能效平臺及時跟蹤企業(yè)的能效情況，分解節(jié)能目標(biāo)，找到更多節(jié)能機會，實現(xiàn)高能效的生產(chǎn)。

能效管理平臺上線以來，大眾動力嘗試利用這個工具提高生產(chǎn)能效。

在本文管理實踐中，使用能效平臺分析了2021年生產(chǎn)用電單耗，優(yōu)化了2022年的生產(chǎn)組織。大眾動力有三個生產(chǎn)車間，它們分布在同一個聯(lián)合廠房內(nèi)，每個車間有獨立的公用動力站房基礎(chǔ)設(shè)施。2021年的生產(chǎn)組織方式為將生產(chǎn)任務(wù)均衡安排在三個車間完成，安排三個車間同時生產(chǎn)或與休息。

基于能效平臺提供的生產(chǎn)單位產(chǎn)品能耗分析，如圖4、圖5所示兩條生產(chǎn)線實例，生產(chǎn)管理者發(fā)現(xiàn)了電能單耗與生產(chǎn)集中度的數(shù)量關(guān)系。由此對2022年的生產(chǎn)組織作了調(diào)整以提高生產(chǎn)集中度，降低能耗。通過組織與技術(shù)準備，從5月起，將生產(chǎn)任務(wù)切換到兩個車間完成，停止運行一個車間與動力站房，將集中生產(chǎn)與停產(chǎn)的車間空間用隔墻分開，減少空調(diào)能耗。切換后，生產(chǎn)與耗能集中在兩個車間與動力站房，預(yù)計可以取得的節(jié)能效果是：與分散生產(chǎn)模式相比，集中生產(chǎn)模式下2022年預(yù)測能減少生產(chǎn)電力能耗370萬kWh。

圖4 缸蓋線電力單耗與生產(chǎn)集中度

圖5 曲軸線電力單耗與生產(chǎn)集中度

3.3 分解能效目標(biāo)

借助能效管理平臺，我們能夠?qū)?jié)能措施效果開展量化評價。追求高能效的生產(chǎn)，需要掌握設(shè)備耗能數(shù)據(jù)，進而設(shè)置合理的能效目標(biāo)。生產(chǎn)管理者使用能效平臺摸清用能情況。2021年下半年能效管理平臺上線以來，依托平臺的三級計量功能，初步掌握了主要生產(chǎn)線的耗能情況，設(shè)定了單位產(chǎn)品生產(chǎn)電耗參考目標(biāo)值，如表3所示。

表3 發(fā)動機生產(chǎn)線電力單耗參考值

基于系統(tǒng)收集提供的大數(shù)據(jù)，動力總成正在挖掘更多節(jié)能機會，例如分析生產(chǎn)線空運行能耗占比，結(jié)合設(shè)備技術(shù)特性，合理優(yōu)化設(shè)備開停機模式；比較同類產(chǎn)品能耗、尋找生產(chǎn)工藝改進潛力。

如圖6所示，大眾動力在2016年設(shè)定的五年節(jié)能目標(biāo)是，2021年單位產(chǎn)值能耗同比下降7%， 這一目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。 我們下一個的能源績效目標(biāo)是，2025年單位產(chǎn)值能耗比2020年下降13.5%。通過建設(shè)、利用高能效的基礎(chǔ)設(shè)施，借助大數(shù)據(jù)智慧節(jié)能工具提高生產(chǎn)過程能效，大眾動力將實現(xiàn)下一個能效目標(biāo)。

圖6 單位產(chǎn)值能耗2016～2021年實際值與2022～2025年目標(biāo)值

4 結(jié)語

在汽車發(fā)動機生產(chǎn)制造實踐中，通過建立科學(xué)的能源管理體系，應(yīng)用各種節(jié)能技術(shù)，分析能源大數(shù)據(jù)從中尋找節(jié)能機會等途徑，企業(yè)能夠提質(zhì)增效與節(jié)能降碳，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、低碳發(fā)展的目標(biāo)。