雙碳目標下印染工廠電氣減碳研究

張挺

（福建省建筑輕紡設計院有限公司，福建 福州 350001）

2020年中國提出兩個階段碳減排的奮斗目標，即力爭于2030年二氧化碳排放達到峰值，努力爭取在2060年實現碳中和，被簡稱為“雙碳目標”，為實現這一目標全國各行各業都在行動。

目前，我國紡織印染企業在輕工業能源消耗量中約占33%，尚未擺脫高排放、高能耗的現狀。有數據顯示，全國紡織行業的全環節能耗大致為4.84 t標煤/噸纖維，其中，印染行業能耗平均為2.84 t標煤/t纖維，占紡織企業生產環節全過程能耗的58.7%。例如，在某印染企業碳排放量統計中，按電力、染料、助劑、蒸汽、水、廢水分類統計，電力消耗產生的碳排放量占32.6%，是僅次于蒸汽的第二大能耗。

面對全球日益嚴格的能源消耗約束環境，紡織工業急需控制并轉變低層次、高能耗、高污染的產業發展模式，走低碳發展之路。電力是印染工廠中的能耗大戶，因此，為達到國家雙碳目標，印染工廠電氣減碳義不容辭。

如何實現電氣減碳，筆者認為，我們既要強化傳統電氣節能降耗技術以確保碳達峰，也要利用好新能源帶來的碳中和解決方式，降低企業碳排放強度，還要探討通過智能化新技術為其他非電力能源降耗提供支撐。為此，本文從電力節能、擴大新能源使用以及通過智能化促進其他能源降耗三大方面對印染工廠電氣減碳措施進行分析研究，提出相應的應對之策。

1 強化傳統節電技術，直接減碳

印染工廠工藝設備用電量大，車間倉庫建筑面積大，存在大量的電機能耗和照明能耗，由于用電量大、供電半徑長，因而產生了一定的線路能耗。因此，降低電力能耗的方式應該緊緊圍繞著降低電機能耗、照明能耗以及線路損耗這些關鍵點進行，達到直接減碳的目的。

1.1 降低電機能耗

降低電機能耗的主要方式是提升電機自身的能效水平和提高電機的控制水平。

1.1.1 強化電機的能效水平

隨著電機制造水平的提高，電機的能效水平也在持續提升中，更新淘汰高耗電設備和低效電動機，推廣高效傳動系統、高效風機、壓縮機、泵等設備，推廣節能高效電動機、稀土永磁電動機等就成為我們的實施目標。國家結合工業節能減排工作實際情況發布的《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄》前后一共四批，實施電動機能效標準，強制淘汰高耗能機電產品，涉及電動機、風機、泵、壓縮機、變壓器等多種類別產品。例如：20世紀80年代全國統一設計的Y系列電動機采用熱軋硅鋼片作為導磁材料，存在效率低、能耗高、環保性差的問題，達不到國家標準GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中對能效限定值的要求，要求2003年（含）前生產的該系列電機，最遲應于2015 年年底前停止使用，但該型電機在運營多年的印染廠中目前還大量存在，因此，節能減碳升級改造空間很大。

隨著機電一體化技術的提高及機電設計、生產水平的進展，新的設備不斷涌現，印染行業設備能效水平將會得到較大提升。

1.1.2 強化電機調速技術

印染生產是個連續化生產過程，存在大量的風機水泵，需要耗費大量的電能，因生產工藝的變化、每日生產計劃的變化，以及淡旺季生產量的變化，要求風機的風量與水泵的流量會隨之變化。有統計數據顯示，風機、泵類用電負荷在實際管網中的運行狀態，其有效用電功率僅占30%～40%，消耗在調節閥門、風門及管道壓降上的電能占60%～70%，再加上設計裕量，風機水泵的利用效率很低。在印染工藝設備中，機泵大量應用在染色機、定型機、烘燥機以及污水處理設備上，如果能夠按照工藝要求全部實施調速運行，可以節省大量電能，是印染工廠電力減碳的主力軍。

因此，采用先進電機調速技術，包括變頻調速、永磁調速，內饋斬波等技術改善風機、泵類電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式并重點對大中型變工況電機系統進行調速改造就成了我們的首選。以下具體分析變頻調速技術可以帶來的收益，風機各調節方式的能耗-流量曲線見圖1。

圖1 風機各調節方式的能耗-流量曲線

由圖1可見降低電機轉速可得到的是立方級節能效果，我們再以一臺75 kW給水泵變頻控制方案為例，分析可以節電的具體數據。

改造方式：擬配置2臺變頻器，采用工—變頻切換功能，恒壓控制。

運行狀況：原采用閥門調節，管道出口壓力5 kg，電機實際電流122.5 A，給水泵電機消耗實際功率為：√3×122.5 A×380 V×0.88=70.9 kW。現采用變頻調速技術改造，取消閥門調節，將管道出口壓力為設定為原值的80%，即4 kg左右，恒定輸出。

根據流體力學的基本定律，水泵屬變轉矩負載，其中：n——轉速，q——流量，p——壓力，P——軸功率之間的關系為：

Q1/Q2 = n1/n2 = f1/f2，即流量與轉速和頻率成正比；

p1/p2 = (n1/n2)2，即壓力與轉速的平方成正比；

P1/P2 = (n1/n2)3，即軸功率與轉速的立方成正比。

以此公式進行變頻節能計算，水泵在變頻調速后其實際消耗功率為：

70.9 kW×(4/5)1.5÷0.98=50.8 kW。

消耗功率下降28%，每小時節電：（70.9-50.8）kW×1 h=20.1 kW·h。

每年節電：20.1 kW·h×8000 h =16.08萬kW·h，可減碳52 t標準煤，2年內可回收變頻投資。

可以看到，電機變頻控制減碳效果明顯，投資回收快，表1為某印染企業變頻改造節電的數據。

表1可以看出，在達成雙碳目標中，電機變頻技術在減碳方面效能巨大，我們應該對現有設備進行變頻改造，大功率設備應改盡改，對于新購置設備，變頻控制應作為標配功能。

表1 某印染企業節電改造部分數據

1.2 優化工廠照明配置

1.2.1 根據不同環境及顏色識別要求合理選用光源

一般場所可選用壽命長、光效高的光源，不同的光源其能耗值差別很大（表2），在滿足生產工藝需求的前提下，應優先采用節能型燈具。在光源選擇方面，近年來隨著發光二極管 (LED 燈)成本的降低和技術逐漸成熟，LED光源已逐漸成為建筑照明的主流光源產品，在部分人員不長時間停留的場所可以合理選擇LED燈作為光源。在識別顏色要求高的場所，如印染車間，尤其在印花車間，應選用顯色指數高的光源，如具有高顯色性的LED燈，或者Ra大于80的三基色稀土熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓氙燈與節能燈等。

表2 有效光效對比表

1.2.2 強化局部照明

為使照明設計合理節能，應注意車間混合照明的使用。在GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，僅籠統提出染色印花車間的0.75 m水平面照度需要300 lx，容易誤導理解為整個車間的照度，進而在設計中采用過度照明，產生不必要的照明能耗。在實際工廠運營中，印染工廠照明區域分工藝設備工作區域、非設備工作區以及材料運輸通道，應合理設置不同區域的照度要求，配置合適的顯色指數。印染工廠層高較大，對于工藝設備工作區域照度要求高的地方，不應只依靠車間高處設置的普通照明，應充分利用機臺上的局部照明，尤其在印花機機頭處，練漂及染色的進、出口布面處，印花機、修布車間及整裝車間等處。普通場所滿足一般照明照度要求即可。具體實施的照度值見表3。

表3 印染工廠生產車間照明標準

1.2.3 黑燈工廠的應用

采用自動化技術實現無人操作，進入“黑燈工廠”的生產形態，可以最大限度節省照明用電與空調用電。

印染工廠需要一定體量的原料、成品倉庫，適合建成自動化立體存儲倉庫，借助智能控制平臺，日常運轉時不需要開燈，即“黑燈”作業模式。一個面積1萬m2的倉庫，如果全部采用黑燈工廠模式，每年可節省照明25萬kW·h。

在印染生產環節上，智能機器人的使用在技術上也已經取得突破，這也讓我們可以期待印染車間無人化和黑燈車間的實現。例如，康平納研制的筒子紗數字化自動染色成套技術與裝備實現了筒紗染色從坯紗到色紗成品全流程數字化，達成了筒子紗染色車間成為黑燈車間的實踐。

1.3 降低線路消耗

印染工廠工藝設備用電具有總用電量大的特點，大功率用電設備多且多布置集中，因而在建筑平面設計時應設置合理的配電房位置。在供電設計中應注意配電柜、箱要靠近負荷中心以減少供電線路長度，減少線路線損，變壓器應選擇采用高效節能變壓器。

2 可再生能源太陽能光伏發電應用，降低碳排放強度

2.1 陽光的充分利用

太陽能光伏發電屬于非化石能源，在提供發電經濟效益同時也可為企業降低碳排放強度，是一種綠色環保清潔能源。印染工廠用電量大，用電負荷波動不大，建筑屋頂面積大，無需裝設儲能裝置，非常適合設置太陽能光伏發電。但印染工廠建筑屋頂并不是完全平整的，很多較高的設備間、氣窗等可嚴重遮擋陽光，為最大限度利用屋面面積提高光伏利用率，需要我們因地制宜，根據屋頂平面情況采用針對性措施，最大限度地利用陽光，讓光伏充足發電。為此，我們需要在工藝布置、建筑布置、光伏支架形式等方面采取措施。

⑴ 提高屋面光照利用面積印染車間屋頂通常設置有設備及設備用房，而且有一定高度。例如定型機尾氣處理設備高度往往在5 m以上，如將其設置在南側，將會影響幾百甚至上千平方米的屋頂光照面積，進而影響上百千瓦的光伏發電功率。因此，在工藝條件許可時屋頂設備及設備房首選設置在北側，減少南側設備對陽光的遮擋，以提高屋頂可利用光照面積。

⑵ 采用柔性支架方式

印染車間需設置屋頂采光氣窗，高度往往達到5 m以上，高窗陰影將影響光伏組件容量布置，為了最大化利用屋頂面積，可采用預應力懸索結構系統的柔性支架方式。相比傳統模式的光伏支架，柔性支架體系的優勢在于跨度大且跨度范圍靈活可調，在相同土地面積的大跨度區域，存在氣樓等遮擋陽光的構件時，柔性支架的布板容量遠大于固定支架，在土地緊缺的情況下可以確保項目的全容量布置，達到屋頂空間利用率最大化。由于其投資有所增加，收益率可能不及傳統支架方式，但柔性支架方案的陽光利用率高，光伏發電量大，降低碳排放強度更大，更符合國家雙碳目標，值得推廣。

以下以某印染廠同一個染整車間屋頂為例，讓我們看看采用常規支架與柔性支架2種方式光伏發電量的差別。染整車間屋頂面積約19600 m2，混凝土平屋頂，采光氣窗高度為 5～6 m，氣窗呈南北方向布置，相鄰氣窗東西間距約11 m，氣窗遮擋日光陰影嚴重影響光伏組件容量布置。因氣窗陰影影響，以傳統支架方式布置的光伏組件如果布置在氣窗之間的屋面，其日照時間很短，發電經濟收益率很差，考慮到投資回報率，光伏組件只能布設在氣窗頂，而以柔性支架布設的光伏組件其日照完全不受遮擋，基本上可以滿鋪屋面。圖2、圖3、圖4分別為屋面設置光伏前與采用柔性支架方式設置光伏后的現場實景圖，實景圖顯示采用柔性支架后屋頂光伏可利用面積的最大化。

圖3 設置柔性支架屋面光伏實景圖1

圖4 設置柔性支架屋面光伏實景圖2

表4 為染整車間在屋頂氣樓面積占比不同的情況下，光伏布置采用傳統支架與柔性支架的發電容量比較，數據顯示，屋頂氣樓是否采用柔性支架，光伏發電容量差距達6～20倍，差別極大。

表4 染整車間屋頂光伏布置容量比較

2.2 電能的充分消納

以某印染廠為例，該工廠2個印染車間、1個高架倉庫、1座員工宿舍屋面面積約5萬m2，印染車間屋頂采光氣窗高度為5～6 m，項目采用柔性支架方案，有效利用氣窗間大跨度的建筑屋面。本項目光伏電站容量達8.30775 MWp，系統首年預計發電量約為10119.71 MW·h，考慮年衰減系數，系統25年年平均發電量約為9247.85 MW·h，年平均可節省3014 t標準煤，年平均利用小時數1113.37 h。將峰谷平電價每小時的平均值作為典型用電負荷曲線，模擬出每小時用電量，后與模擬發電量進行疊加對比，計算出消納電量，并且全年考慮7天的不可利用率，進行消納分析后得出峰消納占比52.00%，平消納占比46.88%，谷消納占比1.12%，總消納比例為95.09%。由此可以看出，光伏發電量基本上都可以由工廠自身用電消納，而且絕大部分在峰、平電價時段消納，有效降低碳排放強度。

2.3 光伏板的隔熱作用，間接減碳

屋面光伏電站建成后，屋面鋪設的光伏板可起到新增屋頂隔熱、保溫層作用，面積越大，效果越明顯。參照已建項目經驗，夏季時鋪設光伏組件屋面因光伏板的遮陽效果，可以降低車間的室內溫度2～4 ℃左右，如果是空調車間還可顯著降低空調的能耗。由此可見，印染工廠設置太陽能光伏還可以產生非常好的減碳效果。

3 智能化為綜合能源減碳提供支撐

印染行業是耗能大戶，減碳必須涉及除電力之外的水、汽、天然氣、染化料等其他各種能源的降耗，其中，智能化技術提供了重要的支撐，只有實現全工藝流程的精細化控制、精細化操作、精細化管理，才能實現裝備低碳升級改造，才能推廣清潔高效制造工藝，才能減少碳排放。因此，印染行業在實現工藝革新雙碳目標上，工藝革新是基礎，智能化技術應用是關鍵，并由此形成縱貫全生產流程的工業4.0智能制造。做好智能化技術在印染工業上的應用，可從工藝具體環節控制、工藝流程整體控制以及全方位管理信息化這三個由低到高的層次進行技術提升。

3.1 具體生產工藝環節的智能化，實現數字化轉型

在各個具體的生產環節中，實施智能化控制、檢測等，通過精確控制，實現能耗的下降。包括標準化染化料助劑、數字化節能減排工藝、在線快速檢測產品性能、在線檢測加工條件等措施。

例如：⑴ 空壓機自動控制系統利用中控系統檢測壓縮空氣實際使用量，優化空壓機負載，實現節能降耗；⑵ 污水處理加藥采用交流調速系統，自動檢測加藥溶度，進行精準控制，減少混凝沉淀的加藥量，減少人工加藥對環境的影響，降低污水運行成本；⑶ 印染在線檢測應用數字化技術，在關鍵的工藝節點，重要的設備點位，實施工藝參數的實時監測與控制，精準的工藝制造可以保證成品穩定的質量并獲得良好的節能減排效果。

3.2 工藝生產全過程數字化與網絡化，形成智能制造

印染生產是個連續化的過程，需要對生產工藝全程或局部進行智能化改造，利用數字化網絡化使之形成一個整體，前后工序密切配合，讓工藝全過程水電汽能耗大幅下降。這包括升級單體設備、精準自動配送染化料、印染專用制造執行系統、數據互聯互通、物聯網安全管理、倉儲智能化等。

例如：⑴ 項目染色采用中控自動化系統可以將染機設備、助劑、染料的精準計量與自動化輸送、各節點數據在線監測和管理，通過信息網絡組成一個龐大的物聯網綜合系統，實現了染整工藝設備、工藝流程、染化料及助劑的全范圍質量管理和生產控制。⑵ 項目能源計量采用三級能耗分項計量：所有能耗進廠設一級計量，在車間入口設二級計量，對具體工藝設備設三級計量，應用大數據分析技術對比、分析所采集的各級能耗數據，形成一套具有針對性的車間能耗指標體系。有數據表明，在能耗管理方面，將整個工廠設備能耗全部監測起來，配合生產管理水平的提升，可以降低多達20%的能耗。⑶ 通過生產過程條碼數據采集系統及各個染機的PLC系統集成，將相關生產實時的信息收集并做成調度顯示，方便車間跟蹤管理的方式進行計量，計量數據統計至中控中心進行數據分析和優化。

某染廠實際案例數據顯示，通過監控工藝設備的運行狀態，自動統計待機、停機、運行、維修的時長，及時發現設備異常故障并報警，對設備狀態運行和報修進行監控，大大縮小設備停機時間，特別是能源監控系統在線實時統計各設備在運行、待機、停機、維修的狀況下各項能耗分布的比例，可以實時掌握各項能源使用效率，有的放矢地降低能源損耗，總節能率可達到20%以上。康平納集團的筒子紗染色智能化車間實現全流程自動化染色技術實現工業化生產，所有操作全部由中央系統和傳感器控制，排除人為因素，從理論上實現了一致性。據統計，其生產效率提高15%，噸紗節電250kW·h、節水28 t、節汽1.7 t，減少污水排放28 t，減碳效果明顯。

3.3 全方位管理的信息化，形成智慧企業

利用以智能分析為核心的信息化技術（CPS技術）滿足用戶定制化需求，生產計劃排程系統（APS)、資源計劃管理系統(ERP)、制造執行系統（MES)等數字化管理系統在印染企業得到不同程度的應用，涉及大數據技術、個性化定制、云制造技術及云安全等，并由此形成智慧工廠的框架。智慧工廠可實現全生產流程的“零”空轉，降低了因物料運輸、設備停工等原因造成的能源損耗，確保每一“滴”能量都用在生產中，通過大數據分析和智慧決策，持續優化生產結構和管理模式，降低智能工廠的綜合能耗、提高能源利用率。圖5為一個智慧印染工廠發展的構想。

圖5 智慧印染工廠發展構想

APS高級排產系統專門針對印染企業生產計劃安排的特色進行設計，預先定義好每個產品工藝流程中每個工序的資源與特征約束，設置具體的排序選擇規則，生產大排程、工作中心任務能輕松滿足印染企業來料加工、進料加工、多企業分工合作、委外多種訂單生產模式，輔以智能優化的車間排產，顯著減少換產帶來的工時和物料損失，對染色車間進行自動智能分卡排缸，讓生產計劃的制定更加方便、合理，實現最優化的能耗節省方案。

印染ERP管理系統可實現坯布管理、產品管理、染助劑管理、染助劑自動稱料子系統、應付款管理子系統、應收款管理子系統、網上審批子系統等，在縱向上實現計劃發送、生產過程管理與控制以及各種設備聯網的集成，在橫向上實現企業、客戶和供應商的集成。

印染MES系統定位于印染上層資源計劃管理系統（ERP）與車間現場設備控制系統聯系起來，形成面向車間層的管理系統。一方面，MES對來自ERP的生產管理信息進行分析處理后，將工藝參數傳遞給車間染缸控制層（底層），而該底層控制層嚴格根據設定的程序，按照染整工藝要求進行生產；另一方面，系統可以采集、監控染缸的相關狀態數據。系統實現生產制造數據的自動化采集，用數據化的節能降耗促進雙減雙控。系統設多個功能模塊，包括生產計劃、管理、調度、實時監控，工藝設備（染缸等）管理，以及作業人員管理等，每一個功能模塊相當于一個分系統。

4 結論

綜上所述，在電氣及智能化領域，印染行業通過傳統節電技術的強化，可以使其電力能耗明顯下降。通過太陽能光伏發電的實施，可以為企業降低碳排放強度；通過智能化技術的應用，從工藝具體環節控制、工藝流程整體控制以及全方位管理信息化這三個由低到高的層次實現技術提升，為工藝、水、汽等其他能源降耗提供支撐。在印染行業實現雙碳目標上，電氣專業大有可為。