涂裝車間節(jié)能技術(shù)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(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人民生活水平提高的必要條件。汽車作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要產(chǎn)業(yè)為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但其能耗問題也日益嚴(yán)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(shù)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(shè)計(jì)階段就借鑒這些方法效果將更好，設(shè)備改造或者日常生產(chǎn)運(yùn)行參考本文所述方法也可取得不錯(cuò)的節(jié)能效果。

1 涂裝節(jié)能技術(shù)

1.1 智能烘房

烘房是涂裝車間內(nèi)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(chǎn)中斷及其相關(guān)的波動(dòng)，如設(shè)備空轉(zhuǎn)、故障，即使在設(shè)備啟動(dòng)和調(diào)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(yīng)具備以下功能：（1）具有虛擬車身跟蹤功能的預(yù)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(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)新鮮風(fēng)量和排風(fēng)量。（2）烘房的溫度變化曲線隨時(shí)都精確匹配生產(chǎn)流程工藝要求以確保產(chǎn)品質(zhì)量，保證每臺(tái)車身獲取新風(fēng)風(fēng)量恒定不變。2015 年德國DURR 公司的EcoSmart VEC（Variable Exhaust air Control）產(chǎn)品（圖1）已經(jīng)在烘房上可以實(shí)現(xiàn)上述功能；目前國內(nèi)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(yīng)的PLC 程序優(yōu)化也基本實(shí)現(xiàn)了上述功能。另外，烘房焚燒爐燃燒器熱氧化溫度值設(shè)定過高也會(huì)導(dǎo)致排風(fēng)溫度過高造成燃?xì)獾睦速M(fèi)。所有參數(shù)的調(diào)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(shù)

涂裝車間是整車廠的燃?xì)庾畲竽芎拇髴簦浜娣?、噴房廢氣凈化系統(tǒng)焚燒爐會(huì)用掉大量燃?xì)馔瑫r(shí)產(chǎn)生大量高溫廢氣，如不加以回收其抵達(dá)煙囪的溫度甚至高達(dá)350℃，大量熱量將白白浪費(fèi)。北京奔馳順義涂裝車間在烤箱等廢氣焚燒裝置排風(fēng)風(fēng)管末端安裝了氣-水式換熱器進(jìn)行余熱回收且余熱回收效果顯著，具體如圖2 所示，所有經(jīng)過余熱回收換熱器返回的高溫?zé)崴M(jìn)入車間熱水耦合罐，然后將回收的余熱供應(yīng)給車間空調(diào)（夏季除濕，冬季預(yù)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(dāng)回收的余熱無法滿足用戶側(cè)的熱負(fù)荷時(shí)，工廠能源中心的蒸汽將通過蒸汽～水換熱器給該系統(tǒng)提供熱源。

圖2 涂裝車間余熱回收系統(tǒng)示意圖

1.3 空調(diào)節(jié)能技術(shù)

工業(yè)空調(diào)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(fēng)機(jī)水泵電耗、減少冷熱負(fù)荷及改善控制來降低空調(diào)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(shè)備來實(shí)現(xiàn)；減少空調(diào)冷熱負(fù)荷可通過提高建筑的保溫性能、選擇合理的室內(nèi)溫濕度參數(shù)、控制和正確使用室外新風(fēng)來提高冷源效率；可通過使用變頻控制、提高風(fēng)機(jī)水泵效率、減小過濾阻力、設(shè)定合理流量、檢查電機(jī)及葉輪狀態(tài)來減少風(fēng)機(jī)水泵電耗；可通過加裝自控系統(tǒng)、設(shè)定生產(chǎn)及非生產(chǎn)或假期模式來改善空調(diào)的控制。另外，新風(fēng)空調(diào)冷盤管產(chǎn)生的冷凝水由于其低電導(dǎo)率、低溫特性，可以考慮回收到制冷機(jī)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(jī)能效?？照{(diào)排風(fēng)可通過熱回收裝置（轉(zhuǎn)輪式或盤管式）或者回風(fēng)進(jìn)行冷熱的回收已降低空調(diào)冷熱負(fù)荷即顯熱回收，如果轉(zhuǎn)輪材料可以進(jìn)行濕度交換亦可降低空調(diào)濕負(fù)荷即潛熱回收。在滿足工藝的條件下，夏季提高室內(nèi)溫濕度設(shè)定值，冬季降低室內(nèi)溫濕度設(shè)定值對(duì)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(tái)風(fēng)量為182000m3/h 的廠房通風(fēng)空調(diào)取消冬季加濕功能 后2021.10.1 ～2021.12.15 比2020 年同 期2個(gè)半月燃?xì)夂牧拷档图s31.5 萬m3。

1.4 制冷機(jī)節(jié)能技術(shù)

制冷機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源每年需要消耗大量電能，普及制冷機(jī)的節(jié)能技術(shù)意義重大。直接免費(fèi)制冷是最簡單、熱效率最高的免費(fèi)制冷模式，卻因容易形成水垢需經(jīng)常清洗冷水機(jī)組反而成了最不宜推廣的形式。間接免費(fèi)制冷則無上述缺點(diǎn)，其中制冷機(jī)主機(jī)免費(fèi)制冷（圖3）則是利用機(jī)組冷凝器與蒸發(fā)器高度差以及冬季運(yùn)行時(shí)冷凝器內(nèi)水溫低于蒸發(fā)器水溫這兩個(gè)特性，通過改造將冷媒流向改變從而實(shí)現(xiàn)免費(fèi)制冷。冬季免費(fèi)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(nèi)要求的溫度時(shí)，即可運(yùn)行免費(fèi)制冷模式，運(yùn)行時(shí)只需開啟與機(jī)組相配套的冷卻塔和循環(huán)水泵，冷水機(jī)組壓縮機(jī)可完全處于停機(jī)狀態(tài)。我國北方冬季持續(xù)時(shí)間長、外界溫度低，具備推廣免費(fèi)制冷的天然優(yōu)勢。另外，如果在每臺(tái)制冷機(jī)的冷凍水測安裝流量計(jì)實(shí)時(shí)顯示制冷機(jī)的COP（能效比）值便可在程序里根據(jù)所有制冷機(jī)組的COP 值由高到低自動(dòng)加載制冷機(jī)即優(yōu)先使用能效高的制冷機(jī)，COP 低于廠家推薦值的可以安排對(duì)其冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)行及時(shí)化學(xué)清洗。

圖3 離心機(jī)免費(fèi)制冷示意圖

1.5 熱泵技術(shù)

熱泵作為一種高效節(jié)能裝置已經(jīng)在工業(yè)涂裝領(lǐng)域開始推廣應(yīng)用。有人根據(jù)在噴漆室循環(huán)風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)使用熱泵技術(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了在同時(shí)需要加熱和制冷的場合熱泵的COP 值可達(dá)8 以上且設(shè)備運(yùn)行可靠。李慶華介紹了熱泵技術(shù)應(yīng)用在某整車廠涂裝車間的涂料溫控系統(tǒng)上的成功經(jīng)驗(yàn)。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(chǎn)生80 ～120℃的熱風(fēng)作為面漆和電泳烘干室的新鮮風(fēng)的成功案例。當(dāng)前許多新建涂裝車間均采用干式噴房，其循環(huán)風(fēng)空調(diào)一年四季均需制冷，產(chǎn)生的廢熱都通過冷塔白白浪費(fèi)了，可以借助熱泵技術(shù)（圖4）將這些廢熱合理利用，即將熱泵蒸發(fā)器作為空調(diào)冷盤管，熱泵的冷凝器將循環(huán)風(fēng)空調(diào)產(chǎn)生的廢熱用至前處理磷化、車間空調(diào)（冬季預(yù)熱，夏季除濕）、浴室甚至低溫烘房。

圖4 循環(huán)風(fēng)空調(diào)熱泵系統(tǒng)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(tǒng)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?xì)?。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?xì)猓浑娪疽哼x用省攪拌型涂料可在車間停產(chǎn)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(shí)間不得超過2h），僅在生產(chǎn)前開啟攪拌即可，該方法可削減電泳生產(chǎn)線85%的電能消耗；在確保清洗質(zhì)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(bǔ)水法（圖5）可節(jié)省大量水資源的消耗。

圖5 逆工序補(bǔ)水法

1.7 滾浸式輸送機(jī)

傳統(tǒng)擺桿鏈和推桿懸鏈輸送機(jī)無法保證車身過電泳線時(shí)100%車身表面被處理，往往箱體內(nèi)腔會(huì)出現(xiàn)氣泡造成質(zhì)量缺陷，車身出槽之后帶液量較大往往會(huì)影響后續(xù)輸送設(shè)備，比如在輸送滾輪上電泳漆積漆嚴(yán)重。針對(duì)這些問題，DURR 公司開發(fā)了Rodip 滾浸式輸送機(jī)（圖6），其在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)方面優(yōu)勢明顯（表1），使用該設(shè)備可確保車身表面過前處理和電泳線時(shí)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(tái)，車身為翻轉(zhuǎn)出入槽，槽體可縮短至原始尺寸的4/5。目前，國內(nèi)中國汽車工業(yè)工程有限公司也研發(fā)了類似產(chǎn)品并取得了成功應(yīng)用。

圖6 Rodip 滾浸式輸送機(jī)

表1 前處理·電泳線4 種輸送方式的工藝槽大小對(duì)比

1.8 換熱器節(jié)能措施

涂裝車間的換熱器根據(jù)介質(zhì)種類主要可分為氣-氣換熱器（如烘房循環(huán)風(fēng)換熱器及新風(fēng)換熱器）、液-氣換熱器（如空調(diào)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(jù)相關(guān)研究顯示碳酸鹽水垢的導(dǎo)熱系數(shù)只有銅的1/400 ～1/300，碳鋼的1/100 左右，水垢對(duì)換熱效果影響非常明顯。本文提出提升換熱器能效的幾點(diǎn)建議。

（1）確定換熱器最佳除垢時(shí)機(jī)，一旦換熱器內(nèi)部產(chǎn)生水垢或其他異物黏附在換熱表面都將大大降低整體導(dǎo)熱系數(shù)，長時(shí)間不清洗其能效會(huì)大大降低，造成燃?xì)饣蛘唠姷睦速M(fèi)，甚至?xí)斐稍O(shè)備故障停機(jī)（如圖7 烘房循環(huán)風(fēng)換熱器或新風(fēng)換熱器堵塞嚴(yán)重將導(dǎo)致爐溫?zé)o法達(dá)到烤車的工藝要求），如果清洗頻繁又會(huì)造成維護(hù)成本過高。

圖7 循環(huán)風(fēng)換熱器清潔

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

（3）流體流速根據(jù)換熱情況相應(yīng)調(diào)節(jié)但不可超過某個(gè)最大值，否則水泵或風(fēng)機(jī)因提高頻率產(chǎn)生的能耗比節(jié)省的能耗更多。

（4）監(jiān)測換熱器運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)修復(fù)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(shè)備上或者工業(yè)管道上覆蓋隔熱材料用來增加設(shè)備的導(dǎo)熱熱阻，減少熱量的損失。對(duì)于涂裝車間，最大的能耗來自于空調(diào)和烘房，車間建筑保溫效果不好，冬季將造成空調(diào)燃?xì)庀脑黾?，夏季將造成制冷機(jī)電能的浪費(fèi)；烘房及其風(fēng)管保溫不良，不僅造成燃?xì)獾睦速M(fèi)，對(duì)相關(guān)人員也存在燙傷的安全隱患；制冷機(jī)組及其冷凍水管路如果保溫不良，不僅造成電能浪費(fèi)，在保溫破損處還會(huì)出現(xiàn)冷凝水滴落，對(duì)車身質(zhì)量和設(shè)備安全來說都存在一定影響。建筑或者設(shè)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(diǎn)檢工作，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)記錄，再安排修復(fù)工作；在建筑或設(shè)備保溫施工階段可以借助熱流計(jì)確定其最經(jīng)濟(jì)的保溫層厚度。對(duì)于設(shè)備散熱損失可以借助熱流計(jì)和紅外熱像儀一起確定具體損失熱量，在離設(shè)備較遠(yuǎn)處用紅外熱像儀測量設(shè)備整個(gè)表面的溫度圖像，然后對(duì)溫度圖像中亮度不同的部分進(jìn)行熱流測量，測量結(jié)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(xiàn)異常地點(diǎn)。另外，根據(jù)紅外熱像儀得到的溫度圖像（圖9）計(jì)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(fēng)管泄漏

1.1 0 設(shè)備跑冒滴漏管理

設(shè)備跑冒滴漏是指液體、氣體在存放和運(yùn)輸?shù)冗^程中因操作不當(dāng)或管理不善而產(chǎn)生的跑氣、冒水、滴液漏液的現(xiàn)象。目前來說，跑冒滴漏對(duì)于大部分企業(yè)來說都是普遍存在的問題，我們應(yīng)該利用管理手段和技術(shù)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(shè)備維護(hù)人員利用專業(yè)儀器系統(tǒng)化排查車間內(nèi)設(shè)備及建筑跑冒滴漏情況并統(tǒng)計(jì)上報(bào)（如圖10）；分片包干制，即所屬區(qū)域的跑冒滴漏問題與責(zé)任人的績效掛鉤；工位上報(bào)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(shí)上報(bào)；公司檢查法，即公司組織專門團(tuán)隊(duì)對(duì)各車間進(jìn)行跑冒滴漏專項(xiàng)檢查并記錄。對(duì)于跑冒滴漏工作的推進(jìn)必須要由公司最高的領(lǐng)導(dǎo)層進(jìn)行推動(dòng)，層層推進(jìn)工作，設(shè)置合理的獎(jiǎng)懲措施（如能源之星計(jì)劃），這樣才能在企業(yè)內(nèi)部形成良性循環(huán)，樹立大家的節(jié)能環(huán)保意識(shí)。

圖10 空壓氣管道泄漏檢測

1.1 1 泵及風(fēng)機(jī)管理

在工業(yè)生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備占總用電量的1/3，通過新技術(shù)和管理手段提升風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備能源利用率意義重大。已有眾多學(xué)者指出降低泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗最經(jīng)濟(jì)的方法是減少功率控制系統(tǒng)造成的能量損失。采用“縮小泵或風(fēng)機(jī)”的技術(shù)或根據(jù)流量要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率都是性價(jià)比很高的方法。在系統(tǒng)的流量要求不變時(shí)，可以修整泵的葉輪和更換風(fēng)機(jī)的皮帶輪。在變流量系統(tǒng)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(diǎn)檢檢查水泵或者風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常盡快調(diào)整降低因此造成的能量損失。對(duì)于重點(diǎn)風(fēng)機(jī)和水泵建議增加在線振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，提前發(fā)出異常警告提前進(jìn)行維護(hù)工作，避免突發(fā)設(shè)備停機(jī)故障，給生產(chǎn)造成重大損失。

1.1 2 壓縮空氣系統(tǒng)管理

壓縮空氣浪費(fèi)主要原因如下：空壓氣泄漏、大馬拉小車空壓機(jī)能力過剩、生產(chǎn)線上的使用過剩、空壓機(jī)空轉(zhuǎn)。王朝政有針對(duì)性地提出了壓縮機(jī)及網(wǎng)管的更換改造，分別設(shè)置儲(chǔ)氣罐，改善入口空氣溫濕度等節(jié)能措施。李昱等人針對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的問題，從加工轉(zhuǎn)換、傳輸分配、終端使用這3 部分對(duì)某汽車廠壓縮空氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)。張慶營等人研究發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱可以回收利用到中央空調(diào)進(jìn)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(jī)變頻節(jié)能群控改造的要點(diǎn)與方向。張江華發(fā)明了一種工業(yè)螺桿式空壓機(jī)群控系統(tǒng)的節(jié)能控制方法。王曉東著重研究了壓縮空氣流動(dòng)過程的熱力學(xué)節(jié)能措施。馬思軍認(rèn)為建立用氣考核規(guī)定和管理制度，對(duì)各用氣部門安裝空氣流量計(jì)，強(qiáng)化各用氣部門杜絕跑冒滴漏及節(jié)約用氣的意識(shí)非常重要。

1.1 3 能源管理系統(tǒng)

北京奔馳能源管理系統(tǒng)（圖11）采用分層分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)其下所有廠區(qū)（后驅(qū)車工廠、前驅(qū)車工廠、順義工廠、發(fā)動(dòng)機(jī)工廠、電池工廠、能源中心）各車間設(shè)備和建筑的電力、燃?xì)?、水、壓縮空氣、冷凍水、熱水、蒸汽等各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并可分析設(shè)備及建筑實(shí)時(shí)及歷史能耗狀況，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和建筑節(jié)能應(yīng)用。

圖11 能源管理系統(tǒng)儀表板

2 結(jié)語

涂裝工業(yè)在所有行業(yè)中屬于能耗高、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大的行業(yè)，這也意味著在涂裝工業(yè)的節(jié)能減排的機(jī)會(huì)多、潛力大。本文列舉了一些在涂裝行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到應(yīng)用的節(jié)能減排的相關(guān)技術(shù)，限于篇幅還有很多先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)未能一一介紹。隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，必將還會(huì)涌現(xiàn)出越來越多先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)，希望這些優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛟谌澜绲玫椒窒?，期待全人類早日?shí)現(xiàn)碳中和這一偉大目標(biāo)。