摘 要：在涂裝工廠方案設計中，基于當下現(xiàn)實應用技術的優(yōu)化和方案上的優(yōu)化來實現(xiàn)低污染物排放，達到了節(jié)能降耗和降低成本的預期目標。

關鍵詞：涂裝;能耗;VOC排放;環(huán)保;節(jié)能減排;方案設計;規(guī)劃

0? ? 引言

隨著時代發(fā)展，環(huán)保節(jié)能和低成本越來越成為社會共識和衡量工業(yè)發(fā)展水平的重要標尺。涂裝工業(yè)作為與國計民生息息相關的產(chǎn)業(yè)，其方案設計水平與節(jié)能綠色目標的達成密切相關。鑒于此，本文將重點討論在工業(yè)涂裝行業(yè)大型自動化流水線式涂裝車間的方案設計中，如何綜合考慮多方因素，以滿足節(jié)能綠色的環(huán)保要求，并兼顧成本控制。

1? ? 方案設計綱領

涂裝方案設計邏輯，一般第一步先確定工藝方向，第二步確定廠房，第三步確定總體布局，第四步確定詳細布局，第五步確定實施細節(jié)。本文將根據(jù)這樣的邏輯順序分析各個階段中影響能耗、環(huán)保和成本的因素。

2? ? 主要技術方向的節(jié)能降本

第一步先確定涂裝工序的工藝方向，工藝方向與后續(xù)的節(jié)能效果和整體布局密切相關。一般來說，涂裝工藝大致分前處理階段和噴涂階段。

其中，前處理階段工藝需要做基礎防腐和表面處理，讓工件表面處于適合噴涂的狀態(tài)。該階段主要影響前處理線和能源系統(tǒng)的方案設計。

而噴涂階段，根據(jù)涂料類型不同，常見的工藝有溶劑型涂料3C2B，水性涂料3C1B、B1B2工藝（C代表一道噴涂，B代表一道烘干）。涂料類型的選擇會極大地影響VOC的排放，而且配套工藝設備的不同也會影響噴漆室的段位設計和烘房的數(shù)量。水性涂料工藝中由于有機溶劑被去除，所以直接降低了VOC排放，并且減少了烘干次數(shù)，也降低了烘房能耗。水性漆工藝相比溶劑型的3C2B能源消耗降低30%，VOC降低70%，油漆消耗量降低20%。傳統(tǒng)水性漆3C3B、水性漆3C1B、水性漆免中涂示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

3? ? 廠房布局中的節(jié)能降本

第二步是確定廠房布局，廠房的布局要考慮節(jié)拍、工藝設備和土建等因素的影響，繼而做出廠房樓層數(shù)、跨距、是否需要搭建二樓架高層和中間層進行跨線物流等問題的決策。

3.1? ? 從節(jié)拍上考慮

設計節(jié)拍決定了生產(chǎn)線的規(guī)模大小，一般考慮到市場反應的不確定性和減少初期投資，大規(guī)模生產(chǎn)線會設計為兩條線分階段投產(chǎn)，一期只建設一條線，預留二期空間和不同工藝之間的連通線（一般在中間層即一樓設備上方到二樓樓板之間的空間，搭建連通線，可以在實現(xiàn)跨線連通功能的同時不影響地面的工位和通道），如圖4所示。

30JPH左右的生產(chǎn)線一般單線生產(chǎn)即可滿足需求，不需要考慮做中間層，也很少需要在二樓搭建鋼平臺用于緩存區(qū)。所以廠房高度可以定義為一樓標高0 m，二樓標高7 m，屋面底部凈高18 m。較小的廠房空間體積有利于減少廠房空調(diào)容量，進而降低投資、運行和維護費用，也能提高換氣效率和塵埃過濾效率，有利于提高質(zhì)量水平。

60JPH左右的生產(chǎn)線一般需要雙線生產(chǎn)，需要考慮中間層和搭建鋼平臺的需求，因此廠房高度大致應定義為一樓標高0 m，二樓標高8～9 m，屋面底部凈高18～20 m。

3.2? ? 從工藝上考慮

前處理線的輸送設備和工藝路線會影響整條線的長度。例如采用EMS輸送，由于存在入槽坡度，所以槽體長度不得不加長，加大了槽液用量和能耗;而采用翻轉式輸送機，可以取消入槽段的斜坡，直接采用矩形截面槽體，在達到同樣全浸沒時間的條件下，翻轉式輸送機可以實現(xiàn)更短的槽體長度，使得前處理線的空間占用更小，如圖5所示。

廠房總長度的瓶頸往往存在于工件上掛段長度+前處理線長度，或者存在于噴房長度+面漆烘房長度。所以只要確定了以上主要工藝和工藝段的長度，就能預估出廠房的總體長度。

3.3? ? 從土建上考慮

根據(jù)建筑常用的模數(shù)，廠房跨距的尺寸一般應該為3 m的倍數(shù)，非標準跨距可能帶來建筑成本的上升和項目升級改造的難點。例如，由于前處理入口處和電泳出口一般要考慮線體側面有工件橫向換線裝置以便切換到下道工序生產(chǎn)線，因此前處理和電泳線所在的跨寬度一般為12 m才能確保容納上下兩道工序的生產(chǎn)線和換線設備。

4? ? 總體布局中的節(jié)能降本

總體布局上，優(yōu)先考慮把高溫區(qū)和需要介質(zhì)循環(huán)的區(qū)域集中布置。例如，前處理和電泳區(qū)域一般可以相鄰平行布置;噴房由于廢氣處理區(qū)域需要與其他區(qū)域密閉隔離;應該把色漆線和清漆線相鄰平行布置，讓用漆點盡量集中，減少供漆管線的長度;烘房與烘房盡量靠近，減少與其他區(qū)域的熱量交換造成的能源浪費現(xiàn)象，如圖6所示。

同時，應當注意，在電泳區(qū)域附近，應該有可以就近布置供電站的空間;在噴房附近，也應該有空間來布置調(diào)漆間和空調(diào)等附屬設備。遵循就近原則，可以減少烘房熱量流失，減少管路和線纜投資，減少線路損耗，也有利于在換色、管路清洗等情況下減少介質(zhì)損失，降低運行和維護費用。

總體布局時，一般把前處理噴房和烘房布置在二樓，人工工位都布置在一樓。因為人工工位涉及工裝輔具的流轉，最好在同一層并盡量靠近以便物流。集中布置人工工位意味著新鮮空氣的供給系統(tǒng)也相對規(guī)則，不需要穿插樓層。

5? ? 詳細布局

在使用高單價設備時，應注意盡量提升高單價設備的節(jié)拍利用率。例如，如果規(guī)劃的生產(chǎn)線節(jié)拍為兩條線各20JPH，遠低于升降機的設計節(jié)拍60JPH時，應考慮一個升降機負責多種任務，以提高利用率，減少設備閑置時間。

如圖7所示，通常情況下，升降機布置時只負責單一任務。二樓烘房出口連接位于一樓精修線和二樓架高層的緩存區(qū)時，1號升降機負責烘房往精修線，實際使用節(jié)拍只有60%，存在節(jié)拍閑置情況;2號升降機負責烘房往緩存區(qū)，一般僅在后道工序堵塞或準備停工時排空烘房等非正常生產(chǎn)模式下使用，使用率10%。而且從邏輯上來說，出現(xiàn)需要動用2號升降機的非正常生產(chǎn)情況時，1號升降機處于非正常的低節(jié)拍運行或者停止狀態(tài)。

考慮到升降機節(jié)拍閑置過于浪費，應用單臺升降機兼顧正常生產(chǎn)時面漆烘房往精修線和非正常生產(chǎn)時面漆烘房往緩存區(qū)的雙重任務，如圖8所示。取消升降機2，可以降低投資約25萬元，減少數(shù)萬元的備件需求。

在設計工件緩存區(qū)時，應考慮讓工件可以不經(jīng)過緩存區(qū)直接到下一工藝段接口，這樣有利于減少工件的無意義在線時間和物流路線上的設備能耗。

如圖9所示，工件途經(jīng)7個輥床、2個橫移機才能到達下道工序接口。

如圖10所示，工件只經(jīng)過1個輥床、1個橫移機即可到達下道工序接口。

對比以上兩種方案，每個工件經(jīng)過這一路段時，方案二能減少6臺0.37 kW/h規(guī)格電機的能耗，按照雙班工作制計算，方案二每年節(jié)能約8 525 kW。

6? ? 實施細節(jié)

經(jīng)過以上步驟，涂裝車間所需的廠房、工藝及設備基本都已經(jīng)確定，投資成本基本固定。但是在后續(xù)的細化落地中，仍然有可以深度挖掘的節(jié)能減排、降低成本的潛力。

例如，在不改變設備規(guī)劃、增加投資的情況下，通過中控系統(tǒng)優(yōu)化，精細化管理設備的開機時間來實現(xiàn)節(jié)能降成本。過去的生產(chǎn)組織方式是開班時全線開機，1 h后，前處理線和前處理烘房預熱達到工藝條件后，首件上線;停工時，面漆烘房輸出末件后，全線關機。

當下的實踐中，可以采取更加精細化的開關機管理策略。線體啟動時，中控根據(jù)傳感器確認首件所處工位，提前命令后續(xù)工位開機預熱。停線時，中控根據(jù)末件所在位置及時關閉已完工工藝段的設備和空調(diào)。

假設每個主要工藝段能耗折合為1 kW，每個主要工藝段工藝時間1 h。如圖11所示，傳統(tǒng)方式下，開班時全線開機，1 h后首件上線，當班累計功耗70 kWh。

如圖12所示，精細化管理方式下，所有設備在工件到達本工位前提前1 h開機，當班累計功耗45 kWh，優(yōu)化后能耗降低約36%。

根據(jù)公開資料，在業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用精細化開機管理的車間中，僅烘房就可以實現(xiàn)年節(jié)約天然氣和電能費用11.7萬元。精細化關機措施主要用于及時關閉空調(diào)和工藝設備，每年可節(jié)約10.14萬元。

7? ? 結語

隨著市場競爭愈加激烈和時代變化，人們對涂裝工藝的環(huán)保和成本要求必然會越來越嚴格。研究如何在當前穩(wěn)定的技術背景下，通過方案和布局設計水平的改善來提高設備利用率，減少能源浪費，并降低生產(chǎn)成本具有重要意義，這也是響應國家低碳發(fā)展要求和提高企業(yè)競爭力的必經(jīng)之路。本文僅代表筆者個人觀點，與公司無關。

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收稿日期：2021-03-02

作者簡介：劉杜宇（1988—），男，湖北孝感人，工程師，研究方向：機械自動化。