制造系統生產單元碳排放核算模型

顧佰和，譚顯春,2，譚顯波,許保光,2，李 輝,2

(1.中國科學院科技戰略咨詢研究院，北京 100190；2.中國科學院大學公共管理學院，北京 100049；3.廣東佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137)

1 引言

為應對全球氣候變化，世界各國紛紛提出碳減排指標。2014年APEC會議期間，中美發布應對氣候變化聯合聲明，中國計劃2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰。制造系統是制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員所組成的一個將資源轉變為產品輸入-輸出系統，其加工過程存在著高能耗、高物耗、碳排放大的特點。國家統計局2010年數據表明，我國制造業的能源消耗占我國能源消費總量的60%左右，造成環境污染的排放物有70%以上來自制造業[1-2]。因此，實施面向低排放、低污染、低能耗的機械制造，是我國實現碳排放峰值目標的重要保障，也是確保我國制造業協調可持續發展的重要途徑。

國內外已有多位學者圍繞制造系統的碳排放理論及核算進行研究。在制造系統碳排放理論層面，英國布魯內爾大學的Tridech等[3-4]對低碳制造進行了定義，并提出了基于資源效率與效力的低碳制造概念，同時給出實施低碳制造的途徑。英國克蘭菲爾德大學Ball等[5]提出了“零碳制造”的概念，集成物料流、能量流、廢物流建立了一種系統框架模型來分析碳流的輸入與輸出關系，討論實現零碳制造的可能性。Du Yanbin等[6]基于產品生命周期理論，從目標層、戰略層、過程層和支撐層四個層面構建了一個機械制造行業的低碳運行模型框架，并從低碳產品設計、源頭控制、過程控制和產品報廢處理四個角度提出了機械制造行業的四種典型的低碳運作模式。在制造系統碳排放核算層面，有大量學者基于能源消費數據進行了宏觀尺度的核算[7-10]。劉清春等[11]構建了制造業部門能源消耗碳排放核算模型，并將我國制造業碳排放分解為產出規模、部門結構,能源強度和能源結構等四個方面因素。Zhao Xingrong等[12]對中國工業部門2005-2013年碳排放進行了核算，核算范圍包括了由能源消費和工業產生過程產生的碳排放，并從投資規模、投資份額和投資效率三個方面對中國工業碳排放進行了解耦分析。Chen Wenying等[13]、Xu Jinhua等[14]以及顧佰和等[15]分別對鋼鐵行業、水泥行業和化工行業碳排放進行了核算。進一步有學者將碳排放核算的尺度細化到影響制造系統碳排放的各關鍵要素。Shia等[16]綜合考慮工廠投入、能源、物料三大輸入源以及交通這四方面的碳排放量，構建了制造系統碳排放混合核算模型，其中工廠投入涵蓋生產設備以及零部件，能源輸入包括電力、石油、天然氣、化石燃料和其他輔助能源，物料包括金屬、玻璃、塑料等，交通主要考慮設備、能源及物料的輸送過程產生的碳排放。Jeswiet等[17]指出產品制造過程的碳排放與制造過程的耗電量相關聯，提出一種基于電廠的碳排放指數及零部件制造的耗電量的碳排放計算方法。愛爾蘭都柏林大學Aaron等[18]核算塑料制造行業的碳足跡，并通過統計分析方法求得原材料、制造、二次包裝、運輸和臨終階段對碳排放的貢獻度。方健和徐麗群[19]在碳排放約束下的供應鏈中，將交通運輸過程中的碳排放作為供應商選擇的一個重要因素，并考慮了交通工具的不同對碳排放帶來的影響。李劍等[20]從供應鏈角度，將庫存維持、補充訂貨等因素納入制造企業碳排放的核算范圍。曹華軍等[21]在對機床構成及其生命周期特點進行分析的基礎上，基于生命周期評價原理提出了一種機床生命周期碳排放評估方法。尹瑞雪等[22]考慮能源碳、工藝碳、物料碳三方面碳排放來源，建立了砂型鑄造系統碳排放評估函數。李聰波等[23]綜合考慮機械加工設備物料、能耗、輔助物料及廢屑處理引起的碳排放，構建了機械加工系統碳排放量化模型。Yi Qian等[24]構建了一個多目標優化模型，探索切削速度和進給率對數控機床加工過程碳排放和加工時間的影響。

綜上所述，現有對制造系統碳排放的研究主要集中于制造系統整體，并取得了一定效果，但很少從制造系統生產單元的角度出發，研究生產單元單位產品的碳排放量。生產單元作為制造系統加工的主體，其碳排放量的確定對整個制造系統至關重要。其次，現有研究鮮有考慮產品合格率對制造系統碳排放量的影響。在制造系統機械加工過程中，合格率的變化會導致生產單元輸入及輸出產品數量的變化，進而影響生產單元乃至制造系統碳排放量。鑒于此，本文將會研究生產單元由原材料、電能、切削液、刀具、及廢品廢屑處理所引起的碳排放，分析合格率對生產單元碳排放量具體影響，構建給定工藝流程下生產單元碳排放核算模型。

2 生產單元的定義及其碳排放邊界

產品的制造過程是設計方案到產品實體的物化過程，但同時也是一個資源消耗和廢棄物排放的過程。產品的制造過程是由一系列的工序組成的，如毛坯生產、零件制造等工序，這些分為可計量工序和非可計量工序兩種類型。可計量工序有獨立的輸入、輸出以及獨立的生產和加工工藝，本文將其稱之為生產單元。

生產單元對整個制造系統至關重要，其作為制造加工的主體，碳排放的核算對整個制造系統有著重要的影響。生產單元的主要功能是將輸入的原材料經過機械加工后制成產品，在整個加工過程中，會消耗大量的原材料、電能、切削液、刀具等各種資源能源，同時產生一定的廢品和廢屑，如圖1所示。

圖1 制造系統碳排放邊界

制造系統生產單元的碳排放并不是在制造加工過程中直接產生的碳排放，其整個加工過程的碳排放具有間接性特點，因此需要研究在加工過程中所消耗的原材料、電能、切削液、刀具等在其制備和生產過程中所產生的碳排放，以及廢品廢屑處理過程中產生的碳排放，即：

3 考慮產品合格率下的生產單元碳排放核算模型

3.1 研究思路

對于機械加工企業，在小批量生產的條件下，每個生產單元輸入和輸出的半成品或者成品的數量均可確定，從而可以求出每個生產單元的合格率。因此，產品合格率計算公式(1)：

(1)

其中qi為生產單元r的合格率，ri和ri+1分別為生產單元i輸入和輸出產品的數量，r1指第一個生產單元所輸入毛坯的數量。

本文對符號的說明：

i=1,2,…,n表示生產單元的加工順序；

j=1,2,…,n表示產品加工過程所使用工藝的編號；

ji(i=1,2,…,nj=1,2,…,n)表示i第個生產單元所用的加工工藝為工藝j；

ri表示第i個生產單元所輸入的產品數量，同時也是第i-1個生產單元所輸出的合格品的數量，因此可以推出其計算公式(2)：

(2)

考慮到合格率對碳排放的影響，給定工藝順序下的制造系統生產單元碳排放核算公式(3)：

(3)

3.2 原材料引起的碳排放

原材料消耗引起的碳排放是指制造系統生產單元運行過程中所消耗的原材料在其制備過程中的碳排放。各生產單元的產出由三部分構成，廢屑(切除物)、廢品、合格品。上一環節的合格品要進入下一環節加工，因此制造系統生產單元原材料引起的碳排放主要指廢屑和廢品產生的碳排放。由此可以得到各生產單元原材料引起的碳排放，其計算公式為：

(4)

其中，

CEFm是指原材料碳排放因子；

3.3 電能引起的碳排放

(5)

當機床主軸在某一固定轉速下穩定運行時，其總輸入功率及空載功率是恒定值，則上述能耗計算可以轉化為公式(6)：

(6)

生產單元在加工過程中電能所引起的碳排放計算如公式(7)：

(7)

其中,ei為生產單元i單位產品能耗：

(8)

因此，電能所引起的碳排放計算如公式(9)：

(9)

其中，

CEFelec為電能的碳排放因子；

3.4 切削液引起的碳排放

切削液引起的碳排放時主要分為兩個方面：首先是純的礦物油在制備過程中引起的碳排放(CEoil)，另外是切削液在廢棄后進行處理所引起的碳排放(CEwc)。合格率會影響生產單元所加工產品的數量，進而影響刀具引起的單位產品碳排放，但由于切削液更換周期一般較長，因此在計算過程中要采用按時間標準折算的方法進行核算，其計算公式如式(10)所示：

(10)

其中，純的礦物油制備引起的碳排放計算公式(11)：

(11)

切削液在廢棄后進行處理所引起的碳排放為：

(12)

因此，切削液引起的碳排放計算公式(13)：

(13)

其中，

CEFoil是指配置切削液所需的純的礦物油制備碳排放因子；

土地利用類型的重心遷移是區域土地利用空間變化的總體特征，通過對研究期初和期末各種土地利用類型的分布重心進行比較，將重心的轉移方向、轉移距離與轉移區域的自然條件與社會人文條件相關聯，可在一定程度上反映土地利用的總體變化趨勢和空間格局變化規律，可以為合理配置土地資源、土地利用變化的驅動力及演替規律分析提供支持。

CEFwc是指切削液廢棄后進行處理的碳排放因子；

δ是指水基切削液的濃度；

ti是指第i生產單元使用工藝j的總時間，等于空載時間與加工時間之和；

3.5 刀具引起的碳排放

刀具所引起的碳排放主要考慮刀具制備過程，由于刀具更換周期一般較長，碳排放采用按時間標準折算的方法。合格率會影響生產單元所加工產品的數量，進而影響刀具引起的單位產品碳排放，其計算公式(14)：

(14)

其中，

CEFtool是指刀具的碳排放因子；

3.6 廢品廢屑處理引起的碳排放

制造系統生產單元產生的廢屑及廢品經收集壓塊后需要進行回爐(電熔爐)處理，在此過程中產生會產生碳排放。廢屑及廢品處理碳排放計算如公式(15)：

(15)

其中，

CEFw是指處理廢品廢屑的碳排放因子；

3.7 生產單元碳排放總量

各生產單元碳排放是由原材料、電能、切削液、刀具、廢品廢屑處理這五大源頭引起的，因此各生產單元的總碳排放量就等于這五大源頭碳排量之和，計算公式如式(16)：

(16)

3.8 生產單元關鍵要素碳排放因子

對于上述模型中各要素對應的碳排放因子，國內外已有很多學者和機構做了較為系統的研究，數據較為完備，本文借鑒既有研究結果，匯總計算得到各要素對應的碳排放因子如下表1所示。

表1 關鍵要素的碳排放因子

4 案例分析

4.1 方案介紹

圖2 零部件外形圖

本文以重慶機床廠加工某個零部件為例(見下圖2)，分析該零部件每個生產單元單位產品的碳排放量。該零部件為汽車排氣過程中的一個裝置，其加工工藝流程由九個生產單元組成為：1鉆大孔→2粗銑大孔→3精銑大孔→4 點中心孔→5 定位→6 倒角→7 鉆小孔→8 銑大孔螺紋→9倒角。

本文從實際生產過程中，獲取了每個生產單元的加工功率、時間以及生產設備加工參數等數據(如表2所示)。零部件的加工工藝信息和基本參數(如零件類型、零件材料、齒部熱處理方式、毛坯類型等工藝信息，以及齒數、模數、外形尺寸和長徑、加工方式、特征(主、輔特征)、零件的形狀特征(精度等級、粗糙度、行位公差))由加工車間的工藝信息獲得；零件加工過程中的加工時間、主軸轉速、進給率、背吃刀量等參數由車間技術人員輸入零件的相關信息并根據工藝手冊在數控系統中自動生成的加工信息獲得。合格率為質檢中心抽樣檢測獲得的結果。

4.2 實驗結果

結合機械加工手冊查詢所得值和本文所建立的考慮產品合格率下的生產單元單位產品碳排放核算模型，核算得到各生產單元原材料、刀具、電能、切削液以及廢品廢屑的碳排放量，并分析了九個生產單元的碳排放量占比以及五大排放源的碳排放占比，具體結果如表3、圖3和圖4所示。

圖3 各生產單元單位產品碳排放量對比圖

圖4 各要素單位產品碳排放量對比圖

4.3 結果分析

由圖3可知，從生產單元的角度來看，鉆大孔所帶來的碳排放量最大，其次是大孔倒角和粗銑大孔，而小孔倒角所產生的碳排放量最小。由圖4可知，從要素角度來看，原材料是該制造系統碳排放的最大貢獻源，占到排放總量的一半以上，其次是由于刀具消耗產生的碳排放，占到排放總量的22.9%，其原因在于為該制造系統提供原材料和刀具的鋼鐵行業和有色金屬金屬行業均為高耗能行業。進一步分析各生產單元內部不同要素的碳排放，發現除大孔倒角外，其他所有生產單元中原材料所引起的碳排放量都是最大的。在大孔倒角中，刀具消耗引起的碳排放占最大比例的原因在于該工序中使用的刀具質量遠大于其他工序。

此外，通過對生產單元碳排放核算模型式(16)的分析發現，若使其他因素保持不變，僅考慮產品合格率qi的變化，則式(16)可寫為：

(17)

5 結語

生產單元作為制造系統的加工的主體，其碳排放量的核算是確定整個制造系統乃至制造業碳排放總量的關鍵。本文針對生產單元碳排放的核算，在總結現有研究的基礎上，綜合考慮原材料、電能、輔助物料及廢屑處理所帶來的碳排放，確定生產單元的碳排放源；針對合格率對生產單元碳排放的影響，將合格率納入碳排放核算體系中，建立了給定工藝流程下生產單元碳排放模型，并結合一汽車排氣裝置加工實例，核算其各生產單元的碳排放量，驗證了模型的可行性。在合格率確定的情況下，各生產單元中鉆大孔所帶來的碳排放量最大，各要素中原材料所引起的碳排放量最大，其次是刀具和電能所引起的碳排放。進一步分析發現，任何一個生產單元合格率的改善都會帶來其自身和后續生產單元碳排放量的降低，同時也會降低整個制造系統的碳排放水平。

本文探討了合格率確定情況下(小批量生產的條件下)的制造系統生產單元碳排放，而在大批量生產時，生產單元輸入和輸出的半成品或成品的數量無法輕易計量，即生產單元的合格率不能簡單的采用統計方法確定，此時的合格率水平可以認為是隨機的。因此合格率隨機情況下制造系統生產單元的碳排放核算是下一步值得研究的問題之一。此外生產單元加工順序的變化會導致制造系統能耗的變化，從而影響制造系統的碳排放量。因此在生產單元加工順序可交換條件下制造系統的碳排放存在優化空間，這也是值得進一步討論的話題。