船舶制造業涂裝車間能源管理創新實踐

楚險峰，莊國全，袁海田，李君楠，王浩，楊越

（上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 201306）

船舶涂裝是現代船舶制造的重要一環，涂裝車間則是船舶分段涂裝的主要場所。而涂裝車間向來給人以“臟亂差”的形象，生產作業環境極其惡劣，作業人員職業健康風險大，更是公司能源消耗大戶，約占公司總能耗20%。因此，涂裝車間的作業環境及能源管理亟待改善和突破。涂裝車間能源管理創新實踐是在此背景下深化企業自身運營管理、實施降本增效的重要工作之一。

1 現狀分析

1.1 作業環境粉塵問題

涂裝車間生產作業時不可避免地會產生大量的粉塵，粉塵彌漫在空氣中，具有很大的危害性。

（1）防火防爆：可燃粉塵懸浮在空氣中，與空氣混合，達到一定濃度遇到火源極易發生燃燒甚至爆炸事故。

（2）環境污染：粉塵的成分較為復雜，粒徑分布差距較大，若直接排放會污染大氣環境，用環保設備進行處理效率低、成本高。

（3）設備磨損：含粉塵的氣流與設備相碰撞，會劃傷設備外表面；塵粒沉降到設備運轉部件上或飄入機器內部會加速機件磨損、影響機器工作精度、降低機器壽命。

（4）產品質量：漂浮在空氣中的粉塵附著在分段表面，影響表面清潔度，從而產生涂層質量問題。

（5）危害人體：粉塵往往有致癌性和毒性，隨著空氣通過呼吸道進入人體的肺部，也會附著在眼睛等暴露出的器官上，對工人的身體健康有很大威脅。

1.2 設備運行及能源監測問題

涂裝車間的設備數量多、種類多、分布廣、結構復雜、能源消耗多、運行成本高，需要嚴格地監測管控。若能結合現代信息技術、工業互聯網技術實現涂裝車間能源在線監測、管理系統，可以在降低管理成本的同時，有效提升能源監測的時效性、準確性和直觀性。

1.3 節能降耗問題

涂裝車間每年消耗電能500～700萬kWh、壓縮空氣3000萬標準m3，是公司能源消耗大戶，約占公司總能耗12%。其中，有很多能源消耗是可以通過更實時的能源運行監測、管控及更合理的生產時間安排來降低的。

2 能源管理的創新實踐

2.1 無塵化作業環境管理

經綜合分析涂裝車間粉塵問題，決定分別從源頭、過程、末端入手，綜合治理粉塵問題，創建無塵化的生產作業環境。

（1）源頭布局。控制涂裝車間粉塵，從源頭入手展開治理很重要。根據廠房內各作業區粉塵產生量及產生時間的不同，再結合多個生產區域各自的性質特點，決定首先空間分區，隔離各作業區域，以便于實現區域化管控；然后將每個隔離區域單獨封閉；最后進行管理分區，使每個作業現場都能第一時間找到管理責任人，為創建無塵化生產作業環境提供制度保障。

（2）過程控制。控制涂裝車間粉塵，要關注粉塵擴散過程中的各個環節，及時發現問題，大膽創新，持續完善。如，現場作業發現，沖砂間的磨料在回收至儲丸箱時會形成粉塵氣流外溢的污染問題。經嘗試各種方案，綜合考慮實施成本、除塵效果、難度、可靠性、對正常施工作業的影響等特點之后，最終在儲丸箱本體上加裝除塵風管的方法，解決了粉塵污染外溢及擴散的問題，并獲得了國家專利。同樣獲得國家專利的還有“便于拆卸的涂裝車間濾網”和“一種氣動收砂裝置”等（圖1）。

圖1 涂裝車間無塵化環境改善措施

（3）末端治理。從源頭和過程進行管理只能減少粉塵的產生和排放而不能完全消除，涂裝車間粉塵清掃維持問題是粉塵治理的末端環節，也是重要一環。通過研究工業地坪的應用情況，綜合分析了混凝土地坪面層專業涂裝保護的各種工藝及施工方案，比較了工業地坪的施工要求和綜合性能后，在車間全面實施了地坪的面層涂裝，方便了粉塵的清掃與環境的維持（圖2）。

圖2 涂裝車間環氧地坪前后效果對比

2.2 能源管理系統開發

根據涂裝生產作業特點，結合對涂裝車間能源管理現狀的分析及其管理需求的跟蹤研究，利用信息化集成技術、大數據技術等，成功開發并實踐應用了涂裝車間能源管理系統，為管理設備能源、降低生產成本，提高精益管理水平提供平臺支撐。

2.2.1 能源管理系統開發總體目標

（1）上位機組態王控制系統功能：主要有上位機組態王電表數據界面（包括總電能、電流、電壓），總功率趨勢圖，設備定時關機等功能。

（2）能源管理系統功能：即峰平谷區間臺時報表、峰平谷區間能源消耗核算報表、峰平谷區間kWh報表、涂裝車間溫濕度登記表、每日生產信息登記、峰平谷時分區間電價設置、涂裝車間能源日報、涂裝車間能源效益數據報表、涂裝車間峰平谷能源消耗柱狀圖等。

（3）設備管理系統方面對設備臺賬、設備維修保養、設備臺時及利用率管理等進行開發與權限設置等。

2.2.2 能源管理系統數據統計基本原理

系統數據統計基本原理是設備能源管理系統的核心技術內容。其主要包含數字電能表、信息通訊技術、電能消耗計算、電能峰平谷時分區間消耗統計、基于生產物量與能源消耗的能效技術指標等。

2.2.3 能源管理系統架構設計

系統技術架構主要有四個部分：數據通訊、圖形界面監控、數據傳輸存儲、數據處理。系統設計開發基于Visual Basic語言，上位機組態王Kingview以及Microsoft SQL，在Windows Server 2012系統上運行。系統設計框圖如圖3。系統主要軟件技術為使用Visual Basic語言編程，實現生產制造過程的實時能源數據采集，并將上位機采集到的數據存入SQL數據庫，再通過計算出能源消耗、生成報表。

圖3 系統設計框圖

2.3 節能降耗措施推進

2.3.1 錯峰用電

沖砂間能耗總量占涂裝車間總能耗約70%。沖砂作業能源主要是電能和壓縮空氣，而其施工周期跨度大為錯峰用電提供了可能。為推進涂裝車間錯峰用電，最大限度利用谷時電價，降低平均用電成本，重點圍繞沖砂作業錯峰用電、推進上午分段沖砂交驗開展能源管理工作。

（1）沖砂作業錯峰用電：在生產過程中，根據生產需要和能源管理系統統計到的基礎數據分析，專門針對沖砂作業制定了生產計劃標準。即若單沖砂間分段沖砂面積小于4000㎡，安排在22:00后沖砂；4000㎡以上安排在21:00后沖砂。標準執行后，根據沖砂所開設備與空壓站空壓機的功耗差，按照沖砂時平均有功功率3000kW計算，平均每小時可節約電費2000元以上。

（2）推進上午分段沖砂交驗：根據峰平谷時分區間劃分，日間用能主要以峰時、平時為主，用電單價相對谷時更高。為減少日間峰時、平時能源費用支出，推進上午分段沖砂交驗工作可最大化降低能源消耗成本。在分段沖砂交接完成后，分段即可運出沖砂間，從而盡早關閉沖砂間各類設備開啟，如全室除塵機組、去濕機、照明等。

2.3.2 壓縮施工周期

（1）縮短分段涂裝施工周期。分段涂裝施工周期指分段從沖砂表面處理到油漆完工所用的時間?？s短施工周期有利于增加涂裝車間工位的利用率，提升能源效率，降低單位面積能耗成本。壓縮分段涂裝施工周期主要措施有做好生產準備策劃工作；優化分段沖砂、油漆工藝流程；確保分段施工質量，提升一次交驗合格率；在油漆固化后及時覆涂油漆，減少時間間隔等。

（2）沖砂、收砂作業無縫銜接。通過實施沖收砂作業無縫銜接機制，縮短施工周期，從而降低能耗總量。無縫銜接主要關注沖砂開始時間、沖砂結束時間、吹砂開始時間、吹砂結束時間、吸砂開始時間、吸砂結束時間，通過計算沖砂、吹砂、吸砂等3個工序環節之間的時間銜接來監測、判斷沖砂與收砂作業的銜接執行情況，所制定的銜接標準時15分鐘以內。

2.3.3 實時管控設備使用

（1）定時關機功能。設備定時關機（如圖4）可減少設備無效運行造成的能源浪費。如在午間休息時，由于沒有人員作業，若不影響生產，動力站房可在上午下班前提前十分鐘關閉空壓機。

圖4 設備定時關閉設置界面

（2）應用總功率趨勢圖。根據總功率趨勢圖（如圖5）可精確判斷當前設備能源消耗情況，結合生產物量及能效指標，通過減少設備開啟降低總功率值，使瞬時功率維持在較低水平，從而降低電能消耗。

圖5 能源管理系統功率監測趨勢圖

（3）設備開啟隨現場工況環境實時聯動。沖砂作業過程中，隨著作業逐漸接近尾聲，沖砂槍的開啟數量逐漸減少，對壓縮空氣的流量要求顯著降低，而動力站房空壓機仍在維持高負荷運轉。因此應結合工況環境的變化，涂裝車間集控中心操作人員及時將沖砂槍的實時開啟數量報告動力站房，動力站房結合實時壓縮空氣壓力及流量，減少空壓機設備開啟。

2.3.4 異常情況處置

在生產過程中，不可避免地會有人為或非人為的異常情況發生，往往表現為設備運行及功率異常，可通過能源管理系統鑒別出來，及時解決，從而減少能源浪費。

（1）應用電表數據界面。設備供電系統的運行信息會通過三相交流電每相的電流反映出來。設備能源管理系統的實時監控電表數據（如圖6），根據其三相電流值是否均衡判斷設備供電系統的運行是否正常、安全。

圖6 數字電能表數據界面

（2）應用能源日報表及自由報表。通過能源自由報表可以查詢任意時間區間能源效益數據，日報表可查詢每天能源消耗情況，見圖7。

圖7 日報表和自由報表查詢界面

2.3.5 設備設施升級

隨著科技發展進步，可針對一些現存的能耗較高的老舊設備設施進行更新換代。如，沖砂間LED照明燈節能改造項目實施后，原來39只金鹵燈壁燈替換為26只LED壁燈，每年節約6.8萬kWh。

此外，去濕機節能改造項目的實施也大大提升了設備的能效指標。

3 實踐成果

3.1 管理成果

涂裝部及所轄內場作業區以涂裝車間為現場載體，榮獲了上海市質量協會現場管理星級評價“五星級”，中國質量協會現場管理星級評價“五星級”，成為行業內最早一批獲此殊榮的集體（如圖8）。

圖8 全國現場管理星級評價“五星級”

涂裝車間設備能源管理系統作為科技成果于2018年8月15日經上海市船舶與海洋工程學會成果鑒定會鑒定。鑒定結果表明項目在國內率先成功研發了涂裝車間設備能源管理系統，項目突破能源數據統計、能耗精準計算、軟件系統架構設計、數據庫系統設計、軟件編程開發等多項關鍵技術基礎，創新點突出。應用表明項目成果不僅大幅度提高工作效率，而且顯著降低了能源消耗，已成為該領域先進標桿。

3.2 經濟效益

（1）涂裝車間直接電能費用節約。項目實施前，涂裝車間單位面積能源消耗為4.74kWh/m2，項目實施后為3.72kWh/m2，單位面積能源消耗下降21.5%。結合年度平均產能1000萬m2，經測算項目實施后直接電能費用節約經濟效益為173.4萬元/年。

（2）空壓站間接電能費用節約?？諌赫臼谴巴垦b生產的重要動力來源。項目實施后，空壓站空壓機的啟閉得到了非常有效的控制，平均每天減少空壓機開啟總臺套約2H，而空壓機的能源費用約1000元/H，則每天節約2000元電能費用，每年空壓站間接電能費用節約50萬元以上。

（3）錯峰用電實施效果。經錯峰用電工作實施，壓縮空氣峰平谷用能比例從18:25:62優化為11:17:72，谷時用電占比增加約10%。涂裝車間直接耗電單價從0.85元/kWh下降到0.79元/kWh，因錯峰用電實施每年經濟效益為223.2萬元。

綜上所述，項目的實施，年平均經濟效益為446.6萬元。

4 結語

面對涂裝車間設備種類多、粉塵污染重、能源消耗大、管理難度高等難題，上海外高橋造船海洋工程有限公司摸索總結出了一套先進的做法，經實踐證明取得了較好的成效。通過對涂裝車間能源管理特征的分析，管理需求的挖掘，結合現代信息技術、工業互聯網技術，創新性地解決了涂裝車間存在的粉塵污染防治、能源監測管控、節能減排等一系列問題。涂裝車間現已實現能源在線監測，創造出能源實時管控的具體措施，但仍需人、機、系統有效結合。為進一步提升管理水平，在項目后期運行管理過程中，將圍繞“數字化”“智能化”、“集控室無人化值機”等方面進行探索研究。