船舶制造業(yè)涂裝車間能源管理創(chuàng)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(xiàn)代船舶制造的重要一環(huán)，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(yè)環(huán)境極其惡劣，作業(yè)人員職業(yè)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(yè)環(huán)境及能源管理亟待改善和突破。涂裝車間能源管理創(chuàng)新實踐是在此背景下深化企業(yè)自身運營管理、實施降本增效的重要工作之一。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 作業(yè)環(huán)境粉塵問題

涂裝車間生產作業(yè)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(fā)生燃燒甚至爆炸事故。

（2）環(huán)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(huán)境，用環(huán)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(jiān)測問題

涂裝車間的設備數(shù)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(jiān)測管控。若能結合現(xiàn)代信息技術、工業(yè)互聯(lián)網技術實現(xiàn)涂裝車間能源在線監(jiān)測、管理系統(tǒng)，可以在降低管理成本的同時，有效提升能源監(jiān)測的時效性、準確性和直觀性。

1.3 節(jié)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(jiān)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(chuàng)新實踐

2.1 無塵化作業(yè)環(huán)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(chuàng)建無塵化的生產作業(yè)環(huán)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(jù)廠房內各作業(yè)區(qū)粉塵產生量及產生時間的不同，再結合多個生產區(qū)域各自的性質特點，決定首先空間分區(qū)，隔離各作業(yè)區(qū)域，以便于實現(xiàn)區(qū)域化管控；然后將每個隔離區(qū)域單獨封閉；最后進行管理分區(qū)，使每個作業(yè)現(xiàn)場都能第一時間找到管理責任人，為創(chuàng)建無塵化生產作業(yè)環(huán)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(huán)節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)問題，大膽創(chuàng)新，持續(xù)完善。如，現(xiàn)場作業(yè)發(fā)現(xiàn)，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(yè)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(huán)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(huán)節(jié)，也是重要一環(huán)。通過研究工業(yè)地坪的應用情況，綜合分析了混凝土地坪面層專業(yè)涂裝保護的各種工藝及施工方案，比較了工業(yè)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(huán)境的維持（圖2）。

圖2 涂裝車間環(huán)氧地坪前后效果對比

2.2 能源管理系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)涂裝生產作業(yè)特點，結合對涂裝車間能源管理現(xiàn)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(shù)據(jù)技術等，成功開發(fā)并實踐應用了涂裝車間能源管理系統(tǒng)，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(tǒng)開發(fā)總體目標

（1）上位機組態(tài)王控制系統(tǒng)功能：主要有上位機組態(tài)王電表數(shù)據(jù)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(tǒng)功能：即峰平谷區(qū)間臺時報表、峰平谷區(qū)間能源消耗核算報表、峰平谷區(qū)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(qū)間電價設置、涂裝車間能源日報、涂裝車間能源效益數(shù)據(jù)報表、涂裝車間峰平谷能源消耗柱狀圖等。

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

2.2.2 能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計基本原理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計基本原理是設備能源管理系統(tǒng)的核心技術內容。其主要包含數(shù)字電能表、信息通訊技術、電能消耗計算、電能峰平谷時分區(qū)間消耗統(tǒng)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(tǒng)架構設計

系統(tǒng)技術架構主要有四個部分：數(shù)據(jù)通訊、圖形界面監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸存儲、數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)設計開發(fā)基于Visual Basic語言，上位機組態(tài)王Kingview以及Microsoft SQL，在Windows Server 2012系統(tǒng)上運行。系統(tǒng)設計框圖如圖3。系統(tǒng)主要軟件技術為使用Visual Basic語言編程，實現(xiàn)生產制造過程的實時能源數(shù)據(jù)采集，并將上位機采集到的數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫，再通過計算出能源消耗、生成報表。

圖3 系統(tǒng)設計框圖

2.3 節(jié)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(yè)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(yè)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(yè)錯峰用電：在生產過程中，根據(jù)生產需要和能源管理系統(tǒng)統(tǒng)計到的基礎數(shù)據(jù)分析，專門針對沖砂作業(yè)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(zhí)行后，根據(jù)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(jié)約電費2000元以上。

（2）推進上午分段沖砂交驗：根據(jù)峰平谷時分區(qū)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。縮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(yōu)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(yè)無縫銜接。通過實施沖收砂作業(yè)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(huán)節(jié)之間的時間銜接來監(jiān)測、判斷沖砂與收砂作業(yè)的銜接執(zhí)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(yè)，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(jù)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(tǒng)功率監(jiān)測趨勢圖

（3）設備開啟隨現(xiàn)場工況環(huán)境實時聯(lián)動。沖砂作業(yè)過程中，隨著作業(yè)逐漸接近尾聲，沖砂槍的開啟數(shù)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(huán)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(shù)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(fā)生，往往表現(xiàn)為設備運行及功率異常，可通過能源管理系統(tǒng)鑒別出來，及時解決，從而減少能源浪費。

（1）應用電表數(shù)據(jù)界面。設備供電系統(tǒng)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(tǒng)的實時監(jiān)控電表數(shù)據(jù)（如圖6），根據(jù)其三相電流值是否均衡判斷設備供電系統(tǒng)的運行是否正常、安全。

圖6 數(shù)字電能表數(shù)據(jù)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(qū)間能源效益數(shù)據(jù)，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(fā)展進步，可針對一些現(xiàn)存的能耗較高的老舊設備設施進行更新?lián)Q代。如，沖砂間LED照明燈節(jié)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(jié)約6.8萬kWh。

此外，去濕機節(jié)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(yè)區(qū)以涂裝車間為現(xiàn)場載體，榮獲了上海市質量協(xié)會現(xiàn)場管理星級評價“五星級”，中國質量協(xié)會現(xiàn)場管理星級評價“五星級”，成為行業(yè)內最早一批獲此殊榮的集體（如圖8）。

圖8 全國現(xiàn)場管理星級評價“五星級”

涂裝車間設備能源管理系統(tǒng)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(fā)了涂裝車間設備能源管理系統(tǒng)，項目突破能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計、能耗精準計算、軟件系統(tǒng)架構設計、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計、軟件編程開發(fā)等多項關鍵技術基礎，創(chuàng)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(jié)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(jié)約經濟效益為173.4萬元/年。

（2）空壓站間接電能費用節(jié)約。空壓站是船舶涂裝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(jié)約2000元電能費用，每年空壓站間接電能費用節(jié)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(yōu)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(xiàn)代信息技術、工業(yè)互聯(lián)網技術，創(chuàng)新性地解決了涂裝車間存在的粉塵污染防治、能源監(jiān)測管控、節(jié)能減排等一系列問題。涂裝車間現(xiàn)已實現(xiàn)能源在線監(jiān)測，創(chuàng)造出能源實時管控的具體措施，但仍需人、機、系統(tǒng)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(shù)字化”“智能化”、“集控室無人化值機”等方面進行探索研究。