双碳目标下印染工厂电气减碳研究

张挺

（福建省建筑轻纺设计院有限公司，福建 福州 350001）

2020年中国提出两个阶段碳减排的奋斗目标，即力争于2030年二氧化碳排放达到峰值，努力争取在2060年实现碳中和，被简称为“双碳目标”，为实现这一目标全国各行各业都在行动。

目前，我国纺织印染企业在轻工业能源消耗量中约占33%，尚未摆脱高排放、高能耗的现状。有数据显示，全国纺织行业的全环节能耗大致为4.84 t标煤/吨纤维，其中，印染行业能耗平均为2.84 t标煤/t纤维，占纺织企业生产环节全过程能耗的58.7%。例如，在某印染企业碳排放量统计中，按电力、染料、助剂、蒸汽、水、废水分类统计，电力消耗产生的碳排放量占32.6%，是仅次于蒸汽的第二大能耗。

面对全球日益严格的能源消耗约束环境，纺织工业急需控制并转变低层次、高能耗、高污染的产业发展模式，走低碳发展之路。电力是印染工厂中的能耗大户，因此，为达到国家双碳目标，印染工厂电气减碳义不容辞。

如何实现电气减碳，笔者认为，我们既要强化传统电气节能降耗技术以确保碳达峰，也要利用好新能源带来的碳中和解决方式，降低企业碳排放强度，还要探讨通过智能化新技术为其他非电力能源降耗提供支撑。为此，本文从电力节能、扩大新能源使用以及通过智能化促进其他能源降耗三大方面对印染工厂电气减碳措施进行分析研究，提出相应的应对之策。

1 强化传统节电技术，直接减碳

印染工厂工艺设备用电量大，车间仓库建筑面积大，存在大量的电机能耗和照明能耗，由于用电量大、供电半径长，因而产生了一定的线路能耗。因此，降低电力能耗的方式应该紧紧围绕着降低电机能耗、照明能耗以及线路损耗这些关键点进行，达到直接减碳的目的。

1.1 降低电机能耗

降低电机能耗的主要方式是提升电机自身的能效水平和提高电机的控制水平。

1.1.1 强化电机的能效水平

随着电机制造水平的提高，电机的能效水平也在持续提升中，更新淘汰高耗电设备和低效电动机，推广高效传动系统、高效风机、压缩机、泵等设备，推广节能高效电动机、稀土永磁电动机等就成为我们的实施目标。国家结合工业节能减排工作实际情况发布的《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录》前后一共四批，实施电动机能效标准，强制淘汰高耗能机电产品，涉及电动机、风机、泵、压缩机、变压器等多种类别产品。例如：20世纪80年代全国统一设计的Y系列电动机采用热轧硅钢片作为导磁材料，存在效率低、能耗高、环保性差的问题，达不到国家标准GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中对能效限定值的要求，要求2003年（含）前生产的该系列电机，最迟应于2015 年年底前停止使用，但该型电机在运营多年的印染厂中目前还大量存在，因此，节能减碳升级改造空间很大。

随着机电一体化技术的提高及机电设计、生产水平的进展，新的设备不断涌现，印染行业设备能效水平将会得到较大提升。

1.1.2 强化电机调速技术

印染生产是个连续化生产过程，存在大量的风机水泵，需要耗费大量的电能，因生产工艺的变化、每日生产计划的变化，以及淡旺季生产量的变化，要求风机的风量与水泵的流量会随之变化。有统计数据显示，风机、泵类用电负荷在实际管网中的运行状态，其有效用电功率仅占30%～40%，消耗在调节阀门、风门及管道压降上的电能占60%～70%，再加上设计裕量，风机水泵的利用效率很低。在印染工艺设备中，机泵大量应用在染色机、定型机、烘燥机以及污水处理设备上，如果能够按照工艺要求全部实施调速运行，可以节省大量电能，是印染工厂电力减碳的主力军。

因此，采用先进电机调速技术，包括变频调速、永磁调速，内馈斩波等技术改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式并重点对大中型变工况电机系统进行调速改造就成了我们的首选。以下具体分析变频调速技术可以带来的收益，风机各调节方式的能耗-流量曲线见图1。

图1 风机各调节方式的能耗-流量曲线

由图1可见降低电机转速可得到的是立方级节能效果，我们再以一台75 kW给水泵变频控制方案为例，分析可以节电的具体数据。

改造方式：拟配置2台变频器，采用工—变频切换功能，恒压控制。

运行状况：原采用阀门调节，管道出口压力5 kg，电机实际电流122.5 A，给水泵电机消耗实际功率为：√3×122.5 A×380 V×0.88=70.9 kW。现采用变频调速技术改造，取消阀门调节，将管道出口压力为设定为原值的80%，即4 kg左右，恒定输出。

根据流体力学的基本定律，水泵属变转矩负载，其中：n——转速，q——流量，p——压力，P——轴功率之间的关系为：

Q1/Q2 = n1/n2 = f1/f2，即流量与转速和频率成正比；

p1/p2 = (n1/n2)2，即压力与转速的平方成正比；

P1/P2 = (n1/n2)3，即轴功率与转速的立方成正比。

以此公式进行变频节能计算，水泵在变频调速后其实际消耗功率为：

70.9 kW×(4/5)1.5÷0.98=50.8 kW。

消耗功率下降28%，每小时节电：（70.9-50.8）kW×1 h=20.1 kW·h。

每年节电：20.1 kW·h×8000 h =16.08万kW·h，可减碳52 t标准煤，2年内可回收变频投资。

可以看到，电机变频控制减碳效果明显，投资回收快，表1为某印染企业变频改造节电的数据。

表1可以看出，在达成双碳目标中，电机变频技术在减碳方面效能巨大，我们应该对现有设备进行变频改造，大功率设备应改尽改，对于新购置设备，变频控制应作为标配功能。

表1 某印染企业节电改造部分数据

1.2 优化工厂照明配置

1.2.1 根据不同环境及颜色识别要求合理选用光源

一般场所可选用寿命长、光效高的光源，不同的光源其能耗值差别很大（表2），在满足生产工艺需求的前提下，应优先采用节能型灯具。在光源选择方面，近年来随着发光二极管 (LED 灯)成本的降低和技术逐渐成熟，LED光源已逐渐成为建筑照明的主流光源产品，在部分人员不长时间停留的场所可以合理选择LED灯作为光源。在识别颜色要求高的场所，如印染车间，尤其在印花车间，应选用显色指数高的光源，如具有高显色性的LED灯，或者Ra大于80的三基色稀土荧光灯、金属卤化物灯、高压氙灯与节能灯等。

表2 有效光效对比表

1.2.2 强化局部照明

为使照明设计合理节能，应注意车间混合照明的使用。在GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，仅笼统提出染色印花车间的0.75 m水平面照度需要300 lx，容易误导理解为整个车间的照度，进而在设计中采用过度照明，产生不必要的照明能耗。在实际工厂运营中，印染工厂照明区域分工艺设备工作区域、非设备工作区以及材料运输通道，应合理设置不同区域的照度要求，配置合适的显色指数。印染工厂层高较大，对于工艺设备工作区域照度要求高的地方，不应只依靠车间高处设置的普通照明，应充分利用机台上的局部照明，尤其在印花机机头处，练漂及染色的进、出口布面处，印花机、修布车间及整装车间等处。普通场所满足一般照明照度要求即可。具体实施的照度值见表3。

表3 印染工厂生产车间照明标准

1.2.3 黑灯工厂的应用

采用自动化技术实现无人操作，进入“黑灯工厂”的生产形态，可以最大限度节省照明用电与空调用电。

印染工厂需要一定体量的原料、成品仓库，适合建成自动化立体存储仓库，借助智能控制平台，日常运转时不需要开灯，即“黑灯”作业模式。一个面积1万m2的仓库，如果全部采用黑灯工厂模式，每年可节省照明25万kW·h。

在印染生产环节上，智能机器人的使用在技术上也已经取得突破，这也让我们可以期待印染车间无人化和黑灯车间的实现。例如，康平纳研制的筒子纱数字化自动染色成套技术与装备实现了筒纱染色从坯纱到色纱成品全流程数字化，达成了筒子纱染色车间成为黑灯车间的实践。

1.3 降低线路消耗

印染工厂工艺设备用电具有总用电量大的特点，大功率用电设备多且多布置集中，因而在建筑平面设计时应设置合理的配电房位置。在供电设计中应注意配电柜、箱要靠近负荷中心以减少供电线路长度，减少线路线损，变压器应选择采用高效节能变压器。

2 可再生能源太阳能光伏发电应用，降低碳排放强度

2.1 阳光的充分利用

太阳能光伏发电属于非化石能源，在提供发电经济效益同时也可为企业降低碳排放强度，是一种绿色环保清洁能源。印染工厂用电量大，用电负荷波动不大，建筑屋顶面积大，无需装设储能装置，非常适合设置太阳能光伏发电。但印染工厂建筑屋顶并不是完全平整的，很多较高的设备间、气窗等可严重遮挡阳光，为最大限度利用屋面面积提高光伏利用率，需要我们因地制宜，根据屋顶平面情况采用针对性措施，最大限度地利用阳光，让光伏充足发电。为此，我们需要在工艺布置、建筑布置、光伏支架形式等方面采取措施。

⑴ 提高屋面光照利用面积印染车间屋顶通常设置有设备及设备用房，而且有一定高度。例如定型机尾气处理设备高度往往在5 m以上，如将其设置在南侧，将会影响几百甚至上千平方米的屋顶光照面积，进而影响上百千瓦的光伏发电功率。因此，在工艺条件许可时屋顶设备及设备房首选设置在北侧，减少南侧设备对阳光的遮挡，以提高屋顶可利用光照面积。

⑵ 采用柔性支架方式

印染车间需设置屋顶采光气窗，高度往往达到5 m以上，高窗阴影将影响光伏组件容量布置，为了最大化利用屋顶面积，可采用预应力悬索结构系统的柔性支架方式。相比传统模式的光伏支架，柔性支架体系的优势在于跨度大且跨度范围灵活可调，在相同土地面积的大跨度区域，存在气楼等遮挡阳光的构件时，柔性支架的布板容量远大于固定支架，在土地紧缺的情况下可以确保项目的全容量布置，达到屋顶空间利用率最大化。由于其投资有所增加，收益率可能不及传统支架方式，但柔性支架方案的阳光利用率高，光伏发电量大，降低碳排放强度更大，更符合国家双碳目标，值得推广。

以下以某印染厂同一个染整车间屋顶为例，让我们看看采用常规支架与柔性支架2种方式光伏发电量的差别。染整车间屋顶面积约19600 m2，混凝土平屋顶，采光气窗高度为 5～6 m，气窗呈南北方向布置，相邻气窗东西间距约11 m，气窗遮挡日光阴影严重影响光伏组件容量布置。因气窗阴影影响，以传统支架方式布置的光伏组件如果布置在气窗之间的屋面，其日照时间很短，发电经济收益率很差，考虑到投资回报率，光伏组件只能布设在气窗顶，而以柔性支架布设的光伏组件其日照完全不受遮挡，基本上可以满铺屋面。图2、图3、图4分别为屋面设置光伏前与采用柔性支架方式设置光伏后的现场实景图，实景图显示采用柔性支架后屋顶光伏可利用面积的最大化。

图3 设置柔性支架屋面光伏实景图1

图4 设置柔性支架屋面光伏实景图2

表4 为染整车间在屋顶气楼面积占比不同的情况下，光伏布置采用传统支架与柔性支架的发电容量比较，数据显示，屋顶气楼是否采用柔性支架，光伏发电容量差距达6～20倍，差别极大。

表4 染整车间屋顶光伏布置容量比较

2.2 电能的充分消纳

以某印染厂为例，该工厂2个印染车间、1个高架仓库、1座员工宿舍屋面面积约5万m2，印染车间屋顶采光气窗高度为5～6 m，项目采用柔性支架方案，有效利用气窗间大跨度的建筑屋面。本项目光伏电站容量达8.30775 MWp，系统首年预计发电量约为10119.71 MW·h，考虑年衰减系数，系统25年年平均发电量约为9247.85 MW·h，年平均可节省3014 t标准煤，年平均利用小时数1113.37 h。将峰谷平电价每小时的平均值作为典型用电负荷曲线，模拟出每小时用电量，后与模拟发电量进行叠加对比，计算出消纳电量，并且全年考虑7天的不可利用率，进行消纳分析后得出峰消纳占比52.00%，平消纳占比46.88%，谷消纳占比1.12%，总消纳比例为95.09%。由此可以看出，光伏发电量基本上都可以由工厂自身用电消纳，而且绝大部分在峰、平电价时段消纳，有效降低碳排放强度。

2.3 光伏板的隔热作用，间接减碳

屋面光伏电站建成后，屋面铺设的光伏板可起到新增屋顶隔热、保温层作用，面积越大，效果越明显。参照已建项目经验，夏季时铺设光伏组件屋面因光伏板的遮阳效果，可以降低车间的室内温度2～4 ℃左右，如果是空调车间还可显著降低空调的能耗。由此可见，印染工厂设置太阳能光伏还可以产生非常好的减碳效果。

3 智能化为综合能源减碳提供支撑

印染行业是耗能大户，减碳必须涉及除电力之外的水、汽、天然气、染化料等其他各种能源的降耗，其中，智能化技术提供了重要的支撑，只有实现全工艺流程的精细化控制、精细化操作、精细化管理，才能实现装备低碳升级改造，才能推广清洁高效制造工艺，才能减少碳排放。因此，印染行业在实现工艺革新双碳目标上，工艺革新是基础，智能化技术应用是关键，并由此形成纵贯全生产流程的工业4.0智能制造。做好智能化技术在印染工业上的应用，可从工艺具体环节控制、工艺流程整体控制以及全方位管理信息化这三个由低到高的层次进行技术提升。

3.1 具体生产工艺环节的智能化，实现数字化转型

在各个具体的生产环节中，实施智能化控制、检测等，通过精确控制，实现能耗的下降。包括标准化染化料助剂、数字化节能减排工艺、在线快速检测产品性能、在线检测加工条件等措施。

例如：⑴ 空压机自动控制系统利用中控系统检测压缩空气实际使用量，优化空压机负载，实现节能降耗；⑵ 污水处理加药采用交流调速系统，自动检测加药溶度，进行精准控制，减少混凝沉淀的加药量，减少人工加药对环境的影响，降低污水运行成本；⑶ 印染在线检测应用数字化技术，在关键的工艺节点，重要的设备点位，实施工艺参数的实时监测与控制，精准的工艺制造可以保证成品稳定的质量并获得良好的节能减排效果。

3.2 工艺生产全过程数字化与网络化，形成智能制造

印染生产是个连续化的过程，需要对生产工艺全程或局部进行智能化改造，利用数字化网络化使之形成一个整体，前后工序密切配合，让工艺全过程水电汽能耗大幅下降。这包括升级单体设备、精准自动配送染化料、印染专用制造执行系统、数据互联互通、物联网安全管理、仓储智能化等。

例如：⑴ 项目染色采用中控自动化系统可以将染机设备、助剂、染料的精准计量与自动化输送、各节点数据在线监测和管理，通过信息网络组成一个庞大的物联网综合系统，实现了染整工艺设备、工艺流程、染化料及助剂的全范围质量管理和生产控制。⑵ 项目能源计量采用三级能耗分项计量：所有能耗进厂设一级计量，在车间入口设二级计量，对具体工艺设备设三级计量，应用大数据分析技术对比、分析所采集的各级能耗数据，形成一套具有针对性的车间能耗指标体系。有数据表明，在能耗管理方面，将整个工厂设备能耗全部监测起来，配合生产管理水平的提升，可以降低多达20%的能耗。⑶ 通过生产过程条码数据采集系统及各个染机的PLC系统集成，将相关生产实时的信息收集并做成调度显示，方便车间跟踪管理的方式进行计量，计量数据统计至中控中心进行数据分析和优化。

某染厂实际案例数据显示，通过监控工艺设备的运行状态，自动统计待机、停机、运行、维修的时长，及时发现设备异常故障并报警，对设备状态运行和报修进行监控，大大缩小设备停机时间，特别是能源监控系统在线实时统计各设备在运行、待机、停机、维修的状况下各项能耗分布的比例，可以实时掌握各项能源使用效率，有的放矢地降低能源损耗，总节能率可达到20%以上。康平纳集团的筒子纱染色智能化车间实现全流程自动化染色技术实现工业化生产，所有操作全部由中央系统和传感器控制，排除人为因素，从理论上实现了一致性。据统计，其生产效率提高15%，吨纱节电250kW·h、节水28 t、节汽1.7 t，减少污水排放28 t，减碳效果明显。

3.3 全方位管理的信息化，形成智慧企业

利用以智能分析为核心的信息化技术（CPS技术）满足用户定制化需求，生产计划排程系统（APS)、资源计划管理系统(ERP)、制造执行系统（MES)等数字化管理系统在印染企业得到不同程度的应用，涉及大数据技术、个性化定制、云制造技术及云安全等，并由此形成智慧工厂的框架。智慧工厂可实现全生产流程的“零”空转，降低了因物料运输、设备停工等原因造成的能源损耗，确保每一“滴”能量都用在生产中，通过大数据分析和智慧决策，持续优化生产结构和管理模式，降低智能工厂的综合能耗、提高能源利用率。图5为一个智慧印染工厂发展的构想。

图5 智慧印染工厂发展构想

APS高级排产系统专门针对印染企业生产计划安排的特色进行设计，预先定义好每个产品工艺流程中每个工序的资源与特征约束，设置具体的排序选择规则，生产大排程、工作中心任务能轻松满足印染企业来料加工、进料加工、多企业分工合作、委外多种订单生产模式，辅以智能优化的车间排产，显著减少换产带来的工时和物料损失，对染色车间进行自动智能分卡排缸，让生产计划的制定更加方便、合理，实现最优化的能耗节省方案。

印染ERP管理系统可实现坯布管理、产品管理、染助剂管理、染助剂自动称料子系统、应付款管理子系统、应收款管理子系统、网上审批子系统等，在纵向上实现计划发送、生产过程管理与控制以及各种设备联网的集成，在横向上实现企业、客户和供应商的集成。

印染MES系统定位于印染上层资源计划管理系统（ERP）与车间现场设备控制系统联系起来，形成面向车间层的管理系统。一方面，MES对来自ERP的生产管理信息进行分析处理后，将工艺参数传递给车间染缸控制层（底层），而该底层控制层严格根据设定的程序，按照染整工艺要求进行生产；另一方面，系统可以采集、监控染缸的相关状态数据。系统实现生产制造数据的自动化采集，用数据化的节能降耗促进双减双控。系统设多个功能模块，包括生产计划、管理、调度、实时监控，工艺设备（染缸等）管理，以及作业人员管理等，每一个功能模块相当于一个分系统。

4 结论

综上所述，在电气及智能化领域，印染行业通过传统节电技术的强化，可以使其电力能耗明显下降。通过太阳能光伏发电的实施，可以为企业降低碳排放强度；通过智能化技术的应用，从工艺具体环节控制、工艺流程整体控制以及全方位管理信息化这三个由低到高的层次实现技术提升，为工艺、水、汽等其他能源降耗提供支撑。在印染行业实现双碳目标上，电气专业大有可为。