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面向机械制造企业的全生命周期低碳运营流程模型

时间:2021-10-27 16:39 | 栏目:机械创新设计论文 | 浏览:

硕士论文网第2021-10-27期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械创新设计论文文章《面向机械制造企业的全生命周期低碳运营流程模型》,供大家在写论文时进行参考。
  摘要: 基于产品全生命周期理论,建立涵盖目标体系层、低碳运行策略层、生命周期过程层及支撑系统层四层结构的机械制造企业低碳运行总体框架模型; 并对机械制造企业低碳运行的目标体系框架、低碳运行策略、生命周期过程及支撑体系等进行详细分析,可为制造企业低碳运行提供总体框架指导以及理论支撑; 最后,结合所提出的过程模型,对某汽车制造企业低碳运行的实施过程以及效果进行分析。
  关键词: 低碳制造; 运行; 过程模型
 
 
 

  引言

  机械制造业是国民经济的重要支柱以及国民生活的重要物质基础来源,为社会提供了大量的生产资料。而机械制造企业大多属于传统行业,存在着严重的高能耗、高污染和高排放问题,是当前我国发展低碳经济、实施节能减排的重点领域。随着社会节能低碳意识的深入人心和机械行业内节能意识的逐步加深,我国机械工业的发展方式正发生着悄然变化,逐渐步入节能减排、提高能源利用率的低碳制造发展之路。
机械制造企业低碳运行的总体过程模型
  目前,低碳制造已成为工业界及学术界研究的热点问题,并主要集中于低碳制造的概念与理论模型、低碳设计理论与方法、碳排放定量分析与评估方法、制造系统低碳优化理论,以及低碳加工技术与装备等方面[1]。文献[2]对低碳制造进行了定义,认为低碳制造致力于降低制造过程的碳排放强度,高效地利用能源和资源; 文献[3]提出了“零碳制造”的概念,集成物料流、能量流和废物流,建立了一种系统框架模型来分析碳流的输入与输出关系,讨论实现零碳制造的可能性; 文献[4]采用一种基于投入产出与生命周期评价的评估方法,对新产品的碳足迹进行分析,可为低碳产品开发提供方法支持; 文献[5]~ 文献[8]从工艺优化、提高原材料利用率、减少能源浪费、提高工艺能力效率、节能优化调度,以及发展新型制造模式等方面,提出各种制造业的减碳策略与方法。机械制造企业如何运作和实施低碳制造,是一个系统性、综合性及实践性很强的问题,与产品设计、制造技术、企业管理、社会学及环境学等科学知识密切相关,需要解决“多生命周期、多维度及多层次”等诸多问题之间的优化协调。目前针对机械制造企业实施低碳运行的研究,侧重于从单维度出发,实现产品某一生命周期过程的低碳化,而从系统工程角度深入分析制造企业低碳运行及实施模式的相关研究相对较少,因此,本文从生命周期的多维度出发,建立机械制造企业低碳运行的总体框架过程模型,对于机械制造企业实施低碳制造具有一定的指导意义。

  1 面向生命周期的机械制造企业低碳运行过程框架模型

  低碳制造是一种综合考虑产品全生命周期资源( 能源) 消耗、污染排放,以及碳排放的可持续制造模式,并且是一次涉及生产模式、生产方式、管理模式、制造工艺、加工设备及人员素质等方面的新的技术革命,致力于通过高效利用能源和资源进而降低产品全生命周期过程的碳排放强度,强调从原材料获取、能源生产、产品设计、制造、装配与包装,以及产品经过使用直到报废处理的产品全生命周期过程中,实施碳排放的减量化与控制[1]。当前机械制造企业如何发展低碳制造,低碳制造如何实施与运行,还存在一系列问题需要解决。总结国内外机械制造企业实施节能减排、发展低碳制造的一些经验以及研究成果,针对我国机械制造业的特点并结合产品生命周期过程,以实现机械制造企业经济效益及社会效益协调最大化为目标,以能源结构低碳化、制造过程低碳化、产品低碳化及产品终期回收处理为途径,强调提高能源利用率及资源利用率,提出一种四层结构的机械制造企业低碳运行总体框架,即机械制造企业低碳运行的总体过程模型,如图 1 所示。模型第一层为目标体系层,其构建了机械制造企业实施低碳制造的目标体系,描述了机械制造企业低碳运行所要达到的具体目标,即经济效益与社会/环境效益的协调最大化,降低物料消耗,提高能耗效率,改善能源结构,最终形成一条综合考虑资源能源消耗、碳排放的低碳发展之路。模型第二层为低碳运行策略层,机械制造企业要实现低碳化主要从源头控制、过程控制、末端控制及产品低碳化四个方面来实施。其中源头控制主要包括选择碳足迹较小的原料代替传统原料、输入更为清洁的能源; 过程控制主要从节能、节材和减排三个方面对生产过程进行全面控制,节约原材料,节约能源,减少污染排放量,实现制造过程低碳化; 末端控制主要通过再利用、再制造和资源化等方式,实现废旧零/部件的重用或资源化处理; 产品低碳化,是指提高产品能效并降低碳排放量,为社会提供更为低碳的产品。模型第三层为生命周期过程层,该层构建了机械制造企业产品生命周期过程。产品生命周期过程涵盖了产品从原材料开采、获取到产品的设计、制造、装配与包装,以及产品经过使用到报废回收处理的全生命周期过程。而机械制造企业发展低碳制造,必须从生命周期过程的各个环节出发,实现全过程的低碳化。模型第四层为支撑系统层,该层主要构建了机械制造企业低碳运行支撑技术平台与系统,主要包括低碳制造运行所涉及的产品数据管理、制造过程管理、能耗及碳排放数据采集、碳排放监控、企业管理与优
化运行相关的支持系统及各类数据库等。

  2 机械制造企业低碳运行多维过程模型

  2. 1 目标体系框架
  机械制造企业实施低碳制造,是在当前气候变化问题愈演愈烈的背景下提出的一种可持续制造模式。与传统的以追求经济利益为最终目的、不考虑资源能源消耗及碳排放的运行模式相比,低碳制造追求的目标是解决制造业长远发展与碳排放增加之间的矛盾,寻求一条经济效益与社会效益协调最大化的低碳发展之路。机械制造企业低碳运行的目标可以表示为:min Z = ( E→,R→,G→,C→)式中: 总目标由 E→、R→、G→、C→等子目标所组成,而各子目标看成是由多个组成部分所构成的向量,如 E→= ( E1,E2…,Ee) 表示企业或某个车间的能源消耗,e 为消耗能源种类数,Ee为第 e 种能源的消耗量; R→= ( R1,R2,…,Rr) 表示资源消耗,r 为资源种类数,Rr为第 r 种资源的消耗量; G→= ( G1,G2,…,Gg) 表示碳排放( 实际为温室气体排放) ,g 为碳排放的来源数,Gg为第 g 种碳排放源的排放量; C→= ( C1,C2,…,Cc) 表示制造成本,反映企业的经济效益,c 为成本的组成数,Cc为第 c 种成本的数值。
  2. 2 低碳运行策略
  2. 2. 1 源头控制
  实现制造企业的低碳化,必须从能量来源( 源头上) 出发,调整能源消费结构,输入更为清洁的能源( 如一次能源可选用天然气等,二次能源如电力能源等的低碳化需从更为宏观的国家能源结构调整出发) ,不断提升清洁能源在能源消费中的比重,降低煤炭等高排放能源的使用,提升改进耗能工艺( 改变能源消费类型) ,实现能源结构的低碳化。在机械制造企业中,把制造资源转变为产品或零件的制造 过 程,实 质 上 是 一 个 物 料 流 动 的 动 态 过程[9]。机械制造系统是一个不断输入制造资源,通过制造过程而输出产品,并同时产生废弃物及二氧化碳排放的输入输出系统。而制造资源的输入、消耗、转化、浪费、回收、处理及这些过程的影响和控制,形成了机械制造系统的资源流,因此,要发展低碳制造,需选择碳排放小的原材料,实现物料输入的低碳化。
  2. 2. 2 过程控制( 制造过程低碳化)提升能耗效率
  制造过程的碳排放主要包括一次能源消耗产生的二氧化碳排放,以及电力能源等二次能源消耗产生的间接碳排放。实现制造过程的低碳化,需要改进工艺过程,优化生产流程,提升制造过程的能耗效率。提高资源利用率。物料资源制备过程中附加大量的碳排放,因此,提高资源利用率,减少物料资源的使
用,实现产品的轻量化,可间接实现制造过程的低碳化。减少污染排放。低碳侧重于碳排放的减量化,而对其他污染物的排放有所淡化。生产所排放的大气污染物中,存在大量气体造成严重的温室效应,因此要发展低碳制造,必须对污染物的排放有所控制。
  2. 2. 3 产品低碳化
  低碳产品是指具有能效高、碳足迹低等低碳特征的产品。从产品全生命周期的角度来看,大部分机械产品的能耗集中于使用阶段,例如,文献[10]指出机床装备使用阶段的能耗占产品全生命周期能耗的90% 以上。目前,低碳产品已得到越来越多的消费者9的青睐,如更为低碳节能环保的家电产品,更为省油、经济的家用轿车等。机械制造企业提供各种生产资料及产品,而这些产品应用于其他行业,是其他行业耗能的主要来源,因此,开发低碳产品是机械制造企业实现产品全生命周期低碳化的重点。而只有推出节能环保的低碳产品,机械制造企业才能在当前低碳成为发展主题的时代背景下取得市场先机。
  2. 2. 4 末端控制
  发展再制造等新型制造模式。再制造是一种充分利用废旧资源的新型制造模式,可实现节能 50% 以上、节材 60% 以上,以及减少污染排放 70% 以上[11]。相比于产品新制造,再制造是一种具有显著低碳特征的制造模式。在当前资源短缺及能源危机愈演愈烈的背景下,再制造产业受到国内外的广泛关注,并发展迅猛,已形成具有一定规模的新兴产业。
  2. 3 生命周期过程
  产品生命周期是指产品从原材料采掘、原材料生产、产品设计与制造、包装储运及销售使用,直到最后废弃处置的全过程,即产品从摇篮到坟墓的全生命过程,产品生命周期过程理论主张从产品原料供给过程、产品制造过程、产品储运过程、产品使用过程直到产品废弃处置过程,对环境影响最小。要实现机械制造企业的低碳化,发展低碳制造的重点不局限于“产品设计”、“产品制造”和“废弃处置”三个阶段,而需扩展延伸到“原材料采掘与生产”和“产品使用”等重要阶段,实现“上游”的原材料供给方生产过程及“下游”产品使用方使用过程碳排放的极小化。改变以前的从末端治理与简单生产过程控制来实现节能环保,逐渐转向以产品周期各阶段为生命链的全方位、全过程控制是实现制造业低碳化发展的必然要求。
  2. 4 支撑体系
  机械制造企业的低碳运行与实施、低碳技术的开发及应用等,都离不开低碳信息平台及系统的支撑。低碳运行支撑平台主要包括低碳设计支持系统、制造系统资源优化运行支持系统、碳流实时监测与控制系统、能耗信息采集与优化管理支持系统以及各类数据库等。

  3 汽车行业实施低碳制造案例分析

  3. 1 某汽车制造企业低碳运行过程模型
  某汽车制造企业以生产各类乘用车整车为主,生产部分汽车关键零/部件,企业能耗水平高于国外发达国家水平,碳排放压力较大; 生产的汽车产品单车油耗高于发达国家平均水平。针对高能耗、高碳排放的状况,该企业迫切需要实施低碳制造,提高车间能效水平进而减少企业总能耗,开发低碳型汽车降低
产品油耗。汽车产品的全生命周期过程主要包括汽车产品原材料输入、毛坯制造、零/部件加工及热处理、部件装配与调试、涂装、总装、运行与维修,以及回收重用与再制造等生命周期过程。通过对该企业汽车生产过程能耗状况进行分析发现,企业能耗与碳排放主要集中在铸造、车身涂装、毛坯锻造、热处理及焊装等生产环节; 部分汽车车型百公里油耗较高,碳排放大。针对所存在的问题,结合本文提出的低碳运行过程模型,该企业从汽车产品全生命周期过程出发,实施低碳运行策略,主要包括汽车产品绿色设计、加工工艺绿色化、焊接工艺节能高效化、涂装工艺绿色化、低碳汽车开发及汽车回收重用等,例如针对加工过程碳排放大的问题,该企业积极推广绿色低碳新工艺,实施高能耗设备节能性升级,实行余热及废热重用,并对高能耗的热处理工艺实施节能性改进。该企业实施低碳制造提供了总体框架以及策略支持,为汽车行业实施低碳制造提供了借鉴与参考。汽车制造企业实施低碳运行的过程模型的各个层次之间联系紧密,环环相扣。汽车产品全生命周期过程( 涵盖了从原材料到成品以及回收重用的整个过程,形成一个闭环系统) 是汽车制造企业实施低碳运行的理论基础; 低碳运行策略层以生命周期过程为主线,涉及汽车产品全过程的低碳设计、低碳制造及汽车回收重用等; 低碳运行支持系统层为低碳制造的实施提供软硬件系统支撑,包括绿色设计系统、能耗监测与控制系统、低碳运行管理系统、汽车产品生命周期管理系统、低碳供应链管理系统,以及零/部件回收管理支持系统等; 而汽车制造企业实施低碳制造的最终目标是降低资源能源消耗,降低汽车动力消耗,实现企业的低碳运行。
  3. 2 效果分析
  通过实施低碳制造,该企业获得较好的经济及社会效益( 数据来源于企业内部统计) ,主要体现在以下几个方面。1) 制造周期缩短,成本降低,经济效益显著: 通过发展低碳设计、低碳制造与低碳管理等,引进新技术及工艺,汽车研发周期缩短,汽车制造时间大大缩短; 同时,汽车产品下线合格率提升,单车制造成本大大降低。2) 实现汽车制造过程的低碳化: 对汽车制造过程中的物料、能源消耗进行优化管理与控制,并引进新工艺、新技术及新方法,使得单车生产用电量由原来的约 454 千瓦时/车,降至约 424 千瓦时/车; 单车制造过程碳排放平均减少 8% ~ 12% ( 统计范围均以企业内部统计为准) ; 废气、废液及噪声排放达到或超过国标,约 90% 以上的废弃物实现了循环利用。3) 汽车产品低碳化: 多数产品尾气排放达到国 IV标准,部分达到国家 V 级标准; 在保持性能水平条件下,实现了汽车的轻量化,可减少间接碳排放; 所开发汽车新产品单车百公里油耗平均 6. 2 升/百公里左右,比原车型降低 10%~20% ,减碳效果明显。4) 汽车零 / 部件再制造得到初步发展: 汽车零 / 部件再制造具有显著的节能、节材及减碳效益。该公司已具备较为成熟的汽车零/部件再制造技术,并主要对汽车发动机、变速箱等零/部件实施再制造。但由于市场认可度以及国家政策法规等因素,目前汽车零/部件再制造处于示范阶段,规模较小。

  4 结语

  机械制造业为国民经济提供了大量的生产资料,同时消耗了大量的资源及能源并伴随产生了大量的碳排放。针对我国机械制造业还处于转型期并存在高能耗以及高碳排放的特点,本文提出一种结合机械产品全生命周期过程、综合考虑资源能源消耗及碳排放的低碳运行模式,并从目标体系框架、低碳运行策略、生命周期过程以及支撑体系四个维度对其进行详细分析。该模式不同于绿色制造、环境友好制造等模式,主要侧重于对能源消耗以及碳排放的控制,以低碳来推动企业制造过程的优化与变革,实现经济效益与社会效益协同的双赢发展。结合某汽车制造企业实施低碳制造的过程可知,低碳制造需要从产品的整个生命周期出发,需要相关软硬件系统的支持,而最终获取的经济及社会效益非常显著。本文所提出的低碳运行过程模型,对于传统的机械行业发展低碳制造具有一定的指导意义。但由于低碳制造涉及面较广,涉及因素众多,本文仅是对机械制造企业实施低碳制造的初步探索,下一步要结合所提出的过程模型以及企业实施过程,针对具体的实施方案、实施策略、运行控制方法以及关键技术等展开研究,形成一系列机械制造企业实施低碳制造的指导性参考。
 

参 考 文 献:

[1] 曹华军,李洪丞,杜彦斌,等. 低碳制造研究现状、发展趋势及挑战[J]. 航空制造技术,2012( 9) : 26 - 31.
 
杜彦斌,李聪波,李文婧
 

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