纺织机械节能设计模式探讨

1国内外纺织行业节能现状

发达国家较早地关注了纺织产业能效问题，并通过《纺织产业能效指导手册》、推广“能效标签”等方法来推动纺织产业向着节能减排的方向发展。2010年9月，美国劳伦斯伯克利国家实验室联合加州大学对美国纺织产业了《纺织产业能效指导手册》（Energy-EfficiencyImprovementOpportunitiesfortheTextileIndustry），给出了有关纺织行业能效技术和降低能效的专业知识，共有190个节能技术和措施向纺织工厂进行推广。2011年8月，欧盟由德国机械制造联合会牵头，卡尔迈耶公司、特吕茨勒非织造设备公司等参与，推出了欧盟纺机蓝色能效标签[4]，通过对机器进行有意义的分级，指导纺织机械制造商明确设备对纺织品生产过程能效的影响。按计划，德国机械制造业联合会纺织机械协会及其成员将进一步致力于能效标准的制定，用来界定不同机型可比较的能效信息。欧瑞康纺织集团则在其产品上实施了“e-save”节能商标，只有那些在单位产量上能够比上一代产品节能10%～15%的产品，才能被授于“e-save”商标。2012年，意大利纺织机械制造商协会也推出“绿色能效”标签[5]，选择机器操作过程中等效产生的CO2排放量（碳足迹-CFP）作为评价参数，用来识别纺织机械节能和环保性能。参与公司都必须遵循能源性能参数测量的实施细则和操作指令，由国际认证机构RINA对实施细则和操作指令的测量结果进行验证。随着不可再生能源减少和全球变暖，欧盟的可持续发展政策中纺织品碳关税为纺织品能耗计算提出了定量要求。我国国内碳交易也已经在深圳排放权交易所试行。我国机械制造业也在逐步实施能效改进项目，如近年来工信部公布淘汰Y系列电机、淘汰部分印染企业落后产能设备等，部分地市根据国家“十二五”节能要求，制定了地方能效政策。如温州市在2011年了《温州市产业能效指南》，结合行业平均产值能耗和产品能耗水平，综合分析当地工业领域节能技术水平和“十二五”节能空间，经过科学测算，确定了年度能效指标。我国纺织行业，特别是纺织机械行业对节能设计的要求还处于起步阶段，但相关问题已引起了业内专家的关注。

2纺织机械节能设计目标及技术路线

2.1纺织机械节能设计的目标

纺织机械节能设计的最终目标是为客户创造价值，从而提高产品的市场竞争力。根据我国纺织机械工业的现状，节能设计的目标层次可以分为能效标签应用、行业能效指导、行业标准规范三个层次。图1是以棉纺梳棉机为例给出了具体产品节能设计的目标层次。三个目标层次符合知识的形成规律，落实点在于纺机制造商和纺织品生产商在市场竞争中获得的商业价值。仍以梳棉机为例，其能效标签可以记录能效百分数级别，单位为“t标煤/（t纱·a）”，从而提供减少排放CO2的定量数据和证据，为客户赢得市场机遇。企业内部也可以以此对其进行能效标签技术管理，通过绩效奖励促进产品在节能方面的改进，为客户降低纺织品生产能耗（客户为新设备所做的投资可以折合成投资回报率计算）。当梳棉机在不同的纺机生产企业内部形成能效标签技术管理体系后，行业协会可以典型企业为示范，总结提取形成《梳棉机能效指导手册》进行推广，为纺织品制造商提供购买依据，推动行业向着节能降耗的可持续方向发展。最后，在《纺机行业能效指导手册》和各种机型的能效标签应用的基础上，以标准的形式提供纺织机械设备的能效认证技术规范，为纺织品客户提供机型选择、计算碳排放量提供依据，最终打破国外竞争对手的碳排放壁垒，促进国内纺织品对外贸易的发展。

2.2纺织机械节能设计的技术路线

2.2.1以节能为目的的纺机产品改进设计

以节能为目的的纺机产品改进设计可以给客户带来碳排放定量计算和降低制品能耗的双重价值，从而直接提高纺机设备制造商的利益和市场竞争力，其目标在于形成单机的能效标签。以节能为目的的设计方法主要包括：优化设备控制系统、优化机械设计、替换落后的机器子系统、优化材料以及制品生产过程等。纺机制造商可以通过设计产品能耗指标体系，根据加工对象的品质等级、产量、原料性质等确定纺机产品能效的计算公式，确定单台产品的能效标签数据，如通过优化电机选配、系统控制、传动结构等提升具体机型的能效，并记录产品变动的成本。图2以梳棉机为例给出了具体纺机产品的能效提升路线。纺机企业实施具体产品能效标签的工作内容包括：a）具体产品在生产线中能量流的接口信息；b）电能、压缩空气、管道系统、锅炉蒸汽能量等的需求；c）具体产品能耗分指标信息——加工对象品质、原料品质、产能等工艺参数对应的信息；d）具体产品能耗“归一化”能效信息。纺织品生产商购置设备选型时，可以依据生产现场设备的能量参数和生产线中单机、环境湿度、能耗分配明细等方面的因素进行能耗选择计算。

2.2.2行业能效指导手册的编制

行业能效指导手册是有关具体产品能效技术和能效实践的专业知识的总结，是从电机系统指标、热能系统指标、技术措施等方面提供的提高纺机设备制造商竞争力、指导纺织品生产商实施节能的措施和技术，对纺织机械制造商和纺织品生产商都具有重要的意义。

3纺织机械节能设计实施设想

3.1能效标签目标的实施

仍以梳棉机为例，谈一下对纺织机械产品节能设计的设想。梳棉机能效标签目标的实施可以从以下两个方面考虑：a）基于企业创新技术及国内学术论文、国际已有纺机工业能效技术标准等知识资源，进行低成本能效改进技术引进，给出梳棉机面向节能设计的改进方向及技术措施建议，最终形成公司内部的梳棉机能效手册；b）通过建立企业标准或技术规范，定量评价梳棉机上一代与下一代的能效水平。最终形成梳棉机能效标签制度，使能效可视化。从机械设计的角度，常用的节能设计方法包括典型结构的节能设计（从材料相容性、装配与拆卸性、使用过程能量传递、寿命分析，回收处理等角度改善能源消耗），结构数字分析（基于能耗参数建立效用模型，给出节能的设计目标与有限元优化设计并行进行），零部件轻量化设计等[7]。瑞士Rieter公司纺织机械产品的节能设计方法给我们提供了很好的借鉴：如RSB-D45型梳棉机采用了较少的驱动部件和齿轮传动，取消了胶圈和张力皮带，生产每千克棉条的能耗降低了10%；精梳机选用了高精度的齿轮传动，锭带式四锭传动采用适当的90°包角，累计降低能耗48%；细纱机采用冷却液内部循环、热量集中排放，可减少车间空调功耗20%以上。从电气设计的角度，常用的节能方案包括：采用多单元同步控制系统，采用直流共母线供电模式以降低能耗；经常有快速停车或大惯量停车的场合，采用能量母线或反馈电网方式，而不是采用能耗制动；对因工艺需要快速启停的设备，采取电气控制系统和电机结合的措施，避免“大马拉小车”；尽可能采用直接驱动，以大幅提高系统传动效率；重视纺织机械中普遍存在的风机、空调、水泵、温控等辅助设备的节能。另外，机器装机功率的大小与实际能耗并没有直接关系，在节能上起关键作用的是机器的有效功率；机器的有效功率与运行时间、零部件的载荷、机器的有效利用以及承担载荷的效率等因素有关。对于电气控制系统来说，对比对象对评判至关重要，因为所有的控制器（PLC、工控机等）、驱动器（变频器、伺服电机等）均存在自身的能耗，而且驱动器的能耗是随着负载的变化而变化的，所以并不是采用驱动器控制就一定节能，需具体情况具体分析。

3.2行业能效指导手册的实施设想

行业能效指导手册的制定需要调研纺织行业内具体机型的能效水平，建立产品能效的对标指标值，并给出具体机型的能效改进措施。在对不同的机型进行对比时，关键是在同等条件下进行比较，这些条件包括生产速度和生产线中的其他机器配置。产品单位产量综合能耗是用能单位生产某种最终产品或者中间产品的综合能耗与同期该产品产量（工作量、服务量）的比值，可以参照我国家电产品较多采用的节能认证标识来确定产品的能源效率等级，并用能效系数定量衡量。美国《纺织产业能效指导手册》给出的环锭纺纱机的能耗计算公式，可作为借鉴。

4结语

当前，纺织机械产品竞争日益激烈，纺织市场产能过剩以及社会组织对可持续发展要求不断提高。研究纺织机械节能设计、对批量性纺织机械产品在企业内部实施能效标签制度，可以加快产品实现自我更新换代，推动企业在新产品研发过程中创新能力的提升，不断满足市场的潜在需求。

作者：亓国红 单位：恒天重工股份有限公司