纺织机械节能设计模式探讨

亓国红

(恒天重工股份有限公司，郑州　450001)



•综合述评

纺织机械节能设计模式探讨

亓国红

(恒天重工股份有限公司，郑州450001)

摘要：为了解决纺织行业能耗高的问题，分析了国内外纺织机械行业节能设计现状，提出了纺织机械节能设计的目标层次和技术路线；以梳棉机为例，探讨了纺织机械节能设计的模式和思路。指出：我国纺织机械行业节能设计可分为能效标签应用、行业能效指导、行业标准规范三个层次，可通过发布行业能效指导手册、推广能效标签等方法来推动纺织产业向节能减排方向发展；认为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，可以加快产品更新换代，推动企业在新产品研发过程中提升创新能力。

关键词：纺织机械；节能；设计模式；能效指导手册；能效标签

纺织品生产过程中需要耗费大量电能和热能，在传统环锭纺纱工厂中，能源成本占到了整个纱线生产成本的40%[1]。随着纺织品生产成本不断上涨，我国纺织工业“十二五”节能规划中，要求工业增加值万元综合能耗下降24%，吨纱(线)混合综合能耗(标准煤)下降5%，万米印染布综合能耗(标准煤)下降13%等[2]。纺织行业能效问题的长远期望是降低纺织品生产成本，定量度量纺织品能耗，并寻求不断改进的机会。另一方面，随着高产能纺织装备、高效电机、高性能变频器的技术应用，通过纺织机械的节能设计，降低纺织品能耗，提高能源利用率已成为推动行业技术进步的主要抓手。

1国内外纺织行业节能现状

发达国家很早就关注纺织产业能效问题，并通过发布《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发布了《纺织产业能效指导手册》(Energy-Efficiency Improvement Opportunities for the Textile Industry)，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，表1是该手册对纺纱机械给出的节能改进措施[3]。

表1纺纱机械能效改进措施

2011年8月，欧盟由德国机械制造业联合会牵头，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的日益加重，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。

W只与选取测试参量有关,当这些参量取通常值时:B=1 Hz,θ=0.9,ppd=1 mW,计算出陀螺灵敏度与腔体直径D和品质因数Q值的关系(图1)。所以,制备一种大直径、高Q值的谐振腔,通过提高DQ乘积的形式,可以有效的提高陀螺的灵敏度。

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年发布了《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，其中纺织行业产能能效指标要求见表2[6]。

表2温州市“十二五”纺织行业产品能效指标

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，为纺织品生产商提供购买依据，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。

纺机企业实施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时，可依据生产现场设备的能量参数和生产线中单机、环境湿度、能耗分配明细等因素进行能耗选择计算，如图3所示。

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。图4给出了一般意义上的纺织行业能效指导手册的内容。

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]。瑞士立达(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%；精梳机选用高精度齿轮传动，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。

电气设计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。因此，并不是采用驱动器控制就一定节能，需具体情况具体分析。

事实上，国内已在梳棉机节能方面进行了大量的技术改进，如开发高产宽幅梳棉机、应用新型纺织器材等。表3给出了国内某公司梳棉机节能改进设计的部分措施。

定量评价梳棉机的能效水平需要计算梳棉机的机械系统功率和相关外围接口(空气压缩机、管道耗能等)的能耗量，应用GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》可以识别和计算初始能源(煤、汽油等)和耗能工质(软水、压缩空气、氧气、乙炔等)的折标准煤系数。对于通过梳棉机加工的成品，可以直接计算出产品的CO2排放量。

表3国内某公司梳棉机节能改进方法示例

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。

参考文献：

[1] 节能是这样做到的[N].中国纺织报，2013-01-28(7).

[2] 中国工业和信息化部.工业节能“十二五”规划[Z].北京：中国工业和信息化部，2012.

[3] Berkeley National Laboratory.Energy-Efficiency Improvement Opportunities for the Textile Industry[Z].Berkeley National Laboratory，2010.

[4] 德国纺织机械协会(VDMA).欧盟纺织机械蓝色能效手册[Z].2011.

[5] 意大利纺织机械制造商协会可持续发展绿色标签[J/OL].ACIMIT green label bags RINA certificate of conformity(Italy).http://info.texnet.com.cn/content/2012-07-16/405741.html，2012.

[6] 温州市节能降耗办公室，温州市经济和信息化委员会.温州市产业能效指南[Z].2011.

[7] 闻邦椿.机械设计手册：6卷[M].北京：机械工业出版社，2010：36-46.

Probing into Design of Textile Machinery of Energy Economy

QI Guohong

(Hi-tech Heavy Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)

Abstract:In order to solve the problem of high energy consumption with textile industry,analysis is done to progress of the design of textile machinery industry with energy economy.The target arrangement and the tech-route is proposed of the textile machinery design with energy economy.Sampling the carding frame,probing is done into the mode and the thought of the textile machinery design with energy economy.It is pointed out that the energy design plan of China’s textile machinery industry can be arranged as the three items including tag of energy economy efficiency,the energy economy guiding of the industry,the standard of the energy economy for the industry.It is proposed that the industry develop with the orientation of the energy economy and emission reduction pushed by circulation of the directory of the tag of energy economy efficiency and the promotion of the tag of the energy economy efficiency.It is recommended that the enterprise the bulk textile machinery products can set up a system tagged with energy economy internally,so to accelerate product upgrading,promote enterprise in new product development process to enhance innovation ability.

Key Words:textile machinery;energy economy;design pattern;energy efficiency directory;energy efficiency tag

收稿日期：2015-07-29

作者简介：亓国红(1968—)，男，河南内黄人，高级工程师，主要从事纺织机械产品研发、技术管理及标准化方面的研究。

中图分类号：TS103.02

文献标志码：A

文章编号：1001-9634(2016)02-0057-04

网络出版时间：2015-10-20 11∶13

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20151020.1113.022.html