一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，該方法首先通過建立制造車間加工過程圖式描述，將制造車間自下而上分解為設(shè)備層、零件層和車間層三個(gè)層次，基于全生命周期評(píng)估方法，構(gòu)建了設(shè)備層、零件層及車間層的能耗足跡、碳足跡計(jì)算方法；然后依據(jù)設(shè)備‐工序‐零件‐車間的層次結(jié)構(gòu)，將制造車間中的碳排放活動(dòng)進(jìn)行粒度分解和演化，并基于環(huán)境效率的概念，建立了不同評(píng)價(jià)粒度下的多個(gè)碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括碳排放利用率、生產(chǎn)碳效率和經(jīng)濟(jì)碳效率等；最后，建立了制造車間不同評(píng)價(jià)粒度下碳排放綜合評(píng)估的多屬性妥協(xié)方法，該方法既可以幫助企業(yè)尋找節(jié)能減排的薄弱環(huán)節(jié)，也能為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。
【專利說明】一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，中國(guó)是一個(gè)制造大國(guó)，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，2010年中國(guó)制造業(yè)占⑶P比例為40.1%左右，但與此同時(shí)，制造業(yè)消耗了大量的能源和資源，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。我國(guó)制造業(yè)能源消耗占用了全國(guó)一次能耗的63%，單位產(chǎn)品的能耗高出國(guó)際水平20%至30%，同時(shí)，國(guó)家“十二五”規(guī)劃要求，“十二五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低16%，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放降低17% ;到2015年，全國(guó)萬元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤(按2005年價(jià)格計(jì)算)，比2010年的1.034噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%，比2005年的1.276噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降32% ;“十二五”期間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。為此，節(jié)能減排是制造業(yè)在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下的必然趨勢(shì)，而加緊研究和開發(fā)能量節(jié)約型的可持續(xù)制造技術(shù)刻不容緩。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)制造過程的節(jié)能減排，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，并提出了許多解決方法，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
[0004]I)由于制造車間的碳排放主要來自于加工能耗，因此許多研究將重點(diǎn)集中在了提高加工能效的理論和技術(shù)方面，并分別從機(jī)床設(shè)備層面、零件層面以及加工訂單層面分析了能耗的來源以及節(jié)能措施。但這些研究往往針對(duì)某一類加工過程的能耗研究，不具有普遍適用性，同時(shí)制造車間還有許多產(chǎn)生碳排放的因素，能耗只是其中一個(gè)方面；
[0005]2)在制造過程碳排放的計(jì)算和評(píng)估方面，目前學(xué)者們往往側(cè)重于機(jī)床加工過程的研究，而忽略了制造車間其他生產(chǎn)過程對(duì)碳排放的影響，例如車間物流、輔助照明、溫控、能耗工質(zhì)消耗等方面；
[0006]3)在評(píng)估及優(yōu)化制造過程碳排放方面，研究人員大多以車間碳排放及生產(chǎn)加工成本等位優(yōu)化的目標(biāo)，卻往往忽略了加工過程的能源利用率、生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益等方面，畢竟企業(yè)的主要目的還是經(jīng)濟(jì)收益，所以以往研究目標(biāo)過于片面，在實(shí)際運(yùn)行中往往無法使用；
[0007]從上述分析可知，目前的研究還存在一些漏洞和問題，而實(shí)現(xiàn)制造過程節(jié)能減排的前提條件是對(duì)制造車間的碳排放進(jìn)行評(píng)估，生產(chǎn)企業(yè)需要對(duì)制造車間各評(píng)價(jià)粒度下的碳排放、能源利用率、生產(chǎn)效率以及企業(yè)收益等進(jìn)行綜合評(píng)估，從而解決目前制造車間節(jié)能減排的基礎(chǔ)問題，為實(shí)現(xiàn)制造車間的節(jié)能減排指明方向，也為生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)零件及整個(gè)車間的能耗、碳排放及生產(chǎn)情況進(jìn)行較為全面的評(píng)估。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:[0010]I)通過分析制造車間的特點(diǎn)，將制造車間自下而上進(jìn)行分解形成設(shè)備層、零件層和車間層三個(gè)層次，并基于全生命周期評(píng)估方法，計(jì)算單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)零件及整個(gè)制造車間的能耗足跡和碳足跡；
[0011]2)基于能耗足跡和碳足跡，并依據(jù)評(píng)價(jià)粒度將制造車間中的制造活動(dòng)進(jìn)行粒度分解和演化，其中的每一個(gè)過程都代表了一個(gè)獨(dú)立的碳排放活動(dòng)，碳排放活動(dòng)指制造車間中產(chǎn)生直接碳排放和間接碳排放的生產(chǎn)活動(dòng)的集合，包括加工過程、運(yùn)輸、車間維護(hù)、工質(zhì)消耗等，然后基于環(huán)境效率的概念建立不同評(píng)價(jià)粒度下的多個(gè)碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)包括碳排放利用率、加工以及生產(chǎn)碳效率和經(jīng)濟(jì)碳效率等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造車間生產(chǎn)效率、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)收益等多個(gè)生產(chǎn)屬性的評(píng)估。
[0012]所述制造車間碳排放綜合評(píng)估方法還包括以下步驟:依據(jù)所述碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用多屬性妥協(xié)方法，對(duì)不同制造車間相同評(píng)價(jià)粒度下的碳排放活動(dòng)進(jìn)行整體評(píng)估，或者，對(duì)不同時(shí)期制造車間中的某一碳排放活動(dòng)進(jìn)行整體評(píng)估，通過整體評(píng)估以獲得碳排放活動(dòng)碳排放綜合性能優(yōu)劣排序。這樣既可以對(duì)不同制造車間的碳排放進(jìn)行橫向評(píng)估，為企業(yè)生產(chǎn)提供決策支持，也可對(duì)同一車間在不同時(shí)期的碳排放進(jìn)行縱向比較，為車間的節(jié)能減排提供數(shù)據(jù)支撐；所述橫向評(píng)估指不同的設(shè)備、工序和零件之間進(jìn)行比較，以獲得其碳排放綜合性能優(yōu)劣排序；所述縱向評(píng)估指不同的設(shè)備、工序和零件在不同時(shí)間段中的碳排放綜合性能優(yōu)劣排序。
[0013]所述制造車間指包含若干制造設(shè)備和操作人員，并通過一定制造過程將原材料或半成品加工成成品的場(chǎng)所，所加工的成品是機(jī)械行業(yè)零部件產(chǎn)品；所述設(shè)備層包括制造車間所有可以執(zhí)行某種工序的設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一道或者多道工序，包括車床、銑床，線切割機(jī)床，沖壓機(jī)床，折剪機(jī)床，磨床，鏜床，鉆床，激光切割設(shè)備，自動(dòng)焊接設(shè)備等；所述零件層包含制造車間目前加工的零件，每個(gè)零件的加工過程由一個(gè)或者多個(gè)工序流組成。
[0014]所述能耗足跡指一個(gè)或者多個(gè)制造活動(dòng)過程中直接能耗和間接能耗的總和，其中直接能耗指設(shè)備加工過程的能耗，間接能耗指工件非加工過程的能耗，包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存等過程；所述碳足跡指一個(gè)或者多個(gè)制造活動(dòng)過程中直接溫室氣體排放量、能耗碳排放量以及物料消耗的碳排放量的總和，以二氧化碳當(dāng)量來計(jì)算。
[0015]所述評(píng)價(jià)粒度是指企業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析的層次，自下而上依次為設(shè)備、工序、零件和車間(“設(shè)備-工序-零件-車間”的層次結(jié)構(gòu))。
[0016]碳效率指制造車間各個(gè)碳排放活動(dòng)單位碳排放的價(jià)值產(chǎn)出，包括材料切除量、產(chǎn)品批量、經(jīng)濟(jì)收益等。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明首先提出一種基于LCA(Life Cycle Assessment method,全生命周期評(píng)估方法)的制造車間能耗和碳排放計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)零件及整個(gè)車間的能耗及碳排放進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而滿足不同企業(yè)對(duì)車間不同層次碳排放評(píng)估的要求，并尋找節(jié)能減排的薄弱環(huán)節(jié)，為企業(yè)降低碳排放提供導(dǎo)向依據(jù)。本發(fā)明一方面可以滿足不同企業(yè)對(duì)車間不同層次碳排放評(píng)估的要求，從而尋找節(jié)能減排的薄弱環(huán)節(jié)，為企業(yè)降低碳排放提供導(dǎo)向依據(jù)；另一方面，將碳排放與生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益等因素結(jié)合起來，對(duì)車間生產(chǎn)過程進(jìn)行綜合評(píng)估，從而為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。
[0019]本發(fā)明面對(duì)碳排放、加工效率及經(jīng)濟(jì)收益等多個(gè)生產(chǎn)屬性建立了制造車間不同評(píng)價(jià)粒度下的碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)一步提出了制造車間碳排放綜合評(píng)估的多屬性妥協(xié)方法，從而獲得制造車間較為全面的評(píng)價(jià)，為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是制造車間的層次結(jié)構(gòu)；
[0021]圖2是機(jī)床加工過程的功率曲線；
[0022]圖3是制造車間碳排放評(píng)估粒度演化。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明中涉及制造車間碳排放綜合評(píng)估的多屬性妥協(xié)新方法，主要包括3個(gè)步驟:
[0025]I)通過分析制造車間的特點(diǎn)，建立了車間制造過程圖式描述，并站在制造車間能耗和碳排放的角度，將制造車間自下而上進(jìn)行分解形成了設(shè)備層、零件層和車間層三個(gè)層次，然后對(duì)“能耗足跡”和“碳足跡”等進(jìn)行了重新定義，并基于全生命周期評(píng)估方法，建立了單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)零件及整個(gè)車間的能耗足跡、碳足跡計(jì)算方法；2)基于能耗足跡和碳足跡的計(jì)算，可以將制造車間中制造活動(dòng)依據(jù)“設(shè)備-工序-零件-車間”的層次結(jié)構(gòu)從細(xì)粒度向粗粒度進(jìn)行演化，其中的每一個(gè)過程都代表了一個(gè)獨(dú)立的碳排放活動(dòng)；基于環(huán)境效率的概念，建立了不同評(píng)價(jià)粒度下的多個(gè)碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括碳排放利用率、生產(chǎn)碳效率和經(jīng)濟(jì)碳效率等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造車間多個(gè)生產(chǎn)屬性的評(píng)估；3)為實(shí)現(xiàn)對(duì)制造車間的綜合評(píng)價(jià)，本發(fā)明建立了制造車間不同評(píng)價(jià)粒度下碳排放評(píng)估的多屬性妥協(xié)方法，既可以對(duì)不同制造車間的碳排放進(jìn)行整體橫向評(píng)估，也可對(duì)同一車間在不同時(shí)期的碳排放進(jìn)行縱向比較。
[0026]具體實(shí)現(xiàn)流程如下:
[0027]I)制造車間能耗足跡和碳足跡的分層計(jì)算
[0028]參見圖1，本發(fā)明通過對(duì)制造車間生產(chǎn)過程進(jìn)行深入分析，建立了如圖所示的車間制造過程圖式描述，站在制造車間能耗和碳排放的角度，將制造車間自下而上分為三個(gè)層次，并做出如下定義:
[0029]工序:工序是指在一臺(tái)加工設(shè)備周圍發(fā)生的一組有序的操作/動(dòng)作的集合，在零件上加工出一個(gè)或者多個(gè)加工特征，從而改變零件的形狀、大小、精度等屬性的過程；
[0030]工序流:將工序流定義為加工車間一組有序的操作/動(dòng)作的集合，這些操作/動(dòng)作發(fā)生在一系列加工設(shè)備周圍，將所加工的工件從毛胚/半成品轉(zhuǎn)化成成品零件，一條工序流包括若干道工序；
[0031]設(shè)備層:設(shè)備層包含了制造車間所有可以執(zhí)行某種工序的設(shè)備，包括車床、銑床，線切割機(jī)床，沖壓機(jī)床，折剪機(jī)床，磨床，鏜床，鉆床，激光切割設(shè)備，自動(dòng)焊接設(shè)備等，每臺(tái)設(shè)備可執(zhí)行一個(gè)或者多個(gè)工序；
[0032]零件層:零件層包含制造車間目前加工的零件，以及每種零件從毛坯/半成品到半成品/成品過程中的一系列裝夾、加工、運(yùn)輸、噴涂等工序，每個(gè)零件加工過程可由一個(gè)或者多個(gè)工序流組成；
[0033]車間層:車間層包含了制造車間物理上所有的設(shè)備、資源、能源等物質(zhì)，包括各種設(shè)備、工件、車間物流系統(tǒng)、加工控制系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、風(fēng)控系統(tǒng)及其輔助軟硬件設(shè)備。
[0034]另外，結(jié)合制造加工過程的特點(diǎn)，本發(fā)明還對(duì)“能耗足跡”和“碳足跡”進(jìn)行了定義，如下所示:
[0035]能耗足跡:能耗足跡指一個(gè)或者多個(gè)制造活動(dòng)(工序)過程中直接能耗和間接能耗的總和，其中直接能耗指設(shè)備加工過程的能耗，間接能耗指工件非加工過程的能耗，包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存等過程；
[0036]碳足跡:碳足跡指一個(gè)或者多個(gè)制造活動(dòng)(工序)過程中直接溫室氣體排放量、能耗碳排放量以及物料消耗的碳排放量的總和，以二氧化碳當(dāng)量為單位；
[0037]基于上述定義，本發(fā)明對(duì)制造車間三個(gè)層次的的能耗足跡和碳足跡進(jìn)行了量化計(jì)算:
[0038]a)設(shè)備層能耗足跡和碳足跡計(jì)算
[0039]通過實(shí)驗(yàn)，可以獲得設(shè)備在執(zhí)行一次完整加工工序時(shí)的能耗曲線，參見圖2。盡管不同的加工設(shè)備具有不同的功能，但是從能否實(shí)現(xiàn)工件增值的角度，其能耗(EFmadl)可以分為材料切除能耗(MR)和輔助能耗(AE)，其中材料切除能耗指設(shè)備在執(zhí)行某道工序過程中直接用于改變工件特征而實(shí)現(xiàn)工件增值的能耗，而輔助能耗是用于維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗，包括主軸加速(SA)、空切削(Pac)、換刀(TC)以及等待過程的能耗；對(duì)于一臺(tái)特定的設(shè)備，其主軸加速過程和等待階段(EFstandby)的功率是固定的，不會(huì)隨著加工狀態(tài)的改變而改變；另外，加工設(shè)備在完成一道工序之后，往往需要等待一段時(shí)間才執(zhí)行下一道工序，這段時(shí)間設(shè)備會(huì)產(chǎn)生等待能耗。
[0040]參見圖2，設(shè)備在執(zhí)行一次完整加工工序中的能耗為:
[0041]EFmach = MR+AE
[0042]MR = SEC.V = (Cq+Q/MRR).V
[0043]AE = nSA.SA+nTC.TC+Pac.tac+EFstandby
[0044]EFstandby = Ps.ts
[0045]其中，SEC為單位切除能耗(kj/cm3)，MRR為材料切除率(cm3/s)，V為材料切除體積(cm3)，C0和C1是設(shè)備特征參數(shù)(與特定設(shè)備有關(guān))，SA為設(shè)備主軸加速能耗(kj)，TC為設(shè)備一次換刀能耗(kj)，nSA和ητ。分別表示設(shè)備主軸加速和換刀次數(shù)，Pac和ta。為設(shè)備空切削功率(kW)和時(shí)間(s)，EFstandby為制造車間設(shè)備等待能耗(kJ)，Ps和ts表示設(shè)備等待過程的功率(kW)和等待時(shí)間(s)。
[0046]對(duì)于設(shè)備的碳足跡(CFmaeh)，除了上述能耗產(chǎn)生的碳排放，加工過程輔助材料的消耗(CEau)以及機(jī)床刀具的磨損(CEttMl)也會(huì)產(chǎn)生碳排放，而輔助材料主要包括切削液和潤(rùn)滑油，其中切削液是由切削液泵推動(dòng)并循環(huán)使用，在加工過程中一部分切削液會(huì)附著在切屑表面而流失，因此需要定期添加切削液；潤(rùn)滑油主要用于主軸和進(jìn)給傳動(dòng)部分的潤(rùn)滑，并且也需要定期更換；刀具磨損部分則是從刀具壽命角度計(jì)算其碳排放，有些刀具/刀片在接近使用壽命的時(shí)候可以通過刃磨重復(fù)使用，從而增長(zhǎng)使用周期，例如整體立銑刀等?；谏鲜龇治?，設(shè)備執(zhí)行一道加工工序的碳排放為:
[0047]CFmach = EFmach.emfel+CEau+CEt001
【權(quán)利要求】
1.一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)通過分析制造車間的特點(diǎn)，將制造車間自下而上進(jìn)行分解形成設(shè)備層、零件層和車間層三個(gè)層次，并基于全生命周期評(píng)估方法，計(jì)算單臺(tái)設(shè)備、單個(gè)零件及整個(gè)制造車間的能耗足跡和碳足跡； 2)基于能耗足跡和碳足跡，并依據(jù)評(píng)價(jià)粒度將制造車間中的制造活動(dòng)進(jìn)行粒度分解和演化，其中的每一個(gè)過程都代表了一個(gè)獨(dú)立的碳排放活動(dòng)，碳排放活動(dòng)指制造車間中產(chǎn)生直接碳排放和間接碳排放的生產(chǎn)活動(dòng)的集合，然后基于環(huán)境效率的概念建立不同評(píng)價(jià)粒度下的多個(gè)碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)包括碳排放利用率、加工以及生產(chǎn)碳效率和經(jīng)濟(jì)碳效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，所述制造車間碳排放綜合評(píng)估方法還包括以下步驟:依據(jù)所述碳效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用多屬性妥協(xié)方法，對(duì)不同制造車間相同評(píng)價(jià)粒度下的碳排放活動(dòng)進(jìn)行整體評(píng)估，或者，對(duì)不同時(shí)期制造車間中的某一碳排放活動(dòng)進(jìn)行整體評(píng)估，通過整體評(píng)估以獲得碳排放活動(dòng)碳排放綜合性能優(yōu)劣排序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，所述制造車間指包含若干制造設(shè)備和操作人員，并通過一定制造過程將原材料或半成品加工成成品的場(chǎng)所，所加工的成品是機(jī)械行業(yè)零部件產(chǎn)品；所述設(shè)備層包括制造車間所有可以執(zhí)行某種工序的設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一道或者多道工序；所述零件層包含制造車間目前加工的零件，每個(gè)零件的加工過程由一個(gè)或者多個(gè)工序流組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，所述能耗足跡指Iv或者多個(gè)制造活動(dòng)過程中直接能耗和間接能耗的總和，其中直接能耗指加工過程的能耗，間接能耗指非加工過程的能耗；所述碳足跡指一個(gè)或者多個(gè)制造活動(dòng)過程中直接溫室氣體排放量、能耗碳排放量以及物料消耗的碳排放量的總和，以二氧化碳當(dāng)量來計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，所述評(píng)價(jià)粒度是指企業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析的層次，自下而上依次為設(shè)備、工序、零件和車間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制造車間碳排放綜合評(píng)估方法，其特征在于，所述碳效率指制造車間各個(gè)碳排放活動(dòng)單位碳排放的價(jià)值產(chǎn)出。
【文檔編號(hào)】G06Q50/04GK103996145SQ201410191078
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】江平宇, 張朝陽, 洪波, 張蕾, 冷杰武, 丁凱 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 汕頭大學(xué), 汕頭輕工裝備研究院