制造系统生产单元碳排放核算模型

顾佰和，谭显春,2，谭显波,许保光,2，李 辉,2

(1.中国科学院科技战略咨询研究院，北京 100190；2.中国科学院大学公共管理学院，北京 100049；3.广东佛山职业技术学院，广东 佛山 528137)

1 引言

为应对全球气候变化，世界各国纷纷提出碳减排指标。2014年APEC会议期间，中美发布应对气候变化联合声明，中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰。制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将资源转变为产品输入-输出系统，其加工过程存在着高能耗、高物耗、碳排放大的特点。国家统计局2010年数据表明，我国制造业的能源消耗占我国能源消费总量的60%左右，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业[1-2]。因此，实施面向低排放、低污染、低能耗的机械制造，是我国实现碳排放峰值目标的重要保障，也是确保我国制造业协调可持续发展的重要途径。

国内外已有多位学者围绕制造系统的碳排放理论及核算进行研究。在制造系统碳排放理论层面，英国布鲁内尔大学的Tridech等[3-4]对低碳制造进行了定义，并提出了基于资源效率与效力的低碳制造概念，同时给出实施低碳制造的途径。英国克兰菲尔德大学Ball等[5]提出了“零碳制造”的概念，集成物料流、能量流、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。Du Yanbin等[6]基于产品生命周期理论，从目标层、战略层、过程层和支撑层四个层面构建了一个机械制造行业的低碳运行模型框架，并从低碳产品设计、源头控制、过程控制和产品报废处理四个角度提出了机械制造行业的四种典型的低碳运作模式。在制造系统碳排放核算层面，有大量学者基于能源消费数据进行了宏观尺度的核算[7-10]。刘清春等[11]构建了制造业部门能源消耗碳排放核算模型，并将我国制造业碳排放分解为产出规模、部门结构,能源强度和能源结构等四个方面因素。Zhao Xingrong等[12]对中国工业部门2005-2013年碳排放进行了核算，核算范围包括了由能源消费和工业产生过程产生的碳排放，并从投资规模、投资份额和投资效率三个方面对中国工业碳排放进行了解耦分析。Chen Wenying等[13]、Xu Jinhua等[14]以及顾佰和等[15]分别对钢铁行业、水泥行业和化工行业碳排放进行了核算。进一步有学者将碳排放核算的尺度细化到影响制造系统碳排放的各关键要素。Shia等[16]综合考虑工厂投入、能源、物料三大输入源以及交通这四方面的碳排放量，构建了制造系统碳排放混合核算模型，其中工厂投入涵盖生产设备以及零部件，能源输入包括电力、石油、天然气、化石燃料和其他辅助能源，物料包括金属、玻璃、塑料等，交通主要考虑设备、能源及物料的输送过程产生的碳排放。Jeswiet等[17]指出产品制造过程的碳排放与制造过程的耗电量相关联，提出一种基于电厂的碳排放指数及零部件制造的耗电量的碳排放计算方法。爱尔兰都柏林大学Aaron等[18]核算塑料制造行业的碳足迹，并通过统计分析方法求得原材料、制造、二次包装、运输和临终阶段对碳排放的贡献度。方健和徐丽群[19]在碳排放约束下的供应链中，将交通运输过程中的碳排放作为供应商选择的一个重要因素，并考虑了交通工具的不同对碳排放带来的影响。李剑等[20]从供应链角度，将库存维持、补充订货等因素纳入制造企业碳排放的核算范围。曹华军等[21]在对机床构成及其生命周期特点进行分析的基础上，基于生命周期评价原理提出了一种机床生命周期碳排放评估方法。尹瑞雪等[22]考虑能源碳、工艺碳、物料碳三方面碳排放来源，建立了砂型铸造系统碳排放评估函数。李聪波等[23]综合考虑机械加工设备物料、能耗、辅助物料及废屑处理引起的碳排放，构建了机械加工系统碳排放量化模型。Yi Qian等[24]构建了一个多目标优化模型，探索切削速度和进给率对数控机床加工过程碳排放和加工时间的影响。

综上所述，现有对制造系统碳排放的研究主要集中于制造系统整体，并取得了一定效果，但很少从制造系统生产单元的角度出发，研究生产单元单位产品的碳排放量。生产单元作为制造系统加工的主体，其碳排放量的确定对整个制造系统至关重要。其次，现有研究鲜有考虑产品合格率对制造系统碳排放量的影响。在制造系统机械加工过程中，合格率的变化会导致生产单元输入及输出产品数量的变化，进而影响生产单元乃至制造系统碳排放量。鉴于此，本文将会研究生产单元由原材料、电能、切削液、刀具、及废品废屑处理所引起的碳排放，分析合格率对生产单元碳排放量具体影响，构建给定工艺流程下生产单元碳排放核算模型。

2 生产单元的定义及其碳排放边界

产品的制造过程是设计方案到产品实体的物化过程，但同时也是一个资源消耗和废弃物排放的过程。产品的制造过程是由一系列的工序组成的，如毛坯生产、零件制造等工序，这些分为可计量工序和非可计量工序两种类型。可计量工序有独立的输入、输出以及独立的生产和加工工艺，本文将其称之为生产单元。

生产单元对整个制造系统至关重要，其作为制造加工的主体，碳排放的核算对整个制造系统有着重要的影响。生产单元的主要功能是将输入的原材料经过机械加工后制成产品，在整个加工过程中，会消耗大量的原材料、电能、切削液、刀具等各种资源能源，同时产生一定的废品和废屑，如图1所示。

图1 制造系统碳排放边界

制造系统生产单元的碳排放并不是在制造加工过程中直接产生的碳排放，其整个加工过程的碳排放具有间接性特点，因此需要研究在加工过程中所消耗的原材料、电能、切削液、刀具等在其制备和生产过程中所产生的碳排放，以及废品废屑处理过程中产生的碳排放，即：

3 考虑产品合格率下的生产单元碳排放核算模型

3.1 研究思路

对于机械加工企业，在小批量生产的条件下，每个生产单元输入和输出的半成品或者成品的数量均可确定，从而可以求出每个生产单元的合格率。因此，产品合格率计算公式(1)：

(1)

其中qi为生产单元r的合格率，ri和ri+1分别为生产单元i输入和输出产品的数量，r1指第一个生产单元所输入毛坯的数量。

本文对符号的说明：

i=1,2,…,n表示生产单元的加工顺序；

j=1,2,…,n表示产品加工过程所使用工艺的编号；

ji(i=1,2,…,nj=1,2,…,n)表示i第个生产单元所用的加工工艺为工艺j；

ri表示第i个生产单元所输入的产品数量，同时也是第i-1个生产单元所输出的合格品的数量，因此可以推出其计算公式(2)：

(2)

考虑到合格率对碳排放的影响，给定工艺顺序下的制造系统生产单元碳排放核算公式(3)：

(3)

3.2 原材料引起的碳排放

原材料消耗引起的碳排放是指制造系统生产单元运行过程中所消耗的原材料在其制备过程中的碳排放。各生产单元的产出由三部分构成，废屑(切除物)、废品、合格品。上一环节的合格品要进入下一环节加工，因此制造系统生产单元原材料引起的碳排放主要指废屑和废品产生的碳排放。由此可以得到各生产单元原材料引起的碳排放，其计算公式为：

(4)

其中，

CEFm是指原材料碳排放因子；

3.3 电能引起的碳排放

(5)

当机床主轴在某一固定转速下稳定运行时，其总输入功率及空载功率是恒定值，则上述能耗计算可以转化为公式(6)：

(6)

生产单元在加工过程中电能所引起的碳排放计算如公式(7)：

(7)

其中,ei为生产单元i单位产品能耗：

(8)

因此，电能所引起的碳排放计算如公式(9)：

(9)

其中，

CEFelec为电能的碳排放因子；

3.4 切削液引起的碳排放

切削液引起的碳排放时主要分为两个方面：首先是纯的矿物油在制备过程中引起的碳排放(CEoil)，另外是切削液在废弃后进行处理所引起的碳排放(CEwc)。合格率会影响生产单元所加工产品的数量，进而影响刀具引起的单位产品碳排放，但由于切削液更换周期一般较长，因此在计算过程中要采用按时间标准折算的方法进行核算，其计算公式如式(10)所示：

(10)

其中，纯的矿物油制备引起的碳排放计算公式(11)：

(11)

切削液在废弃后进行处理所引起的碳排放为：

(12)

因此，切削液引起的碳排放计算公式(13)：

(13)

其中，

CEFoil是指配置切削液所需的纯的矿物油制备碳排放因子；

土地利用类型的重心迁移是区域土地利用空间变化的总体特征，通过对研究期初和期末各种土地利用类型的分布重心进行比较，将重心的转移方向、转移距离与转移区域的自然条件与社会人文条件相关联，可在一定程度上反映土地利用的总体变化趋势和空间格局变化规律，可以为合理配置土地资源、土地利用变化的驱动力及演替规律分析提供支持。

CEFwc是指切削液废弃后进行处理的碳排放因子；

δ是指水基切削液的浓度；

ti是指第i生产单元使用工艺j的总时间，等于空载时间与加工时间之和；

3.5 刀具引起的碳排放

刀具所引起的碳排放主要考虑刀具制备过程，由于刀具更换周期一般较长，碳排放采用按时间标准折算的方法。合格率会影响生产单元所加工产品的数量，进而影响刀具引起的单位产品碳排放，其计算公式(14)：

(14)

其中，

CEFtool是指刀具的碳排放因子；

3.6 废品废屑处理引起的碳排放

制造系统生产单元产生的废屑及废品经收集压块后需要进行回炉(电熔炉)处理，在此过程中产生会产生碳排放。废屑及废品处理碳排放计算如公式(15)：

(15)

其中，

CEFw是指处理废品废屑的碳排放因子；

3.7 生产单元碳排放总量

各生产单元碳排放是由原材料、电能、切削液、刀具、废品废屑处理这五大源头引起的，因此各生产单元的总碳排放量就等于这五大源头碳排量之和，计算公式如式(16)：

(16)

3.8 生产单元关键要素碳排放因子

对于上述模型中各要素对应的碳排放因子，国内外已有很多学者和机构做了较为系统的研究，数据较为完备，本文借鉴既有研究结果，汇总计算得到各要素对应的碳排放因子如下表1所示。

表1 关键要素的碳排放因子

4 案例分析

4.1 方案介绍

图2 零部件外形图

本文以重庆机床厂加工某个零部件为例(见下图2)，分析该零部件每个生产单元单位产品的碳排放量。该零部件为汽车排气过程中的一个装置，其加工工艺流程由九个生产单元组成为：1钻大孔→2粗铣大孔→3精铣大孔→4 点中心孔→5 定位→6 倒角→7 钻小孔→8 铣大孔螺纹→9倒角。

本文从实际生产过程中，获取了每个生产单元的加工功率、时间以及生产设备加工参数等数据(如表2所示)。零部件的加工工艺信息和基本参数(如零件类型、零件材料、齿部热处理方式、毛坯类型等工艺信息，以及齿数、模数、外形尺寸和长径、加工方式、特征(主、辅特征)、零件的形状特征(精度等级、粗糙度、行位公差))由加工车间的工艺信息获得；零件加工过程中的加工时间、主轴转速、进给率、背吃刀量等参数由车间技术人员输入零件的相关信息并根据工艺手册在数控系统中自动生成的加工信息获得。合格率为质检中心抽样检测获得的结果。

4.2 实验结果

结合机械加工手册查询所得值和本文所建立的考虑产品合格率下的生产单元单位产品碳排放核算模型，核算得到各生产单元原材料、刀具、电能、切削液以及废品废屑的碳排放量，并分析了九个生产单元的碳排放量占比以及五大排放源的碳排放占比，具体结果如表3、图3和图4所示。

图3 各生产单元单位产品碳排放量对比图

图4 各要素单位产品碳排放量对比图

4.3 结果分析

由图3可知，从生产单元的角度来看，钻大孔所带来的碳排放量最大，其次是大孔倒角和粗铣大孔，而小孔倒角所产生的碳排放量最小。由图4可知，从要素角度来看，原材料是该制造系统碳排放的最大贡献源，占到排放总量的一半以上，其次是由于刀具消耗产生的碳排放，占到排放总量的22.9%，其原因在于为该制造系统提供原材料和刀具的钢铁行业和有色金属金属行业均为高耗能行业。进一步分析各生产单元内部不同要素的碳排放，发现除大孔倒角外，其他所有生产单元中原材料所引起的碳排放量都是最大的。在大孔倒角中，刀具消耗引起的碳排放占最大比例的原因在于该工序中使用的刀具质量远大于其他工序。

此外，通过对生产单元碳排放核算模型式(16)的分析发现，若使其他因素保持不变，仅考虑产品合格率qi的变化，则式(16)可写为：

(17)

5 结语

生产单元作为制造系统的加工的主体，其碳排放量的核算是确定整个制造系统乃至制造业碳排放总量的关键。本文针对生产单元碳排放的核算，在总结现有研究的基础上，综合考虑原材料、电能、辅助物料及废屑处理所带来的碳排放，确定生产单元的碳排放源；针对合格率对生产单元碳排放的影响，将合格率纳入碳排放核算体系中，建立了给定工艺流程下生产单元碳排放模型，并结合一汽车排气装置加工实例，核算其各生产单元的碳排放量，验证了模型的可行性。在合格率确定的情况下，各生产单元中钻大孔所带来的碳排放量最大，各要素中原材料所引起的碳排放量最大，其次是刀具和电能所引起的碳排放。进一步分析发现，任何一个生产单元合格率的改善都会带来其自身和后续生产单元碳排放量的降低，同时也会降低整个制造系统的碳排放水平。

本文探讨了合格率确定情况下(小批量生产的条件下)的制造系统生产单元碳排放，而在大批量生产时，生产单元输入和输出的半成品或成品的数量无法轻易计量，即生产单元的合格率不能简单的采用统计方法确定，此时的合格率水平可以认为是随机的。因此合格率随机情况下制造系统生产单元的碳排放核算是下一步值得研究的问题之一。此外生产单元加工顺序的变化会导致制造系统能耗的变化，从而影响制造系统的碳排放量。因此在生产单元加工顺序可交换条件下制造系统的碳排放存在优化空间，这也是值得进一步讨论的话题。