某型空氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)改造及其經(jīng)濟(jì)性分析

方 禎,刁愛民

(海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033)

某型空氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)改造及其經(jīng)濟(jì)性分析

方 禎,刁愛民

(海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033)

文章分析了某型空氣壓縮機(jī)目前所面臨的問題,基于存在的問題以及某船所需要的空氣壓縮機(jī)的工作條件，有針對(duì)性地提出了空氣壓縮機(jī)的不同改裝方案。綜合分析了不同改裝方案下的經(jīng)費(fèi)、時(shí)間以及可用度等要素，通過對(duì)比得出了更加經(jīng)濟(jì)的改裝方案，為設(shè)備的精確化、經(jīng)濟(jì)化保障提供了一種新方法。

船舶；經(jīng)濟(jì)性分析；空氣壓縮機(jī)；改換裝

某船由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)期的條件限制，導(dǎo)致目前某些裝備無法達(dá)到現(xiàn)有的技術(shù)要求。隨著服役時(shí)間的增長，很多舊型裝備面臨無備件可換以致無法修理，部分裝備設(shè)施也處于淘汰水平，必須通過改換裝將其基本性能恢復(fù)到正常指標(biāo)，從根本上確保在航率，提高維修保障的質(zhì)量。通過船舶的改換裝從而提高裝備性能是一項(xiàng)很有利于船舶繼續(xù)服役的措施。

空氣壓縮機(jī)對(duì)于整個(gè)船舶的運(yùn)行十分重要，對(duì)于空氣壓縮機(jī)的改裝不僅是單一設(shè)備的更換替代問題，而需要對(duì)整個(gè)船舶的性能和兼容性進(jìn)行測試驗(yàn)證，使改換裝后的空氣壓縮機(jī)和國內(nèi)的維修保障接軌，提高維修保障質(zhì)量，節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)。本文從全系統(tǒng)、全壽命保障角度出發(fā)開展改換裝工作。

1 原空氣壓縮機(jī)存在的問題

該船在使用過程中，其空氣壓縮機(jī)經(jīng)常由于I級(jí)空氣冷卻器空氣排出溫度過高導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)停機(jī)，不但影響高壓空氣系統(tǒng)的正常工作，而且影響船上設(shè)施設(shè)備的正常使用，進(jìn)而影響船舶的整體在航率，使維修效果降低。

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研、分析，發(fā)現(xiàn)該空氣壓縮機(jī)組在工作中主要存在以下問題：①壓縮機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度不同；②壓縮機(jī)在該船舶上的工作環(huán)境惡劣；③系統(tǒng)冷卻水流量小；④冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷。

從以上分析可見，Ⅰ級(jí)空氣冷卻器出口處空氣的溫度，主要受兩方面影響，環(huán)境條件和冷卻系統(tǒng)。從環(huán)境條件來講，空氣壓縮機(jī)布置在2臺(tái)柴油機(jī)之間無法改變；冷卻系統(tǒng)，我國海區(qū)的實(shí)際海水溫度條件也是一定的，因此，需對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足該空氣壓縮機(jī)的工作要求。

2 改進(jìn)方案

綜合前面提出的問題，目前可以實(shí)施的改進(jìn)方案主要有以下2種：一種是進(jìn)行局部改造；另一種是進(jìn)行整體空氣壓縮機(jī)的更換。

2.1 對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行局部改造

2.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)海水冷卻系統(tǒng)

第一步可以增大海水—淡水換熱器換熱面積。海水—淡水熱交換器重新設(shè)計(jì)后，根據(jù)海水冷卻系統(tǒng)流量、壓力參數(shù)重新核算結(jié)果，對(duì)海水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改裝。

海水冷卻器換熱量加大之后，對(duì)海水泵和相應(yīng)的管系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重新改裝海水管路直徑、選配海水系統(tǒng)閥件，以減小流動(dòng)阻力，保證海水冷卻系統(tǒng)能將淡水冷卻系統(tǒng)的熱量完全攜帶至舷外，降低淡水溫度，加強(qiáng)對(duì)壓縮空氣的冷卻。

2.1.2 加大冷卻水泵的流量

現(xiàn)有的空氣壓縮機(jī)冷卻水泵流量為80 L/min，流量偏低，與其相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)高壓空氣壓縮機(jī)冷卻水流量為100 L/min，更換冷卻水泵，提高水泵流量≥100 L/min，冷卻水流量增大，使冷卻水的流速增大，冷卻水流速可以提高25%，從而強(qiáng)化了熱交換器管路內(nèi)的對(duì)流換熱，利于改善冷卻效果。

2.1.3 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化

1)通過將壓縮機(jī)吸氣管路延伸至全船通風(fēng)系統(tǒng)的辦法，使壓縮機(jī)直接從通風(fēng)系統(tǒng)吸氣，以降低吸氣溫度。

2)海水—淡水熱交換器進(jìn)口處安裝濾器，防止泥沙堵塞熱交換器管路。

除以上措施之外，對(duì)冷卻水流程進(jìn)行適當(dāng)改變，加大冷卻水泵流量后可將淡水冷卻水的流程改變，將徹底解決該壓縮機(jī)原來因Ⅰ級(jí)空氣冷卻器出口處空氣溫度過高而報(bào)警停機(jī)的問題，而且，可以降低每一級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度，這對(duì)于減少壓縮機(jī)積碳、降低壓縮機(jī)功耗、保證壓縮機(jī)排量都將產(chǎn)生良好的影響。

2.2 整體更換空氣壓縮機(jī)

除了局部改造之外，還可以整體更換空氣壓縮機(jī)，以達(dá)到預(yù)期的目的。目前國內(nèi)船用高壓空氣壓縮機(jī)的冷卻水系統(tǒng)采用開式冷卻，冷卻水先進(jìn)入Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)冷卻器，再進(jìn)入汽缸套，加強(qiáng)了對(duì)壓縮空氣的中間冷卻，降低了每一級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度，對(duì)降低壓縮機(jī)的最高壓縮溫度、防止積碳和減小功耗起到了良好的作用；其他船舶采用德國引進(jìn)的高壓空氣壓縮機(jī)，其冷卻系統(tǒng)冷卻水流程為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)冷卻順序，加強(qiáng)了對(duì)壓縮空氣的中間冷卻。

使用國產(chǎn)空氣壓縮機(jī)的主要原因是由于其方便維護(hù)維修的特性，相比該船舶上的原空氣壓縮機(jī)而言，在諸多不穩(wěn)定因素下，使用國產(chǎn)空氣壓縮機(jī)對(duì)整個(gè)壽命周期，更加有利。

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

針對(duì)以上2種改進(jìn)方案，對(duì)其在全壽命周期內(nèi)的作用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析[1]。主要從以下3點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比：項(xiàng)目費(fèi)用；維修所需時(shí)間以及影響；空氣壓縮機(jī)改換裝方案的可用度。

3.1 項(xiàng)目費(fèi)用對(duì)比

船舶的全壽命周期費(fèi)用[2]主要由其研制費(fèi)、建造費(fèi)、維修費(fèi)、使用運(yùn)行費(fèi)以及退役費(fèi)所組成。針對(duì)本次空氣壓縮機(jī)改換裝方案來說，并不需要考慮全壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用細(xì)節(jié)，僅需要針對(duì)2種改裝方案在改裝過程中的費(fèi)用，以及改裝過程中船舶所發(fā)生一切與該方案有聯(lián)系的費(fèi)用，對(duì)于船舶的研制經(jīng)費(fèi)、建造經(jīng)費(fèi)，以及退役經(jīng)費(fèi)這些聯(lián)系極小的費(fèi)用可以不算入計(jì)算當(dāng)中。

一般裝備的改換裝費(fèi)用為：

COS=CM+CTP，

(1)

式中：COS為使用與保障費(fèi)；CM為維修費(fèi)；CTP為技術(shù)改進(jìn)費(fèi)。

2種改裝方案均局限于空氣壓縮機(jī)的改換裝，在后期改換裝完成之后的維護(hù)保障方面，對(duì)于維護(hù)保障的人員數(shù)量方面基本沒有區(qū)別，也不會(huì)在維護(hù)費(fèi)用上有很大的差異，所以在2個(gè)改裝項(xiàng)目的費(fèi)用中可以把維護(hù)保障人員數(shù)量以及維護(hù)費(fèi)用作為費(fèi)用比較的影響因素[3]除去。

2種改換裝方案中，局部改造的方案時(shí)間跨度長，涉及到未完成改裝前的空氣壓縮機(jī)的專門費(fèi)用。其中整個(gè)空氣壓縮機(jī)的技術(shù)特性和基本性能都與原空氣壓縮機(jī)的有所不同，針對(duì)這個(gè)情況需要在航行中對(duì)整個(gè)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用和靠岸時(shí)的維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

對(duì)于整體換裝空氣壓縮機(jī)，費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)就相對(duì)簡單化，只需要對(duì)整體換裝的采購費(fèi)、安裝費(fèi)以及加工費(fèi)等一系列費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)即可。

其中維修費(fèi)CM中部分費(fèi)用相差不大甚至基本一致，所以可以不加入比較中。

局部改造裝費(fèi)用為：

COS=CM+CTP=108萬元+15萬元=123萬元。

(2)

整體換裝費(fèi)用為：

COS=CM+CTP=136萬元+0萬元=136萬元。

(3)

對(duì)所有費(fèi)用明細(xì)進(jìn)行比較，在實(shí)際費(fèi)用比較中，局部改造所使用的費(fèi)用比整體換裝費(fèi)用少13萬元。

3.2 維修所需時(shí)間以及影響對(duì)比

通過設(shè)計(jì)方案的時(shí)間規(guī)劃來看，局部改造需要3個(gè)階段總共15個(gè)月進(jìn)行改裝；整體換裝需要長達(dá)24個(gè)月的周期進(jìn)行。

一個(gè)很漫長的周期去把該船舶的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行整體換裝。在全壽命周期中，局部改造這樣的設(shè)計(jì)方案更具有靈活性，更加貼近維修保障的需要[4]。

兩方案均在驗(yàn)證了兼容性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，由于局部改造方案是在原空氣壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能的提升，每次的改裝對(duì)于整個(gè)船舶的改動(dòng)十分??；而整體換裝而言，整個(gè)空氣壓縮機(jī)的更換會(huì)涉及到其他系統(tǒng)或裝備設(shè)備的改動(dòng)微調(diào)，這需要一定的測試時(shí)間以及對(duì)新裝備的試運(yùn)行[5]。

根據(jù)方案給的預(yù)算，雖然局部改造整個(gè)維修周期長，但是整體時(shí)間并沒有整體換裝所需要的時(shí)間那么多。

改換裝的目的就是通過對(duì)船舶各個(gè)裝備系統(tǒng)進(jìn)行拆檢修理以及改裝升級(jí)，對(duì)某個(gè)裝備系統(tǒng)的性能進(jìn)行恢復(fù)或改裝提升，進(jìn)而提高船舶整體的性能水平以及減少維護(hù)保障的時(shí)間[6]。任何關(guān)于船舶的維修保障活動(dòng)都是為了保證更長時(shí)間的在航率服務(wù)的。

在規(guī)定條件下，在航率A為船舶可出航時(shí)間與整個(gè)壽命期的比。并給出如下計(jì)算方法：

A=可出航時(shí)間/使用壽命。

(4)

每類船舶的任務(wù)不同，分工不同，對(duì)于可出航時(shí)間的定義也不同。對(duì)于大部分船舶來說，結(jié)合船舶的實(shí)際使用情況和特點(diǎn)，可以將船舶全壽命使用周期的技術(shù)狀態(tài)分為下列3種：在航狀態(tài)、停航狀態(tài)和修理狀態(tài)。

使用壽命也可表達(dá)為：

A=(使用壽命-停航時(shí)間-維修時(shí)間)/使用壽命 ，

(5)

其中，令式(5)中B為維修時(shí)間/使用壽命。

對(duì)于局部改造為：

Bi=15/12/25=0.05，

(6)

對(duì)于整體換裝為：

Bj=24/12/25=0.08。

(7)

其中停航時(shí)間與維修時(shí)間越長，整艘船的在航率就越低。根據(jù)在航率的表達(dá)，可以看出整體換裝方案的實(shí)施比局部改造方案降低更多的在航率，所以局部改造要優(yōu)于整體換裝。

在航率的比較是針對(duì)整個(gè)全壽命使用周期而言，整體換裝的時(shí)間和局部改造的時(shí)間有所差異，所以對(duì)于該船的在航率的影響也相應(yīng)不同。由于局部改造的每一個(gè)改裝步驟都是獨(dú)立進(jìn)行的，并不需要集中一段時(shí)間全部完成。相對(duì)于整體換裝來說，具有很高的靈活性，對(duì)于保證在航率是非常有好處的。

3.3 空氣壓縮機(jī)改裝方案的可用度對(duì)比

根據(jù)分析重點(diǎn)，可以根據(jù)效能模型對(duì)其進(jìn)行分析比較。效能模型(G)是指利用3個(gè)最重要的性能因素E(可用度)[7]、D(可信度)、F(能力)對(duì)待測系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)他們所占的比重以及相互間的關(guān)系，確定它們之間的耦合關(guān)系，再通過實(shí)際情況和保障維護(hù)人員的意見，根據(jù)效能模型G=E×D×F進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后求出待測系統(tǒng)完成所賦予使命任務(wù)的能力。

本次研究重點(diǎn)是空氣壓縮機(jī)改裝對(duì)于整艘船舶的影響，所以其他設(shè)備的因素影響均一樣，可以設(shè)為1。即可以不通過整個(gè)公式的計(jì)算，單獨(dú)比較其E。

其中船舶上各裝備在航行過程中的可用度為：

(8)

式中：MTBF為設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間[8]；MTTR為設(shè)備的平均修復(fù)維修時(shí)間；MLDT為設(shè)備的平均保障延誤時(shí)間。

MLDT是對(duì)于船舶自身保障來說，按照標(biāo)準(zhǔn)取10% ，15 d。再算上依托廠家進(jìn)行維修所產(chǎn)生的延誤48 h。

局部改造方案的可用度Ei：

(9)

整體改換裝方案的可用度Ej：

(10)

由式(9)、式(10)可知，局部改造要優(yōu)于整體換裝的新空氣壓縮機(jī)的可用度[9]。

綜合以上對(duì)比方面發(fā)現(xiàn)，無論是在總費(fèi)用、所需時(shí)間以及可用度方面，局部改造都要優(yōu)于整體換裝。

4 結(jié)束語

文中分析了2種改造方案：一種是進(jìn)行局部改造，這樣可以減少維修周期的長度，還能很大程度延緩經(jīng)費(fèi)的使用，使經(jīng)費(fèi)使用有更長期的規(guī)劃，在方案的實(shí)施上更具有靈活性；另一種方案是進(jìn)行整體空氣壓縮機(jī)的更換，這樣可以一步到位解決目前所面臨的問題，但是船舶會(huì)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)較長的維修周期中，不能投入日常使用。

綜合上述分析，最后選擇進(jìn)行局部改造方案，在整個(gè)改換裝中，既要保證改裝后的空氣壓縮機(jī)能維持該船正常的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，還要有一定的提升空間。此次改換裝為以后船舶改造作業(yè)起到了開拓作用，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，同時(shí)延長老舊船舶的使用年限。

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In this paper,the problems are analyzed about the air compressor.The different retrofit schemes are put forward based on the existing problems and necessary working conditions on a certain type of ship.Comparative analysis of different retrofit schemes are conducted with some important factors,such as expenditure ,time and availability.A more economical way for repairing is proposed after comparing different schemes and solutions,which can provide a new method to improve the accuracy and economy of repairing equipment.

ship;economic analysis ;air compressor;retrofit scheme

方禎(1989-)，男，海南?？谌耍谧x碩士研究生，研究方向?yàn)檠b備維修。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.05.012

2016-06-08