空分設(shè)備研究策略探討

邱秋榮

(杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司,浙江杭州 310014)

前言

隨著信息化和工業(yè)化兩大歷史進(jìn)程不斷發(fā)展、交叉、滲透與融合，工業(yè)社會(huì)正在加速向信息社會(huì)演進(jìn)，兩化融合已經(jīng)成為工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。兩化融合的過(guò)程中，信息成為一種重要資源，該資源同物質(zhì)能量等傳統(tǒng)資源有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景。

兩化融合背景下，傳統(tǒng)制造業(yè)在信息技術(shù)的推動(dòng)下，企業(yè)的核心價(jià)值邏輯發(fā)生了演變。見(jiàn)圖1。

圖1 制造業(yè)價(jià)值邏輯演變

質(zhì)量為核心體現(xiàn)了產(chǎn)品定位和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化從而生產(chǎn)高質(zhì)量低成本的產(chǎn)品；流程改善為核心體現(xiàn)了過(guò)程的合理化、規(guī)范化、自動(dòng)化；以產(chǎn)品全生命周期為核心體現(xiàn)了過(guò)程的集成化、網(wǎng)絡(luò)化；以客戶價(jià)值為核心體現(xiàn)了產(chǎn)品的智能化、客制化。

1 空分設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 空分設(shè)備技術(shù)生命周期

技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論把技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化分為四個(gè)階段，嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期組成的生命周期?？辗衷O(shè)備這一技術(shù)系統(tǒng)則處于成熟期。判斷的依據(jù)有如下5點(diǎn)。

（1）產(chǎn)品性能水平提高緩慢。

（2）有大量的專利產(chǎn)生，主要是為了響應(yīng)各種差異不大的需求。

（3）專利的發(fā)明等級(jí)低，并開(kāi)始出現(xiàn)大量垃圾專利。

（4）產(chǎn)品進(jìn)入門檻在降低，競(jìng)爭(zhēng)在加劇。

（5）產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益不再增加。

技術(shù)系統(tǒng)處于成熟期該采取的策略，常規(guī)采用向微觀級(jí)進(jìn)化的策略和向超系統(tǒng)（技術(shù)系統(tǒng)所依附的更大系統(tǒng)）進(jìn)化的策略。策略表現(xiàn)為提高局部認(rèn)識(shí)及精度向微觀級(jí)進(jìn)化和采用大系統(tǒng)整合向超系統(tǒng)進(jìn)化。

1.2 空分設(shè)備的差異性

空分設(shè)備的差異化主要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和時(shí)空特征的角度來(lái)分析。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上講，空分設(shè)備以前叫制氧機(jī)的時(shí)候相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要產(chǎn)品就是氧氣；但當(dāng)?shù)獨(dú)庖渤闪酥饕a(chǎn)品時(shí)，空分的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。空分同所依存的行業(yè)直接相關(guān)，行業(yè)不同、協(xié)同方式不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)就很不一樣，從而造成空分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異化鮮明。

從時(shí)空特征上講，不同時(shí)期、不同地方，能源價(jià)格、水資源條件差異巨大，就需要調(diào)整空分設(shè)備的決策。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：一套2萬(wàn)m3/h等級(jí)空分，總功率消耗14 000 kW，設(shè)備費(fèi)用為1.2億元，設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，使用壽命按10年考慮，能源費(fèi)用價(jià)格0.62元/kWh，10年運(yùn)行費(fèi)用6.94億元，生命周期能源費(fèi)用是設(shè)備費(fèi)用的5.8倍。如果該空分設(shè)備搬到能源價(jià)格為0.3元/kWh的地方，空分設(shè)備需進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

空分設(shè)備的差異化特點(diǎn)，使得產(chǎn)品客制化會(huì)帶來(lái)巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2 研究策略

空分設(shè)備研究策略應(yīng)采用大系統(tǒng)整合加全生命周期分析的方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品客制化,構(gòu)建新型能力。高速發(fā)展的信息化技術(shù)和兩化融合的方法論為產(chǎn)品客制化提供了保障,從而實(shí)現(xiàn)在不同的超系統(tǒng)輸入條件下，快速得出高精度的客制化輸出。

客制化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不是簡(jiǎn)單體現(xiàn)在產(chǎn)品的功能、性能和成本上，更多將體現(xiàn)顧客對(duì)其價(jià)值和受益的感知。供求雙方都獲得產(chǎn)品的評(píng)估權(quán)力，從而對(duì)交易關(guān)系的各方面都進(jìn)行評(píng)估。

研究策略工程化后可轉(zhuǎn)化為運(yùn)籌學(xué)中最優(yōu)化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)公式（1）。

式中：x——變量集合；

S——約束集合或可行集。

公式可理解為依照給定目標(biāo)和約束，從眾多方案中選擇最佳方案。

典型的目標(biāo)方程根據(jù)利益最大化的范圍不同可分為3種：

（1）max（企業(yè)利益）

（2）max（企業(yè)利益＋客戶利益）

（3）max（企業(yè)利益＋客戶利益＋環(huán)境利益）

目標(biāo)方程的不同體現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品定位問(wèn)題，傾向于管理創(chuàng)新。企業(yè)選用第三種目標(biāo)對(duì)企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展更有利，但相應(yīng)整合考慮的范圍和難度更大。

典型的約束主要是技術(shù)邊界、客戶需求、能源價(jià)格、材料成本、默認(rèn)規(guī)矩和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，約束的改變傾向于技術(shù)創(chuàng)新能力。

空分企業(yè)當(dāng)前真正做到大系統(tǒng)整合加全生命周期分析的工作模式，還有較大的困難，主要原因如下：

（1）技術(shù)人員重視知識(shí)，對(duì)方法論熟悉。

（2）技術(shù)人員在骨子里覺(jué)得技術(shù)和錢沒(méi)關(guān)系，不好建成本模型。

（3）技術(shù)人員把相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程神秘化不愿分享。

（4）設(shè)計(jì)過(guò)程不規(guī)范、不穩(wěn)定和不夠精細(xì)。

（5）缺乏進(jìn)行多個(gè)過(guò)程融合并實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)字化的綜合型人才。

（6）對(duì)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏。

（7）不同部門間的數(shù)據(jù)保密，無(wú)法高效交互。

基于上述現(xiàn)實(shí)情況，在最終策略能順利大面積實(shí)施前，需采用一個(gè)折中過(guò)渡的策略。過(guò)渡策略就是循序漸進(jìn)，先從單設(shè)備的生命周期分析開(kāi)始，再過(guò)渡到單系統(tǒng)的生命周期分析，最終實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)生命周期分析。

3 策略實(shí)施應(yīng)用

3.1 空分預(yù)冷系統(tǒng)冷水機(jī)組的生命周期分析

冷水機(jī)組功能和資源的描述:功能是降低冷凍水溫度；資源分為一次性投入資源和運(yùn)行持續(xù)消耗資源，一次性資源是采購(gòu)成本，持續(xù)性消耗為電和循環(huán)冷卻水。

冷水機(jī)組功能不變代表產(chǎn)出不變，利益最大化目標(biāo)方程就變?yōu)樯芷谫M(fèi)用最小化方程。

冷水機(jī)組詢價(jià)確認(rèn)3個(gè)型號(hào)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷水機(jī)組相關(guān)參數(shù)

從表1可得，型號(hào)A冷水機(jī)組生命周期費(fèi)用最低。A型比B型在生命周期中節(jié)省費(fèi)用79萬(wàn)元，A型相比B型的成本增加對(duì)應(yīng)的投資回收期為0.38年。A型比C型在生命周期中節(jié)省費(fèi)用189萬(wàn)元，A型相比C型的成本增加對(duì)應(yīng)的投資回收期為0.36年。

最終通過(guò)生命周期費(fèi)用分析加投資回收期分析，選擇采用A型1級(jí)能效產(chǎn)品更合理。

3.2 空壓機(jī)級(jí)間冷卻器的生命周期分析

冷卻器功能和資源的描述:功能是冷卻壓縮氣體，從而降低下一級(jí)壓縮能耗。資源分為一次性投入資源和運(yùn)行持續(xù)消耗資源，一次性資源是采購(gòu)成本，持續(xù)性消耗為被冷卻氣體的阻力及循環(huán)冷卻水。

冷卻器的功能與資源描述見(jiàn)表2。

冷卻器的生命周期資源消耗分析參數(shù)見(jiàn)表3。

從表3的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，設(shè)備成本在生命周期費(fèi)用占比僅3.0%，比例較低。冷卻器設(shè)計(jì)定位是否存在調(diào)整的可能進(jìn)而降低生命周期費(fèi)用。

表4為重新定位后的冷卻器生命周期資源消耗分析。

表2 冷卻器功能與資源描述

表3 冷卻器生命周期資源消耗分析

表4 重新定位的冷卻器生命周期資源消耗分析

通過(guò)產(chǎn)品生命周期分析后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重新定位后，產(chǎn)品生命周期費(fèi)用降低了52%，設(shè)備成本增加的投資回收期為0.2個(gè)月。并且產(chǎn)品的功能提高了，壓縮空氣被冷卻到40 ℃降低到38 ℃，關(guān)于功能變化的描述這里就不展開(kāi)。

案例2體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)螺旋上升的方法論，產(chǎn)品新定位→降低成本→產(chǎn)品新定位→降低成本→，產(chǎn)品新定位很難但非常重要，降低成本則是一種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。

3.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的生命周期分析

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中設(shè)備主要有涼水塔、循環(huán)水泵、冷卻器和管道。超系統(tǒng)輸入變化將影響整個(gè)系統(tǒng)的配置，變化主要來(lái)自水質(zhì)條件、氣候條件及電的能源價(jià)格。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的示意，見(jiàn)圖2。

通過(guò)對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的生命周期分析，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)重新定位調(diào)整，相關(guān)的主要調(diào)整如下：

圖2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意

（1）總的循環(huán)冷卻水溫升重新定位，盡量提高溫升。

（2）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性精細(xì)化分析。

（3）控制冷卻器設(shè)計(jì)阻力。

（4）每個(gè)冷卻器的循環(huán)冷卻水溫升放開(kāi)，具體值由冷卻器換熱特征決定。

（5）設(shè)計(jì)流程過(guò)程化控制，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)反應(yīng)。

通過(guò)上述重新定位后的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)成本降低，并迅速降低系統(tǒng)水泵功耗。

水泵功耗由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下的占空分總能耗（電拖動(dòng)的空分裝置）2.5%降低到1.1%，而且通過(guò)改善業(yè)務(wù)流程反應(yīng)比傳統(tǒng)工作模式更快、精度更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

空分設(shè)備研究采用大系統(tǒng)整合加全生命周期分析產(chǎn)品客制化的策略，企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、技術(shù)和產(chǎn)品都將發(fā)生較大改變，從而在實(shí)施過(guò)程中獲得巨大機(jī)遇的同時(shí)也遭遇巨大挑戰(zhàn)，但前景是美好的，值得業(yè)界去努力拼搏。