方 禎,刁愛民

(海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033)

某型空氣壓縮機冷卻系統(tǒng)改造及其經濟性分析

方 禎,刁愛民

(海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033)

文章分析了某型空氣壓縮機目前所面臨的問題,基于存在的問題以及某船所需要的空氣壓縮機的工作條件，有針對性地提出了空氣壓縮機的不同改裝方案。綜合分析了不同改裝方案下的經費、時間以及可用度等要素，通過對比得出了更加經濟的改裝方案，為設備的精確化、經濟化保障提供了一種新方法。

船舶；經濟性分析；空氣壓縮機；改換裝

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

空氣壓縮機對于整個船舶的運行十分重要，對于空氣壓縮機的改裝不僅是單一設備的更換替代問題，而需要對整個船舶的性能和兼容性進行測試驗證，使改換裝后的空氣壓縮機和國內的維修保障接軌，提高維修保障質量，節(jié)約維修經費。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 原空氣壓縮機存在的問題

該船在使用過程中，其空氣壓縮機經常由于I級空氣冷卻器空氣排出溫度過高導致空氣壓縮機停機，不但影響高壓空氣系統(tǒng)的正常工作，而且影響船上設施設備的正常使用，進而影響船舶的整體在航率，使維修效果降低。

經過實地調研、分析，發(fā)現(xiàn)該空氣壓縮機組在工作中主要存在以下問題：①壓縮機運行環(huán)境溫度不同；②壓縮機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)設計缺陷。

從以上分析可見，Ⅰ級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，空氣壓縮機布置在2臺柴油機之間無法改變；冷卻系統(tǒng)，我國海區(qū)的實際海水溫度條件也是一定的，因此，需對冷卻水系統(tǒng)進行改造，以滿足該空氣壓縮機的工作要求。

2 改進方案

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

2.1 對空氣壓縮機進行局部改造

2.1.1 優(yōu)化設計海水冷卻系統(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計后，根據海水冷卻系統(tǒng)流量、壓力參數重新核算結果，對海水系統(tǒng)進行優(yōu)化改裝。

海水冷卻器換熱量加大之后，對海水泵和相應的管系進行優(yōu)化設計，重新改裝海水管路直徑、選配海水系統(tǒng)閥件，以減小流動阻力，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，加強對壓縮空氣的冷卻。

2.1.2 加大冷卻水泵的流量

現(xiàn)有的空氣壓縮機冷卻水泵流量為80 L/min，流量偏低，與其相當的國產高壓空氣壓縮機冷卻水流量為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%，從而強化了熱交換器管路內的對流換熱，利于改善冷卻效果。

2.1.3 空氣壓縮機系統(tǒng)進一步優(yōu)化

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

2)海水—淡水熱交換器進口處安裝濾器，防止泥沙堵塞熱交換器管路。

除以上措施之外，對冷卻水流程進行適當改變，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原來因Ⅰ級空氣冷卻器出口處空氣溫度過高而報警停機的問題，而且，可以降低每一級壓縮機的排氣溫度，這對于減少壓縮機積碳、降低壓縮機功耗、保證壓縮機排量都將產生良好的影響。

2.2 整體更換空氣壓縮機

除了局部改造之外，還可以整體更換空氣壓縮機，以達到預期的目的。目前國內船用高壓空氣壓縮機的冷卻水系統(tǒng)采用開式冷卻，冷卻水先進入Ⅰ級和Ⅱ級冷卻器，再進入汽缸套，加強了對壓縮空氣的中間冷卻，降低了每一級壓縮機的進氣溫度，對降低壓縮機的最高壓縮溫度、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的高壓空氣壓縮機，其冷卻系統(tǒng)冷卻水流程為Ⅰ級和Ⅱ級冷卻順序，加強了對壓縮空氣的中間冷卻。

使用國產空氣壓縮機的主要原因是由于其方便維護維修的特性，相比該船舶上的原空氣壓縮機而言，在諸多不穩(wěn)定因素下，使用國產空氣壓縮機對整個壽命周期，更加有利。

3 經濟性對比分析

針對以上2種改進方案，對其在全壽命周期內的作用進行經濟性分析[1]。主要從以下3點進行對比：項目費用；維修所需時間以及影響；空氣壓縮機改換裝方案的可用度。

3.1 項目費用對比

船舶的全壽命周期費用[2]主要由其研制費、建造費、維修費、使用運行費以及退役費所組成。針對本次空氣壓縮機改換裝方案來說，并不需要考慮全壽命周期內所有費用細節(jié)，僅需要針對2種改裝方案在改裝過程中的費用，以及改裝過程中船舶所發(fā)生一切與該方案有聯(lián)系的費用，對于船舶的研制經費、建造經費，以及退役經費這些聯(lián)系極小的費用可以不算入計算當中。

一般裝備的改換裝費用為：

COS=CM+CTP，

(1)

式中：COS為使用與保障費；CM為維修費；CTP為技術改進費。

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

2種改換裝方案中，局部改造的方案時間跨度長，涉及到未完成改裝前的空氣壓縮機的專門費用。其中整個空氣壓縮機的技術特性和基本性能都與原空氣壓縮機的有所不同，針對這個情況需要在航行中對整個空氣壓縮機系統(tǒng)的運行費用和靠岸時的維護費用進行統(tǒng)計。

對于整體換裝空氣壓縮機，費用的統(tǒng)計就相對簡單化，只需要對整體換裝的采購費、安裝費以及加工費等一系列費用進行統(tǒng)計即可。

其中維修費CM中部分費用相差不大甚至基本一致，所以可以不加入比較中。

局部改造裝費用為：

COS=CM+CTP=108萬元+15萬元=123萬元。

(2)

整體換裝費用為：

COS=CM+CTP=136萬元+0萬元=136萬元。

(3)

對所有費用明細進行比較，在實際費用比較中，局部改造所使用的費用比整體換裝費用少13萬元。

3.2 維修所需時間以及影響對比

通過設計方案的時間規(guī)劃來看，局部改造需要3個階段總共15個月進行改裝；整體換裝需要長達24個月的周期進行。

一個很漫長的周期去把該船舶的空氣壓縮機進行整體換裝。在全壽命周期中，局部改造這樣的設計方案更具有靈活性，更加貼近維修保障的需要[4]。

兩方案均在驗證了兼容性的基礎上進行的，由于局部改造方案是在原空氣壓縮機的基礎上進行性能的提升，每次的改裝對于整個船舶的改動十分小；而整體換裝而言，整個空氣壓縮機的更換會涉及到其他系統(tǒng)或裝備設備的改動微調，這需要一定的測試時間以及對新裝備的試運行[5]。

根據方案給的預算，雖然局部改造整個維修周期長，但是整體時間并沒有整體換裝所需要的時間那么多。

改換裝的目的就是通過對船舶各個裝備系統(tǒng)進行拆檢修理以及改裝升級，對某個裝備系統(tǒng)的性能進行恢復或改裝提升，進而提高船舶整體的性能水平以及減少維護保障的時間[6]。任何關于船舶的維修保障活動都是為了保證更長時間的在航率服務的。

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

A=可出航時間/使用壽命。

(4)

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

使用壽命也可表達為：

A=(使用壽命-停航時間-維修時間)/使用壽命 ，

(5)

其中，令式(5)中B為維修時間/使用壽命。

對于局部改造為：

Bi=15/12/25=0.05，

(6)

對于整體換裝為：

Bj=24/12/25=0.08。

(7)

其中停航時間與維修時間越長，整艘船的在航率就越低。根據在航率的表達，可以看出整體換裝方案的實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整個全壽命使用周期而言，整體換裝的時間和局部改造的時間有所差異，所以對于該船的在航率的影響也相應不同。由于局部改造的每一個改裝步驟都是獨立進行的，并不需要集中一段時間全部完成。相對于整體換裝來說，具有很高的靈活性，對于保證在航率是非常有好處的。

3.3 空氣壓縮機改裝方案的可用度對比

根據分析重點，可以根據效能模型對其進行分析比較。效能模型(G)是指利用3個最重要的性能因素E(可用度)[7]、D(可信度)、F(能力)對待測系統(tǒng)進行評估。根據他們所占的比重以及相互間的關系，確定它們之間的耦合關系，再通過實際情況和保障維護人員的意見，根據效能模型G=E×D×F進行相應調整，最后求出待測系統(tǒng)完成所賦予使命任務的能力。

本次研究重點是空氣壓縮機改裝對于整艘船舶的影響，所以其他設備的因素影響均一樣，可以設為1。即可以不通過整個公式的計算，單獨比較其E。

其中船舶上各裝備在航行過程中的可用度為：

(8)

式中：MTBF為設備的平均故障間隔時間[8]；MTTR為設備的平均修復維修時間；MLDT為設備的平均保障延誤時間。

MLDT是對于船舶自身保障來說，按照標準取10% ，15 d。再算上依托廠家進行維修所產生的延誤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的可用度[9]。

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

4 結束語

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

綜合上述分析，最后選擇進行局部改造方案，在整個改換裝中，既要保證改裝后的空氣壓縮機能維持該船正常的運轉需求，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)約了經費，同時延長老舊船舶的使用年限。

[1] YARDLEY R J, SCHANK J F. A Methodology for Estimating the Effect of Aircraft Carrier Operational Cycles on the Maintenance Industrial Base [R]. Washinton DC: National Defense Research Institute, 2007.

[2] 張曉東,張洪濱,呂建偉.武器系統(tǒng)采購費與維修費權衡的依據分析[J].海軍工程大學學報,2005,17(3):107-111.

[3] 李積源，龔九功，呂建偉，等．國外艦船全壽命周期費用估算分析：設備壽命周期費用第三屆全國年會論文集[C].天津：中國設備管理協(xié)會，2004．

[4] 張文瑤.淺析美國海軍裝備發(fā)展和艦船維修改革[J].中國修船，2011(2):48-50.

[5] 吳奕亮，劉維甫，張俊邁．艦船壽命周期費用與最佳服役年限:設備壽命周期費用第三屆全國年會論文集[C].天津：中國設備管理協(xié)會，2004．

[6] 張晨．基于可靠性的設備經濟壽命與預防性維修周期的研究[D]．南京:南京理工大學，2006.

[7] 林武強,馬紹力,鄭凌宇.對艦船可用度指標的探討[J].船舶工程,2003,25(5):67-71.

[8] 顧磊, 錢正芳. 艦船裝備視情維修間隔模型研究[J]. 華中科技大學學報, 2003, 31(6)：103-104.

[9] 施建榮．海軍艦船裝備壽命周期費用估算[J]．艦船標準化工程師，2003(2): 27-30.

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，海南海口人，在讀碩士研究生，研究方向為裝備維修。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.05.012

2016-06-08