某型空气压缩机冷却系统改造及其经济性分析

方 祯,刁爱民

(海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033)

某型空气压缩机冷却系统改造及其经济性分析

方 祯,刁爱民

(海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033)

文章分析了某型空气压缩机目前所面临的问题,基于存在的问题以及某船所需要的空气压缩机的工作条件，有针对性地提出了空气压缩机的不同改装方案。综合分析了不同改装方案下的经费、时间以及可用度等要素，通过对比得出了更加经济的改装方案，为设备的精确化、经济化保障提供了一种新方法。

船舶；经济性分析；空气压缩机；改换装

某船由于当时设计研发时期的条件限制，导致目前某些装备无法达到现有的技术要求。随着服役时间的增长，很多旧型装备面临无备件可换以致无法修理，部分装备设施也处于淘汰水平，必须通过改换装将其基本性能恢复到正常指标，从根本上确保在航率，提高维修保障的质量。通过船舶的改换装从而提高装备性能是一项很有利于船舶继续服役的措施。

空气压缩机对于整个船舶的运行十分重要，对于空气压缩机的改装不仅是单一设备的更换替代问题，而需要对整个船舶的性能和兼容性进行测试验证，使改换装后的空气压缩机和国内的维修保障接轨，提高维修保障质量，节约维修经费。本文从全系统、全寿命保障角度出发开展改换装工作。

1 原空气压缩机存在的问题

该船在使用过程中，其空气压缩机经常由于I级空气冷却器空气排出温度过高导致空气压缩机停机，不但影响高压空气系统的正常工作，而且影响船上设施设备的正常使用，进而影响船舶的整体在航率，使维修效果降低。

经过实地调研、分析，发现该空气压缩机组在工作中主要存在以下问题：①压缩机运行环境温度不同；②压缩机在该船舶上的工作环境恶劣；③系统冷却水流量小；④冷却水循环系统设计缺陷。

从以上分析可见，Ⅰ级空气冷却器出口处空气的温度，主要受两方面影响，环境条件和冷却系统。从环境条件来讲，空气压缩机布置在2台柴油机之间无法改变；冷却系统，我国海区的实际海水温度条件也是一定的，因此，需对冷却水系统进行改造，以满足该空气压缩机的工作要求。

2 改进方案

综合前面提出的问题，目前可以实施的改进方案主要有以下2种：一种是进行局部改造；另一种是进行整体空气压缩机的更换。

2.1 对空气压缩机进行局部改造

2.1.1 优化设计海水冷却系统

第一步可以增大海水—淡水换热器换热面积。海水—淡水热交换器重新设计后，根据海水冷却系统流量、压力参数重新核算结果，对海水系统进行优化改装。

海水冷却器换热量加大之后，对海水泵和相应的管系进行优化设计，重新改装海水管路直径、选配海水系统阀件，以减小流动阻力，保证海水冷却系统能将淡水冷却系统的热量完全携带至舷外，降低淡水温度，加强对压缩空气的冷却。

2.1.2 加大冷却水泵的流量

现有的空气压缩机冷却水泵流量为80 L/min，流量偏低，与其相当的国产高压空气压缩机冷却水流量为100 L/min，更换冷却水泵，提高水泵流量≥100 L/min，冷却水流量增大，使冷却水的流速增大，冷却水流速可以提高25%，从而强化了热交换器管路内的对流换热，利于改善冷却效果。

2.1.3 空气压缩机系统进一步优化

1)通过将压缩机吸气管路延伸至全船通风系统的办法，使压缩机直接从通风系统吸气，以降低吸气温度。

2)海水—淡水热交换器进口处安装滤器，防止泥沙堵塞热交换器管路。

除以上措施之外，对冷却水流程进行适当改变，加大冷却水泵流量后可将淡水冷却水的流程改变，将彻底解决该压缩机原来因Ⅰ级空气冷却器出口处空气温度过高而报警停机的问题，而且，可以降低每一级压缩机的排气温度，这对于减少压缩机积碳、降低压缩机功耗、保证压缩机排量都将产生良好的影响。

2.2 整体更换空气压缩机

除了局部改造之外，还可以整体更换空气压缩机，以达到预期的目的。目前国内船用高压空气压缩机的冷却水系统采用开式冷却，冷却水先进入Ⅰ级和Ⅱ级冷却器，再进入汽缸套，加强了对压缩空气的中间冷却，降低了每一级压缩机的进气温度，对降低压缩机的最高压缩温度、防止积碳和减小功耗起到了良好的作用；其他船舶采用德国引进的高压空气压缩机，其冷却系统冷却水流程为Ⅰ级和Ⅱ级冷却顺序，加强了对压缩空气的中间冷却。

使用国产空气压缩机的主要原因是由于其方便维护维修的特性，相比该船舶上的原空气压缩机而言，在诸多不稳定因素下，使用国产空气压缩机对整个寿命周期，更加有利。

3 经济性对比分析

针对以上2种改进方案，对其在全寿命周期内的作用进行经济性分析[1]。主要从以下3点进行对比：项目费用；维修所需时间以及影响；空气压缩机改换装方案的可用度。

3.1 项目费用对比

船舶的全寿命周期费用[2]主要由其研制费、建造费、维修费、使用运行费以及退役费所组成。针对本次空气压缩机改换装方案来说，并不需要考虑全寿命周期内所有费用细节，仅需要针对2种改装方案在改装过程中的费用，以及改装过程中船舶所发生一切与该方案有联系的费用，对于船舶的研制经费、建造经费，以及退役经费这些联系极小的费用可以不算入计算当中。

一般装备的改换装费用为：

COS=CM+CTP，

(1)

式中：COS为使用与保障费；CM为维修费；CTP为技术改进费。

2种改装方案均局限于空气压缩机的改换装，在后期改换装完成之后的维护保障方面，对于维护保障的人员数量方面基本没有区别，也不会在维护费用上有很大的差异，所以在2个改装项目的费用中可以把维护保障人员数量以及维护费用作为费用比较的影响因素[3]除去。

2种改换装方案中，局部改造的方案时间跨度长，涉及到未完成改装前的空气压缩机的专门费用。其中整个空气压缩机的技术特性和基本性能都与原空气压缩机的有所不同，针对这个情况需要在航行中对整个空气压缩机系统的运行费用和靠岸时的维护费用进行统计。

对于整体换装空气压缩机，费用的统计就相对简单化，只需要对整体换装的采购费、安装费以及加工费等一系列费用进行统计即可。

其中维修费CM中部分费用相差不大甚至基本一致，所以可以不加入比较中。

局部改造装费用为：

COS=CM+CTP=108万元+15万元=123万元。

(2)

整体换装费用为：

COS=CM+CTP=136万元+0万元=136万元。

(3)

对所有费用明细进行比较，在实际费用比较中，局部改造所使用的费用比整体换装费用少13万元。

3.2 维修所需时间以及影响对比

通过设计方案的时间规划来看，局部改造需要3个阶段总共15个月进行改装；整体换装需要长达24个月的周期进行。

一个很漫长的周期去把该船舶的空气压缩机进行整体换装。在全寿命周期中，局部改造这样的设计方案更具有灵活性，更加贴近维修保障的需要[4]。

两方案均在验证了兼容性的基础上进行的，由于局部改造方案是在原空气压缩机的基础上进行性能的提升，每次的改装对于整个船舶的改动十分小；而整体换装而言，整个空气压缩机的更换会涉及到其他系统或装备设备的改动微调，这需要一定的测试时间以及对新装备的试运行[5]。

根据方案给的预算，虽然局部改造整个维修周期长，但是整体时间并没有整体换装所需要的时间那么多。

改换装的目的就是通过对船舶各个装备系统进行拆检修理以及改装升级，对某个装备系统的性能进行恢复或改装提升，进而提高船舶整体的性能水平以及减少维护保障的时间[6]。任何关于船舶的维修保障活动都是为了保证更长时间的在航率服务的。

在规定条件下，在航率A为船舶可出航时间与整个寿命期的比。并给出如下计算方法：

A=可出航时间/使用寿命。

(4)

每类船舶的任务不同，分工不同，对于可出航时间的定义也不同。对于大部分船舶来说，结合船舶的实际使用情况和特点，可以将船舶全寿命使用周期的技术状态分为下列3种：在航状态、停航状态和修理状态。

使用寿命也可表达为：

A=(使用寿命-停航时间-维修时间)/使用寿命 ，

(5)

其中，令式(5)中B为维修时间/使用寿命。

对于局部改造为：

Bi=15/12/25=0.05，

(6)

对于整体换装为：

Bj=24/12/25=0.08。

(7)

其中停航时间与维修时间越长，整艘船的在航率就越低。根据在航率的表达，可以看出整体换装方案的实施比局部改造方案降低更多的在航率，所以局部改造要优于整体换装。

在航率的比较是针对整个全寿命使用周期而言，整体换装的时间和局部改造的时间有所差异，所以对于该船的在航率的影响也相应不同。由于局部改造的每一个改装步骤都是独立进行的，并不需要集中一段时间全部完成。相对于整体换装来说，具有很高的灵活性，对于保证在航率是非常有好处的。

3.3 空气压缩机改装方案的可用度对比

根据分析重点，可以根据效能模型对其进行分析比较。效能模型(G)是指利用3个最重要的性能因素E(可用度)[7]、D(可信度)、F(能力)对待测系统进行评估。根据他们所占的比重以及相互间的关系，确定它们之间的耦合关系，再通过实际情况和保障维护人员的意见，根据效能模型G=E×D×F进行相应调整，最后求出待测系统完成所赋予使命任务的能力。

本次研究重点是空气压缩机改装对于整艘船舶的影响，所以其他设备的因素影响均一样，可以设为1。即可以不通过整个公式的计算，单独比较其E。

其中船舶上各装备在航行过程中的可用度为：

(8)

式中：MTBF为设备的平均故障间隔时间[8]；MTTR为设备的平均修复维修时间；MLDT为设备的平均保障延误时间。

MLDT是对于船舶自身保障来说，按照标准取10% ，15 d。再算上依托厂家进行维修所产生的延误48 h。

局部改造方案的可用度Ei：

(9)

整体改换装方案的可用度Ej：

(10)

由式(9)、式(10)可知，局部改造要优于整体换装的新空气压缩机的可用度[9]。

综合以上对比方面发现，无论是在总费用、所需时间以及可用度方面，局部改造都要优于整体换装。

4 结束语

文中分析了2种改造方案：一种是进行局部改造，这样可以减少维修周期的长度，还能很大程度延缓经费的使用，使经费使用有更长期的规划，在方案的实施上更具有灵活性；另一种方案是进行整体空气压缩机的更换，这样可以一步到位解决目前所面临的问题，但是船舶会进入一个相对较长的维修周期中，不能投入日常使用。

综合上述分析，最后选择进行局部改造方案，在整个改换装中，既要保证改装后的空气压缩机能维持该船正常的运转需求，还要有一定的提升空间。此次改换装为以后船舶改造作业起到了开拓作用，节约了经费，同时延长老旧船舶的使用年限。

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[3] 李积源，龚九功，吕建伟，等．国外舰船全寿命周期费用估算分析：设备寿命周期费用第三届全国年会论文集[C].天津：中国设备管理协会，2004．

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[5] 吴奕亮，刘维甫，张俊迈．舰船寿命周期费用与最佳服役年限:设备寿命周期费用第三届全国年会论文集[C].天津：中国设备管理协会，2004．

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[9] 施建荣．海军舰船装备寿命周期费用估算[J]．舰船标准化工程师，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

方祯(1989-)，男，海南海口人，在读硕士研究生，研究方向为装备维修。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.05.012

2016-06-08