空压机选型优化和冗余度分析

2020-08-29钟元吉万东伟郭元俊曲秀萍

船舶 2020年4期

王燕＊钟元吉万东伟郭元俊曲秀萍

（大连船舶重工集团设计研究院有限公司大连116021）

引言

大型集装箱船压缩空气系统主要用于柴油机起动、设备控制以及日常零用等。主、副压缩空气系统相关空压机的容量和数量配置需满足按船级社的要求，即能满足规范要求的柴油机起动次数以及瘫船起动的时间。日用以及控制空气系统则可按照不同船东的需求有选择的配置，可单独配置日用空压机也可以直接利用主空压机。

主、副空压机可以形成多种不同的配置组合，不同船型有不同组合；相同船型由不同的船厂设计，也会有不同的选择。合理的优化和冗余设计在为船厂降低采购成本的同时，也能满足船东使用要求。本文列举了国内外的大型集装箱船压缩空气系统的配置，详见表1。

表1 国内外大型集装箱船压缩空气系统的配置情况

1 主空压机与主空气瓶

主空压机（为主推进服务的必须至少2台［1］）的作用是为主空气瓶充气。按照船级社要求（此要求每个船级社的描述都一致），主空压机需在1 h之内完成对主空气瓶的充气，使主空气瓶在中途不补气的情况下，满足主机（可转向）的12次启动。［2-3］所以在选择主空压机之前，先要核实主空气瓶的容积。

1.1 主空气瓶的数量与容积

船级社规范要求相同容积的主空气瓶应至少配置2个［2］，所以上述5型船都选择2个主空气瓶。

主空气瓶的容积一般在主机认可资料的推荐容积基础上，增加适当余量来选取（余量部分需满足设备控制空气、船舶日常零用等）。除CMA CGA的16 000 TEU以外，其余4型船的主机都是MAN B&W S90机型。查阅主机资料后发现，这4型船主空气瓶和主空压机的推荐容积均相同，分别是2×16.5 m3和990 m3/h，所以主空气瓶至少需33 m3的总容积，各型船的主空气瓶配置都留有一定的余量，除中远19 150 TEU选择类似“一用一备”的配置外，其余3型都只是适当地将单个主空气瓶的容积放大了0.5～1.5 m3，当然放大后空气瓶总容积略大于主机制造商推荐的33 m3，导致主空压机总排量也需稍大于推荐的990 m3/h。

由于中远19 150 TEU与其他3型相同主机型号的大型集装箱船主空气瓶方案差异较大，本文将对2种主空气瓶配置的价格、使用情况、需求及优缺点等进行对比，见表2。

表2 2种主空气瓶配置方案对比

中远19 150 TEU属于配置2，其余3型属于配置1，从表2可以看出，两种空气瓶配置各有优缺点：从初投资成本上来说优选配置1；从安全性出发优选配置2；而在实际操船过程中，配置2又会减少空压机的启动次数，有一定的节能作用。但最终采用哪种方案仍需根据船舶的布置空间、船厂的预算、船东的实际需求等来确定。

1.2 主空压机总排量

确定主空气瓶容积后，可根据规范中“主空压机需在1 h之内充满主空气瓶［4］”的要求，计算出主空压机的排量。

表3罗列了4型主机型号相同的大型集装箱船主空气瓶充气时间。从表中可以看出，中远19 150 TEU的主空压机余量最小。

表3 4型主机型号相同的大型集装箱船主空气瓶充气时间

在满足规范的前提下，应采用余量较小的方案才能优化设计，达到降低初投资成本、节约运行时消耗的能量、节省布置空间等的目的。

但主空压机的配置方案还会受到设备选型因素的影响，由于几家主要的制造商对空压机有标准配置，型号与排量已基本固化，所以并不是所有的排量都能选择到，主空压机在满足总排量要求的情况下，有很多种不同的组合方案，各种组合方案都有不同的优缺点，现在重点分析主空压机的选型问题。

1.3 主空压机选型

经过对目前市场上两大主流的空压机品牌的调查，以上4型大型集装箱船的主空压机总需求都太大，无法选择到2台合适的空压机满足要求。表4是两家主流大排量空压机制造商的选型清单。

表4 两大主流品牌空压机选型表 m3/h

从表4可见，两大品牌的水冷空压机最大分别为457 m3/h和440 m3/h；风冷空压机最大分别为365 m3/h和275 m3/h。由于主空压机总排量最少需990 m3/h，即使配置品牌B最大的2台457 m3/h水冷空压机也达不到要求，所以20 000 TEU级大型集装箱船的主空压机必须是3台或3台以上空压机的组合。组合的灵活性和多样性造就了多种不同的搭配方案，搭配方案的选择需考虑多方面因素，如规范要求、设备成本、维护成本、布置空间（包括设备及辅助系统布置）等。

1.3.1 规范要求

规范上有明确规定，除副空压机（应急空压机），其余空压机如果有多台，应选择相同排量。

1.3.2 设备成本

从设备成本出发，选择空压机数量越少，理论上成本就越低，所以3台的方案优于4台的方案，中远19 150 TEU的方案最为经济；另外由于相同排量下，风冷空压机成本高于水冷空压机，单从成本看，应该尽量少用风冷空压机。

1.3.3 维护成本

从维护的角度看，应该尽量选择型号一致的空压机，可减少空压机所需备件数量，维护时的人力投入也相对少，所以CMA CGA的4台同样型号空压机的方案优于其他方案。另外减少空压机的数量也能降低维护工作量，所以在空压机型号一致的情况下，应缩减空压机台数。对于20 000 TEU级的大型箱船来说，最少可缩减至3台。

1.3.4 布置空间

从设备布置空间来看，也是空压机数量越少越有利，所以3台的方案优于4台的方案，中远19 150 TEU的方案最合理。另外还需考虑空压机相关辅助系统的布置，尤其是为风冷空压机服务的风管（水冷空压机的水管一般较小，无需担心布置问题）。根据CMA CGA的18 000 TEU主空压机的认可资料，每台主空压机的散热量为96 kW，折合风量约25 000 m3/h。实际在该船的主空压机附近布置了30 000 m3/h左右风量的风口，其主风管的尺寸达到了1 100 mm×800 mm。如此大的风量不仅影响空压机周围的设备、管系阀附件、电缆等的布置，还会影响机舱风机的选型（大型集装箱船一般设置5～6台机舱风机。以CMA CGA 18 000 TEU为例，共有风机5台，平均每台需增加6 000 m3/h左右的风量）。

由表1可见，5型大型集装箱船都配置了1台主/副机兼用的空压机。这是因为即使选择市面上最大的2台空压机，也无法满足总排量要求；而且大型集装箱发电机较大，导致副空气瓶较大，相应的副空压机排量也不会很小，利用这台副空压机的排量，能节省主空压机的配置，优化设计。

下文将介绍副空压机和副空气瓶的计算和选型，以便全局考虑空压机的优化选型方案。

2 副空压机和副空气瓶

副空压机也叫应急空压机，顾名思义其电源为应急电源，主要作用是在瘫船启动工况时，使柴油发电机组重新启动。因柴油发电机组还可称为副机，故副空压机及副空气瓶的名称也由此得来。

瘫船启动的流程如下：

步骤1：在船舶失去正常电力的情况下，先启动应急发电机，船舶获得应急电力（1 min）；

步骤2：启动副空压机为副空气瓶（也叫应急空气瓶）充气，直到副空气瓶达到柴油发电机组最低启动压力（对于中速柴油发电机组一般是1.8 MPa）；

步骤3：副空气瓶启动柴油发电机组，船舶重新获得正常的电力（1 min）；

步骤4：启动主空压机为一个主空气瓶充气，直到该主空气瓶达到主机最低启动压力（对于大型低速柴油机一般是1.2 MPa）；

步骤5：空气瓶启动主机，船舶恢复正常航行（1 min）。

瘫船启动的总时间需控制在30 min之内［5］，除去步骤1、步骤3和步骤5是分别启动应急发电机/柴油发电机/主机的3 min，副空气瓶与1个主空气瓶的充气时间需控制在27 min以内，该要求会对副空压机的选型产生一定影响。

2.1 副空气瓶的数量与容积

在副空压机选型前，需要先确定副空气瓶的数量与容积。副空气瓶的数量一般是选择1台，而对于副空气瓶的容积，船级社并没有强制要求，仅根据瘫船启动的要求得知其容积应至少能满足1台发电机启动1次，但为了更高的安全系数，设计手册上一般推荐副空气瓶容积按照1台发电机启动3次的量选取。表5是大型集装箱船适用的4型发电机单次启动的空气需求参数表。

表5 发电机单次启动空气需求参数表

由表5可见，除双燃料柴油机Wärtsilä 34DF外，其余3型发电机启动的空气耗量相差不多，根据缸数和机型的不同，单次启动的空气量约为2～3 N·m3，而最低启动压力均是1.8 MPa。根据公式：副空气瓶容积 = 发电机单次启动空气量×3 /［（空气瓶最大压力 - 发电机最小启动压力）/大气压］［6］，可以求得副空气瓶所需容积0.5～0.75 m3。

2.2 副空压机的选型

副空气瓶容量确定之后，就可以开始对副空压机进行选型。在副空压机选型时主要需注意应急电站容量与瘫船启动时间两个问题。

2.2.1 应急电站容量问题

首先根据20 000 TEU级大型集装箱船的特点，应急发电机一般有两种配置：

一种配置是设置1台柴油机功率在375 kW以下的应急发电机（375 kW的柴油机一般对应的发电机电功率在340 kW左右），主要目的是为规避规范“安装内燃机的功率在375 kW以上的舱室应定义为A类机械处所［2］”这一条。因为一旦应急发电机室被定义为A类机械处所，则会增加一些配置（如需设置固定二氧化碳灭火系统，布置两个逃生通道等安全方面的要求），成本也就相应增加。在这种情况下，考虑到应急电站的容量问题，副空压机排量选择不宜过大。

另一种配置是不考虑规范中所述柴油机功率375 kW这一点，此时副空压机的排量影响就不那么大了，可以根据压缩空气系统的实际需求考虑副空压机的排量。

表6是五型大型集装箱船副空压机及应急发电机功率清单。可以看出：CMA CGM 18 000 TEU和中海21 000 TEU的副空压机功率相差51 kW，这对于功率仅300 kW多的应急电站来说，差别是非常大的。

表6 5型集装箱船副空压机及应急发电机功率清单

由于CMA CGM 18 000 TEU的舵系耗电量比20 000 TEU级别的耗电量少了40 kW左右，所以即使副空压机功率略大一些，300 kW的应急电站仍足够使用；而对于20 000 TEU级别的大型集装箱船，若想降低应急发电机室的安全配置等级，则需选择合适的副空压机来保证应急电站的容量少于规范要求的最低值。由表6可见，20 000 TEU级别的3型大型集装箱船中，仅中远20 000 TEU选择紧扣规范要求的应急发电机，另外2型船为保险起见，都选了大一档的应急发电机。

表7是中远20 000 TEU的应急电力负荷计算书，其中副空压机的功率为51.5 kW，总应急电力需求为330 kW，配置340 kW的应急电站容量比较紧张。如能选择电功率消耗更小的副空压机，则应急电站的容量将更为宽裕。

2.2.2 瘫船启动时间问题

根据上面提到的应急发电机的功率问题，副空压机似乎功率越小越有优势，但实际选型时还需考虑瘫船启动时间的问题，如副空压机排量过小，单给副空气瓶充气的时间就可能超过27 min，不能满足瘫船启动的时间要求。

从下页表8可以看出，除中远19 150 TEU之外，其余4型大型集装箱船的瘫船启动时间余量都非常大，在11～16 min之间，完全可以选择较小排量的副空压机。结合主流品牌空压机选型表8和大型集装箱船副空气瓶0.5～0.75 m3的容积来看，副空压机的排量一般不建议小于60 m3/h这一档。此时副空气瓶充气时间大约为9～13.5 min，副空压机功率仅约12 kW，如果选择该型副空压机，表7中的应急电力负荷将会降低到290.7 kW左右，相对规避A类机械处所要求的上限功率340 kW，余量较大。

表7 中远20 000 TEU应急电力负荷计算书 kW

而中远19 150 TEU与众不同，是由于其主空气瓶容积几乎是其他船型的2倍，所以主空气瓶充气时间非常长，达到23.76 min。这样，副空气瓶就只有3.24 min的充气时间，实际充气时间为2.7 min，余量仅0.54 min，副空压机几乎没有减小的余地。可见主空压机的选型和副空压机的选择息息相关。

表8 4型大型集装箱船副空气瓶充气时间

3 空压机优化配置方案

3.1 基本配置方案

大型集装箱船的空压机基本方案为1台应急空压机加3台主空压机。

根据2.2.2的分析，应急空压机的排量以不小于60 m3/h为宜，冷却形式为风冷，瘫船启动程序中应急空气瓶的充气时间约12.5 min。

根据表3和表4的分析计算，主空压机可选择品牌B的风冷360 m3/h机型。瘫船启动程序中主空气瓶的充气时间为14 min，加上应急空气瓶的充气时间12.5 min以及主辅机启动所需时间3 min，瘫船启动时间共29.5 min，可以满足要求。

根据表4分析，主空压机也可以选择品牌A的水冷390 m3/h机型，同样可以满足要求。

此方案的优点：最大程度上节省了应急电力，应急发电机的功率基本可以控制在340 kW以内；但其缺点也比较明显：首先应急空气瓶的充气时间太长，导致瘫船启动时间余量太少，实际操作可能会遇到问题；其次，应急空压机在实船中极少使用，增加了额外成本。

3.2 优化配置方案

下页表9总结了4型主机相同的大型集装箱船空压机配置的优缺点对比及最小修正方案。根据该表的分析，可归纳总结为20 000 TEU级集装箱船的主空压机优化方案主要有以下两种方案：

方案1：选择相同型号的空压机3台，其中2台作为主空压机，1台作为兼用空压机。空压机的冷却型式风冷或水冷均可（分别对应表9中CMA CGA 18 000 TEU和中远19 150 TEU两型船的修正方案），风冷空压机的初投资会略高，若船东没有强制要求，一般推荐水冷（建议该水冷兼用空压机配1台应急冷却水泵带小水箱）。此配置的优点为维护成本最低。

方案2：选择1台风冷空压机（兼用空压机）加2台水冷空压机（主空压机）搭配的方案，风冷空压机（兼用空压机）排量尽量小，水冷空压机（主空压机）尽量采用大排量（对应中海21 000 TEU的修正方案）。此配置的优点是可以节省应急电力。

在实际项目和优化方案中都省去了专用的应急空压机改成兼用空压机，而主空压机的配置是排量相同的2台或3台，这种“1+2”或“1+3”的配置方案可谓是大型集装箱船独有的特色。