空壓機選型優(yōu)化和冗余度分析

王 燕 ＊鐘元吉 萬東偉 郭元俊 曲秀萍

（大連船舶重工集團設(shè)計研究院有限公司 大連116021）

引 言

大型集裝箱船壓縮空氣系統(tǒng)主要用于柴油機起動、設(shè)備控制以及日常零用等。主、副壓縮空氣系統(tǒng)相關(guān)空壓機的容量和數(shù)量配置需滿足按船級社的要求，即能滿足規(guī)范要求的柴油機起動次數(shù)以及癱船起動的時間。日用以及控制空氣系統(tǒng)則可按照不同船東的需求有選擇的配置，可單獨配置日用空壓機也可以直接利用主空壓機。

主、副空壓機可以形成多種不同的配置組合，不同船型有不同組合；相同船型由不同的船廠設(shè)計，也會有不同的選擇。合理的優(yōu)化和冗余設(shè)計在為船廠降低采購成本的同時，也能滿足船東使用要求。本文列舉了國內(nèi)外的大型集裝箱船壓縮空氣系統(tǒng)的配置，詳見表1。

表1 國內(nèi)外大型集裝箱船壓縮空氣系統(tǒng)的配置情況

1 主空壓機與主空氣瓶

主空壓機（為主推進服務(wù)的必須至少2臺［1］）的作用是為主空氣瓶充氣。按照船級社要求（此要求每個船級社的描述都一致），主空壓機需在1 h之內(nèi)完成對主空氣瓶的充氣，使主空氣瓶在中途不補氣的情況下，滿足主機（可轉(zhuǎn)向）的12次啟動。［2-3］所以在選擇主空壓機之前，先要核實主空氣瓶的容積。

1.1 主空氣瓶的數(shù)量與容積

船級社規(guī)范要求相同容積的主空氣瓶應(yīng)至少配置2個［2］，所以上述5型船都選擇2個主空氣瓶。

主空氣瓶的容積一般在主機認可資料的推薦容積基礎(chǔ)上，增加適當余量來選?。ㄓ嗔坎糠中铦M足設(shè)備控制空氣、船舶日常零用等）。除CMA CGA的16 000 TEU以外，其余4型船的主機都是MAN B&W S90機型。查閱主機資料后發(fā)現(xiàn)，這4型船主空氣瓶和主空壓機的推薦容積均相同，分別是2×16.5 m3和990 m3/h，所以主空氣瓶至少需33 m3的總?cè)莘e，各型船的主空氣瓶配置都留有一定的余量，除中遠19 150 TEU選擇類似“一用一備”的配置外，其余3型都只是適當?shù)貙蝹€主空氣瓶的容積放大了0.5～1.5 m3，當然放大后空氣瓶總?cè)莘e略大于主機制造商推薦的33 m3，導(dǎo)致主空壓機總排量也需稍大于推薦的990 m3/h。

由于中遠19 150 TEU與其他3型相同主機型號的大型集裝箱船主空氣瓶方案差異較大，本文將對2種主空氣瓶配置的價格、使用情況、需求及優(yōu)缺點等進行對比，見表2。

表2 2種主空氣瓶配置方案對比

中遠19 150 TEU屬于配置2，其余3型屬于配置1，從表2可以看出，兩種空氣瓶配置各有優(yōu)缺點：從初投資成本上來說優(yōu)選配置1；從安全性出發(fā)優(yōu)選配置2；而在實際操船過程中，配置2又會減少空壓機的啟動次數(shù)，有一定的節(jié)能作用。但最終采用哪種方案仍需根據(jù)船舶的布置空間、船廠的預(yù)算、船東的實際需求等來確定。

1.2 主空壓機總排量

確定主空氣瓶容積后，可根據(jù)規(guī)范中“主空壓機需在1 h之內(nèi)充滿主空氣瓶［4］”的要求，計算出主空壓機的排量。

表3羅列了4型主機型號相同的大型集裝箱船主空氣瓶充氣時間。從表中可以看出，中遠19 150 TEU的主空壓機余量最小。

表3 4型主機型號相同的大型集裝箱船主空氣瓶充氣時間

在滿足規(guī)范的前提下，應(yīng)采用余量較小的方案才能優(yōu)化設(shè)計，達到降低初投資成本、節(jié)約運行時消耗的能量、節(jié)省布置空間等的目的。

但主空壓機的配置方案還會受到設(shè)備選型因素的影響，由于幾家主要的制造商對空壓機有標準配置，型號與排量已基本固化，所以并不是所有的排量都能選擇到，主空壓機在滿足總排量要求的情況下，有很多種不同的組合方案，各種組合方案都有不同的優(yōu)缺點，現(xiàn)在重點分析主空壓機的選型問題。

1.3 主空壓機選型

經(jīng)過對目前市場上兩大主流的空壓機品牌的調(diào)查，以上4型大型集裝箱船的主空壓機總需求都太大，無法選擇到2臺合適的空壓機滿足要求。表4是兩家主流大排量空壓機制造商的選型清單。

表4 兩大主流品牌空壓機選型表 m3/h

從表4可見，兩大品牌的水冷空壓機最大分別為457 m3/h和440 m3/h；風(fēng)冷空壓機最大分別為365 m3/h和275 m3/h。由于主空壓機總排量最少需990 m3/h，即使配置品牌B最大的2臺457 m3/h水冷空壓機也達不到要求，所以20 000 TEU級大型集裝箱船的主空壓機必須是3臺或3臺以上空壓機的組合。組合的靈活性和多樣性造就了多種不同的搭配方案，搭配方案的選擇需考慮多方面因素，如規(guī)范要求、設(shè)備成本、維護成本、布置空間（包括設(shè)備及輔助系統(tǒng)布置）等。

1.3.1 規(guī)范要求

規(guī)范上有明確規(guī)定，除副空壓機（應(yīng)急空壓機），其余空壓機如果有多臺，應(yīng)選擇相同排量。

1.3.2 設(shè)備成本

從設(shè)備成本出發(fā)，選擇空壓機數(shù)量越少，理論上成本就越低，所以3臺的方案優(yōu)于4臺的方案，中遠19 150 TEU的方案最為經(jīng)濟；另外由于相同排量下，風(fēng)冷空壓機成本高于水冷空壓機，單從成本看，應(yīng)該盡量少用風(fēng)冷空壓機。

1.3.3 維護成本

從維護的角度看，應(yīng)該盡量選擇型號一致的空壓機，可減少空壓機所需備件數(shù)量，維護時的人力投入也相對少，所以CMA CGA的4臺同樣型號空壓機的方案優(yōu)于其他方案。另外減少空壓機的數(shù)量也能降低維護工作量，所以在空壓機型號一致的情況下，應(yīng)縮減空壓機臺數(shù)。對于20 000 TEU級的大型箱船來說，最少可縮減至3臺。

1.3.4 布置空間

從設(shè)備布置空間來看，也是空壓機數(shù)量越少越有利，所以3臺的方案優(yōu)于4臺的方案，中遠19 150 TEU的方案最合理。另外還需考慮空壓機相關(guān)輔助系統(tǒng)的布置，尤其是為風(fēng)冷空壓機服務(wù)的風(fēng)管（水冷空壓機的水管一般較小，無需擔(dān)心布置問題）。根據(jù)CMA CGA的18 000 TEU主空壓機的認可資料，每臺主空壓機的散熱量為96 kW，折合風(fēng)量約25 000 m3/h。實際在該船的主空壓機附近布置了30 000 m3/h左右風(fēng)量的風(fēng)口，其主風(fēng)管的尺寸達到了1 100 mm×800 mm。如此大的風(fēng)量不僅影響空壓機周圍的設(shè)備、管系閥附件、電纜等的布置，還會影響機艙風(fēng)機的選型（大型集裝箱船一般設(shè)置5～6臺機艙風(fēng)機。以CMA CGA 18 000 TEU為例，共有風(fēng)機5臺，平均每臺需增加6 000 m3/h左右的風(fēng)量）。

由表1可見，5型大型集裝箱船都配置了1臺主/副機兼用的空壓機。這是因為即使選擇市面上最大的2臺空壓機，也無法滿足總排量要求；而且大型集裝箱發(fā)電機較大，導(dǎo)致副空氣瓶較大，相應(yīng)的副空壓機排量也不會很小，利用這臺副空壓機的排量，能節(jié)省主空壓機的配置，優(yōu)化設(shè)計。

下文將介紹副空壓機和副空氣瓶的計算和選型，以便全局考慮空壓機的優(yōu)化選型方案。

2 副空壓機和副空氣瓶

副空壓機也叫應(yīng)急空壓機，顧名思義其電源為應(yīng)急電源，主要作用是在癱船啟動工況時，使柴油發(fā)電機組重新啟動。因柴油發(fā)電機組還可稱為副機，故副空壓機及副空氣瓶的名稱也由此得來。

癱船啟動的流程如下：

步驟1：在船舶失去正常電力的情況下，先啟動應(yīng)急發(fā)電機，船舶獲得應(yīng)急電力（1 min）；

步驟2：啟動副空壓機為副空氣瓶（也叫應(yīng)急空氣瓶）充氣，直到副空氣瓶達到柴油發(fā)電機組最低啟動壓力（對于中速柴油發(fā)電機組一般是1.8 MPa）；

步驟3：副空氣瓶啟動柴油發(fā)電機組，船舶重新獲得正常的電力（1 min）；

步驟4：啟動主空壓機為一個主空氣瓶充氣，直到該主空氣瓶達到主機最低啟動壓力（對于大型低速柴油機一般是1.2 MPa）；

步驟5：空氣瓶啟動主機，船舶恢復(fù)正常航行（1 min）。

癱船啟動的總時間需控制在30 min之內(nèi)［5］，除去步驟1、步驟3和步驟5是分別啟動應(yīng)急發(fā)電機/柴油發(fā)電機/主機的3 min，副空氣瓶與1個主空氣瓶的充氣時間需控制在27 min以內(nèi)，該要求會對副空壓機的選型產(chǎn)生一定影響。

2.1 副空氣瓶的數(shù)量與容積

在副空壓機選型前，需要先確定副空氣瓶的數(shù)量與容積。副空氣瓶的數(shù)量一般是選擇1臺，而對于副空氣瓶的容積，船級社并沒有強制要求，僅根據(jù)癱船啟動的要求得知其容積應(yīng)至少能滿足1臺發(fā)電機啟動1次，但為了更高的安全系數(shù)，設(shè)計手冊上一般推薦副空氣瓶容積按照1臺發(fā)電機啟動3次的量選取。表5是大型集裝箱船適用的4型發(fā)電機單次啟動的空氣需求參數(shù)表。

表5 發(fā)電機單次啟動空氣需求參數(shù)表

由表5可見，除雙燃料柴油機W?rtsil? 34DF外，其余3型發(fā)電機啟動的空氣耗量相差不多，根據(jù)缸數(shù)和機型的不同，單次啟動的空氣量約為2～3 N·m3，而最低啟動壓力均是1.8 MPa。根據(jù)公式：副空氣瓶容積 = 發(fā)電機單次啟動空氣量×3 /［（空氣瓶最大壓力 - 發(fā)電機最小啟動壓力）/大氣壓］［6］，可以求得副空氣瓶所需容積0.5～0.75 m3。

2.2 副空壓機的選型

副空氣瓶容量確定之后，就可以開始對副空壓機進行選型。在副空壓機選型時主要需注意應(yīng)急電站容量與癱船啟動時間兩個問題。

2.2.1 應(yīng)急電站容量問題

首先根據(jù)20 000 TEU級大型集裝箱船的特點，應(yīng)急發(fā)電機一般有兩種配置：

一種配置是設(shè)置1臺柴油機功率在375 kW以下的應(yīng)急發(fā)電機（375 kW的柴油機一般對應(yīng)的發(fā)電機電功率在340 kW左右），主要目的是為規(guī)避規(guī)范“安裝內(nèi)燃機的功率在375 kW以上的艙室應(yīng)定義為A類機械處所［2］”這一條。因為一旦應(yīng)急發(fā)電機室被定義為A類機械處所，則會增加一些配置（如需設(shè)置固定二氧化碳滅火系統(tǒng)，布置兩個逃生通道等安全方面的要求），成本也就相應(yīng)增加。在這種情況下，考慮到應(yīng)急電站的容量問題，副空壓機排量選擇不宜過大。

另一種配置是不考慮規(guī)范中所述柴油機功率375 kW這一點，此時副空壓機的排量影響就不那么大了，可以根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)的實際需求考慮副空壓機的排量。

表6是五型大型集裝箱船副空壓機及應(yīng)急發(fā)電機功率清單?？梢钥闯觯篊MA CGM 18 000 TEU和中海21 000 TEU的副空壓機功率相差51 kW，這對于功率僅300 kW多的應(yīng)急電站來說，差別是非常大的。

表6 5型集裝箱船副空壓機及應(yīng)急發(fā)電機功率清單

由于CMA CGM 18 000 TEU的舵系耗電量比20 000 TEU級別的耗電量少了40 kW左右，所以即使副空壓機功率略大一些，300 kW的應(yīng)急電站仍足夠使用；而對于20 000 TEU級別的大型集裝箱船，若想降低應(yīng)急發(fā)電機室的安全配置等級，則需選擇合適的副空壓機來保證應(yīng)急電站的容量少于規(guī)范要求的最低值。由表6可見，20 000 TEU級別的3型大型集裝箱船中，僅中遠20 000 TEU選擇緊扣規(guī)范要求的應(yīng)急發(fā)電機，另外2型船為保險起見，都選了大一檔的應(yīng)急發(fā)電機。

表7是中遠20 000 TEU的應(yīng)急電力負荷計算書，其中副空壓機的功率為51.5 kW，總應(yīng)急電力需求為330 kW，配置340 kW的應(yīng)急電站容量比較緊張。如能選擇電功率消耗更小的副空壓機，則應(yīng)急電站的容量將更為寬裕。

2.2.2 癱船啟動時間問題

根據(jù)上面提到的應(yīng)急發(fā)電機的功率問題，副空壓機似乎功率越小越有優(yōu)勢，但實際選型時還需考慮癱船啟動時間的問題，如副空壓機排量過小，單給副空氣瓶充氣的時間就可能超過27 min，不能滿足癱船啟動的時間要求。

從下頁表8可以看出，除中遠19 150 TEU之外，其余4型大型集裝箱船的癱船啟動時間余量都非常大，在11～16 min之間，完全可以選擇較小排量的副空壓機。結(jié)合主流品牌空壓機選型表8和大型集裝箱船副空氣瓶0.5～0.75 m3的容積來看，副空壓機的排量一般不建議小于60 m3/h這一檔。此時副空氣瓶充氣時間大約為9～13.5 min，副空壓機功率僅約12 kW，如果選擇該型副空壓機，表7中的應(yīng)急電力負荷將會降低到290.7 kW左右，相對規(guī)避A類機械處所要求的上限功率340 kW，余量較大。

表7 中遠20 000 TEU應(yīng)急電力負荷計算書 kW

而中遠19 150 TEU與眾不同，是由于其主空氣瓶容積幾乎是其他船型的2倍，所以主空氣瓶充氣時間非常長，達到23.76 min。這樣，副空氣瓶就只有3.24 min的充氣時間，實際充氣時間為2.7 min，余量僅0.54 min，副空壓機幾乎沒有減小的余地?？梢娭骺諌簷C的選型和副空壓機的選擇息息相關(guān)。

表8 4型大型集裝箱船副空氣瓶充氣時間

3 空壓機優(yōu)化配置方案

3.1 基本配置方案

大型集裝箱船的空壓機基本方案為1臺應(yīng)急空壓機加3臺主空壓機。

根據(jù)2.2.2的分析，應(yīng)急空壓機的排量以不小于60 m3/h為宜，冷卻形式為風(fēng)冷，癱船啟動程序中應(yīng)急空氣瓶的充氣時間約12.5 min。

根據(jù)表3和表4的分析計算，主空壓機可選擇品牌B的風(fēng)冷360 m3/h機型。癱船啟動程序中主空氣瓶的充氣時間為14 min，加上應(yīng)急空氣瓶的充氣時間12.5 min以及主輔機啟動所需時間3 min，癱船啟動時間共29.5 min，可以滿足要求。

根據(jù)表4分析，主空壓機也可以選擇品牌A的水冷390 m3/h機型，同樣可以滿足要求。

此方案的優(yōu)點：最大程度上節(jié)省了應(yīng)急電力，應(yīng)急發(fā)電機的功率基本可以控制在340 kW以內(nèi)；但其缺點也比較明顯：首先應(yīng)急空氣瓶的充氣時間太長，導(dǎo)致癱船啟動時間余量太少，實際操作可能會遇到問題；其次，應(yīng)急空壓機在實船中極少使用，增加了額外成本。

3.2 優(yōu)化配置方案

下頁表9總結(jié)了4型主機相同的大型集裝箱船空壓機配置的優(yōu)缺點對比及最小修正方案。根據(jù)該表的分析，可歸納總結(jié)為20 000 TEU級集裝箱船的主空壓機優(yōu)化方案主要有以下兩種方案：

方案1：選擇相同型號的空壓機3臺，其中2臺作為主空壓機，1臺作為兼用空壓機?？諌簷C的冷卻型式風(fēng)冷或水冷均可（分別對應(yīng)表9中CMA CGA 18 000 TEU和中遠19 150 TEU兩型船的修正方案），風(fēng)冷空壓機的初投資會略高，若船東沒有強制要求，一般推薦水冷（建議該水冷兼用空壓機配1臺應(yīng)急冷卻水泵帶小水箱）。此配置的優(yōu)點為維護成本最低。

方案2：選擇1臺風(fēng)冷空壓機（兼用空壓機）加2臺水冷空壓機（主空壓機）搭配的方案，風(fēng)冷空壓機（兼用空壓機）排量盡量小，水冷空壓機（主空壓機）盡量采用大排量（對應(yīng)中海21 000 TEU的修正方案）。此配置的優(yōu)點是可以節(jié)省應(yīng)急電力。

在實際項目和優(yōu)化方案中都省去了專用的應(yīng)急空壓機改成兼用空壓機，而主空壓機的配置是排量相同的2臺或3臺，這種“1+2”或“1+3”的配置方案可謂是大型集裝箱船獨有的特色。

4 結(jié) 語

依據(jù)不同需求，空壓機可以有多種選型方案，歸納如下：

（1）首先查閱主機認可資料，找到主空壓機的推薦排量，確定選擇2臺相同排量主空壓機是否能滿足要求。

（2）如能滿足要求，則建議采用副空壓機不兼用主空壓機的方案，副空壓機按照實際需求選擇，建議盡量采用小型機以減少應(yīng)急電站的容量。

（3）如無法滿足要求，則需采用副空壓機兼做主空壓機的方案，根據(jù)應(yīng)急電站容量是否有限制進行推薦：

① 如有限制，則建議選擇2臺大的主空壓機及1臺小的兼用空壓機；

② 如無限制，則建議選擇3臺同型號空壓機。

當然，這只是考慮了規(guī)范和使用要求后提出的最低優(yōu)化配置，最終是否要提升配置，還需綜合考慮船東的建議以及實際情況。在與船東談判過程中，也可依據(jù)本文所作分析提出合理建議。