空分設備研究策略探討

邱秋榮

(杭州制氧機集團股份有限公司,浙江杭州 310014)

前言

隨著信息化和工業化兩大歷史進程不斷發展、交叉、滲透與融合，工業社會正在加速向信息社會演進，兩化融合已經成為工業企業可持續發展的必由之路[1]。兩化融合的過程中，信息成為一種重要資源，該資源同物質能量等傳統資源有機地結合起來，為社會生產力的發展開辟了無限廣闊的前景。

兩化融合背景下，傳統制造業在信息技術的推動下，企業的核心價值邏輯發生了演變。見圖1。

圖1 制造業價值邏輯演變

質量為核心體現了產品定位和產品的標準化從而生產高質量低成本的產品；流程改善為核心體現了過程的合理化、規范化、自動化；以產品全生命周期為核心體現了過程的集成化、網絡化；以客戶價值為核心體現了產品的智能化、客制化。

1 空分設備技術現狀

1.1 空分設備技術生命周期

技術系統進化理論把技術系統的進化分為四個階段，嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期組成的生命周期?？辗衷O備這一技術系統則處于成熟期。判斷的依據有如下5點。

（1）產品性能水平提高緩慢。

（2）有大量的專利產生，主要是為了響應各種差異不大的需求。

（3）專利的發明等級低，并開始出現大量垃圾專利。

（4）產品進入門檻在降低，競爭在加劇。

（5）產品的經濟效益不再增加。

技術系統處于成熟期該采取的策略，常規采用向微觀級進化的策略和向超系統（技術系統所依附的更大系統）進化的策略。策略表現為提高局部認識及精度向微觀級進化和采用大系統整合向超系統進化。

1.2 空分設備的差異性

空分設備的差異化主要從產品結構和時空特征的角度來分析。

從產品結構上講，空分設備以前叫制氧機的時候相對比較簡單，主要產品就是氧氣；但當氮氣也成了主要產品時，空分的產品結構變復雜。空分同所依存的行業直接相關，行業不同、協同方式不同，產品結構就很不一樣，從而造成空分產品結構差異化鮮明。

從時空特征上講，不同時期、不同地方，能源價格、水資源條件差異巨大，就需要調整空分設備的決策。舉一個簡單例子：一套2萬m3/h等級空分，總功率消耗14 000 kW，設備費用為1.2億元，設備年運行時間8 000 h，使用壽命按10年考慮，能源費用價格0.62元/kWh，10年運行費用6.94億元，生命周期能源費用是設備費用的5.8倍。如果該空分設備搬到能源價格為0.3元/kWh的地方，空分設備需進行設計調整。

空分設備的差異化特點，使得產品客制化會帶來巨大的競爭優勢。

2 研究策略

空分設備研究策略應采用大系統整合加全生命周期分析的方法，實現產品客制化,構建新型能力。高速發展的信息化技術和兩化融合的方法論為產品客制化提供了保障,從而實現在不同的超系統輸入條件下，快速得出高精度的客制化輸出。

客制化的競爭優勢，不是簡單體現在產品的功能、性能和成本上，更多將體現顧客對其價值和受益的感知。供求雙方都獲得產品的評估權力，從而對交易關系的各方面都進行評估。

研究策略工程化后可轉化為運籌學中最優化技術的標準數學模型，見公式（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和約束，從眾多方案中選擇最佳方案。

典型的目標方程根據利益最大化的范圍不同可分為3種：

（1）max（企業利益）

（2）max（企業利益＋客戶利益）

（3）max（企業利益＋客戶利益＋環境利益）

目標方程的不同體現企業產品定位問題，傾向于管理創新。企業選用第三種目標對企業的長遠發展更有利，但相應整合考慮的范圍和難度更大。

典型的約束主要是技術邊界、客戶需求、能源價格、材料成本、默認規矩和標準規范等，約束的改變傾向于技術創新能力。

空分企業當前真正做到大系統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）技術人員重視知識，對方法論熟悉。

（2）技術人員在骨子里覺得技術和錢沒關系，不好建成本模型。

（3）技術人員把相關設計過程神秘化不愿分享。

（4）設計過程不規范、不穩定和不夠精細。

（5）缺乏進行多個過程融合并實現過程數字化的綜合型人才。

（6）對運行相關數據的缺乏。

（7）不同部門間的數據保密，無法高效交互。

基于上述現實情況，在最終策略能順利大面積實施前，需采用一個折中過渡的策略。過渡策略就是循序漸進，先從單設備的生命周期分析開始，再過渡到單系統的生命周期分析，最終實現大系統生命周期分析。

3 策略實施應用

3.1 空分預冷系統冷水機組的生命周期分析

冷水機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行持續消耗資源，一次性資源是采購成本，持續性消耗為電和循環冷卻水。

冷水機組功能不變代表產出不變，利益最大化目標方程就變為生命周期費用最小化方程。

冷水機組詢價確認3個型號的相關參數見表1。

表1 冷水機組相關參數

從表1可得，型號A冷水機組生命周期費用最低。A型比B型在生命周期中節省費用79萬元，A型相比B型的成本增加對應的投資回收期為0.38年。A型比C型在生命周期中節省費用189萬元，A型相比C型的成本增加對應的投資回收期為0.36年。

最終通過生命周期費用分析加投資回收期分析，選擇采用A型1級能效產品更合理。

3.2 空壓機級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，從而降低下一級壓縮能耗。資源分為一次性投入資源和運行持續消耗資源，一次性資源是采購成本，持續性消耗為被冷卻氣體的阻力及循環冷卻水。

冷卻器的功能與資源描述見表2。

冷卻器的生命周期資源消耗分析參數見表3。

從表3的數據可發現，設備成本在生命周期費用占比僅3.0%，比例較低。冷卻器設計定位是否存在調整的可能進而降低生命周期費用。

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

通過產品生命周期分析后對產品進行重新定位后，產品生命周期費用降低了52%，設備成本增加的投資回收期為0.2個月。并且產品的功能提高了，壓縮空氣被冷卻到40 ℃降低到38 ℃，關于功能變化的描述這里就不展開。

案例2體現產品設計螺旋上升的方法論，產品新定位→降低成本→產品新定位→降低成本→，產品新定位很難但非常重要，降低成本則是一種傳統設計模式。

3.3 循環冷卻水系統的生命周期分析

循環冷卻水系統中設備主要有涼水塔、循環水泵、冷卻器和管道。超系統輸入變化將影響整個系統的配置，變化主要來自水質條件、氣候條件及電的能源價格。循環冷卻水系統的示意，見圖2。

通過對循環冷卻水系統的生命周期分析，進行系統設計參數重新定位調整，相關的主要調整如下：

圖2 循環冷卻水系統示意

（1）總的循環冷卻水溫升重新定位，盡量提高溫升。

（2）循環冷卻水系統管網經濟性精細化分析。

（3）控制冷卻器設計阻力。

（4）每個冷卻器的循環冷卻水溫升放開，具體值由冷卻器換熱特征決定。

（5）設計流程過程化控制，實現快速精準反應。

通過上述重新定位后的循環冷卻水系統成本降低，并迅速降低系統水泵功耗。

水泵功耗由傳統設計模式下的占空分總能耗（電拖動的空分裝置）2.5%降低到1.1%，而且通過改善業務流程反應比傳統工作模式更快、精度更高。

4 結束語

空分設備研究采用大系統整合加全生命周期分析產品客制化的策略，企業的組織結構、業務流程、技術和產品都將發生較大改變，從而在實施過程中獲得巨大機遇的同時也遭遇巨大挑戰，但前景是美好的，值得業界去努力拼搏。