基于全壽命周期管理的變電站工程資產(chǎn)分析

孫洪波，李建杰

(國網(wǎng)山東省電力公司 濱州供電分公司，山東 濱州256610)

0 引言

我國電網(wǎng)資產(chǎn)存量大，增速快，設(shè)備年輕，但電網(wǎng)企業(yè)“分段式”的職能管理模式并未有根本性的改變，已造成設(shè)備使用效率低、設(shè)備壽命短、維護(hù)成本高。并制約著電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)營水平的進(jìn)一步提高［1～3］。

近年來，我國電網(wǎng)企業(yè)在提高電網(wǎng)技術(shù)、裝備水流程優(yōu)化和資產(chǎn)經(jīng)營收益等方面也開展了相關(guān)研究，并取得了一定的成果。但與國外先進(jìn)水平相比，仍有一定差距，主要集中在變電站主要設(shè)備的使用壽命和綜合管理水平上。例如，我國電網(wǎng)中的110 kV 變壓器、斷路器、輸電線路的平均運(yùn)行壽命分別只有18．1 年、13．7 年和29．0 年，與國外先進(jìn)設(shè)備平均40 年以上的使用壽命相比，具有相當(dāng)大的提升空間［4～7］。

全壽命周期管理是一種追求全壽命周期成本最低的管理方法及理念，該理念在滿足效能、效益和安全的前提下全面考慮了從變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)到采購建設(shè)直到運(yùn)行報(bào)廢的整個(gè)過程［8］。資產(chǎn)全壽命周期管理注重資產(chǎn)效能、周期成本及資產(chǎn)安全這三者的關(guān)系，在當(dāng)前形勢下，這是提高變電站設(shè)備技術(shù)裝備水平和資產(chǎn)經(jīng)營效益的最佳途徑。因此，我國電網(wǎng)應(yīng)著重開展針對變電站主要設(shè)備的資產(chǎn)全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的實(shí)物流、信息流、價(jià)值流的高度集約，提高變電站設(shè)備的管理水平。近年來，全壽命周期管理在我國的電力企業(yè)中逐步得到應(yīng)用，并在2009 年后在國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司進(jìn)行全網(wǎng)推廣應(yīng)用，其中部分電力企業(yè)已經(jīng)通過這種管理的應(yīng)用，提高了其設(shè)備綜合管理水平［9，10］。然而我國全壽命周期理論起步較晚，其理論研究和實(shí)際應(yīng)用仍不成熟，不同電力生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品全壽命周期的管理水平參差不齊，因此亟需建立適合、實(shí)用地針對電力企業(yè)本身的全生命周期的評價(jià)方法，以提高電力企業(yè)的設(shè)備綜合管理水平。

本文從全生命周期角度對變電站的主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化管理，通過提出延長電氣一次設(shè)備使用壽命的具體措施，實(shí)現(xiàn)了變電站資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)化的目標(biāo)，有效提高了變電站設(shè)備的綜合管理水平。

1 全壽命周期管理的目標(biāo)描述

1.1 全壽命周期管理的理念及分析模型

全壽命周期管理作為一種先進(jìn)的管理理念和方法，它通過對設(shè)備、項(xiàng)目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購置、安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新，直至報(bào)廢的全過程所消耗的一切資源和主要影響因素的考慮。

對于新建變電站選擇最低的初次投資是不科學(xué)的，這是由于在今后運(yùn)行、維護(hù)及設(shè)備故障等可能引起的附加費(fèi)用往往是初次購買成本的數(shù)倍。因此，正確的財(cái)務(wù)選擇應(yīng)該是綜合整個(gè)設(shè)備壽命周期的費(fèi)用，運(yùn)用失效機(jī)理及概率分析，用凈值來計(jì)算壽命周期成本，使之最小。因此，電力系統(tǒng)的全壽命周期成本管理是在可靠性的基礎(chǔ)上使設(shè)備或系統(tǒng)的全壽命周期成本最低的管理。在設(shè)備采購中，不僅需要考慮設(shè)備的購買價(jià)格，而更要考慮設(shè)備在整個(gè)全壽命周期內(nèi)的支持成本，包括安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新直至報(bào)廢的全過程，其核心內(nèi)容是對設(shè)備或系統(tǒng)的全壽命周期成本管理(Life Cycle Cost，LCC)進(jìn)行分析計(jì)算，以量化值進(jìn)行決策，其基本構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 全壽命周期成本分析構(gòu)成圖

圖中，LCC 為全壽命周期成本(Life Cycle Cost);CI 為投入成本，包括采購成本及建設(shè)成本(Investment Costs);CO 為運(yùn)行成本(Operation Costs);CM 為維護(hù)成本(Maintenance Costs);CF為故障成本，亦稱懲罰成本(Outage or Failure Costs);CD 為廢棄成本(Disposal Costs)。

在變電站LCC 實(shí)際管理過程中，一次投資成本的估算對LCC 管理尤為重要，其一次設(shè)備的總投資為各設(shè)備投資總和，即:

式中:CIi為變電站一次性投資的各組成部分。針對設(shè)備的維護(hù)成本，主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等主要設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，也包括壽命周期內(nèi)的部件更換費(fèi)用，其計(jì)算如公式(2)所示［4］:

式中:NHm為每年維修所需的工時(shí);Ch為工時(shí)成本;Cspare為備品備件的材料成本。

另外，變電站由于運(yùn)行過程中故障引起的供電損失，也會(huì)增加相應(yīng)的供電懲罰成本，其也是LCC管理中需要考慮的，估算模型如公式(3)所示［4］:

式中:α 為用戶平均中斷電量價(jià)值;W 為設(shè)備故障中斷供電功率;T 為設(shè)備故障中斷供電時(shí)間;λ為設(shè)備平均故障數(shù);RC 設(shè)備故障平均修復(fù)成本;MTTR 為設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間。

變電站報(bào)廢時(shí)，部分設(shè)備還具有殘值，可以沖銷有關(guān)的費(fèi)用，即殘值收入作為報(bào)廢成本的減項(xiàng)，故報(bào)廢成本的估算模型為［4］:

式中:CDi為變電站報(bào)廢成本的各組成部分;S 為設(shè)備殘值。

綜上可以看出，LCC 打破了部門界限，將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、基建、運(yùn)行等不同階段統(tǒng)籌考慮，以項(xiàng)目總體效益為出發(fā)點(diǎn)，尋求最佳方案。通過全壽命周期管理的應(yīng)用，可以有效地提高工程設(shè)計(jì)和管理的效率，使項(xiàng)目的決策方案、設(shè)計(jì)方案、施工方案、運(yùn)行方案更加合理，提高工程中的設(shè)備利用水平，并促進(jìn)資源節(jié)約，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目良好的社會(huì)效益。LCC 管理可用于許多領(lǐng)域，但其重點(diǎn)是設(shè)計(jì)和基建階段，這是由于在這兩個(gè)階段中90%以上的LCC 可以確定。在設(shè)備采購階段，應(yīng)全面考慮設(shè)備在整個(gè)全壽命周期內(nèi)的支持成本，而在設(shè)計(jì)階段需重點(diǎn)預(yù)測對LCC 影響最大的檢修費(fèi)用及與可靠性有關(guān)的故障損失［11］。

1.2 變電站專業(yè)管理的指標(biāo)體系及目標(biāo)值

變電站專業(yè)管理的指標(biāo)體系是指專業(yè)管理的過程控制指標(biāo)，針對變電站工程的全壽命周期設(shè)計(jì)建設(shè)，對電氣設(shè)備進(jìn)行資產(chǎn)全壽命周期設(shè)計(jì)綜合評價(jià)，分析其在滿足資產(chǎn)全壽命周期設(shè)計(jì)建設(shè)目標(biāo)的程度，對設(shè)計(jì)方案的不足之處進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，變電站專業(yè)管理的指標(biāo)體系如圖2 所示。

圖2 變電站專業(yè)管理指標(biāo)體系示意圖

2 變電站主要設(shè)備專業(yè)管理的主要措施

目前變電站內(nèi)主要一次電氣設(shè)備有變壓器、開關(guān)類設(shè)備(斷路器、隔離開關(guān)、GIS、開關(guān)柜等)、電容器、電抗器、導(dǎo)體導(dǎo)線等。提高變電站設(shè)計(jì)使用壽命，首先需要提高變電站內(nèi)主要一次電氣設(shè)備的使用壽命［12～14］。

2.1 主變壓器的壽命管理

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，單臺(tái)高電壓、大容量的變壓器越來越多地投入電網(wǎng)運(yùn)行，因而主變壓器的故障嚴(yán)重地威脅著整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。油浸電力變壓器的運(yùn)行壽命主要由其絕緣系統(tǒng)的壽命所決定，其絕緣油可以在變壓器使用壽命期間進(jìn)行再生或更換，其設(shè)計(jì)壽命通常為20～40 年。在維護(hù)良好的情況下，變壓器運(yùn)行壽命可以達(dá)到40 年。

2.2 開關(guān)類設(shè)備的壽命管理

高低壓開關(guān)電器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，是發(fā)電、輸電、變電、配電系統(tǒng)的重要控制和保護(hù)設(shè)備。因此可靠地分合電路既是電器產(chǎn)品本身最重要的性能指標(biāo)，也是保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

影響開關(guān)使用壽命的因素主要有絕緣水平、電壽命、機(jī)械壽命等。可以通過以下措施提高開關(guān)設(shè)備的生命周期:(1)提高開關(guān)電壽命;(2)提高設(shè)備機(jī)械壽命;(3)提高絕緣件壽命;(4)減小環(huán)境影響;(5)實(shí)施設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)檢修;(6)根據(jù)元件壽命特性在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行更換;結(jié)合目前國內(nèi)元件的壽命，將設(shè)備壽命提高至40 年，建議按照表1 所示周期更換元件。

表1 需定期更換的元件及周期

續(xù)表

2.3 提高電線電纜耐久性

變電站內(nèi)電纜敷設(shè)在電纜溝、電纜豎井內(nèi)，或埋管、或直埋地中。變電站現(xiàn)用的常規(guī)電纜的壽命與建構(gòu)筑、一次設(shè)備、電纜設(shè)施的壽命和功能無法匹配，成為變電站運(yùn)行的短板環(huán)節(jié)。因此，提高電線電纜的設(shè)計(jì)壽命，對提高變電站設(shè)備的整體運(yùn)行水平至關(guān)重要［15］。

2.4 變電站設(shè)備召回

產(chǎn)品召回機(jī)制在我國的食品、醫(yī)藥以及汽車領(lǐng)域已有運(yùn)用，電力設(shè)備質(zhì)量要求高、投資金額大，因此也可以借鑒產(chǎn)品召回機(jī)制提高變電站的設(shè)備管理水平。

設(shè)備發(fā)生故障后召回情況如圖3 所示。

圖3 故障后召回情況流程示意圖

由圖3 可以看出，當(dāng)設(shè)備由于自身缺陷故障時(shí)，生產(chǎn)廠召回設(shè)備進(jìn)行故障檢查、維修或更換部件，使設(shè)備得到再次利用。同時(shí)，建立設(shè)備身份證檔案，將設(shè)備有關(guān)信息全部體現(xiàn)于身份證中，方便查詢。將身份檔案結(jié)合ERP 管理系統(tǒng)，在設(shè)備產(chǎn)生故障時(shí)由換流站后臺(tái)自動(dòng)生成系統(tǒng)及設(shè)備等情況，并判斷故障原因供現(xiàn)場廠家等相關(guān)人員參考。由于設(shè)備身份證的采用，可以便捷、迅速地查找與缺陷故障設(shè)備同型號(hào)、同批次的設(shè)備，以便在第一時(shí)間召回設(shè)備，從而使得由于設(shè)備故障造成的停電損失達(dá)到最小。

3 變電站全壽命周期管理的綜合評價(jià)

變電站工程系統(tǒng)的資產(chǎn)全壽命周期設(shè)計(jì)方案綜合評價(jià)按照資產(chǎn)全壽命周期的8 個(gè)目標(biāo)，即可靠性與安全性、易維護(hù)性、易施工性、可擴(kuò)展性、節(jié)約環(huán)保性、可回收性、防災(zāi)與突發(fā)事件處理以及資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)化開展工作。針對不同方案電氣一次專業(yè)對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)措施如表2 所示。

表2 資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)措施

續(xù)表

從表2 中可以看出，變電站電氣一次專業(yè)對目標(biāo)結(jié)構(gòu)主要從電氣主接線、電氣設(shè)備的選擇、總平面布置、無功補(bǔ)償裝置、過電壓保護(hù)和接地、輔助設(shè)施等評價(jià)對象提出資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)化措施。通過變電站資產(chǎn)全壽命周期最優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備各階段資源的優(yōu)化配置和壽命周期內(nèi)成本的降低、效能和安全的提高。

4 結(jié)論

本文圍繞全壽命周期建設(shè)管理的設(shè)備安全可靠性、可維護(hù)性、可施工性、可擴(kuò)展性、節(jié)約環(huán)保性、可回收性、防災(zāi)與突發(fā)事件處理等方面，對變電站的全壽命周期設(shè)計(jì)建設(shè)管理進(jìn)行了全面地分析與優(yōu)化。通過提出延長電氣一次設(shè)備使用壽命的具體措施，達(dá)到主要一次設(shè)備使用壽命40年的目標(biāo)，并在編制變電站設(shè)備技術(shù)規(guī)范過程中，建立了產(chǎn)品的“召回”制度，進(jìn)一步提高了變電站的設(shè)備管理水平。

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