全壽命周期成本的鐵路牽引供電設(shè)備招標(biāo)評(píng)標(biāo)方法研究

劉杰倫，肖志強(qiáng)

（1雄安高速鐵路有限公司 副總經(jīng)理、正高級(jí)工程師，河北 石家莊 050051；2中國(guó)鐵路總公司鑒定中心 正高級(jí)工程師，北京100844）

1 問題的提出

按 《中華人民共和國(guó)招標(biāo)投標(biāo)法》（以下簡(jiǎn)稱“《招標(biāo)投標(biāo)法》”）規(guī)定，鐵路絕大多數(shù)設(shè)備包括牽引供電設(shè)備均應(yīng)公開招標(biāo)采購(gòu)?！墩袠?biāo)投標(biāo)法》第四十一條規(guī)定：“中標(biāo)人的投標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合下列條件之一：(一)能夠最大限度地滿足招標(biāo)文件中規(guī)定的各項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；(二)能夠滿足招標(biāo)文件的實(shí)質(zhì)性要求，并且經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格最低；但是投標(biāo)價(jià)格低于成本的除外?！惫P者認(rèn)為條件(二)規(guī)定的“經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格最低”涵義豐富，不能簡(jiǎn)單地理解為投標(biāo)人單純的投標(biāo)報(bào)價(jià)。

部分節(jié)能型新設(shè)備，前期開發(fā)投入大、制造成本高，投標(biāo)報(bào)價(jià)不占優(yōu)勢(shì)，但可降低運(yùn)行費(fèi)用。生產(chǎn)工藝成熟的設(shè)備制造成本低，但能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高。如評(píng)價(jià)上述兩類設(shè)備優(yōu)劣，單從投標(biāo)報(bào)價(jià)或運(yùn)行成本分析都是片面的，本文試圖把兩者擺在同一平臺(tái)，對(duì)全壽命周期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，從中選擇出信價(jià)比高、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。

本文在不違背“經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格最低”的前提下，提出牽引供電類節(jié)能效果或運(yùn)行費(fèi)用可以量化的設(shè)備，應(yīng)按全壽命期的經(jīng)濟(jì)效益最大化的“投標(biāo)價(jià)格”進(jìn)行評(píng)判，并在全壽命期考慮資金使用成本核算等因素折算出“經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格”，從而選擇“經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格最低”的中標(biāo)人，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期成本最低，對(duì)提高投資效益、推進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步有重要意義。

2 牽引供電設(shè)備全壽命周期成本評(píng)標(biāo)方法研究

牽引供電系統(tǒng)設(shè)備主要包括變壓器類設(shè)備（牽引變壓器、電力變壓器和自耦變壓器）、開關(guān)類設(shè)備（隔離開關(guān)、斷路器）、互感器類設(shè)備（壓互、流互）以及接觸網(wǎng)導(dǎo)線（接觸線、承力索、回流線、正饋線）等。上述設(shè)備中，變壓器類設(shè)備和接觸網(wǎng)導(dǎo)線是牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，因此本文重點(diǎn)討論這二類設(shè)備關(guān)于“經(jīng)評(píng)審的投標(biāo)價(jià)格最低”的評(píng)標(biāo)方法。

2.1 變壓器類設(shè)備

如上文所述，變壓器采購(gòu)時(shí)，一般都是注重變壓器本身的采購(gòu)價(jià)，而對(duì)變壓器的全壽命運(yùn)行成本關(guān)心不夠，存在著以下不足。變壓器用戶不知道變壓器的全壽命價(jià)格，即不知道變壓器在使用壽命內(nèi)到底需要多少運(yùn)營(yíng)成本，不知道損耗低而價(jià)格高和損耗高而價(jià)格低的變壓器哪一個(gè)更合適。

2.1.1 總擁有費(fèi)用法

為了使變壓器用戶了解購(gòu)買的變壓器是否合適，并避免上述不足，用變壓器的全壽命價(jià)格（即“總擁有費(fèi)用法”）來(lái)評(píng)價(jià)更趨向?qū)嶋H。

“總擁有費(fèi)用法”（Total Owning Cost，TOC），是指變壓器初始投資及在其運(yùn)行使用期間空載損耗及負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用的總和。該方法綜合考慮了變壓器價(jià)格、損耗、負(fù)載特點(diǎn)、電價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)性的影響，對(duì)技術(shù)上可行的備選方案進(jìn)行分析比較，篩選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的方案，即經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)綜合能效費(fèi)用最小的變壓器。

變壓器的總擁有費(fèi)用（TOCEFC）包括變壓器的初始費(fèi)用（CI）、空載損耗的等效初始費(fèi)用（P0EFC）和負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用（PKEFC），其計(jì)算表達(dá)式為：

式中：

CI：變壓器初始費(fèi)用，包括設(shè)備價(jià)格、運(yùn)輸、安全及質(zhì)量保證期內(nèi)的售后服務(wù)等費(fèi)用，單位：元；

P0EFC：變壓器空載損耗的等效初始費(fèi)用，單位：元；

PKEFC：變壓器負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，單位：元；

A：?jiǎn)挝豢蛰d損耗的等效初始費(fèi)用，單位：元/W；

B：?jiǎn)挝回?fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，單位：元/W。

變壓器單位空載損耗的等效初始費(fèi)用A系數(shù)是指在整個(gè)變壓器經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)，每瓦空載損耗所引起的費(fèi)用總支出的貼現(xiàn)值。

變壓器單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用B系數(shù)是指在整個(gè)變壓器經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)，每瓦負(fù)載損耗所引起的費(fèi)用總支出的貼現(xiàn)值。

2.1.2 變壓器損耗計(jì)算

變壓器的損耗包括有功功率損耗和因其需用無(wú)功功率使電網(wǎng)增加的有功功率損耗之和。

空載損耗和負(fù)載損耗可按下列公式計(jì)算。

2.1.2.1 變壓器空載損耗計(jì)算公式

式中：

P0：變壓器額定空載有功損耗，即出廠試驗(yàn)報(bào)告上提供的參數(shù)（銘牌參數(shù)），W。

KQ：無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kVAr。由于變壓器負(fù)載側(cè)的功率因數(shù)已補(bǔ)償至0.9及以上，所以取0.04（參照GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》附錄B.2條）。

I0%：變壓器空載電流（銘牌參數(shù)），%。Se：變壓器額定容量（銘牌參數(shù)），kVA。

2.1.2.2 變壓器負(fù)載損耗計(jì)算公式

式中：

PK：變壓器額定負(fù)載有功損耗，即出廠試驗(yàn)報(bào)告上提供的參數(shù)（銘牌參數(shù)），W；

uk%：變壓器額定阻抗電壓（銘牌參數(shù)），%。

2.1.2.3 單位空載損耗的等效初始費(fèi)用A的計(jì)算

變壓器的單位空載損耗等效初始費(fèi)用或A系數(shù)（元/W）主要與電價(jià)有關(guān)，其簡(jiǎn)易計(jì)算公式如下：

式中：

kpv：貼現(xiàn)率為i并記及通貨膨脹率a的連續(xù)n年的年費(fèi)用現(xiàn)值系數(shù)。

當(dāng) a≠i時(shí)：kpv={1-[(1+a)/(1+i)]n}/(i-a)

當(dāng) a=i時(shí)：kpv=n/(1+i)

其中：i=年貼現(xiàn)率。a=年通貨膨脹率。n=變壓器的壽命期（或使用年限），年。

Ee：變壓器用戶支付的單位電度費(fèi)用，元/kWh。

Hpy：變壓器年帶電小時(shí)數(shù)，通常為8 760 h。

1/1 000：千瓦數(shù)折換為瓦數(shù)。

變壓器的單位空載損耗等效初始費(fèi)用或A系數(shù)計(jì)算時(shí)，按照上述公式，通貨膨脹取5%，年貼現(xiàn)率i取6.21%，變壓器的壽命30年，單位電度費(fèi)用取0.66元/kWh，計(jì)算得

2.1.2.4 單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用B的確定

變壓器的單位負(fù)載損耗等效初始費(fèi)用或B系數(shù)（元/W），除與電價(jià)有關(guān)外，還與變壓器所帶負(fù)荷的負(fù)載特征有關(guān)，其簡(jiǎn)易計(jì)算公式如下：

式中：

β1，β2，…，βn:變壓器負(fù)載系數(shù)，取值范圍為 0～1；

τ1，τ2，…，τn：對(duì)應(yīng)于 β1，β2，…，βn的小時(shí)數(shù)；

kt：變壓器的溫度校正系數(shù)；按照GB 1094.1—2013中的規(guī)定，當(dāng)試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)需校正到參考溫度時(shí)，對(duì)于油浸式變壓器，其參考溫度取75℃。

從上式可知，B值與變壓器的負(fù)荷率密切相關(guān)，因此，需要設(shè)計(jì)單位結(jié)合工程特點(diǎn)，給出變壓器的典型負(fù)荷曲線，計(jì)算出不同時(shí)段的負(fù)荷率，再按上式計(jì)算出B值。

采用TOC法對(duì)變壓器進(jìn)行能效經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，還應(yīng)兼顧變壓器除損耗外的其他技術(shù)參數(shù)，因此，可采用價(jià)格比方法評(píng)價(jià)變壓器，即將變壓器的TOC價(jià)格與技術(shù)、商務(wù)分?jǐn)?shù)相比，比值最小者中標(biāo)。并在招標(biāo)文件中明確，對(duì)于損耗值失實(shí)增大的情況將采取的懲罰措施，作為今后追究經(jīng)濟(jì)責(zé)任的依據(jù)，以確保設(shè)備性能達(dá)標(biāo)。

2.2 導(dǎo)線類設(shè)備

導(dǎo)線類設(shè)備中，回流線、正饋線均為鋁包鋼芯鋁絞線，類型單一，但對(duì)于接觸線和承力索，有普通導(dǎo)線和高強(qiáng)高導(dǎo)導(dǎo)線二種類型。高強(qiáng)高導(dǎo)導(dǎo)線由于具備更好的導(dǎo)電性，相同載流能力下阻抗更小，因此有助于提高接觸網(wǎng)電壓、降低接觸網(wǎng)上的電能損耗，但其價(jià)格較普通導(dǎo)線高。

因此，接觸線和承力索也可參照變壓器的綜合能效評(píng)估方法，其他技術(shù)指標(biāo)合格的情況下，在低導(dǎo)電率低價(jià)格和高導(dǎo)電率高價(jià)格間選擇全壽命周期成本最低的產(chǎn)品，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的性價(jià)比。

首先，需計(jì)算出接觸網(wǎng)（接觸線+承力索）上每年損耗的電量Qk，乘以電價(jià)Ee及年費(fèi)用現(xiàn)值系數(shù)kpv后，即為接觸網(wǎng)（接觸線+承力索）的損耗的等效初始費(fèi)用（PKEF網(wǎng)）。

接觸網(wǎng)的全壽命周期成本 （TOC網(wǎng)）包括接觸線、承力索的初始費(fèi)用（CI）和損耗的等效初始費(fèi)用（PKEF網(wǎng)），其計(jì)算表達(dá)式為：

導(dǎo)線評(píng)標(biāo)時(shí)，與變壓器相似，也采用價(jià)格比方法評(píng)價(jià)，即將導(dǎo)線的TOC價(jià)格與技術(shù)、商務(wù)分?jǐn)?shù)相比，比值最小者中標(biāo)。并在招標(biāo)文件中明確，對(duì)于導(dǎo)電率失實(shí)增大的情況將采取的懲罰措施，作為今后追究經(jīng)濟(jì)責(zé)任的依據(jù)，以確保設(shè)備性能達(dá)標(biāo)。

3 以京滬線為例對(duì)比兩種方式的實(shí)際效果

3.1 牽引變壓器

目前已研制出卷鐵心節(jié)能變壓器，該變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比具有更少的鐵耗和更小的噪聲水平。

規(guī)格：220/2×27.5 kV單相三繞組變壓器，額定容量50 MVA，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。

使用壽命30年，電費(fèi)按0.66元/kWh。計(jì)算得出不同類型牽引變壓器的全壽命周期成本見表1。

表1 不同類型牽引變壓器的全壽命周期成本

3.2 接觸網(wǎng)導(dǎo)線

京滬線全線長(zhǎng)1 318 km，按京滬每天120對(duì)車考慮。若全線采用鎂銅接觸網(wǎng)導(dǎo)線及承力索，每年接觸網(wǎng)損耗約8 000萬(wàn)kWh；若采用鉻鋯銅接觸網(wǎng)導(dǎo)線及承力索，由于鉻鋯銅導(dǎo)線更高的導(dǎo)電率，則接觸網(wǎng)損耗將減少至每年約6 160萬(wàn)kWh。電費(fèi)按0.66元/kWh計(jì)算。若鎂銅導(dǎo)線及鉻鋯銅導(dǎo)線使用壽命按20年考慮，全壽命周期成本見表2。

表2 不同類型接觸網(wǎng)導(dǎo)線的全壽命周期成本（使用壽命20年）

實(shí)際上鉻鋯銅導(dǎo)線具有更高的耐磨耗能力和更好的防腐蝕能力，經(jīng)鐵科院試驗(yàn)結(jié)果推算，鎂銅導(dǎo)線使用壽命為20年，鉻鋯銅導(dǎo)線使用壽命為30年，則京滬線全壽命周期成本平均至每年成本見表3。

表3 不同類型接觸網(wǎng)導(dǎo)線的全壽命周期成本（鉻鋯銅導(dǎo)線使用壽命30年）

通過(guò)京滬線的示例，可以看出，采用本文中的辦法，可以清楚計(jì)算出變壓器和導(dǎo)線在全壽命周期的成本，有利于更為科學(xué)合理地選擇設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)家持續(xù)推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)綠色低碳發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年國(guó)家鐵路總耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 627萬(wàn)t，其中機(jī)車牽引用電量651億kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤800萬(wàn)t，占總能耗的49%。通過(guò)改進(jìn)招標(biāo)評(píng)標(biāo)方法，選擇低能耗的牽引供電設(shè)備對(duì)降低鐵路用能成本，促進(jìn)綠色鐵路發(fā)展有重要作用。根據(jù)簡(jiǎn)單測(cè)算，若目前全路均采用節(jié)能導(dǎo)線及變壓器產(chǎn)品，每年可節(jié)省電費(fèi)約5億kWh。目前，在電力系統(tǒng)和地鐵工程中，已經(jīng)越來(lái)越多地采用總擁有費(fèi)用法評(píng)標(biāo)，鐵路牽引供電設(shè)備也應(yīng)借鑒該方法，并結(jié)合鐵路牽引負(fù)荷特點(diǎn)將該方法進(jìn)一步細(xì)化，使得設(shè)備招標(biāo)決策更加科學(xué)。