涼水井煤礦余熱利用全生命周期成本分析*

曹 龍

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責任公司，陜西 神木 719319)

0 引言

涼水井礦業(yè)公司貫徹國家在“十三五”規(guī)劃中提出的積極推動礦區(qū)低碳發(fā)展的要求，響應政府調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)、優(yōu)先開發(fā)利用優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源的環(huán)保政策[1]，對礦區(qū)工業(yè)場地、二號風井廣場的10 t/h燃煤鍋爐進行拆除。同時，結(jié)合礦井實際情況，對煤礦特有的井下回風余熱、井下涌水余熱、空壓機余熱等清潔能源進行回收再利用，替代燃煤鍋爐為場區(qū)生產(chǎn)、生活供暖。為了對該項目進行科學的評價，總結(jié)先進經(jīng)驗，提高項目后期運行的管理水平，使有限的資源得到最佳配置。本文結(jié)合國家環(huán)保要求，對項目方案及備用方案的設(shè)計投資、土建成本、設(shè)備費用進行了實地調(diào)研、概算，對方案的運行能耗、管理維護成本進行了詳細計算，建立了LCC(全生命周期成本)模型[2]，引出全生命周期成本(LCC)的概念。

1 項目(方案)投資、運行費用概算

涼水井礦業(yè)公司建設(shè)清潔能源余熱利用項目的目的及意義在于：在滿足國家環(huán)保要求的前提下[3]，解決公司目前所面臨的2個急需解決的實際問題。一是因礦井發(fā)展的需要，工業(yè)場地采暖建筑物較前期設(shè)計增多，現(xiàn)有的鍋爐供熱已經(jīng)明顯不能滿足工業(yè)場地采暖負荷。二是根據(jù)2018年9月份陜西省下發(fā)的《陜西省鐵腕治霾打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)3年行動方案(2018—2020年)》通知要求“……全省不再新建每小時35蒸噸以下的燃煤鍋爐……加大燃煤小鍋爐及茶水爐、經(jīng)營性爐灶、儲糧烘干設(shè)備等燃煤設(shè)施淘汰力度，陜南、陜北淘汰每小時10蒸噸及以下燃煤鍋爐……”，公司工業(yè)場地、二號風井廣場10 t/h燃煤鍋爐面臨拆除，場區(qū)供暖問題急需解決。

煤礦場區(qū)采暖問題牽扯到礦井的安全生產(chǎn)及職工的身體健康，屬于必須解決且刻不容緩的問題。根據(jù)政策要求可以捕捉到2點信息:一是10 t/h燃煤鏈條蒸汽鍋爐屬于政策明令淘汰范圍，必須執(zhí)行；二是面對場區(qū)供暖不足問題，要么新建35 t/h鍋爐，要么充分利用乏風源、礦井水源等一系列的余熱替代燃煤小鍋爐的使用。在滿足國家環(huán)保要求的前提下，對能夠解決礦區(qū)目前供暖問題的新建35 t/h鍋爐方案及新建余熱利用項目的一次性投資費用進行估算[4]。

1.1 一次性投資概算

1.1.1 清潔能源余熱利用項目投資概算

涼水井煤礦礦井余熱利用項目主要分為工業(yè)場地壓風機余熱利用、工業(yè)場地乏風余熱利用、工業(yè)場地井下水余熱利用及二號風井廣場乏風余熱利用4部分投資。投資項目主要包含設(shè)計費、設(shè)備購置費、材料費、安裝費、配套土建費等以下幾個方面。

設(shè)計費：包含前期調(diào)研、設(shè)備選型、整體方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等費用。

設(shè)備、材料購置費：包括用乏風余熱系統(tǒng)、水源熱泵、井口空氣加熱機組、空氣壓縮機余熱回收機、余熱利用系統(tǒng)輔機的各種泵類、水箱、高低壓配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及系統(tǒng)各類管道、支架、閥門、保溫材料、室外熱力管網(wǎng)主干線管道改造等。

安裝費：包括所有機電設(shè)備、管網(wǎng)、配電、控制部分等的安裝。

配套土建費：包括原有鍋爐房設(shè)備拆除并新建土建基礎(chǔ)，主、副井空氣加熱室改造,乏風出風口取熱室施土建工等。

涼水井煤礦清潔能源余熱利用項目總投資概算見表1。

表1 涼水井煤礦清潔能源余熱利用項目總投資概算

1.1.2 新建35 t/h燃煤蒸汽鍋爐方案投資概算

前文所述，根據(jù)環(huán)保要求，涼水井煤礦要解決目前供暖能力不足問題需要在工業(yè)場地、二號風井廣場各新建一臺35 t/h燃煤蒸汽鍋爐。投資項目主要包含設(shè)計費、設(shè)備購置費、材料費、安裝費、配套土建費等方面。

設(shè)計費：包含整體方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等費用。費用按照項目總投資的1.5%取值。

設(shè)備、材料購置費：包括鍋爐本體、上煤系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、除塵、脫硫、脫硝系統(tǒng)等，高低壓配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及各類管道、支架、閥門、保溫材料等。

安裝費：包括所有機電設(shè)備安裝工程、管道安裝工程、配電安裝、控制安裝等。

配套土建費：兩邊場地的舊鍋爐拆除及新建設(shè)備基礎(chǔ)等。

涼水井新建35 t/h燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)投資概算見表2。

1.1.3 2種方案初步投資對比

根據(jù)以上方案的總投資概算情況，比較余熱利用系統(tǒng)和傳統(tǒng)的新建燃煤鍋爐系統(tǒng)的總投資概算，如圖1所示。

圖1 2種方案初步投資概算對比Fig.1 Comparison of preliminary investment estimates of two schemes

1.2 年運行費用概算

1.2.1 清潔能源余熱利用項目年運行費用概算

該系統(tǒng)年運行費用主要由電費、人工工資、設(shè)備維護保養(yǎng)費用等。耗電費用見表3(因空壓機余熱利用設(shè)備功率較小，耗電量忽略不計)。

表3 清潔能源余熱利用項目年耗電費用概算

1.2.2 新建燃煤鍋爐方案年運行費用概算

該系統(tǒng)主要包括耗煤費用、電費、人工工資、設(shè)備維護保養(yǎng)費用等。經(jīng)查閱35 t/h鍋爐資料，該型號鍋爐蒸汽成本為120元/t(包括燃煤、耗水耗電、煙氣處理費、人工費、排污費、垃圾處理、年度檢修等所有費用)。

工業(yè)場地鍋爐年運行費用計算：新建燃煤鍋爐系統(tǒng)總承擔熱負荷16 100 kW(根據(jù)場區(qū)熱負荷計算)，折合蒸汽26.8 t/h，鍋爐運行負荷最大為84%，即可滿足供暖要求。按照采暖季節(jié)運行144 d，每天運行時間按24 h，最大運行負荷84%、全年平均負荷率為0.65(同余熱利用系統(tǒng)取值)，蒸汽成本120元/t計算，工業(yè)場地35 t/h鍋爐全年理論運行費用為793萬元。

二號風井鍋爐年運行費用計算：新建燃煤鍋爐承擔總熱負荷6 182 kW(根據(jù)場區(qū)熱負荷計算)，折合蒸汽10.3 t/h，即鍋爐運行負荷不小于30%即可滿足供暖要求。按照采暖季節(jié)運行144 d，每天運行時間按24 h，最大運行負荷30%、全年平均負荷率為0.65(同余熱利用系統(tǒng)取值)，蒸汽成本120元/t計算，二號風井廣場35 t/h鍋爐全年理論運行費用為283萬元。

所以，新建燃煤鍋爐方案全年理論運行總費用為1 076萬元。

1.2.3 2種方案年運行費用對比

根據(jù)以上方案的總投資概算情況，比較清潔能源余熱利用項目和傳統(tǒng)的新建燃煤鍋爐方案的總投資概算，如圖2所示。

圖2 2種方案年運行費用對比Fig.2 Comparison of annual operation cost of two schemes

清潔能源余熱利用項目雖然比新建35 t/h鍋爐方案一次性投資大，但在年運行費用方面卻遠遠小于新建35 t/h鍋爐系統(tǒng)。

2 LCC 分析

2.1 LCC模型的建立

前文通過對新建35 t/h鍋爐方案及清潔能源余熱利用項目的一次性投資費用及年運行費用進行了詳細的概算，得出了余熱利用系統(tǒng)比35 t/h鍋爐系統(tǒng)一次性投資大但年運行費用小的結(jié)論。本節(jié)將從系統(tǒng)全生命周期成本角度進行詳細分析。

LCC(全生命周期成本，Life Cycle Cost，簡稱LCC)，也被稱為全壽命周期費用[6]。是指工程、項目、方案、產(chǎn)品等在理論使用年限期間所發(fā)生的所有有關(guān)成本，在工程、方案中生命周期成本一般包括設(shè)計、采購、施工、竣工、使用、維護、殘值處置等一切能夠直接體現(xiàn)為經(jīng)濟費用的總和。

需要明確的是，全生命周期成本的費用并不是只在投資初期或者項目施工期一次性投資發(fā)生，它是在產(chǎn)品(項目)的整個壽命周期內(nèi)按時間序列發(fā)生的，直至最終使用結(jié)束。這就需要分析中考慮“資金的時間價值”的概念，將產(chǎn)品(項目)在整個壽命周期內(nèi)發(fā)生的費用統(tǒng)一折算成初投資現(xiàn)值(NPV)或等值年費用(EUAC)[7]。將LCC(全生命周期成本)的理念應用到本文余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計中，從經(jīng)濟方面考慮新建35 t/h鍋爐系統(tǒng)還是新建余熱利用系統(tǒng)來實現(xiàn)整個方案的最優(yōu)選擇，為設(shè)計方案能夠合理的應用提供理論依據(jù)。

分析工程(設(shè)計方案)的全生命周期成本的首要工作就是建立相關(guān)成本的數(shù)學模型，一般需要考慮一次性建設(shè)成本、系統(tǒng)年運行成本、廢棄成本、殘值、資本回收系數(shù)等因素。故建立全生命周期模型如下[8]

(1)

(2)

式中，LCC為全壽命周期成本，萬元；FR為資本回收系數(shù)；CI為一次性建設(shè)成本，萬元；COt為年運行成本，萬元；CD為廢棄成本，萬元；S為殘值，萬元；It為t年度的通貨膨脹率；n為系統(tǒng)壽命周期，年；t為時間變量；i為折現(xiàn)率。

工程(設(shè)計方案)的全生命周期成本主要由包括一次性建設(shè)成本(方案設(shè)計、設(shè)備采購、機電安裝、土建施工、竣工驗收等成本)、系統(tǒng)運行成本(工程交付后使用的電費、材料費、燃煤、正常維護保養(yǎng)、廢棄物處理等)組成[9]。建設(shè)成本和運行成本是影響方案經(jīng)濟性的主要因素。因殘值屬于固定資產(chǎn)范疇，且項目牽扯固定設(shè)備、設(shè)施較多，目前設(shè)計方案階段無法進行明確計算，該處不予考慮。同時，因目前通貨膨脹率無法進行明確的計算，該處同樣不考慮通貨膨脹率?？珊喕疞CC公式為

(3)

假設(shè)方案運行期間相關(guān)能源價格、人力成本均不作變動，在該情況下，為了更加簡便地進行計算，可將全生命周期成本計算模型的公式進行如下簡化

(4)

2.2 LCC的計算比較

由于本方案為建設(shè)初期階段的設(shè)計方案，前文中已通過實地調(diào)研法、參數(shù)法對前期場區(qū)供熱需求實際余熱供熱能力進行計算，得到相關(guān)理論數(shù)據(jù)，指導了方案的選型[10]。通過類比法、實地調(diào)研法對相關(guān)設(shè)備價格、建設(shè)成本進行了廠家咨詢，得到了較為準確的數(shù)據(jù)，得出了項目建設(shè)一次性投入成本；通過參數(shù)法、工程法在系統(tǒng)運行能耗、管理維護成本方面進行了詳細的計算[11]，參考同類型工程運行數(shù)據(jù)，得出了項目年運行成本。

通過咨詢廠家及類比同類型設(shè)備運行經(jīng)驗，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行如下合理取值：清潔能源余熱利用系統(tǒng)機組壽命取值20 a，燃煤鍋爐系統(tǒng)機組(包含環(huán)保處理系統(tǒng)機組)壽命取值20 a。根據(jù)目前工程通用取值，取折現(xiàn)率(可看作管理的報酬)為6.5%，廢棄成本率取值5%[12]。分別對余熱利用系統(tǒng)方案、燃煤鍋爐系統(tǒng)方案在滿足相應設(shè)計負荷下的全壽命周期成本進行計算。

2.2.1 清潔能源余熱利用項目全生命周期成本

根據(jù)前文計算結(jié)果，對于余熱利用系統(tǒng)方案，機組壽命取值20 a，一次性建設(shè)成本為6 484萬元，年運行成本為735萬元得出，余熱利用系統(tǒng)方案全生命周期成本約為14 661.1萬元，全生命周期平均年費用為733萬元。

2.2.2 燃煤鍋爐系統(tǒng)方案全生命周期成本

根據(jù)前文計算結(jié)果，對于燃煤鍋爐系統(tǒng)方案，機組壽命取值20 a，一次性建設(shè)成本為5 796萬元，年運行成本為1 076萬元得出，燃煤鍋爐系統(tǒng)方案全生命周期成本約為17 714萬元，全生命周期平均年費用為886萬元?？芍鍧嵞茉从酂崂庙椖縇CC(773萬元)<燃煤鍋爐系統(tǒng)方案LCC(886萬元)。

經(jīng)過對清潔能源余熱利用系統(tǒng)及新建35 t/h鍋爐方案進行全生命周期成本分析，雖然余熱利用項目比35 t/h鍋爐方案一次性投資大，但因為年運行費用小，后期運行維護費用少等優(yōu)點，余熱利用項目全生命周期平均年費用遠遠小于35 t/h鍋爐系統(tǒng)，經(jīng)濟效益特別明顯[13]。所以，從長遠角度分析，清潔能源余熱利用項目是解決目前涼水井煤礦供暖及環(huán)保問題的最佳選擇。

3 結(jié)論

(1)通過實地調(diào)研法、類比法對相關(guān)設(shè)備價格、建設(shè)成本進行調(diào)研，得到較為準確的數(shù)據(jù)，計算出2個方案一次性投入成本概算。

(2)通過參數(shù)法、工程法對2個方案的運行能耗、管理維護成本進行詳細計算，參考同類型工程運行數(shù)據(jù)，計算出項目年運行成本概算。

(3)建立LCC(全生命周期成本)模型，引出全生命周期成本的概念。通過計算，得出雖然余熱利用系統(tǒng)比35 t/h鍋爐系統(tǒng)一次性投資大，但因為年運行費用小，所以全生命周期平均年費用要遠遠小于35 t/h鍋爐系統(tǒng)。從長遠角度分析，清潔能源余熱利用項目經(jīng)濟效益明顯。