寿命周期费用理论在风机系统调速设备选择中的应用

2020-09-18 14:19:07 达美盛 20

本文以寿命周期费用LCC(Life Cycle Cost)理论为基础,建立了调速设备的LCC模型。分析了两种先进调速设备在风机系统中的应用特点,并通过电厂锅炉一次风机的案例分析,证明了LCC模型的可行性,通过LCC计算分析表明,调速设备使用过程中的能耗成本及风机故障停产带来的损失是影响其经济性的主要指标。在设备招评标时,应综合运用LCC理论,在保证设备安全可靠运行的基础上,进一步优化项目的节能效益和经济效益。

引言

随着我国绿色制造体系概念的提出,工业用风机、水泵系统的节能改造工作越来越被工业企业所重视,对改造方案进行技术经济评价将会越来越重要。例如在电力、化工、钢铁等重点耗能行业,风机、水泵的额定功率较大,节能改造在初期投入较高,调速设备的生产或购置需要数十万上百万的资金,企业在投资决策时必须要全面地考虑设备全寿命周期的费用,做出正确的投资决策。加上工业产品的寿命周期较长,一般为十年甚至二十年,在寿命周期内,设备维护的人员、材料、维修成本往往要高于设备采购费。另外,电力、化工、钢铁等行业中,关键风机、水泵出现故障就会导致整条生产线停产,事故损失十分严重。

我国寿命周期成本技术最早是应用在军事领域,之后电力工程师将该技术在发电设备、变压器等设备上的应用作了大量的研究,但LCC理论在调速设备上的应用还没有行之有效的方法。本文将提出LCC理论在风机系统节能改造工程调速设备的选择中的应用方法,并以某电厂13#锅炉一次风机相关参数为例,分析不同调速设备全寿命周期成本。

调速设备的寿命周期成本(LCC)模型

调速设备的全寿命周期成本(LCC)是指在整个经济寿命周期内,由运行单位负担的总费用。经典的寿命周期成本计算模型如下式:LCC=IC+OC+DC       

其中:IC(Investment Cost)为投资成本、OC(Operation Cost)为运营成本、DC(Discard Cost)为报废成本,详细LCC模型分解图如图1所示。

1.png

投资成本包括设备购置费、安装工程费以及动态成本。风机调速改造项目中,如现场无空调房,还需增加建造空调房的费用。

运营成本包括运行维护费、能耗费和故障停产损失。故障停产损失可用费用FC表示为2.png

式中:AC为每次故障平均费用,Lt为设备寿命周期,MTBF为平均故障间隔时间。

报废成本包括处置成本和残值,其中处置成本较低可以忽略,报废成本只计算残值即可: 3.png  

式中:K0为设备原始价值,d为设备固定折旧率,n为设备使用年限。

不同调速设备在风机系统应用的特点

采用高压变频器+变频异步电动机调速

异步电动机的转速公式为4.png

可以看出,电机转速与电源频率成正比,高压变频器是通过改变异步电动机的供电频率来调节电机的转速。

采用高压变频器对风机系统进行改造时,由于变频器输出波形中的谐波会对电机的绝缘造成损伤,同时会使电机的附加损耗增大导致电机温升过高,因此必须采用专用的变频电动机替代普通异步电动机。

高压变频器价格昂贵,且对使用环境要求较高,研究表明:变频器的故障率随使用环境温度升高呈指数上升,因此为保证正确使用变频器,延长变频器使用寿命,需要空调房间放置。一般情况下,高压变频系统往往还包含有变压器、暂态电压浪涌抑制、功率因数纠正器、线阻抗、电磁干扰滤波器以及其它辅助性装置,因此占地面积大。

高压变频器是由IGBT等可关断功率器件、控制电路、驱动电路、保护电路等组成的,电力电子器件的寿命限制,需要定期维护更换器件。

2.2 采用绕组式永磁调速器+普通异步电动机调速

绕组式永磁调速器需要安装在电机与负载之间,因此改造时需将电机向后移动,对安装基础进行改造。

绕组式永磁调速器包括本体和控制器。本体上有两个轴,分别装有永磁转子和绕组转子,驱动电机与绕组式永磁耦合调速器连在一起带动其永磁转子旋转产生旋转磁场,绕组切割旋转磁场磁力线产生感应电流,进而产生感应磁场,该感应磁场与旋转磁场相互作用传递转矩,通过控制绕组转子的电流大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求,实现调速功能,并通过集电环将绕组转子中的电流与外部电路联接,通过控制器在其调节运行速度的同时将转差功率回馈给电网,从而达到调速和高效节能的目的。

绕组式永磁调速器中有碳刷和轴承,需要定期维护,更换碳刷和加注润滑油。

LCC在风机系统调速设备选择中的案例分析

以某电厂13#锅炉一次风机为例,风机额定功率为3500kW,由于风机采用风门调节运行时效率低,耗能严重,电厂计划对该风机进行调速技术改造,初步拟定改造路线为高压变频器改造和绕组式永磁调速器改造,要求经LCC分析找出最优化的方案。以下分析中,方案一为高压变频器改造,方案二为绕组式永磁调速器改造,全寿命周期按20年计。

  LCC分析

(1) 投资成本

投资成本如表1所示。其中动态费用主要包括电缆、空调房搭建、设备调试等费用。

表1 投资成本              万元

方案

设备购置费

安装工程费

动态费用

方案一

260

5

46

方案二

320

10

10

(2) 运营成本

运行维护费包括维护材料(变频器主要为模块备件,另包括空调维护费;绕组式永磁调速器为碳刷备件、润滑油脂)、维护人工费用(日常清理、计划检修、设备消缺)。

表2 运行维护费              万元

方案

维护材料费

维护人工费

总计

方案一

150

110

260

方案二

40

72

112

按年平均运行3500小时,风机平均调速至80%,电价0.5元/度,20年运行能耗费如表3所示。

表3 能耗费                万元

方案

方案一

方案二

能耗费

8187

7756

电厂锅炉一次风机系统故障会导致整套机组停机,每次故障停机导致的损失为150万元,根据其他采用变频的一次风机以及凝泵故障记录,方案一故障停产费用为:

771cad40f0e338568a4a85af3d6cf23.png万元

方案二为机械产品,定期检修维护不会出现突然停机现象,故障停产损失为0。

(3) 报废成本

忽略处置成本,报废成本只计算残值如表4所示。

表4 残值                万元

方案

方案一

方案二

残值

-32

-39

 结果分析

调速设备各选择方案LCC成本如表5所示。

表5 各选择方案LCC成本          万元

方案

投资成本

运营成本

报废成本

总计

方案一

311

9047

-32

9326

方案二

340

7868

-39

8169

由表5的结果可以看出:方案二明显优于方案一,LCC成本差为1157万元,虽然方案二初期投入成本要高于方案一,但由于可靠性高、效率高等特点,其故障停产损失小,能耗费小。两种方案的运营成本占LCC比值分别为97%与96%,可见,在风机调速设备的选取中,运行效率及可靠性是设备招评标时主要关注点。

该电厂基于LCC理论分析进行的13#锅炉一次风机改造项目实际运行中,其后期运行管理费用较14#锅炉一次风机大幅降低,LCC理论分析在风机系统调速设备选择中可为电厂节约大量运行成本

结语

本文提出了寿命周期费用理论在风机调速设备选择中的应用方法,指出了在运用LCC理论选择调速设备时,要考虑到设备使用年限长,除了考虑设备购置费还应该计算其运行能耗、故障率、故障维修费用、设备报废处理等情况。在设备招评标时,应综合运用LCC理论,在保证设备安全可靠运行的基础上,节约运行成本,进一步优化项目的节能效益和经济效益。



标签:   (LCC)模型 周期成本 高压变频 异步电动机