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有限責任公司，陜西 神木 719319)

0 引言

涼水井礦業公司貫徹國家在“十三五”規劃中提出的積極推動礦區低碳發展的要求，響應政府調整能源消費結構、優先開發利用優質的可再生清潔能源的環保政策[1]，對礦區工業場地、二號風井廣場的10 t/h燃煤鍋爐進行拆除。同時，結合礦井實際情況，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生產、生活供暖。為了對該項目進行科學的評價，總結先進經驗，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。本文結合國家環保要求，對項目方案及備用方案的設計投資、土建成本、設備費用進行了實地調研、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

涼水井礦業公司建設清潔能源余熱利用項目的目的及意義在于：在滿足國家環保要求的前提下[3]，解決公司目前所面臨的2個急需解決的實際問題。一是因礦井發展的需要，工業場地采暖建筑物較前期設計增多，現有的鍋爐供熱已經明顯不能滿足工業場地采暖負荷。二是根據2018年9月份陜西省下發的《陜西省鐵腕治霾打贏藍天保衛戰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、經營性爐灶、儲糧烘干設備等燃煤設施淘汰力度，陜南、陜北淘汰每小時10蒸噸及以下燃煤鍋爐……”，公司工業場地、二號風井廣場10 t/h燃煤鍋爐面臨拆除，場區供暖問題急需解決。

煤礦場區采暖問題牽扯到礦井的安全生產及職工的身體健康，屬于必須解決且刻不容緩的問題。根據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，必須執行；二是面對場區供暖不足問題，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。在滿足國家環保要求的前提下，對能夠解決礦區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場地壓風機余熱利用、工業場地乏風余熱利用、工業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計費、設備購置費、材料費、安裝費、配套土建費等以下幾個方面。

設計費：包含前期調研、設備選型、整體方案設計、施工圖設計等費用。

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

安裝費：包括所有機電設備、管網、配電、控制部分等的安裝。

配套土建費：包括原有鍋爐房設備拆除并新建土建基礎，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，根據環保要求，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計費、設備購置費、材料費、安裝費、配套土建費等方面。

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

設備、材料購置費：包括鍋爐本體、上煤系統、除渣系統、除塵、脫硫、脫硝系統等，高低壓配電系統、控制系統及各類管道、支架、閥門、保溫材料等。

安裝費：包括所有機電設備安裝工程、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備基礎等。

涼水井新建35 t/h燃煤蒸汽鍋爐系統投資概算見表2。

1.1.3 2種方案初步投資對比

根據以上方案的總投資概算情況，比較余熱利用系統和傳統的新建燃煤鍋爐系統的總投資概算，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

該系統年運行費用主要由電費、人工工資、設備維護保養費用等。耗電費用見表3(因空壓機余熱利用設備功率較小，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

該系統主要包括耗煤費用、電費、人工工資、設備維護保養費用等。經查閱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)。

工業場地鍋爐年運行費用計算：新建燃煤鍋爐系統總承擔熱負荷16 100 kW(根據場區熱負荷計算)，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(同余熱利用系統取值)，蒸汽成本120元/t計算，工業場地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(根據場區熱負荷計算)，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。

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比35 t/h鍋爐系統一次性投資大但年運行費用小的結論。本節將從系統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、產品等在理論使用年限期間所發生的所有有關成本，在工程、方案中生命周期成本一般包括設計、采購、施工、竣工、使用、維護、殘值處置等一切能夠直接體現為經濟費用的總和。

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生，它是在產品(項目)的整個壽命周期內按時間序列發生的，直至最終使用結束。這就需要分析中考慮“資金的時間價值”的概念，將產品(項目)在整個壽命周期內發生的費用統一折算成初投資現值(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的設計中，從經濟方面考慮新建35 t/h鍋爐系統還是新建余熱利用系統來實現整個方案的最優選擇，為設計方案能夠合理的應用提供理論依據。

分析工程(設計方案)的全生命周期成本的首要工作就是建立相關成本的數學模型，一般需要考慮一次性建設成本、系統年運行成本、廢棄成本、殘值、資本回收系數等因素。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；CI為一次性建設成本，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為系統壽命周期，年；t為時間變量；i為折現率。

工程(設計方案)的全生命周期成本主要由包括一次性建設成本(方案設計、設備采購、機電安裝、土建施工、竣工驗收等成本)、系統運行成本(工程交付后使用的電費、材料費、燃煤、正常維護保養、廢棄物處理等)組成[9]。建設成本和運行成本是影響方案經濟性的主要因素。因殘值屬于固定資產范疇，且項目牽扯固定設備、設施較多，目前設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。可簡化LCC公式為

(3)

假設方案運行期間相關能源價格、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

由于本方案為建設初期階段的設計方案，前文中已通過實地調研法、參數法對前期場區供熱需求實際余熱供熱能力進行計算，得到相關理論數據，指導了方案的選型[10]。通過類比法、實地調研法對相關設備價格、建設成本進行了廠家咨詢，得到了較為準確的數據，得出了項目建設一次性投入成本；通過參數法、工程法在系統運行能耗、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據，得出了項目年運行成本。

通過咨詢廠家及類比同類型設備運行經驗，對相關數據進行如下合理取值：清潔能源余熱利用系統機組壽命取值20 a，燃煤鍋爐系統機組(包含環保處理系統機組)壽命取值20 a。根據目前工程通用取值，取折現率(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方案、燃煤鍋爐系統方案在滿足相應設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

根據前文計算結果，對于余熱利用系統方案，機組壽命取值20 a，一次性建設成本為6 484萬元，年運行成本為735萬元得出，余熱利用系統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 燃煤鍋爐系統方案全生命周期成本

根據前文計算結果，對于燃煤鍋爐系統方案，機組壽命取值20 a，一次性建設成本為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。可知清潔能源余熱利用項目LCC(773萬元)<燃煤鍋爐系統方案LCC(886萬元)。

經過對清潔能源余熱利用系統及新建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，經濟效益特別明顯[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保問題的最佳選擇。

3 結論

(1)通過實地調研法、類比法對相關設備價格、建設成本進行調研，得到較為準確的數據，計算出2個方案一次性投入成本概算。

(2)通過參數法、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據，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比35 t/h鍋爐系統一次性投資大，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。從長遠角度分析，清潔能源余熱利用項目經濟效益明顯。