热能设备的寿命周期费用及优化设计.pdf

1热能设备寿命周期费用的分析热能设备同其他类型设备一样，从设计、制造、运行、维修到报废形成一个寿命周期。在寿命周期内发生的费用受到多种因素的影响，如资金的时间价值，今天的资金价值与将来某个时刻的资金价值是不同的；能源价格的变化也使得设备的能耗费用发生变化.（即使它的能耗量是恒定的)。因此，在计算或比较不同设备寿命周期费用时，必须考虑资金的时间价值和能源价格的变化，将寿命周期费用折算成某一时刻的值（一般折算成现值），再进行比较或决策。热能设备的寿命周期费用包括很多项，如设计研究费、购材制造费和运行维修费〔1)等。正确地分析和计算这些费用是对设备进行优化设计和管理的基础。然而，在设计阶段，往往对以后阶段可能会发生哪些因素及其变化趋势并不清楚，属非确定型因素，如寿命多长，维修费多大，利率、物价和能源价格的变化趋势等，这就增加了准确地估算费用的难度。在一般情况下，采用灵敏度分析法〔2)，有助于对这些费用进行分析和估算。热能设备的寿命周期费用从本质上由两部分构成：(1)资金费用（包括设计研究费、购材制造费、维修费、环保费、操作人员劳务费等)。它可分为与设备规模（如容量、产量、换热面积等)无关的固定部分和与规模有关的可变部分；(2)能耗费用（包括燃耗费、电耗费、水耗费等)。它也可同样分为上述两部分。考虑到资金的时间价值和能源价格的变化，对于像换热器、锅炉、空调器等热能设备，寿命周期费用可写为〔3)： LCC=P,(C。+Ca·A1)+P2(D。+Da·A"2) (1) 式中LCC为设备寿命周期费用的现值（元），C,和CA为设备的成本系数，「：为成本指数， A为设备规模，D。和D为设备的能耗费用系数，r2为能耗指数，P:为资金的现值系数，Pz 为能源价格的现值系数。现值系数P,和P2考虑了资金价值和能源价格的时间变化，它门与利率、利税、价格上涨率和设备寿命年限等有关，其计算可参见文献〔4)。对于加热炉设备，其寿命周期费用的计算较为复杂〔1)。由于炉子的能耗与炉温制度有直接关系，故其寿命周期费用与产量的关系不是式(1)的形式，而是多项式关系8)。而且寿命周期费用还应包括一项钢坯氧化损失费用，后者与炉子的温度制度、产量等直接有关。 2热能设备的优化设计与选择热能设备的优化设计与选择，就是选取最佳设备形式和规模，使其寿命周期费用最佳化。热能设备的寿命周期费用最佳化有两种形式：第一种形式是使设备寿命周期费用最低。这种情况是对某些非盈利设备而言，如空调器、冷冻器等。这类设备并不能直接创造利润，本身是一种能耗品。因而，在选用这类设备时，不应将设备的售价作为唯一的选择依据，而应以设备的寿命周期费用作为选择依据。事实上，售价低并不意味着寿命周期费用低，往往由于设备寿命低、维修费用高，而使寿命周 418

热能设备寿命周期费用的分析热能设备同其他类型设备一样，从设计、制造、运行、维修到报废形成一个寿命周期。在寿命周期内发生的费用受到多种因素的影响，如资金的时间价值，今天的资金价值与将来某个时刻的资金价值是不同的能源价格的变化也使得设备的能耗费用发生变化即使它的能耗量是恒定的。因此，在计算或比较不同设备寿命周期费用时，必须考虑资金的时间价值和能源价格的变化，将寿命周期费用折算成某一时刻的值一般折算成现值，再进行比较或决策。热能设备的寿命周期费用包括很多项，如设计研究费、购材制造费和运行维修费〔 ” 等。正确地分析和计算这些费用是对设备进行优化设计和管理的基础。然而，在设计阶段，往往对以后阶段可能会发生哪些因素及其变化趋势井不清楚，属非确定型因素，如寿命多长，维修费多大，利率、物价和能源价格的变化趋势等，这就增加了准确地估算费用的难度。在一般情况下，采用灵敏度分析法 ‘ “ 〕，有助于对这些费用进行分析和估算。热能设备的寿命周期费用从本质上由两部分构成资金费用包括设计研究费、购材制造费、维修费、环保费、操作人员劳务费等。它可分为与设备规模如容量、产量、换热面积等无关的固定部分和与规模有关的可变部分能耗费用包括燃耗费、电耗费、水耗费等。它也可同样分为上述两部分。考虑到资金的时间价值和能源价格的变化，对于像换热器、锅炉、空调器等热能设备，寿命周期费用可写为〔 “ ’ 尸。 · · ’ 。一么月卜式中为设备寿命周期费用的现值元，。和人为设备的成本系数，为成本指数，为设备规模，刀。和刀为设备的能耗费用系数，为能耗指数，尸、为资金的现值系数，尸为能源价格的现值系数。现值系数尸、和尸考虑了资金价值和能源价格的时间变化，它们与利率、利税、价格上涨率和设备寿命年限等有关，其计算可参见文献〔〕。对于加热炉设备，其寿命周期费用的计算较为复杂〔 ‘ 〕。由于炉子的能耗与炉温制度有直接关系，故其寿命周期费用与产量的关系不是式的形式，而是多项式关系〔 ’ 。而且寿命周期费用还应包括一项钢坯氧化损失费用，后者与炉子的温度制度、产量等直接有关。热能设备的优化设计与选择热能设备的优化设计与选择，就是选取最佳设备形式和规模，使其寿命周期费用最佳化。热能设备的寿命周期费用最佳化有两种形式第一种形式是使设备寿命周期费用最低。这种情况是对某些非盈利设备而言，如空调器、冷冻器等。这类设备并不能直接创造利润，本身是一种能耗品。因而，在选用这类设备时，不应将设备的售价作为唯一的选择依据，而应以设备的寿命周期费用作为选择依据。事实上，售价低并不意味着寿命周期费用低，往往由于设备寿命低、维修费用高，而使寿命周

期费用高；相反，由于设备质量好，寿命高，维修费用低，并不因为售价高而使寿命周期费用增高〔)。因此，在选用设备时，不应将设备的购置阶段和使用阶段割裂开来，否则可能得到片面的结论。热工设备外表面绝热层设计属于第一种优化形式，如蒸汽管道和热风管道的保温层设计，炉墙绝热设计等。在这种情况下，投入费用LCI的目的是使热损失费用LCQ减少，但并不是说绝热层越厚越好。实际上，LCI和LCQ即为寿命周期费用LCC,因而存在着最佳绝热层厚度，使LCC为最小（图1）。加热炉设备的优化设计也属于此形式。就车间而言，加热炉的任务是为轧机提供加热质量合格的钢坯，并不存在盈亏问题。加热炉一生中不但投入了资金，也消耗了能源和耐火材料，产生了氧化烧损，因而加热炉的优化设计就是如何使加热炉以最小的寿命周期费用来加热钢坯。因此，在设计阶段就应充分考虑各种因素，设计出技术上适用经济上合理的炉子，这是实现寿命周期费用最低的基础。当然，优化设计仅是实现寿命周期费用最低的第一步，还应在运行阶段进行优化管理，选择最优操作变量，使运行维修费用最低。第二种形式是如何设计最佳设备规模，使设备取得最大的寿命周期经济效益。属于这种情况的热能设备有余热回收设备如换热器、余热锅炉等。这类设备是以回收热量、节约燃料 LCF 8 Lce LCC LCQ LCI 3 Scale Scale 图1热能设备最小寿命周期费用图2热能设备最大寿命周期收益 Fig.1 Minimum life cycle cost Fig.2 Maximum life cycle Savings of energy system of energy system 为目的，因而节约燃料越多，收益就越大。但是，设备的投人，相对于主体设备而言，额外地投人了资金和能量（电力），因而其本身所节约的燃料费用必须超过其投入费用（即寿命周期费用，为资金费用和能耗费用之和)，才有经济效益而言。设备节约的燃料费用可由下式计算： LCF=PsCg·E.N/n (2) 式中LCF为设备投入后节约的寿命周期燃料费用的现值（元），P,为燃料价格的现值系数， Cr为燃料价格（元/kg或元/Nm3),E为燃料节约景(Nm3/h或kg/h),N为设备年工作时间(h),”为主体设备（炉子）的热效率。从而设备所取得的寿命周期经济效益LCS(元)可写为： LCS=LCF-LCC (3) 图2即表示了这类设备的优化设计。需要注意的是，LCS与LCF及LCC有关，因而寿命周期费用大的设备，其寿命周期经 419

期费用高相反，由于设备质量好，寿命高，维修费用低，并不因为售价高而使寿命周期费用增高〔 “ ’ 。因此，在选用设备时，不应将设备的购置阶段和使用阶段割裂开来，否则可能得到片面的结论。热工设备外表面绝热层设计属于第一种优化形式，如蒸汽管道和热风管道的保温层设计，炉墙绝热设计等。在这种情况下，投入费用的目的是使热损失费用减少，但并不是说绝热层越厚越好。实际上，和即为寿命周期费用，因而存在着最佳绝热层厚度，使为最小图。加热炉设备的优化设计也属于此形式。就车间而言，加热炉的任务是为轧机提供加热质量合格的钢坯，并不存在盈亏问题。加热炉一生中不但投入了资金，也消耗了能源和耐火材料，产生了氧化烧损，因而加热炉的优化设计就是如何使加热炉以最小的寿命周期费用来加热钢坯。因此，在设计阶段就应充分考虑各种因素，设计出技术上适用经济上合理的炉子，这是实现寿命周期费用最低的基础。当然，优化设计仅是实现寿命周期费用最低的第一步，还应在运行阶段进行优化管理，选择最优操作变量，使运行维修费用最低。第二种形式是如何设计最佳设备规模，使设备取得最大的寿命周期经济效益。属于这神情况的热能设备有余热回收设备如换热器、余热锅炉等。这类设备是以回收热量、节约燃料书口〔。只。王图热能设备最小寿命周期费用图热能设备最大寿命周期收益皿 ‘ 为目的，因而节约燃料越多，收益就越大。但是，设备的投人，相对于主体设备而言，额外地投人了资金和能量电力，因而其本身所节约的燃料费用必须超过其投人费用即寿命周期费用，为资金费用和能耗费用之和，才有经济效益而言。设备节约的燃料费用可由下式计算勺式中为设备投人后节约的寿命周期燃料费用的现值元，为燃料价格的现值系数，，为燃料价格元或元 ’ ，为燃料节约量 “ 或，为设备年工作时间，刀为主体设备炉子的热效率。从而设备所取得的寿命周期经济效益元可写为二一图即表示了这类设备的优化设计。需要注意的是，与及有关，因而寿命周期费用大的设备，其寿命周期经

济效益不一定就低。如逆流换热器的寿命周期费用要比顺流换热器高，但由于前者回收量大，节约燃料量大，因而前者的寿命周期经济效益要比后者大得多【7)。可见，单纯以寿命周期费用来设计或选择这类设备是不合适的，而必须以寿命周期经济效益作为设计或选择依据。 3热能设备的优化管理对热能设备进行优化设计和选择，仅是实现设备优化管理的第一步。设备的管理不仅包括设计（选择）管理，还包括购材制造管理和运行维修管理：1)。在设备的方案形成及制造成实物后，其运行阶段的管理（运行维修管理）就变得非常重要了。设备的运行维修费用是寿命周期费用的主要部分，往往设备的运行维修费用是初投资费用（包括设计研究费和购材制造费)的几倍〔)。因此，减少设备的运行维修费用，就可大大减少设备的寿命周期费用。这就要求对设备进行优化管理，使设备运行在最佳状况下。对炉子进行优化运行维修管理，不仅可以使炉子的能耗费用最低，也使炉子的物耗费用 (钢坯氧化损失费用和耐火材料消耗费用)最低。由于炉子的能耗、氧化烧损等与炉子的热工制度有关，故为了对炉子进行优化运行管理，需要建立炉子的管理模型，包括传热模型、氧化模型、维修模型等技术模型和经济模型，这将是一项巨大的工程。一个简单的情况是在给定炉子的温度制度下，如何调节炉子的产量指标，使炉子的运行维修费用（主要是能耗费用和氧化损失费用）最低。这时，炉子的能耗费用与氧化损失费用与产量的关系就较简单了，我们不难寻求最佳产量指标，使上述两项费用之和为最小5)。炉子的节能改造是对原来设计方案的补充和修正。节能改造的目标是节能，因此节能改造方案的选择属于前面所述的寿命周期费用最佳化的第二种形式，也就是改造后所节约的燃料费用应超过节能改造投资费用，并取得最大经济效益的方案才是最优的。 4结论在用经济观点分析热能设备寿命周期费用的基础上，综合考虑技术因素、经济因素和能源因素，并将设备一生中的各个阶段有机地联系在一起，能够比只考虑技术因素或经济因素的传统方法更全面、更科学地分析和评价设备，并做出优化设计和管理。参考文献 11 韩小良等。钢铁，1991,26(1)：52 2日比宗平。寿命周期费用评价法。北京：机械工业出版社，1984 3韩小良，韩良智。能源系统的寿命周期经济学。中国金属学会热能与热工学会第六届年会论文，抚顺，1990 4 Mitchell J W.Energy Engineering.New York:John Wiley Sons,1983 5韩小良。评价加热炉技术经济性能的两个新指标，首届全国青年热能与热工学术会论文，锦州，1989 6 徐扬光。设备综合工程学概论。北京：国防工业出版社，1988 7韩小良，韩良智.治金能源，1989,9(1)：41 420

济效益不一定就低。如逆流换热器的寿命周期费用要比顺流换热器高，但由于前者回收量大，节约燃料量大，因而前者的寿命周期经济效益要比后者大得多〔 ” 。可见，单纯以寿命周期费用来设计或选择这类设备是不合适的，而必须以寿命周期经济效益作为设计或选择依据。热能设备的优化管理对热能设备进行优化设计和选择，仅是实现设备优化管理的第一步。设备的管理不仅包括设计选择管理，还包括购材制造管理和运行维修管理〔 ‘ 〕。在设备的方案形成及制造成实物后，其运行阶段的管理运行维修管理就变得非常重要了。设备的运行维修费用是寿命周期费用的主要部分，往往设备的运行维修费用是初投资费用包括设计研究费和购材制造费的几倍〔 ’ 。因此，减少设备的运行维修费用，就可大大减少设备的寿命周期费用。这就要求对设备进行优化管理，使设备运行在最佳状况下。对炉子进行优化运行维修管理，不仅可以使炉子的能耗费用最低，也使炉子的物耗费用钢坯氧化损失费用和耐火材料消耗费用最低。由于炉子的能耗、氧化烧损等与炉子的热工制度有关，故为了对炉子进行优化运行管理，需要建立护子的管理模型， ‘ 包括传热模型、氧化模型、维修模型等技术模型和经济模型，这将是一项巨大的工程。一个简单的情况是在给定炉子的温度制度下，如何调节炉子的产量指标，使炉子的运行维修费用主要是能耗费用和氧化损失费用最低。这时，护子的能耗费用与氧化损失费用与产量的关系就较简单了，我们不难寻求最佳产量指标，使上述两项费用之和为最小〔 “ ’ 。炉子的节能改造是对原来设计方案的补充和修正。节能改造的目标是节能，因此节能改造方案的选择属于前面所述的寿命周期费用最佳化的第二种形式，也就是改造后所节约的燃料费用应超过节能改造投资费用，并取得最大经济效益的方案才是最优的。结论在用经济观点分析热能设备寿命周期费用的基础上，综合考虑技术因素、经济因素和能源因素，并将设备一生中的各个阶段有机地联系在一起，能够比只考虑技术因素或经济因素的传统方法更全面、更科学地分析和评价设备，并做出优化设计和管理。参考文献韩小良等钢铁，，日比宗平寿命周期费用评价法。北京机械工业出版社，韩小良，韩良智。能源系统的寿命周期经济学。中国金属学会热能与热工学会第六届年会论文，抚顺，。。。，韩小良评价加热炉技术经济性能的两个新指标，首届全国青年热能一与热工学术会论文，锦州，徐扬光设备综合工程学概论北京国防工业出版社，韩小良，韩良智冶金能源，，飞工卜