凉水井煤矿余热利用全生命周期成本分析*

曹 龙

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西 神木 719319)

0 引言

凉水井矿业公司贯彻国家在“十三五”规划中提出的积极推动矿区低碳发展的要求，响应政府调整能源消费结构、优先开发利用优质的可再生清洁能源的环保政策[1]，对矿区工业场地、二号风井广场的10 t/h燃煤锅炉进行拆除。同时，结合矿井实际情况，对煤矿特有的井下回风余热、井下涌水余热、空压机余热等清洁能源进行回收再利用，替代燃煤锅炉为场区生产、生活供暖。为了对该项目进行科学的评价，总结先进经验，提高项目后期运行的管理水平，使有限的资源得到最佳配置。本文结合国家环保要求，对项目方案及备用方案的设计投资、土建成本、设备费用进行了实地调研、概算，对方案的运行能耗、管理维护成本进行了详细计算，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 项目(方案)投资、运行费用概算

凉水井矿业公司建设清洁能源余热利用项目的目的及意义在于：在满足国家环保要求的前提下[3]，解决公司目前所面临的2个急需解决的实际问题。一是因矿井发展的需要，工业场地采暖建筑物较前期设计增多，现有的锅炉供热已经明显不能满足工业场地采暖负荷。二是根据2018年9月份陕西省下发的《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战3年行动方案(2018—2020年)》通知要求“……全省不再新建每小时35蒸吨以下的燃煤锅炉……加大燃煤小锅炉及茶水炉、经营性炉灶、储粮烘干设备等燃煤设施淘汰力度，陕南、陕北淘汰每小时10蒸吨及以下燃煤锅炉……”，公司工业场地、二号风井广场10 t/h燃煤锅炉面临拆除，场区供暖问题急需解决。

煤矿场区采暖问题牵扯到矿井的安全生产及职工的身体健康，属于必须解决且刻不容缓的问题。根据政策要求可以捕捉到2点信息:一是10 t/h燃煤链条蒸汽锅炉属于政策明令淘汰范围，必须执行；二是面对场区供暖不足问题，要么新建35 t/h锅炉，要么充分利用乏风源、矿井水源等一系列的余热替代燃煤小锅炉的使用。在满足国家环保要求的前提下，对能够解决矿区目前供暖问题的新建35 t/h锅炉方案及新建余热利用项目的一次性投资费用进行估算[4]。

1.1 一次性投资概算

1.1.1 清洁能源余热利用项目投资概算

凉水井煤矿矿井余热利用项目主要分为工业场地压风机余热利用、工业场地乏风余热利用、工业场地井下水余热利用及二号风井广场乏风余热利用4部分投资。投资项目主要包含设计费、设备购置费、材料费、安装费、配套土建费等以下几个方面。

设计费：包含前期调研、设备选型、整体方案设计、施工图设计等费用。

设备、材料购置费：包括用乏风余热系统、水源热泵、井口空气加热机组、空气压缩机余热回收机、余热利用系统辅机的各种泵类、水箱、高低压配电系统、控制系统及系统各类管道、支架、阀门、保温材料、室外热力管网主干线管道改造等。

安装费：包括所有机电设备、管网、配电、控制部分等的安装。

配套土建费：包括原有锅炉房设备拆除并新建土建基础，主、副井空气加热室改造,乏风出风口取热室施土建工等。

凉水井煤矿清洁能源余热利用项目总投资概算见表1。

表1 凉水井煤矿清洁能源余热利用项目总投资概算

1.1.2 新建35 t/h燃煤蒸汽锅炉方案投资概算

前文所述，根据环保要求，凉水井煤矿要解决目前供暖能力不足问题需要在工业场地、二号风井广场各新建一台35 t/h燃煤蒸汽锅炉。投资项目主要包含设计费、设备购置费、材料费、安装费、配套土建费等方面。

设计费：包含整体方案设计、施工图设计等费用。费用按照项目总投资的1.5%取值。

设备、材料购置费：包括锅炉本体、上煤系统、除渣系统、除尘、脱硫、脱硝系统等，高低压配电系统、控制系统及各类管道、支架、阀门、保温材料等。

安装费：包括所有机电设备安装工程、管道安装工程、配电安装、控制安装等。

配套土建费：两边场地的旧锅炉拆除及新建设备基础等。

凉水井新建35 t/h燃煤蒸汽锅炉系统投资概算见表2。

1.1.3 2种方案初步投资对比

根据以上方案的总投资概算情况，比较余热利用系统和传统的新建燃煤锅炉系统的总投资概算，如图1所示。

图1 2种方案初步投资概算对比Fig.1 Comparison of preliminary investment estimates of two schemes

1.2 年运行费用概算

1.2.1 清洁能源余热利用项目年运行费用概算

该系统年运行费用主要由电费、人工工资、设备维护保养费用等。耗电费用见表3(因空压机余热利用设备功率较小，耗电量忽略不计)。

表3 清洁能源余热利用项目年耗电费用概算

1.2.2 新建燃煤锅炉方案年运行费用概算

该系统主要包括耗煤费用、电费、人工工资、设备维护保养费用等。经查阅35 t/h锅炉资料，该型号锅炉蒸汽成本为120元/t(包括燃煤、耗水耗电、烟气处理费、人工费、排污费、垃圾处理、年度检修等所有费用)。

工业场地锅炉年运行费用计算：新建燃煤锅炉系统总承担热负荷16 100 kW(根据场区热负荷计算)，折合蒸汽26.8 t/h，锅炉运行负荷最大为84%，即可满足供暖要求。按照采暖季节运行144 d，每天运行时间按24 h，最大运行负荷84%、全年平均负荷率为0.65(同余热利用系统取值)，蒸汽成本120元/t计算，工业场地35 t/h锅炉全年理论运行费用为793万元。

二号风井锅炉年运行费用计算：新建燃煤锅炉承担总热负荷6 182 kW(根据场区热负荷计算)，折合蒸汽10.3 t/h，即锅炉运行负荷不小于30%即可满足供暖要求。按照采暖季节运行144 d，每天运行时间按24 h，最大运行负荷30%、全年平均负荷率为0.65(同余热利用系统取值)，蒸汽成本120元/t计算，二号风井广场35 t/h锅炉全年理论运行费用为283万元。

所以，新建燃煤锅炉方案全年理论运行总费用为1 076万元。

1.2.3 2种方案年运行费用对比

根据以上方案的总投资概算情况，比较清洁能源余热利用项目和传统的新建燃煤锅炉方案的总投资概算，如图2所示。

图2 2种方案年运行费用对比Fig.2 Comparison of annual operation cost of two schemes

清洁能源余热利用项目虽然比新建35 t/h锅炉方案一次性投资大，但在年运行费用方面却远远小于新建35 t/h锅炉系统。

2 LCC 分析

2.1 LCC模型的建立

前文通过对新建35 t/h锅炉方案及清洁能源余热利用项目的一次性投资费用及年运行费用进行了详细的概算，得出了余热利用系统比35 t/h锅炉系统一次性投资大但年运行费用小的结论。本节将从系统全生命周期成本角度进行详细分析。

LCC(全生命周期成本，Life Cycle Cost，简称LCC)，也被称为全寿命周期费用[6]。是指工程、项目、方案、产品等在理论使用年限期间所发生的所有有关成本，在工程、方案中生命周期成本一般包括设计、采购、施工、竣工、使用、维护、残值处置等一切能够直接体现为经济费用的总和。

需要明确的是，全生命周期成本的费用并不是只在投资初期或者项目施工期一次性投资发生，它是在产品(项目)的整个寿命周期内按时间序列发生的，直至最终使用结束。这就需要分析中考虑“资金的时间价值”的概念，将产品(项目)在整个寿命周期内发生的费用统一折算成初投资现值(NPV)或等值年费用(EUAC)[7]。将LCC(全生命周期成本)的理念应用到本文余热利用系统的设计中，从经济方面考虑新建35 t/h锅炉系统还是新建余热利用系统来实现整个方案的最优选择，为设计方案能够合理的应用提供理论依据。

分析工程(设计方案)的全生命周期成本的首要工作就是建立相关成本的数学模型，一般需要考虑一次性建设成本、系统年运行成本、废弃成本、残值、资本回收系数等因素。故建立全生命周期模型如下[8]

(1)

(2)

式中，LCC为全寿命周期成本，万元；FR为资本回收系数；CI为一次性建设成本，万元；COt为年运行成本，万元；CD为废弃成本，万元；S为残值，万元；It为t年度的通货膨胀率；n为系统寿命周期，年；t为时间变量；i为折现率。

工程(设计方案)的全生命周期成本主要由包括一次性建设成本(方案设计、设备采购、机电安装、土建施工、竣工验收等成本)、系统运行成本(工程交付后使用的电费、材料费、燃煤、正常维护保养、废弃物处理等)组成[9]。建设成本和运行成本是影响方案经济性的主要因素。因残值属于固定资产范畴，且项目牵扯固定设备、设施较多，目前设计方案阶段无法进行明确计算，该处不予考虑。同时，因目前通货膨胀率无法进行明确的计算，该处同样不考虑通货膨胀率。可简化LCC公式为

(3)

假设方案运行期间相关能源价格、人力成本均不作变动，在该情况下，为了更加简便地进行计算，可将全生命周期成本计算模型的公式进行如下简化

(4)

2.2 LCC的计算比较

由于本方案为建设初期阶段的设计方案，前文中已通过实地调研法、参数法对前期场区供热需求实际余热供热能力进行计算，得到相关理论数据，指导了方案的选型[10]。通过类比法、实地调研法对相关设备价格、建设成本进行了厂家咨询，得到了较为准确的数据，得出了项目建设一次性投入成本；通过参数法、工程法在系统运行能耗、管理维护成本方面进行了详细的计算[11]，参考同类型工程运行数据，得出了项目年运行成本。

通过咨询厂家及类比同类型设备运行经验，对相关数据进行如下合理取值：清洁能源余热利用系统机组寿命取值20 a，燃煤锅炉系统机组(包含环保处理系统机组)寿命取值20 a。根据目前工程通用取值，取折现率(可看作管理的报酬)为6.5%，废弃成本率取值5%[12]。分别对余热利用系统方案、燃煤锅炉系统方案在满足相应设计负荷下的全寿命周期成本进行计算。

2.2.1 清洁能源余热利用项目全生命周期成本

根据前文计算结果，对于余热利用系统方案，机组寿命取值20 a，一次性建设成本为6 484万元，年运行成本为735万元得出，余热利用系统方案全生命周期成本约为14 661.1万元，全生命周期平均年费用为733万元。

2.2.2 燃煤锅炉系统方案全生命周期成本

根据前文计算结果，对于燃煤锅炉系统方案，机组寿命取值20 a，一次性建设成本为5 796万元，年运行成本为1 076万元得出，燃煤锅炉系统方案全生命周期成本约为17 714万元，全生命周期平均年费用为886万元。可知清洁能源余热利用项目LCC(773万元)<燃煤锅炉系统方案LCC(886万元)。

经过对清洁能源余热利用系统及新建35 t/h锅炉方案进行全生命周期成本分析，虽然余热利用项目比35 t/h锅炉方案一次性投资大，但因为年运行费用小，后期运行维护费用少等优点，余热利用项目全生命周期平均年费用远远小于35 t/h锅炉系统，经济效益特别明显[13]。所以，从长远角度分析，清洁能源余热利用项目是解决目前凉水井煤矿供暖及环保问题的最佳选择。

3 结论

(1)通过实地调研法、类比法对相关设备价格、建设成本进行调研，得到较为准确的数据，计算出2个方案一次性投入成本概算。

(2)通过参数法、工程法对2个方案的运行能耗、管理维护成本进行详细计算，参考同类型工程运行数据，计算出项目年运行成本概算。

(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。通过计算，得出虽然余热利用系统比35 t/h锅炉系统一次性投资大，但因为年运行费用小，所以全生命周期平均年费用要远远小于35 t/h锅炉系统。从长远角度分析，清洁能源余热利用项目经济效益明显。