趙瀟然，葉斌，李闊，汪力，陳志勇

（1.北控水務(wù)<中國>投資有限公司，北京 100102；2.北控<杭州>生態(tài)環(huán)境投資有限公司，浙江 杭州 311100）

1 前言

在污水處理廠的新建或技改工程中，設(shè)備選型是關(guān)鍵問題之一。在滿足技術(shù)要求條件下，現(xiàn)有選型方法多以比選設(shè)備初期采購成本為主。水泵作為污水處理廠的核心設(shè)備，運(yùn)行能耗成本較高，也不可避免地存在維護(hù)保養(yǎng)、維修大修的成本。因此，僅比選初期采購成本不利于對水泵全生命周期的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評價和比較。

全生命周期成本包含設(shè)備采購、安裝、運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)、維修大修到報廢的總成本，并在評估時考慮貨幣的時間價值進(jìn)行折現(xiàn)。國際電工學(xué)會在IEC 60300《可靠性管理》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了全生命周期成本評價的整體流程。國內(nèi)對于全生命周期成本理論的研究多應(yīng)用于電力設(shè)備。童欽等的研究將全生命周期的理念應(yīng)用于水處理工程造價研究中，但未給出詳細(xì)的模型研究，尚不能指導(dǎo)具體的經(jīng)濟(jì)性分析。黃輝等的研究將全生命周期成本理論應(yīng)用于水務(wù)工程投資方案的比較。郝曉地等的研究結(jié)合全生命周期成本理論與環(huán)境影響評價和生態(tài)效益評價等方法，研究了地下式污水廠的綜合效益。樊明哲等運(yùn)用設(shè)備全生命周期理論分析水泵經(jīng)濟(jì)性，但尚未采用設(shè)備實(shí)際發(fā)生的成本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。目前結(jié)合全生命周期成本理論并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對選型模型進(jìn)行修訂與完善仍有待進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合潛水泵特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備全生命周期成本理論，從經(jīng)濟(jì)性評價角度建立選型模型；收集27臺已投用的典型型式潛水泵設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)，明確參數(shù)測算方法，并應(yīng)用該模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價與比較，驗(yàn)證了選型模型的適用性和可行性，為后續(xù)模型在設(shè)備選型中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 設(shè)備全生命周期成本理論

根據(jù)IEC 60300《可靠性管理》標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 26921《電機(jī)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、泵、空氣壓縮機(jī)）優(yōu)化設(shè)計指南》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備全生命周期成本主要包括初始安裝成本和使用成本等。其中，初始安裝成本往往在設(shè)備采購、到貨安裝環(huán)節(jié)一次性支出，使用成本則發(fā)生在設(shè)備投用到退役的各個年度。為考慮資金的時間價值，全生命周期成本理論將設(shè)備投用后各年度發(fā)生的成本用統(tǒng)一的折現(xiàn)率折現(xiàn)到初始年份進(jìn)行評價，如式（1）。

式中，LCC為設(shè)備全生命周期成本，PC為初始安裝成本，OCt為每年使用成本，t為使用年份，i為折現(xiàn)率。

初始安裝成本主要包含采購成本、安裝成本和驗(yàn)收成本等，其中采購成本包括設(shè)備的價格及稅費(fèi)，安裝成本包括發(fā)生的運(yùn)雜費(fèi)、安裝所需物料及人工成本，驗(yàn)收成本包括涉及的物料及人工成本等。

使用成本主要包含設(shè)備的運(yùn)行能耗成本、維護(hù)保養(yǎng)成本和維修大修成本等。運(yùn)行能耗成本主要指設(shè)備使用中的水、電、氣耗用成本，維護(hù)保養(yǎng)成本主要指對設(shè)備日常巡檢、潤滑防腐等工作產(chǎn)生的物料和人工成本，維修大修成本主要指對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修、故障性維修和解體大修工作產(chǎn)生的物料和人工成本。由于設(shè)備運(yùn)行情況差異，每年的使用成本都會有一定波動。

折現(xiàn)率為考慮通貨膨脹率和年利率的貼現(xiàn)率，折現(xiàn)率是影響全生命周期評價結(jié)果的重要邊界條件，其計算式如式（2）。

式中，r為通貨膨脹率，R為年利率。

3 潛水泵選型模型建立

由全生命周期成本理論可知，設(shè)備全生命周期成本中的關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)備壽命、初始安裝成本、使用成本和折現(xiàn)率。為建立適用于潛水泵的選型模型，需要基于上述理論，確定關(guān)鍵參數(shù)的測算方法。

3.1 優(yōu)化設(shè)備壽命影響的年值選型模型

由于不同品牌、不同型式的潛水泵預(yù)期使用壽命不一致，為便于統(tǒng)一評價、消除年限對選型的影響，在選型模型中采用年值分析算法進(jìn)行優(yōu)化。年值分析算法是按照折現(xiàn)率，將每年發(fā)生的使用成本折算成各年等額年金序列。

式中，ALCC為設(shè)備全生命周期成本年值。在本文的潛水泵選型模型中，成本年值越小代表其經(jīng)濟(jì)性越好。

采用年值分析算法可以統(tǒng)一時間口徑，消除壽命對評價結(jié)果的影響。本文將針對設(shè)備壽命對全生命周期成本的影響進(jìn)行敏感性分析。

3.2 初始安裝成本測算方法

根據(jù)式（1）和式（3），初始安裝成本包含采購成本、安裝成本和驗(yàn)收成本。在選型模型中，初始安裝成本直接由設(shè)備財務(wù)原值記錄確定。

3.3 使用成本測算方法

使用成本包含運(yùn)行能耗成本、維護(hù)保養(yǎng)成本和維修大修成本。對于潛水泵而言，運(yùn)行能耗成本主要是其發(fā)生的電費(fèi)成本。但該項(xiàng)成本受到設(shè)備運(yùn)行工況和各地電價的影響較大，即使按照不同功率規(guī)格進(jìn)行分級比較，仍需統(tǒng)一能耗評價標(biāo)準(zhǔn)。因此，在本文選型模型中，針對不同功率規(guī)格水泵規(guī)定對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)水量、揚(yáng)程和電度電價，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的千噸水提升一米能耗，測算其運(yùn)行能耗成本。

在潛水泵維護(hù)保養(yǎng)成本和維修大修成本中，物料成本均有實(shí)際發(fā)生的記錄。由于實(shí)際維護(hù)維修過程中，往往難以區(qū)分員工用于單臺設(shè)備維護(hù)維修的工作時間；且各地人工薪酬水平差別較大，難以統(tǒng)一比較。因此，在選型模型中，對于自行承擔(dān)的維護(hù)維修成本之中的人工成本部分，根據(jù)與實(shí)際物料成本1:1的比例進(jìn)行測算。委外維修物料與人工成本根據(jù)實(shí)際財務(wù)費(fèi)用記錄確定。

3.4 折現(xiàn)率測算方法

折現(xiàn)率由通貨膨脹率和年利率根據(jù)式（2）計算得來。本文中采用2016年至2020年我國平均消費(fèi)者價格指數(shù)（CPI）數(shù)值2.2%作為通貨膨脹率，采用現(xiàn)行5年期以上金融機(jī)構(gòu)人民幣貸款基準(zhǔn)利率數(shù)值4.9%作為年利率，以此為基礎(chǔ)確定折現(xiàn)率i為2.64%。本文將針對不同折現(xiàn)率取值對結(jié)果的影響進(jìn)行敏感性分析。

4 選型模型應(yīng)用與驗(yàn)證

4.1 應(yīng)用對象

為驗(yàn)證上述選型模型在潛水泵經(jīng)濟(jì)性評價與比較中的適用性。本文選取共11個品牌、4類規(guī)格的27臺潛水泵，根據(jù)其實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用模型進(jìn)行分析。每類設(shè)備的數(shù)量如表1。

表1 研究水泵規(guī)格情況

4.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)節(jié)2.3的使用成本測算方法，運(yùn)行能耗成本需要采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測算。針對本文研究對象的4類規(guī)格潛水泵，統(tǒng)計各臺水泵每年實(shí)際運(yùn)行的千噸水提升一米能耗數(shù)據(jù)，再對同一規(guī)格的水泵采用標(biāo)準(zhǔn)流量和標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)程進(jìn)行能耗折算。為統(tǒng)一電價影響，不考慮基本電費(fèi)，并采用標(biāo)準(zhǔn)電度電價進(jìn)行能耗成本分析。運(yùn)行能耗成本分析具體邊界條件如表2。

表2 運(yùn)行能耗成本分析邊界條件

4.3 結(jié)果分析

本文潛水泵選型模型的成本構(gòu)成主要包括初始成本、能耗成本和維護(hù)維修大修成本三大類別。對同一規(guī)格水泵測算的成本年值進(jìn)行平均分析，得到全生命周期成本構(gòu)成占比，如圖1所示。其中占比最高的成本為能耗成本，所占比例約為90%～95%；其次為初始成本，但占比已不足6%；維護(hù)維修大修成本占比最低。由此可見，對于潛水泵而言，其能耗水平對全生命周期成本的影響至關(guān)重要。

圖1 各規(guī)格水泵全生命周期成本構(gòu)成

針對各規(guī)格水泵，分別分析其不同品牌型號水泵的全生命周期成本，如圖2所示。其中品牌型號第一位字母代表品牌，后兩位數(shù)字代表型號。由于能耗成本在全生命周期成本中占最主要比例，各臺水泵平均的全生命周期成本絕對值隨功率規(guī)格增加而增加，且不同品牌型號之間的成本差距也隨之增加。

圖2 不同品牌型號水泵全生命周期成本

以55kW規(guī)格水泵為例進(jìn)行具體分析。本文研究對象中，F(xiàn)、A、G、W均為進(jìn)口品牌；其中F和A在各規(guī)格下都具備比較明顯的全生命周期成本優(yōu)勢，主要因?yàn)槠渌玫哪苄捷^為優(yōu)越，在能耗成本上有較大節(jié)約。在國產(chǎn)品牌中，N和L為使用范圍較廣的品牌，其優(yōu)勢在于初始成本低，因此在采購時頗受青睞。但是綜合全生命周期成本分析，由于能效水平與F和A這樣的進(jìn)口品牌有一定差距，全生命周期成本仍相對較高。由此可見，設(shè)備采購選型時如果只考慮初始采購費(fèi)用，不利于降低設(shè)備全生命周期的成本，不利于設(shè)備長期使用的運(yùn)營成本節(jié)約。

對于同一品牌的水泵，不同型號產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中成本仍有差異，差異在維護(hù)維修大修成本也有所體現(xiàn)。因此在采購選型時，應(yīng)與供應(yīng)商溝通所選型號的維護(hù)周期和大修周期，以及所需要的配件及費(fèi)用，應(yīng)用潛水泵選型模型進(jìn)行測算，詳細(xì)評估設(shè)備的全生命周期成本。

由此可見，本文建立的潛水泵選型模型可以切實(shí)地分析水泵全生命周期的成本構(gòu)成，從長期經(jīng)濟(jì)性運(yùn)營角度有助于降低全生命周期設(shè)備成本，為優(yōu)選設(shè)備選型提供基礎(chǔ)。

4.4 參數(shù)敏感性分析（表3）

表3 敏感性分析

為研究邊界條件設(shè)置對選型模型的影響，選取不同的折現(xiàn)率和設(shè)備壽命條件，以55kW規(guī)格水泵為例，計算全生命周期成本及其構(gòu)成。當(dāng)折現(xiàn)率與設(shè)備壽命的變化幅度一致時，設(shè)備平均全生命周期年值在設(shè)備壽命變化時變化幅度相對較大，但全生命周期指標(biāo)變化幅度不超過這兩類不確定因素變化幅度的4%。因此，在實(shí)際模型應(yīng)用中，選型時不易預(yù)判的折現(xiàn)率變化和設(shè)備壽命變化這兩類不確定因素對全生命周期成本的影響不大。在選型時需要預(yù)測未來情況的前提下，該模型仍具備較強(qiáng)的可行性。

5 結(jié)語

本文針對污水廠關(guān)鍵高耗能設(shè)備水泵，基于全生命周期成本理論，建立了可用于經(jīng)濟(jì)性比較的選型分析模型；根據(jù)27臺潛水泵實(shí)際運(yùn)行成本數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該模型的適用性，并研究了各參數(shù)的測算方法和關(guān)鍵參數(shù)的影響程度。

結(jié)果顯示，運(yùn)行能耗成本在水泵設(shè)備全生命周期成本中占比最高，其次為初始采購安裝成本，再次為維護(hù)維修大修成本。部分潛水泵盡管初始成本低，前期具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，但由于能效水平欠佳，其全生命周期成本相對較高。敏感性分析結(jié)果表明，與折現(xiàn)率相比，設(shè)備壽命邊界條件對全生命周期成本年值影響相對較大，但兩類因素對全生命周期成本年值的影響程度均不超過4%。在潛水泵選型時，不應(yīng)僅比較初始采購安裝經(jīng)濟(jì)性，而應(yīng)采用基于全生命周期成本理論的選型模型，比較全生命周期的經(jīng)濟(jì)性，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在整個運(yùn)行周期的最大收益。