基于生命周期理論的水泵選型模型研究與應用

趙瀟然，葉斌，李闊，汪力，陳志勇

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

1 前言

在污水處理廠的新建或技改工程中，設備選型是關鍵問題之一。在滿足技術要求條件下，現有選型方法多以比選設備初期采購成本為主。水泵作為污水處理廠的核心設備，運行能耗成本較高，也不可避免地存在維護保養、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濟性進行綜合評價和比較。

全生命周期成本包含設備采購、安裝、運行、維護保養、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行折現。國際電工學會在IEC 60300《可靠性管理》標準中規定了全生命周期成本評價的整體流程。國內對于全生命周期成本理論的研究多應用于電力設備。童欽等的研究將全生命周期的理念應用于水處理工程造價研究中，但未給出詳細的模型研究，尚不能指導具體的經濟性分析。黃輝等的研究將全生命周期成本理論應用于水務工程投資方案的比較。郝曉地等的研究結合全生命周期成本理論與環境影響評價和生態效益評價等方法，研究了地下式污水廠的綜合效益。樊明哲等運用設備全生命周期理論分析水泵經濟性，但尚未采用設備實際發生的成本數據進行驗證。目前結合全生命周期成本理論并根據實際數據對選型模型進行修訂與完善仍有待進一步研究。

本文結合潛水泵特點，根據設備全生命周期成本理論，從經濟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備的實際數據，明確參數測算方法，并應用該模型進行經濟性評價與比較，驗證了選型模型的適用性和可行性，為后續模型在設備選型中的應用奠定基礎。

2 設備全生命周期成本理論

根據IEC 60300《可靠性管理》標準和GB/T 26921《電機系統（風機、泵、空氣壓縮機）優化設計指南》標準，設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備采購、到貨安裝環節一次性支出，使用成本則發生在設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備投用后各年度發生的成本用統一的折現率折現到初始年份進行評價，如式（1）。

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

初始安裝成本主要包含采購成本、安裝成本和驗收成本等，其中采購成本包括設備的價格及稅費，安裝成本包括發生的運雜費、安裝所需物料及人工成本，驗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備的運行能耗成本、維護保養成本和維修大修成本等。運行能耗成本主要指設備使用中的水、電、氣耗用成本，維護保養成本主要指對設備日常巡檢、潤滑防腐等工作產生的物料和人工成本，維修大修成本主要指對設備進行預防性維修、故障性維修和解體大修工作產生的物料和人工成本。由于設備運行情況差異，每年的使用成本都會有一定波動。

折現率為考慮通貨膨脹率和年利率的貼現率，折現率是影響全生命周期評價結果的重要邊界條件，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，設備全生命周期成本中的關鍵參數為設備壽命、初始安裝成本、使用成本和折現率。為建立適用于潛水泵的選型模型，需要基于上述理論，確定關鍵參數的測算方法。

3.1 優化設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期使用壽命不一致，為便于統一評價、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行優化。年值分析算法是按照折現率，將每年發生的使用成本折算成各年等額年金序列。

式中，ALCC為設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濟性越好。

采用年值分析算法可以統一時間口徑，消除壽命對評價結果的影響。本文將針對設備壽命對全生命周期成本的影響進行敏感性分析。

3.2 初始安裝成本測算方法

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

3.3 使用成本測算方法

使用成本包含運行能耗成本、維護保養成本和維修大修成本。對于潛水泵而言，運行能耗成本主要是其發生的電費成本。但該項成本受到設備運行工況和各地電價的影響較大，即使按照不同功率規格進行分級比較，仍需統一能耗評價標準。因此，在本文選型模型中，針對不同功率規格水泵規定對應的標準水量、揚程和電度電價，根據實際運行的千噸水提升一米能耗，測算其運行能耗成本。

在潛水泵維護保養成本和維修大修成本中，物料成本均有實際發生的記錄。由于實際維護維修過程中，往往難以區分員工用于單臺設備維護維修的工作時間；且各地人工薪酬水平差別較大，難以統一比較。因此，在選型模型中，對于自行承擔的維護維修成本之中的人工成本部分，根據與實際物料成本1:1的比例進行測算。委外維修物料與人工成本根據實際財務費用記錄確定。

3.4 折現率測算方法

折現率由通貨膨脹率和年利率根據式（2）計算得來。本文中采用2016年至2020年我國平均消費者價格指數（CPI）數值2.2%作為通貨膨脹率，采用現行5年期以上金融機構人民幣貸款基準利率數值4.9%作為年利率，以此為基礎確定折現率i為2.64%。本文將針對不同折現率取值對結果的影響進行敏感性分析。

4 選型模型應用與驗證

4.1 應用對象

為驗證上述選型模型在潛水泵經濟性評價與比較中的適用性。本文選取共11個品牌、4類規格的27臺潛水泵，根據其實際數據應用模型進行分析。每類設備的數量如表1。

表1 研究水泵規格情況

4.2 邊界條件設置

根據節2.3的使用成本測算方法，運行能耗成本需要采用統一標準進行測算。針對本文研究對象的4類規格潛水泵，統計各臺水泵每年實際運行的千噸水提升一米能耗數據，再對同一規格的水泵采用標準流量和標準揚程進行能耗折算。為統一電價影響，不考慮基本電費，并采用標準電度電價進行能耗成本分析。運行能耗成本分析具體邊界條件如表2。

表2 運行能耗成本分析邊界條件

4.3 結果分析

本文潛水泵選型模型的成本構成主要包括初始成本、能耗成本和維護維修大修成本三大類別。對同一規格水泵測算的成本年值進行平均分析，得到全生命周期成本構成占比，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重要。

圖1 各規格水泵全生命周期成本構成

針對各規格水泵，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規格水泵為例進行具體分析。本文研究對象中，F、A、G、W均為進口品牌；其中F和A在各規格下都具備比較明顯的全生命周期成本優勢，主要因為其水泵的能效水平較為優越，在能耗成本上有較大節約。在國產品牌中，N和L為使用范圍較廣的品牌，其優勢在于初始成本低，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，設備采購選型時如果只考慮初始采購費用，不利于降低設備全生命周期的成本，不利于設備長期使用的運營成本節約。

對于同一品牌的水泵，不同型號產品在實際應用中成本仍有差異，差異在維護維修大修成本也有所體現。因此在采購選型時，應與供應商溝通所選型號的維護周期和大修周期，以及所需要的配件及費用，應用潛水泵選型模型進行測算，詳細評估設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地分析水泵全生命周期的成本構成，從長期經濟性運營角度有助于降低全生命周期設備成本，為優選設備選型提供基礎。

4.4 參數敏感性分析（表3）

表3 敏感性分析

為研究邊界條件設置對選型模型的影響，選取不同的折現率和設備壽命條件，以55kW規格水泵為例，計算全生命周期成本及其構成。當折現率與設備壽命的變化幅度一致時，設備平均全生命周期年值在設備壽命變化時變化幅度相對較大，但全生命周期指標變化幅度不超過這兩類不確定因素變化幅度的4%。因此，在實際模型應用中，選型時不易預判的折現率變化和設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。在選型時需要預測未來情況的前提下，該模型仍具備較強的可行性。

5 結語

本文針對污水廠關鍵高耗能設備水泵，基于全生命周期成本理論，建立了可用于經濟性比較的選型分析模型；根據27臺潛水泵實際運行成本數據，驗證了該模型的適用性，并研究了各參數的測算方法和關鍵參數的影響程度。

結果顯示，運行能耗成本在水泵設備全生命周期成本中占比最高，其次為初始采購安裝成本，再次為維護維修大修成本。部分潛水泵盡管初始成本低，前期具備經濟性優勢，但由于能效水平欠佳，其全生命周期成本相對較高。敏感性分析結果表明，與折現率相比，設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，不應僅比較初始采購安裝經濟性，而應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濟性，以實現設備在整個運行周期的最大收益。