核電設備長期運維方案的經濟性分析方法研究

曹國暢，呂方明，姜 赫，余桐泉，徐 中

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

安全、可靠、經濟地運行是核電廠運營的基本要求，也是核電設備管理的核心內容。長期以來，我國核電運營單位始終將安全性和可靠性放在設備管理的突出位置。無論是日常維護、停機檢修等廠內活動，還是國家監管的外部要求，都集中體現了這種管理理念。但運營的經濟性未得到足夠的重視。

為實現核電廠投資收益最大化，美國EPRI開發了壽期管理(LCM)技術[1-4]。長期運維方案的經濟性評價是LCM工作的核心內容之一，從電廠財務預算的角度給出多個經濟性指標，通過多重比較定量展示多個維修方案的成本費用。

本文介紹了EPRI發布的長期運維方案經濟性分析的主要內容和成本模型的構建方法，通過算例來討論長期運維方案經濟性分析的關鍵問題，結合我國核電廠運維的實際情況，給出具體的意見和建議。本文的研究內容和結論，有助于我國核電廠以成本為重要參數制定長期運維方案，對建立經濟性分析的通用方法具有重要的指導意義。

1 經濟性分析方法

針對設備運維歷史中存在的性能老化和過時等影響經濟運行的問題，結合設備預期壽命，可以制訂多種長期(如10年或20年)的維修方案，其價值模型如圖1所示，長期運維方案主要涉及的事項包括計劃停機、SSC(system，structure and component)失效、預防性維修(Preventive Maintenance，PM)和重大改造/更換。

圖1 長期運維方案的價值模型

文獻[5]給出了圖1所示模型中預防性維修成本、糾正性維修成本、產能損失以及性能提升帶來的產能收益的計算方法。另外，為比較各長期運維方案的經濟性，EPRI推薦收益投資比(Benefit-to-Investment Ratio，BIR)方法，如式(1)所示。其中，CLP為產能損失，CCM為糾正性維修費用，CPC為性能提升引起的產能收益，CPM為預防性維修成本，下標備選和基準分別代表備選方案和基準方案。

(1)

2 示范算例

為分析上述模型中的關鍵問題，本節給出了美國Comanche Peak電廠[6]的算例，LCM對象是該廠1號機組主發電機和勵磁機。針對40年運行策略(正常許可證期限，不延壽)，該廠制訂的LCM方案如下：

1)A方案：基準方案，執行當前維修計劃，不做重大投資；

2)B方案：優化當前維修計劃，在1RF10期間更新在線監測系統，在1RF15期間轉子重新繞組、電壓調節器數字化更新；

3)C方案：優化當前維修計劃，在1RF10期間更新在線監測系統，在1RF15期間采購新的轉子、新的勵磁機和數字電壓調節器；

4)D方案：優化當前維修計劃，在2005年采購備用轉子，在1RF15期間(2011)采購新的勵磁機和數字電壓調節器。

文獻[6]中刪除了部分敏感數據，本文對這部分輸入數據做如下假定，機組額定電功率為1 200 MW，上網電價為50$/MWh，人工費用單價為50$/h，工資浮動率為0/a，貼現率為3%/a，通貨膨脹率為6%/a。

上述4個方案的總成本如圖2所示，各方案的年度成本如圖3～圖6所示。由計算結果可知，各方案的總成本由大到小的順序為A、B、C、D；B、C、D方案的收益投資比分別為1.41、1.97、2.36，D方案的經濟性在4個方案中最好；A方案的成本分布較B、C、D均勻，但其各年度的成本幅值相對較高；B、C、D方案中存在重大改造/更換事項的年度成本非常突出，由于D方案將重大改造/更換事項分解到兩個不同的年度執行，與B、C方案相比降低了一次性投資成本。綜合比較，D方案為最優方案，建議電廠在必要的審查之后付諸實施。

圖2 各方案的總成本柱形圖

圖3 方案A各年度成本柱形圖

圖4 方案B各年度成本柱形圖

圖5 方案C各年度成本柱形圖

圖6 方案D各年度成本柱形圖

3 討論

上述經濟性模型、計算方法和算例均來自EPRI發布的技術報告，將其應用到我國核電廠時，還存在下述問題需要特別注意。

3.1 失效率

失效率函數表示設備每年的失效次數。計算失效成本時，應注意如下事項：1)失效成本的計算，包括由設備失效產生的糾正性維修費用和由其造成的非計劃停機產生的產能損失；2)維修活動對失效率的影響，包括失效率函數類型的選擇、考慮行業經驗的失效率數值的確定以及設備重大改造/更換節點前后不同的失效率對年度成本的影響。

3.2 換料周期問題

本文算例中，EPRI給出的機組換料周期為18個月，換料大修工期安排在這18月的開端，這種處理便于制定未來的大修計劃，確定大修成本發生年份。但是，我國核電機組的換料周期和大修工期的計算有其自身特點：1)機組換料周期是指機組在額定負荷下運行的理論時長，但機組在運行期間存在負荷波動，計劃時長可能增加；2)機組大修存在首年大修、年度大修、5年大修和10年大修等類型，每種大修的工期存在差異，缺少規律性；3)不同大修類型包含的活動內容存在差別，其成本計算存在較大差異。

因此，國內核電廠制訂機組長期維修計劃時應充分考慮其原有的計劃管理政策，采用圖7所示的規律預測未來的大修規劃，并按照該規劃中每個年度涵蓋的維修項目計算年度成本。注意，按照上述方式預測未來大修計劃時，可能發生大修跨越年度的情況，此時計算年度成本時應精確到“天”，按照各年度所占大修工期的份額分配大修費用。

圖7 大修計劃預測示例

3.3 凈現值問題

凈現值方法中的貼現率和通貨膨脹率等參數在長期預測中具有不確定性，難以獲得準確的數值。經濟性分析的目的是通過定量比較各方案的成本，確定相對趨勢。即使不使用凈現值法，也可以獲得這種趨勢比較的結果。使用本文前述算例的數據，分別采用凈現值和非凈現值法計算A和B方案年度成本的差值，如圖8所示；計算各方案的收益投資比如圖9所示。凈現值法取貼現率6%、通貨膨脹率3%；非凈現值法取貼現率和通貨膨脹率為0。

圖8 A、B方案年度成本差額變化趨勢

圖9 各方案收益投資比的變化

可以得到以下結論：凈現值法和非凈現值法計算的A和B方案的年度成本差值變化趨勢、收益投資比趨勢基本一致，只是數值大小存在差異。

4 結論

1)本文給出了長期運維方案經濟性分析的理論模型和成本計算方法，在電廠經濟性計算時應根據其運行實際情況合理選擇相應參數。

2)應考慮維修活動對失效率的影響，如失效率函數類型和參數選擇應符合行業經驗和相關研究成果、維修活動節點前后失效率存在差異。

3)制訂長期維修計劃應考慮我國核電機組實際的大修計劃管理政策，在符合要求的基礎上使其具備一定的規律性，當大修工期跨越年度時按照各年度工期份額分配有關費用。

4)對經濟性分析模型有特定要求時，為使其更加符合實際情況采用凈現值法計算成本，但應注意計算參數在長時間跨度上的不確定性；若僅需比較各方案長期經濟性相對趨勢，可以不使用凈現值法。