基于全寿命周期成本模型的矿用变压器成本分析

暴瑞洁

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 屯留 046100）

引言

矿用变压器直接决定着煤炭企业的电力供应，它运行的可靠性和经济性是煤矿管理人员关心的重点。徐玉琴、张媛、田建伟、于继来等[1-4]学者分别就变压器的周期成本进行了评估研究，并取得了丰硕成果。在矿井电力系统中，一般情况下矿用变压器的预期寿命在30年左右，受矿井中各种环境因素的限制，矿用变压器的使用寿命会大大降低。如果矿用变压器运行以及维护得当，它的寿命可以得到延长，从而提高变压器使用的经济性。

1 全寿命管理周期概念及成本管理理论

全寿命周期成本管理是从项目开始到项目结束整个过程的全部成本考虑的，对设备或者系统全方位地进行控制，使全寿命周期成本管理成本最小化的一种管理方法[5]。由于受煤矿自身复杂环境的影响，煤矿用电量的逐年增加导致煤矿电力的损耗越来越大，受煤矿周围环境的限制，变压器的寿命周期不能延长至预期的时间，增加了煤矿企业的资金投入。因此，在减少矿用变压器能量消耗的同时增加使用寿命对煤矿企业具有重要意义。

2 全寿命周期成本模型的构建

矿用变压器的成本回收计算可以依据工程经济理论进行，也就是将矿用变压器全寿命周期内的投入全部转换成矿用变压器运行时的成本投入，全寿命周期成本可以由投资成本、运用成本以及报废成本构成。矿用变压器的全寿命周期成本模型的解析图如图1所示。

2.1 初始投入成本（CI）

采购、安装和调试等费用构成了矿用变压器的初始投入成本。采用工程估算方法对矿用变压器初始投入各项费用逐项叠加进行估算。矿用变压器的初始投入成本费用的估算模型如公式（1）所示。

图1 矿用变压器的全寿命周期成本模型解析图

式中，CIE为设备采购费用；CII为安装、调试费用；CI0为其他费用。

2.2 运行维护成本（CO）

运行维护成本指矿用变压器整个服役周期内的总的运行维护费用，其工程估算费用模型如式（2）所示。

式中，CO1为能耗费用；CO2为运行维护费用，含人工费、材料费、检测费等。

2.2.1 能耗费用（CO1）

能耗费用指的是正常工作过程中矿用变压器损耗的能量费用，其具体算法如公式（3）所示。

矿用变压器辅助损耗费用如公式（4）所示：

式中：P为空载损耗的等效年费用；P0为空载损耗（kW）；PB为辅助年损耗费用；Pk负载损耗，kW；β为平均负载率；η为年负荷损耗率；tmax为年最大负荷利用时间；Ee为电价，元/kWh。

则能耗费用CO1的折现计算公式为：

式中：kpv为折现率；CO1为矿用变压器折算到现值的能耗费用。

2.2.2 运行维护费用（CO2）

根据工程估算可以得出矿用变压器服役期间的运行维护费用数学模型，具体如公式（6）所示。

式中，COP为例行大修费用，根据经验矿井变压器投入运行五年内需要进行一次大维修，之后大致每隔十年进行一次大修维护；COE表示例行检修费用，每年检修一次。

例行检修费用COE可由公式（7）得出：

式中:COE为例行检修投入；t为矿用变压器运行时间；α为例行检修费用以初始购入费用为基准的系数；CIE为矿用变压器的初始投资成本；tr为变压器的使用年限。

在tN时刻进行的矿井变压器大修的费用折算到现值的表达式：

式中：w1为矿井变压器大修所花费的费用。

2.3 故障成本（CF）

矿用变压器的故障成本包括停电损失成本以及故障恢复成本两个部分。故障成本是指矿井变压器在运行过程中发生故障而造成停电并由此带来的维修费用、电费损耗和生产进度耽置等。

式中：φ为矿用变压器设备平均故障数；T为矿用变压器设备年故障中断时间；W为矿用变压器设备故障中断供电功率；CR为矿用变压器故障平均修复成本；TMTR为矿用变压器平均修复时间；γ为煤矿平均中断供电电量的价值。

2.4 报废成本（CD）

矿用变压器报废时处理的人工费用、设备费用以及环保费用和残值等构成了矿用变压器的报废成本。通常矿用变压器的报废成本可由工程估算模型公式（10）得出。

式中：CD为矿用变压器报废处置成本；CDT为矿用变压器报废处理费用；CDR为报废时设备剩余的残值，t为服役的年限。

矿用变压器报废时的工程估算模型为：

式中：CCR为矿用变压器的清理费费率；CID为矿用变压器设备安装的直接工程费用。

矿用变压器报废时的残值工程估算模型为：式中：CIE为矿用变压器的购置费用；RE为残值率。

2.5 基于折现率的全寿命周期等年费用折算

折现率是指将一定时限内的预估收益折算成成现值的比率。矿用变压器成本分析模型的实际运用就通过对比折现率与基准利率来决定矿用变压器的具体服役时限。矿用变压器服役时限为te年的全寿命周期成本等年回收成本CLC的工程估算表达式如公式（13）所示：

根据全寿命周期成本等年回收成本的工程估算模型可知，矿用变压器的服役时限与设备的初始投入大小、设备的报废成本有很多的关联性；矿用变压器的服役时限也与设备服役时的维修成本有关系；矿用变压器的安全运行的维护成本及服役时限决定了矿用变压器的故障成本构成。

2.6 矿用变压器检修决策方法流程

矿用变压器的检修、决策主要由数据收集、研判、评估、建立模型及检修决策等部分组成，具体如下：

1）收集变压器实时运行状态量数据；

2）研判收集的实时运行状态量数据；

3）根据研判结果，对变压器的绝缘状态进行评估；

4）根据建立的绝缘状态评估模型制定针对评估结果的检修决策方式；

5）应用全寿命周期理论模型制定矿用变压器检修决策。具体的检修及决策流程如图2所示。

图2 检修及决策示意图

3 结语

随着我国科学技术的不断发展，煤炭企业的现代化及机械化程度有了更进一步的提高。矿用变压器作为矿井供电的中枢，在煤炭企业的安全生产运行中扮演着重要的角色。减少矿用变压器的成本投入，进而减少矿井的支出，因此有必要对矿用变压器进行基于全寿命周期成本模型的成本分析，这样不仅可以增加矿用变压器的服务期限，而且可以有效减少矿井的投入，这对现阶段矿井降本增效具有重大意义。