应用水库水的水电站地下厂房空调系统全寿命周期成本分析*

2021-12-02重庆大学青中国电建集团华东勘测设计研究院颜加明重庆大学林建泉肖益民

暖通空调 2021年11期

重庆大学吴青中国电建集团华东勘测设计研究院颜加明重庆大学林建泉张睿肖益民

0 引言

为了应对能源与环境问题，许多国家实施了支持可再生能源发展的政策，推进了全球能源结构从化石燃料向绿色、低碳、清洁能源的过渡[1]。我国是世界上水能资源最丰富的国家，具有水能开发利用的有利先天条件[2-3]，抽水蓄能是当前最高效、最成熟、最环保、最经济的大规模电能储存技术[4]，水力发电和抽水蓄能在我国的电力系统中具有重要的地位。

许多大中型水电站及抽水蓄能电站厂房均采用地下布置。水电站地下厂房内散热量较大，设备对工作环境有一定的要求，需采用通风空调系统来保证厂房内各区域的环境参数满足标准规定[5]。基于水电工程的特殊性，利用水库水等自然冷源，不仅能减少空调设备的装机容量，还能提升经济效益[6]。目前水库水在水电站空调系统中已有多种应用形式[7]，如直接作为空调冷水、冷水机组或多种不同形式的直膨式空调设备的冷却水等，典型案例有龙滩水电站[8]、锦屏一级水电站[9]、宝泉抽水蓄能电站(1)颜加明. 宝泉抽水蓄能电站空调及除湿系统设计[G]∥全国水利水电暖通空调信息网.水电暖通空调技术(18).北京,2010：16-18等。但由于不同水电站装机容量、布置形式、水温条件等存在差异，水库水的应用形式也有多种选择，如何根据水电站的实际条件选择适宜的应用形式，是亟待解决的问题。

全寿命周期成本(LCC)分析是目前应用最广泛的工程决策评价方法[10-11]。本文将LCC分析方法应用于水电站地下厂房空调系统的研究，作为评价不同水温条件下水库水的适宜应用方式的经济性依据。

1 空调系统全寿命周期成本数学模型

1.1 空调系统全寿命周期成本基本组成

工程项目全寿命周期分为方案策划、建设施工、运营维护3个阶段，各个阶段的成本约占全寿命周期成本的10%、25%、65%[12]。

水电站空调系统的全寿命周期成本包括资金成本、社会成本、环境成本，本文主要对其中的资金成本进行分析。资金成本由初投资(CI)、运行和维护费用(CO)、报废费用(CR)三部分组成[12]。

全寿命周期成本受通货膨胀率和社会折现率的影响。在进行项目的经济性评价时，若通货膨胀率大于4%，则其对于LCC分析的影响就不能忽略[13]。社会折现率的推荐取值为5%～7%[14]，考虑通货膨胀率的影响[15]，本文取上限值7%进行计算。

1.2 空调系统全寿命周期成本数学模型

空调系统的全寿命周期成本LCC囊括了将来产生的费用，需考虑资金的时间价值[16]，常用方法为现值计算法，数学模型为

(1)

式中COk为第k年的运行和维护费用；z为社会折现率；n为空调系统的运行年限。

若每年的运行和维护费用相同，则式(1)可转化为

(2)

2 水电站空调系统全寿命周期成本的计算方法

2.1 初投资

空调系统的初投资包括设备费、安装调试费、运杂费、取水工程费等。不同设备的初投资不同，而相同设备在市场上的生产厂家较多，价格也存在差异，在方案初期时可以采用平均价格。笔者对市场上与水库水电站相关的主要空调设备进行了调研，得到了不同设备的价格估算指标，如表1所示。设备的运杂费、安装调试费等根据表2估算。

表1 设备价格估算指标

表2 设备运杂费、安装调试费估算[17] %

2.2 运行和维护费用

运行和维护费用包含了空调系统运行期间产生的所有费用，包括电费、人工费、维护保养费等，其中，人工费和维护保养费在年运行费用中所占比例较小，可按设备运行费用的5%计算[12]。空调系统在实际运行时，运行状态会随着气象参数、发电机组的运行状态等因素的改变而改变，在进行运行费用的计算时需要考虑设备的运行时间、电价、运行工况对耗功率的影响，用式(3)进行计算。

(3)

式中p为电价，元/(kW·h)；s为设备数量；a、b分别为空调系统开始运行和结束运行月份；Nij为设备i在j月运行工况下的实际耗功率，kW；Tj为j月的运行时间，h。

2.3 报废费用

报废费用是指当产品的全寿命周期结束时，对产品进行清理、销毁所需的费用。对于空调设备而言，在全寿命周期结束时会产生一定的残值，通常大于清理所需的费用，两者的差值称为固定资产净残值，一般为固定资产值的3%～5%[18]。从税法的相关细则及条例的发展来看，固定资产残值经历了小于5%、固定为5%、企业自行确定3个阶段，并以其为依据确定预计净残值率。预计净残值率一经确定，不得变更，因此，大部分会计从业人员仍沿用5%的固定资产残值来确定预计净残值率。在水电站空调系统中，考虑设备清理、销毁所需的费用后，本文取固定资产净残值为3%进行计算。

3 空调系统全寿命周期成本的影响因素

本文主要对应用水库水的空调方案进行分析，应用水库水的空调方案除了受空调设备本身的影响之外，还受室外气象参数、厂房内热湿负荷、水库水温等的影响。

3.1 空调设备

与水库水相关的空调设备有冷水机组、表冷器、水冷单元式空调机组。设备铭牌上标示的参数为额定工况下的参数，当设备的运行条件变化时，机组的运行性能随之变化。

1) 冷水机组与水冷单元式空调机组。

市场上许多厂家的设备样本都会提供设备在非标准工况下的运行性能修正数据，这些数据通常来自于厂家对设备的测试。本文对这些样本数据进行分析，并采用最小二乘法进行拟合。对于冷水机组，通常是修正COP，如式(4)所示，而对于水冷单元式空调机组，通常修正制冷量，如式(5)所示，修正后2种设备的功率分别采用式(6)、(7)计算。

rCOP=f(teo,tci)

(4)

rQ=f(ta,tco)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中rCOP为冷水机组COP的修正系数，实际COP为额定值与rCOP的乘积；rQ为水冷单元式空调机组的制冷量修正系数，实际制冷量为额定值与rQ的乘积；teo、tci分别为冷水机组的冷水出水温度和冷却水进水温度，℃；ta、tco分别为水冷单元式空调机组的空气进口干球温度和冷凝器出口水温，℃；NL、NS分别为冷水机组和水冷单元式空调机组的功率，kW；QL、QS分别为冷水机组和水冷单元式空调机组的制冷量，kW；COPL、COPS分别为冷水机组和水冷单元式空调机组的性能系数。

2) 表冷器。

表冷器是应用水库水的空调系统中进行空气处理的关键设备，水温会直接影响表冷器出口的空气状态，而表冷器出口的空气状态会直接影响后续流程是否还需要制冷。表冷器性能参数计算模型主要有微元模型[19]、神经网络模型[20]、效率-传热单元模型[21]、换热效率模型[22]。微元模型为纯机理模型，虽然较为通用，但是计算量大，过于复杂；神经网络模型为纯经验模型，需要庞大的实测数据库为支撑，否则会导致结果不准确；效率-传热单元模型需要获得较为准确的换热器结构参数，在进行与本文近似的分析时应用较少；换热效率模型由于其计算的准确性和简便性，应用较为广泛。本文采用换热效率模型进行计算。

基于换热效率模型的表冷器计算分为设计计算和校核计算。本文采用校核计算，根据进口空气状态和水温等参数确定出口空气状态，计算流程如图1所示。

图1 表冷器校核计算流程

3) 水泵。

在实际运行时，水泵的能耗受工作流量、扬程、效率的影响，根据目前对于水泵的研究结果[23]及对市场上水泵样本数据的分析，将水泵的功率拟合为流量的关系式：

NP=l+mV+qV3

(8)

式中NP为水泵的功率，kW；V为水泵流量，m3/h；l、m、q为系数。

3.2 其他参数

1) 室外气象参数。

为充分利用室外空气的排热能力及排除有毒有害气体，水电站地下厂房大多整体上采用直流式全新风系统，进风量大，室外气象参数是影响通风空调系统运行的关键参数。在实际工程中，很难按照室外实时气象参数进行工况转换，通常做法是选择某一时间步长来确定空调系统的运行工况。水电站地下厂房通常为深埋建筑，空气经过较长的进风洞后参数较为稳定[24]，因此可以以1个月为时间步长，以室外累年月平均温度和月波幅作为调节依据，这样不会使空调系统的调节过于频繁[17]。

2) 水库水温。

水库水温主要有3种类型：分层型、过渡型、混合型。其中，分层型水库的深层水由于水温低且全年保持恒定的特性，为水电站空调系统的最佳冷源[25]。从目前对多个分层型水库水温的观测结果来看，在水深达到一定程度时，水温在一个月内甚至整个空调季内基本不会发生变化[26]，且水温小幅变化对相应空调设备的影响也较小，因此本文分析时忽略水库水温在空调季的变化，取平均值进行计算。

3) 厂房内热湿负荷。

水电站地下厂房内散热量大、散湿量小，设备散热是地下厂房热量的主要来源，主要由发电工况决定。发电工况与电力需求、径流特性等众多因素有关[27]。对于短期调节的水电站，可以根据径流预报资料制定短期运行计划；对于长期调节水库，通常采用时历法、统计法、概率分析法、统计模拟法等数学描述方法来预测径流未来的变化规律，这些方法均以过去的观测数据为依据，另外，对于长期调节的水电站，通常都要求编制年运行调度计划[28]，发电机组的运行可以参考水电站制定的运行调度计划，采用等效开机台数进行控制。

4 空气处理过程与空调系统LCC的计算流程

水电站通风空调系统大多采用集中式，有时会在局部区域设置空调机组保证温度场的均匀性。从目前水电站空调系统的情况来看，应用水库水的空调系统集中处理形式主要有4种，如表3所示。

表3 应用水库水的空调系统集中处理形式

空调系统的LCC计算流程如图2所示。

图2 空调系统LCC计算流程

5 案例分析

5.1 工程概况

某水电站位于金沙江下游云南省巧家县境内，电站装机容量为16 000 MW，分左右岸2个地下厂房布置，每个厂房装机容量为8 000 MW。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪、拦沙等。水电枢纽的主要洞室为主厂房、主变洞、尾水闸门洞及母线洞、引水隧洞、交通洞等。主副厂房洞从南至北依次为副厂房、辅助安装场、机组段、安装场。副厂房长32 m，左岸辅助安装场长22.5 m，机组段长304 m，安装场长79.5 m。主副厂房洞宽31 m，总高度86.7 m；主变室宽21 m，高39.5 m，总长368 m，布置于主副厂房洞下游；两者通过母线洞相连。

主厂房采用直流式空调系统，从专用的风道进风，经空调机组处理后送入主厂房，主厂房排风进入母线洞，最后经由主变洞拱顶排至厂外。主变洞直接采用机械通风就能够满足要求。本章主要对主厂房通风空调系统进行分析。

5.2 进风参数

厂外气象参数对空调系统的设计、运行都有重要影响。通常情况下，进风道岩体会对进风有一定的调节作用。本文运用地下工程进风洞空气处理动态参数计算软件计算进风道末端的气流参数，以进风道末端空气参数作为月工况调节的依据，各月进风参数取值如表4所示。

表4 空调季进风道末端空气参数

5.3 厂房内设计参数

水电站内各场所的设计参数参照NB/T 35040—2014《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》[5]的要求，并参照附近大型地下厂房设计经验和已建地下厂房的实际运行情况确定，如表5所示。

表5 厂房内主要空调区域设计参数

5.4 厂房内热湿负荷

以左岸厂房为例，厂房内装设8台单机容量为1 000 MW的发电机组，由于埋深较大，外界气候对厂内的影响可以忽略。厂内的散热主要来自于机电设备，设备满负荷运行时各区域的散热量如表6所示。厂内散湿以围护结构表面散湿为主，但由于厂房建设时会产生大量的施工余水，在运行期前10年，施工余水未散尽，对厂内散湿量影响较大，厂房内散湿量如表7所示。

5.5 通风空调系统概况

电站采用冬季和部分过渡季通风、夏季与部分过渡季空调的方式，并根据NB/T 35040—2014《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》[5]对水电站地下厂房内各区域环境参数的规定进行设计。电站的运行情况由电网调度决定，但需要考虑来流等多种因素的影响，目前可根据水能规划确定每月的等效开机台数，假定电站24 h运行，按日平均出力确定其日发电量，空调系统的运行时间也等效为全天24 h。各月等效开机台数如表8所示。由于空调系统的运行时间主要为6—9月，因此本文主要针对该时段空调系统的运行状况进行分析。

表6 地下厂房内主要空调区散热量 kW

表7 地下厂房内散湿量 kg/h

表8 各月等效开机台数台

该电站主厂房采用的通风形式如图3所示，进风经空调系统处理后由拱顶送入发电机层，之后由发电机层送至主厂房以下各层，最后来自中间层、水轮机层、蜗壳层的排风混合后作为母线洞的进风。

图3 通风空调系统流程图

集中空调系统采用露点送风，温度为20 ℃，相对湿度为95%。空调系统的进水温度为22.5 ℃，根据电站的热湿负荷分布情况，并结合前述应用水库水的集中处理形式，通风空调方案有9种形式，如表9所示，9种方案的空调系统的主要设备参数如表10所示，局部空调采用水冷单元式空调机组的形式，具体设置如表11所示。

表9 通风空调方案 m3/h

5.6 结果分析

5.6.1水库水温固定条件下不同通风空调方案的LCC分析

方案中各设备的使用寿命不同时，可以按照寿命周期最短者进行计算[29]。水冷单元式空调机组的平均寿命为15 a[30]，在水电站空调系统的主要设备中寿命最短，因此本文设备寿命均按15 a进行计算。各方案LCC的计算结果如表12所示，将各部分折算成现值后的结果如图4所示。

表10 各空调方案的主要设备参数

表11 各方案局部空调设备参数

图4 各方案全寿命周期成本组成

从计算结果可以看出，采用集中处理形式3且不设局部空调设备方案LCC最低，为最经济的方案。

从LCC3个构成要素所占的比例来看，残值的占比小于1%，对总费用的影响几乎可以忽略不计，空调系统LCC的主要影响因素为初投资与运行费用，前者占比约为20%～30%。

由于水温与空调进风的温差较小，水库水对空气的处理能力有限，采用水库水对空气进行预处理并不能显著降低空调系统的LCC，如方案3的LCC仅比方案1低6.8%左右，且其设计、施工等难度会增加，可能带来其他的不利影响，是否采用此方案需根据实际情况综合考虑。由于水冷直接蒸发式冷水机组的能效低于冷水机组，尽管无需设置冷水泵，但该方案的LCC仍然高于采用冷水机组的方案，如方案2的LCC比方案3高16.1%，比方案1高10%。但采用水冷直接蒸发式冷水机组时无需设置制冷机房，省去了冷水系统，值得空间有限的地下厂房重点考虑。

局部空调设备的使用能够减少通风空调系统的总风量，从而降低空调系统的装机容量，减少空调系统的初投资。但受局部空调机组的能效限制，空调系统的运行费用反而会升高，见方案3、6、9的对比。

5.6.2不同水库水温条件下各通风空调方案的LCC分析

水温变化时，水库水对空气的预处理能力会发生变化，作为冷水机组的冷却水时对机组能效的影响也会发生变化，从而引起空调系统装机容量、运行状况等发生变化。为探究水温对空调系统LCC的影响，分别取水温为17.5、20.0、22.5 ℃进行分析，同样按照前述方法进行计算，各方案编号同表5。由于残值对总费用的影响小，本节主要对初投资和折算为现值的运行费用进行分析。

图5显示了集中制冷的3种方案LCC对比。可以看出，方案1的LCC最为稳定，是因为水库水仅作为冷水机组的冷却水，水温的变化对冷水机组能效的影响有限。采用水库水作为一级表冷器的冷源时，即方案2和3，表冷器的处理能力受水温的影响较大，水温升高会使水库水对空气的处理能力降低，导致所需的机械制冷量增加，LCC明显升高。受水冷直接蒸发式制冷机组的能效限制，方案2的LCC增幅大于其他方案，在水温为22.5 ℃时其增幅甚至大于不采用水库水进行预处理的方案1。从3种集中处理方案看，当采用水库水作为一级表冷器的冷源、机械制冷采用冷水机组时，空调系统的LCC最低。

图5 方案1、2、3的LCC对比

图6显示了采用集中制冷形式1，并在不同位置设置局部空调设备方案的LCC对比。可以看出，采用相同集中制冷形式的3种方案LCC差异并不是很大，且变化较为平稳，说明将水库水用于冷水机组或局部空调设备的冷却水时对水温变化的适应性较好，LCC不会随水温发生剧烈的波动。局部空调设备的设置能够减少空调系统初投资，但会增加空调系统的运行费用，综合来看会使空调系统的LCC增加，但局部空调的设置能够使厂房内的温度场分布更加均匀，避免出现局部过热的情况，局部散热负荷大的区域值得考虑。

图6 采用集中制冷形式1的不同方案LCC对比

图7、8分别为采用集中制冷形式2、3的各方案LCC对比，2种形式均采用水库水进行预处理，有类似的变化规律，LCC都会随水温升高显著升高，但不设置局部空调时的费用始终最低。

图7 采用集中制冷形式2的不同方案LCC对比

图8 采用集中制冷形式3的不同方案LCC对比

图9显示了所有方案的LCC随水温变化的趋势。可以看出，随着水温的升高，所有方案的LCC都呈现上升趋势，但仅采用水库水作为冷水机组冷却水的方案LCC变化最为平缓。采用水库水进行预处理时，方案的LCC受水温的影响大。采用相同的集中制冷形式时，设置局部空调设备会导致空调系统的LCC升高。采用不同的集中制冷形式，并在不同区域设置局部空调设备时，LCC会有不同的变化趋势，需进行具体的分析。