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技術(shù)文章/Technical articles
漫談泵送系統(tǒng)生命周期成本LCC
2021-01-18 08:53:38謝小青
1. 生命周期成本的概念

生命周期成本（life cycle cost，簡(jiǎn)稱LCC）：是指產(chǎn)品整個(gè)“生命周期”內(nèi)的所有成本，包括采購(gòu)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、直到報(bào)廢后處理或回收再生等所有的費(fèi)用，將產(chǎn)品壽命與其性能、可靠性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性以及質(zhì)量和成本等綜合考慮。

2. LCC 發(fā)展歷史

根據(jù)百度百科：LCC管理源起于美國(guó)軍方，最初主要用于軍事物資的研發(fā)和采購(gòu)，適用于產(chǎn)品使用周期長(zhǎng)、材料損耗量大、維護(hù)費(fèi)用高的產(chǎn)品領(lǐng)域。

據(jù)美國(guó)防部當(dāng)時(shí)預(yù)測(cè)：在一個(gè)典型的武器系統(tǒng)中，運(yùn)行和維護(hù)的成本占總成本的75%，如果武器系統(tǒng)的成本按照當(dāng)時(shí)的增加趨勢(shì)，那么在2045年美國(guó)的全年國(guó)防預(yù)算只能購(gòu)買1架戰(zhàn)斗機(jī)。

1999年6月，美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署政府命令，各州所需的裝備和工程項(xiàng)目，要求必須有LCC報(bào)告，沒有LCC估算、評(píng)價(jià)，一律不準(zhǔn)簽約。

LCC技術(shù)自上個(gè)世紀(jì) 80 年代初期引入我國(guó)。當(dāng)時(shí)，我國(guó)的 LCC 工作由海軍起頭，空軍、二炮都積極推廣運(yùn)用，1987 年 11月中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)成立了設(shè)備生命周期費(fèi)用委員會(huì)，致力于推動(dòng) LCC 理論方法的研究和應(yīng)用。

盡管我國(guó)的生命周期費(fèi)用方法的應(yīng)用和研究起步很晚，但取得的成績(jī)明顯。生命周期費(fèi)用方法在不少軍用和民用單位的應(yīng)用并取得了一批成果，如國(guó)防系統(tǒng)的空軍、海軍、二炮、航天等許多單位在研究和應(yīng)用 LCC 上取得了可喜的成績(jī)。

國(guó)軍標(biāo)“裝備費(fèi)用—效能分析”，軍隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)“武器裝備生命周期費(fèi)用估算”，已分別在 1993 年、1998 年頒布實(shí)施。

軍事裝備的論證與審核中，都把 LCC作為一項(xiàng)必不可少的內(nèi)容，軍委領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的管理體制也作了相應(yīng)的調(diào)整，專門成立了總裝備部，LCC工作正在向前全面推進(jìn)。在民用企業(yè)、高校、研究院所中，也有不少單位正在積極研究和應(yīng)用 LCC方法用于設(shè)備選型、維修決策、更新改造、維修費(fèi)用控制。

3. 泵送系統(tǒng)LCC分析

泵送系統(tǒng)占全球電能需求的近20 %，在某些工業(yè)工廠運(yùn)行中占能源使用量的25~50%。泵送系統(tǒng)為食品加工、化工、石化、能源、制藥、農(nóng)業(yè)、市政及其它工業(yè)等提供服務(wù)。

盡管泵通常作為單個(gè)設(shè)備購(gòu)買，但它們通常僅在作為系統(tǒng)的一部分運(yùn)行時(shí)提供服務(wù)。系統(tǒng)使用的能耗和材料取決于泵的設(shè)計(jì)、安裝的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的運(yùn)行方式，這些因素是相互依存的。

2001年1月HI（美國(guó)水力學(xué)會(huì)）、Europump（歐洲泵業(yè)組織）、OIT（美國(guó)能源部工業(yè)技術(shù)辦公室）聯(lián)合出版了“Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems”（以下簡(jiǎn)稱指南），以指南的方式將LCC推薦到泵行業(yè)，旨在幫助工廠所有者／運(yùn)營(yíng)商將 LCC方法應(yīng)用于泵系統(tǒng)。

指南中詳細(xì)列出了LCC費(fèi)用的組成和說(shuō)明，并提供了部分費(fèi)用的計(jì)算方法。對(duì)于高利用率、長(zhǎng)壽命的泵，其最初的購(gòu)買價(jià)格僅占LCC的一小部分。圖1給出了一臺(tái)中型工業(yè)泵典型的生命周期成本的大概構(gòu)成。
                                   
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圖1   一臺(tái)中型工業(yè)泵典型的LCC圖

生命周期成本 LCC分析是一種管理工具，可以幫助公司減少多種類型的系統(tǒng)（包括泵送系統(tǒng)）的浪費(fèi)，并最大限度地提高能源效率。

LCC分析包括采用一種方法來(lái)確定和量化LCC計(jì)算公式中的所有組成部分。當(dāng)用作設(shè)計(jì)或檢修方案之間的比較工具時(shí)，LCC流程將在可用數(shù)據(jù)的限制內(nèi)顯示出最具成本效益的解決方案。

生命周期成本分析的組成部分通常包括初始成本、安裝和調(diào)試成本、能耗成本、運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)和維修成本、停機(jī)時(shí)間成本、環(huán)境成本以及退役和處置成本。

LCC分析，無(wú)論是針對(duì)新上設(shè)施還是老設(shè)施改造，都需要評(píng)估替代系統(tǒng)。對(duì)于大多數(shù)設(shè)施，生命周期內(nèi)的能耗和/或維護(hù)成本將主導(dǎo)LCC。因此，準(zhǔn)確地確定當(dāng)前的能源成本、估計(jì)使用壽命內(nèi)能源價(jià)格上漲以及預(yù)期的維護(hù)人工和材料成本非常重要。

其它因素，如停機(jī)時(shí)間、退役和環(huán)保的成本，通?？梢愿鶕?jù)設(shè)施的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。根據(jù)服務(wù)領(lǐng)域和/或使用工況的不同，停機(jī)時(shí)間成本可能比能耗或維護(hù)要素更重要。因此，應(yīng)仔細(xì)考慮停機(jī)時(shí)間造成的損失。

一般工業(yè)泵送系統(tǒng)的壽命通常在20年左右（對(duì)于特殊工況，如核電站關(guān)鍵用泵要求達(dá)到40~60年）。一些成本要求在一開始就產(chǎn)生，而另一些則可能在被評(píng)估的不同解決方案的整個(gè)生命周期的不同時(shí)間段產(chǎn)生。因此，為了較準(zhǔn)確地評(píng)估不同的解決方案，計(jì)算LCC的現(xiàn)值或折現(xiàn)值是可行的，而且也是必要的。

指南給出了LCC的基本計(jì)算公式，具體如下：

LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd

式中：

LCC = 生命周期成本
Cic = 初始成本，采購(gòu)價(jià)格（泵、系統(tǒng)、管路及輔助設(shè)備）
Cin = 安裝和調(diào)試成本（包括培訓(xùn)）
Ce = 能耗成本（系統(tǒng)運(yùn)行的預(yù)計(jì)成本，包括泵驅(qū)動(dòng)設(shè)備、控制及其它輔助設(shè)備）
Co = 運(yùn)營(yíng)成本（人工成本）
Cm = 維護(hù)和維修成本（常規(guī)維護(hù)及預(yù)期維修）
Cs = 停機(jī)時(shí)間成本（生產(chǎn)損失）
Cenv = 環(huán)保成本（泵送液體和輔助設(shè)備的污染）
Cd = 退役/處置成本（包括恢復(fù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境）

4. 我國(guó)泵行業(yè)現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，買方和用戶必須不斷尋求節(jié)約成本的方法，以提高其運(yùn)營(yíng)的盈利能力。作為節(jié)約成本的一種方式，工廠設(shè)備的運(yùn)行受到了特別的關(guān)注，尤其是如何最大限度地減少能耗和工廠停機(jī)時(shí)間。

另外，進(jìn)行LCC分析除了經(jīng)濟(jì)因素以外，很多用戶越來(lái)越重視其業(yè)務(wù)對(duì)環(huán)境的影響，并將能效視為減少排放和保護(hù)自然資源的一種方法。

然而，非常遺憾的是：我國(guó)制造業(yè)目前仍普遍處于拼價(jià)格階段，企業(yè)/買方/用戶往往注重的是短期效益。這不僅嚴(yán)重挫傷了企業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)品升級(jí)改造的積極性（導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力低下），而且最終傷害的是整個(gè)制造業(yè)。

LCC分析在泵行業(yè)基本處于空白狀態(tài)，普通工業(yè)泵如此，重要工況關(guān)鍵泵也是如此。如果在長(zhǎng)壽命、利用率高的離心泵項(xiàng)目中引進(jìn)LCC分析，將為用戶帶來(lái)非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5. 案例分析及計(jì)算

案例1：老項(xiàng)目改造

以下為指南提供的“帶有問(wèn)題控制閥的泵送系統(tǒng)”的分析及計(jì)算案例，見圖2。

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圖2   帶有問(wèn)題控制閥的泵送系統(tǒng)草圖

第一步：確定系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制閥發(fā)生故障的原因，然后列出可供選擇的改造方案及成本。

現(xiàn)場(chǎng)情況是，控制閥處于15~20 %的開度運(yùn)行、并且閥門產(chǎn)生大量的汽蝕噪聲。閥門的尺寸似乎不適合該應(yīng)用。在查看原始設(shè)計(jì)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)泵選型過(guò)大 – 要求80 m3/h流量卻提供了110 m3/h的泵，這導(dǎo)致控制閥上的壓降比最初預(yù)期的要大。

由于工作流量下的壓差較大，且閥門定期出現(xiàn)汽蝕損壞，因此確定控制閥不適合此流程。

可供選擇的系統(tǒng)改造方案有四種：

A. 更換一只新的控制閥以適應(yīng)高的壓差。
B. 對(duì)泵的葉輪進(jìn)行切割以降低揚(yáng)程，從而降低流經(jīng)控制閥的壓降。
C. 安裝變頻器、拆除流量控制閥。通過(guò)變頻器來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速，以滿足所需的工藝流量。
D.   按原樣保留系統(tǒng)，每年更換一次流量控制閥。

系統(tǒng)改造方案的成本比較見表1。

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表1   泵系統(tǒng)改造方案的成本比較




第二步：通過(guò)所獲得的信息和假設(shè)，列出組成LCC的各要素的成本。


  • 當(dāng)前能源價(jià)格為0.08歐元/千瓦時(shí)。

  • 該系統(tǒng)每年運(yùn)行6000小時(shí)。

  • 每年對(duì)泵進(jìn)行日常維護(hù)的費(fèi)用為500歐元，每?jī)赡甑木S修費(fèi)用為2500歐元。

  • 沒有與本系統(tǒng)相關(guān)的退役和環(huán)境處置成本。

  • 該系統(tǒng)使用壽命為8年。

  • 新資本項(xiàng)目的利率為8 %，預(yù)期通脹率為4%。



表2匯總了這四種選項(xiàng)中每個(gè)要素的具體成本。

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表2   問(wèn)題控制閥系統(tǒng)LCC比較

第三步：根據(jù)LCC的大小，最終確定最佳改造方案。

從表2可以看出：切割葉輪的選項(xiàng)B具有最低的LCC，因此，是本案例的首選方案。

案例2：新項(xiàng)目設(shè)計(jì)

現(xiàn)以國(guó)和一號(hào)（1400MW）核電機(jī)組主給水泵組為例，該泵組要求設(shè)計(jì)使用壽命為60年，每套核電機(jī)組配備3臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的主給水泵組（主給水泵+增速齒輪箱+電動(dòng)機(jī)+前置泵）。

根據(jù)國(guó)內(nèi)某泵廠收集到的國(guó)外同行同種產(chǎn)品的信息（見表3），僅從能耗方面來(lái)進(jìn)行比較，估算一下SEC-KSB公司主給水泵在60年壽期內(nèi)能為用戶節(jié)約多少費(fèi)用？

表3   與國(guó)外同行之間（1400MW）主給水泵組性能比較

說(shuō)明：
1. 國(guó)外C公司總揚(yáng)程比設(shè)計(jì)要求低50米左右，僅供參考。
2. 上表中SEC-KSB公司提供的為出廠試驗(yàn)（實(shí)測(cè)）數(shù)據(jù)，且總揚(yáng)程中考慮了管路損失及少量正偏差。

假設(shè)每年每臺(tái)泵組運(yùn)行8000小時(shí)，泵組使用壽命為60年，則可以計(jì)算出：


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由上表可以看出：SEC-KSB公司的主給水泵與國(guó)外同行同類產(chǎn)品相比，在60年的壽期內(nèi)，至少可以節(jié)約8億度電。

如果每度工業(yè)用電的電費(fèi)為1元人民幣（不考慮利率和通脹），那么在整個(gè)生命周期內(nèi)，SEC-KSB公司（三臺(tái)）主給水泵組僅從能耗方面至少就可以節(jié)約8億元人民幣（平均到每年為1330萬(wàn)元人民幣）以上。效益非?？捎^！

6. 總結(jié)

LCC分析是一種管理工具，可以幫助公司減少多種類型的系統(tǒng)（包括泵送系統(tǒng)）的浪費(fèi)，并最大限度地提高能源效率。

LCC分析不僅可以用于新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，也可以用于老項(xiàng)目改造，并為你提供一種最佳的解決方案、帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。


文/謝小青  摘自：泵友圈

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