D0I:10.13374/j.issm1001053x.1991.05.003 北京科技大学学报 第13卷第5（I)期 Vol.13 No.5(I) 1991年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept。1991 热能设备的寿命周期费用及优化设计 韩小良·韩良智· 摘要：从经济学的魂点出发，分析了热能设备寿命周期内发生的各种费用，提出了以最 低寿命周期费用或最大寿命周期经济效益为目标，对热能设备进行优化设计与管理的方法。 关键词：热能设备，寿命周期，经济分析，选择，管理 Analysis of Life Cycle Costs and Optimum Designing for Energy System Han Xiaoliang'Han Liangzhi'. ABSTRACT:On the basis of economics,the life cycle costs of energy system are analysed,and the optimum designing and management method for energy sys- tem according to its minimum life cycle costs or maximum life cycle economic benefits is proposed. KEY WORDS:energy system,life cycle,economic analysis,selection,mana- gement 对热能设备进行优化设计和管理的常见方法有经济优化方法、热力学方法、技术经济方 法和热经济学方法。然而，这些方法只是从某一方面来考虑问题，而忽略了设备一生中的 各种复杂因素，如经济环境的变化、资金的时间价值、能源结构及价格的变化等等，通常这 些因素对设备设计与管理是极为重要的。对任何设备进行设计和管理，就是在满足技术要求 的条件下，以最低的投入费用（包括基本投资和运行维修费），取得最大的经济效益。为了 达到这个目标，就需要将技术因素、经济因素和能源因素结合起来综合考虑，以寿命周期费 用的观点去分析和评价设备，从而做出最优设计和最优管理。 1990-08-06收稿 ·热能科学系(Department of Energy Engineering) ,·管理t程系(Department of Management Science) 417
和 卷第 “ 瑚 北 京 科 技 大 学 学 报 ，。 年 。 月 气 。 。 。 热能设备的寿命周期费用及优化设计 川户 韩小良 ’ 韩 良智 ’ 摘 要 从经 济学的观 点出发 ， 分析了热能设备寿命周期内发生 的各种 费用 ， 提出 了以最 低寿命 周期 费用或最大 寿命 周期经 济效益为 目标 ， 对 热能 设备进 行优化设计与管理 的方法 。 关键词 热能设备 ， 寿命周期 ， 经 济分 析 ， 选择 ， 管理 八 ‘ 夕 万 公 ” 夕 ‘ ， ， 了 。 ， ， ， ， 对热 能设备进行优化设计 和 管理 的常见方 法 有经济优化方法 、 热 力学方法 、 技术经济方 法和热经 济 学方法 。 然而 ， 这些方法 只是 从某一 方面来考虑 问题 ， 而 忽略 了 设 备 一 生 中的 各种 复杂 因素 ， 如经济 环境 的变化 、 资金 的时间价值 、 能源结构及价格 的 变化等等 ， 通常这 些 因 素对设备 设计与 管理是极 为重要的 。 对任何设备进行设计和管理 ， 就是 在满足技术要 求 的条 件下 ， 以 最低 的 投入 费用 包括基本投资和 运行维修费 ， 取得最大 的经济效益 。 为 了 达到 这个 目标 ， 就需要将技 术 因素 、 经济因素和 能源因素结 合起来综合考虑 ， 以寿命 周期 费 用的观 点去 分析和评价设备 ， 从而做 出最优设计 和 最优管理 。 一 一 收 稿 热能 科学 系 管理工 程 系 只 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．05．003
1热能设备寿命周期费用的分析 热能设备同其他类型设备一样，从设计、制造、运行、维修到报废形成一个寿命周期。 在寿命周期内发生的费用受到多种因素的影响，如资金的时间价值，今天的资金价值与将来 某个时刻的资金价值是不同的；能源价格的变化也使得设备的能耗费用发生变化.（即使它的 能耗量是恒定的)。因此，在计算或比较不同设备寿命周期费用时，必须考虑资金的时间价 值和能源价格的变化，将寿命周期费用折算成某一时刻的值（一般折算成现值），再进行比 较或决策。 热能设备的寿命周期费用包括很多项，如设计研究费、购材制造费和运行维修费〔1)等。 正确地分析和计算这些费用是对设备进行优化设计和管理的基础。然而，在设计阶段，往往 对以后阶段可能会发生哪些因素及其变化趋势并不清楚，属非确定型因素，如寿命多长，维 修费多大，利率、物价和能源价格的变化趋势等，这就增加了准确地估算费用的难度。在一 般情况下，采用灵敏度分析法〔2)，有助于对这些费用进行分析和估算。 热能设备的寿命周期费用从本质上由两部分构成：(1)资金费用（包括设计研究费、购 材制造费、维修费、环保费、操作人员劳务费等)。它可分为与设备规模（如容量、产量、 换热面积等)无关的固定部分和与规模有关的可变部分；(2)能耗费用（包括燃耗费、电耗 费、水耗费等)。它也可同样分为上述两部分。考虑到资金的时间价值和能源价格的变化， 对于像换热器、锅炉、空调器等热能设备，寿命周期费用可写为〔3)： LCC=P,(C。+Ca·A1)+P2(D。+Da·A"2) (1) 式中LCC为设备寿命周期费用的现值（元），C,和CA为设备的成本系数，「：为成本指数， A为设备规模，D。和D为设备的能耗费用系数，r2为能耗指数，P:为资金的现值系数，Pz 为能源价格的现值系数。 现值系数P,和P2考虑了资金价值和能源价格的时间变化，它门与利率、利税、价格上 涨率和设备寿命年限等有关，其计算可参见文献〔4)。 对于加热炉设备，其寿命周期费用的计算较为复杂〔1)。由于炉子的能耗与炉温制度有 直接关系，故其寿命周期费用与产量的关系不是式(1)的形式，而是多项式关系8)。而且寿 命周期费用还应包括一项钢坯氧化损失费用，后者与炉子的温度制度、产量等直接有关。 2热能设备的优化设计与选择 热能设备的优化设计与选择，就是选取最佳设备形式和规模，使其寿命周期费用最佳 化。 热能设备的寿命周期费用最佳化有两种形式： 第一种形式是使设备寿命周期费用最低。这种情况是对某些非盈利设备而言，如空调 器、冷冻器等。这类设备并不能直接创造利润，本身是一种能耗品。因而，在选用这类设备 时，不应将设备的售价作为唯一的选择依据，而应以设备的寿命周期费用作为选择依据。事 实上，售价低并不意味着寿命周期费用低，往往由于设备寿命低、维修费用高，而使寿命周 418
热能设备寿命周期费用的分析 热 能设备 同其他类型设备一样 ， 从设计 、 制造 、 运行 、 维修到 报废形成一个寿命 周期 。 在寿命 周期 内发 生的 费 用受 到 多种 因素 的影 响 ， 如资金的 时间价值 ， 今天的 资金价值与将来 某 个 时刻 的 资金 价值是不 同的 能源价格的 变化也使得设备的 能耗 费 用发生变化 即使它的 能耗 量是恒定的 。 因此 ， 在计 算或 比较不 同设备寿命 周期费用时 ， 必须 考虑资金的时 间价 值和 能源价格的 变化 ， 将寿命 周 期 费用折算成某一 时刻 的值 一般折 算成现值 ， 再进行比 较或决策 。 热 能设备的寿命周期费用包括很 多项 ， 如 设计研究费 、 购 材制造费和运行维修费 〔 ” 等 。 正确地分析和计 算这些费 用是对设备进行优化设计和 管理的 基础 。 然而 ， 在设计 阶段 ， 往往 对以后 阶 段可 能会发生哪些 因素 及其变化趋势井不清楚 ， 属非确定型 因素 ， 如寿命多长 ， 维 修费多大 ， 利率 、 物价和 能源价格的 变化趋势等 ， 这就增加 了准确地估算费用的 难度 。 在一 般 情况下 ， 采用灵 敏 度分析法 ‘ “ 〕 ， 有助 于对这些 费用进行分 析和估算 。 热 能设备的寿命 周 期 费用从本质 上 由两部分构成 资金 费用 包括设计研究费 、 购 材 制造费 、 维修 费 、 环保 费 、 操作人 员劳务费等 。 它可 分为与设备规模 如容量 、 产量 、 换热 面积等 无 关 的 固定部分和与规模有关 的可变部分 能耗费用 包括燃耗费 、 电耗 费 、 水耗 费等 。 它 也可 同样分为上述两部分 。 考虑到资金的时间价值和 能源价格的变化 ， 对于像换热 器 、 锅炉 、 空调器等热 能设备 ， 寿命周 期费用可写 为 〔 “ ’ 尸 。 · · ’ 。 一 么 月卜 式 中 为设备寿命周期费用 的现值 元 ， 。 和 人 为设备 的成本系数 ， 为成本指数 ， 为设备规模 ， 刀 。 和 刀 为设备 的 能耗费 用系数 ， 为能耗指数 ， 尸 、 为资金 的现值系数 ， 尸 为 能源价格 的现值系数 。 现值系 数尸 、 和 尸 考虑 了资金价值和 能源价格 的时间变化 ， 它 们与利率 、 利税 、 价格 上 涨 率和设备寿命 年限 等有关 ， 其计算可参见 文献〔 〕 。 对于加 热 炉设备 ， 其寿命 周期费用的计算较为 复杂 〔 ‘ 〕 。 由于炉子 的能耗与炉 温 制 度有 直 接 关系 ， 故 其寿命 周期费 用与产量 的关系不是式 的形式 ， 而是多项式关系 〔 ’ 。 而且 寿 命 周期费 用还应包括一项钢坯氧化损失费用 ， 后者与炉子 的温度制度 、 产量等直接有关 。 热能设备的优化设计与选择 热能设备 的优化设计与选择 ， 就是选取最 佳设备形式和 规模 ， 使其寿 命 周 期 费 用最 佳 化 。 热 能设备的寿命周期费 用 最佳化有两种形式 第一种 形 式是使 设备寿命周期费 用最低 。 这种 情况是 对某些非盈利设备 而 言 ， 如 空 调 器 、 冷 冻器 等 。 这 类设备并不 能直接创造利润 ， 本 身是一种 能耗品 。 因而 ， 在选 用这 类设备 时 ， 不应将设备 的售价作 为唯一 的选择依据 ， 而应 以设备的寿命周期费用作 为选择依据 。 事 实上 ， 售价低并不意 味着寿命周期 费用低 ， 往往由于设备寿命低 、 维修费用高 ， 而使寿命周
期费用高；相反，由于设备质量好，寿命高，维修费用低，并不因为售价高而使寿命周期费 用增高〔)。因此，在选用设备时，不应将设备的购置阶段和使用阶段割裂开来，否则可能 得到片面的结论。 热工设备外表面绝热层设计属于第一种优化形式，如蒸汽管道和热风管道的保温层设 计，炉墙绝热设计等。在这种情况下，投入费用LCI的目的是使热损失费用LCQ减少，但并 不是说绝热层越厚越好。实际上，LCI和LCQ即为寿命周期费用LCC,因而存在着最佳绝热 层厚度，使LCC为最小（图1）。 加热炉设备的优化设计也属于此形式。就车间而言，加热炉的任务是为轧机提供加热质 量合格的钢坯，并不存在盈亏问题。加热炉一生中不但投入了资金，也消耗了能源和耐火材 料，产生了氧化烧损，因而加热炉的优化设计就是如何使加热炉以最小的寿命周期费用来加 热钢坯。因此，在设计阶段就应充分考虑各种因素，设计出技术上适用经济上合理的炉子， 这是实现寿命周期费用最低的基础。 当然，优化设计仅是实现寿命周期费用最低的第一步，还应在运行阶段进行优化管理， 选择最优操作变量，使运行维修费用最低。 第二种形式是如何设计最佳设备规模，使设备取得最大的寿命周期经济效益。属于这种 情况的热能设备有余热回收设备如换热器、余热锅炉等。这类设备是以回收热量、节约燃料 LCF 8 Lce LCC LCQ LCI 3 Scale Scale 图1热能设备最小寿命周期费用 图2热能设备最大寿命周期收益 Fig.1 Minimum life cycle cost Fig.2 Maximum life cycle Savings of energy system of energy system 为目的，因而节约燃料越多，收益就越大。但是，设备的投人，相对于主体设备而言，额外 地投人了资金和能量（电力），因而其本身所节约的燃料费用必须超过其投入费用（即寿命 周期费用，为资金费用和能耗费用之和)，才有经济效益而言。设备节约的燃料费用可由下 式计算： LCF=PsCg·E.N/n (2) 式中LCF为设备投入后节约的寿命周期燃料费用的现值（元），P,为燃料价格的现值系数， Cr为燃料价格（元/kg或元/Nm3),E为燃料节约景(Nm3/h或kg/h),N为设备年工作 时间(h),”为主体设备（炉子）的热效率。 从而设备所取得的寿命周期经济效益LCS(元)可写为： LCS=LCF-LCC (3) 图2即表示了这类设备的优化设计。 需要注意的是，LCS与LCF及LCC有关，因而寿命周期费用大的设备，其寿命周期经 419
期 费用高 相反 ， 由于设备质 量好 ， 寿 命高 ， 维修 费 用低 ， 并不 因为售 价 高而使 寿命 周期 费 用增高 〔 “ ’ 。 因此 ， 在选 用设备 时 ， 不应 将设备的购 置阶段和使用阶段 割 裂开来 ， 否则可能 得到片面的结论 。 热 工设备外表面绝热 层 设计属于第一种优化形式 ， 如蒸汽管道和热 风 管 道 的保温层 设 计 ， 炉 墙绝热 设计等 。 在这种 情况下 ， 投 入费 用 的 目的是使热 损失 费用 减少 ， 但并 不是说绝热层越厚 越好 。 实 际上 ， 和 即 为寿命周期费用 ， 因而存 在着最佳绝热 层厚 度 ， 使 为最小 图 。 加 热炉设备 的优化设计也属于 此形式 。 就车 间而言 ， 加热炉的任务是为轧机提供加 热质 量合格 的钢坯 ， 并不存 在盈亏 问题 。 加 热炉一 生 中不但投入 了资金 ， 也消耗 了能源和 耐火材 料 ， 产生 了氧化烧损 ， 因而加 热炉 的优化设计就是如何使加热炉以最小 的寿命周期费 用来加 热钢坯 。 因此 ， 在设计 阶段就应充分考虑各种 因素 ， 设 计出技 术 上适 用经 济上合 理的炉子 ， 这是 实现寿命周期费 用最低的 基础 。 当然 ， 优化设 计仅是实现寿命周期 费用最低的第一 步 ， 还应在运行阶段进行优化管 理 ， 选择最优操作 变量 ， 使运行维修 费用最低 。 第二种形式是如何设计最佳设备规模 ， 使设备取得最大的 寿命周期经济效益 。 属 于这神 情况的热能设备有余热回收设 备如换热器 、 余热锅炉等 。 这类设备是以 回 收热 量 、 节约 燃料 书口 〔 。 只 。 王 图 热能设备最 小寿命周期费用 图 热能设备最 大寿命周期收益 皿 ‘ 为 目的 ， 因而节约 燃料越 多 ， 收益 就越大 。 但是 ， 设备 的投 人 ， 相对 于 主 体设 备而言 ， 额 外 地投人 了资金和 能量 电 力 ， 因而 其本身所节约 的燃料费 用必须 超过其投人费 用 即寿命 周期费 用 ， 为资金 费 用和能 耗 费用 之和 ， 才 有经 济效益而言 。 设备 节约 的燃料 费用可 由下 式 计算 勺 式中 为设备投人后节约 的寿命 周期燃料 费用 的现值 元 ， 为燃料价格 的现值系数 ， ， 为燃料价 格 元 或元 ’ ， 为燃料节约量 “ 或 ， 为 设备 年工作 时间 ， 刀为主 体设 备 炉 子 的热效 率 。 从而设备所取得 的寿 命 周 期经济效益 元 可写 为 二 一 图 即表示 了这类设 备 的优化设 计 。 需要注意的是 ， 与 及 有关 ， 因而寿命周期费用大 的设备 ， 其 寿 命 周 期经
济效益不一定就低。如逆流换热器的寿命周期费用要比顺流换热器高，但由于前者回收量 大，节约燃料量大，因而前者的寿命周期经济效益要比后者大得多【7)。可见，单纯以寿命 周期费用来设计或选择这类设备是不合适的，而必须以寿命周期经济效益作为设计或选择依 据。 3热能设备的优化管理 对热能设备进行优化设计和选择，仅是实现设备优化管理的第一步。设备的管理不仅包 括设计（选择）管理，还包括购材制造管理和运行维修管理：1)。在设备的方案形成及制造 成实物后，其运行阶段的管理（运行维修管理）就变得非常重要了。设备的运行维修费用是 寿命周期费用的主要部分，往往设备的运行维修费用是初投资费用（包括设计研究费和购材 制造费)的几倍〔)。因此，减少设备的运行维修费用，就可大大减少设备的寿命周期费用。 这就要求对设备进行优化管理，使设备运行在最佳状况下。 对炉子进行优化运行维修管理，不仅可以使炉子的能耗费用最低，也使炉子的物耗费用 (钢坯氧化损失费用和耐火材料消耗费用)最低。由于炉子的能耗、氧化烧损等与炉子的热 工制度有关，故为了对炉子进行优化运行管理，需要建立炉子的管理模型，包括传热模型、 氧化模型、维修模型等技术模型和经济模型，这将是一项巨大的工程。 一个简单的情况是在给定炉子的温度制度下，如何调节炉子的产量指标，使炉子的运行 维修费用（主要是能耗费用和氧化损失费用）最低。这时，炉子的能耗费用与氧化损失费用 与产量的关系就较简单了，我们不难寻求最佳产量指标，使上述两项费用之和为最小5)。 炉子的节能改造是对原来设计方案的补充和修正。节能改造的目标是节能，因此节能改 造方案的选择属于前面所述的寿命周期费用最佳化的第二种形式，也就是改造后所节约的燃 料费用应超过节能改造投资费用，并取得最大经济效益的方案才是最优的。 4结论 在用经济观点分析热能设备寿命周期费用的基础上，综合考虑技术因素、经济因素和能 源因素，并将设备一生中的各个阶段有机地联系在一起，能够比只考虑技术因素或经济因素 的传统方法更全面、更科学地分析和评价设备，并做出优化设计和管理。 参考文献 11 韩小良等。钢铁，1991,26(1)：52 2日比宗平。寿命周期费用评价法。北京：机械工业出版社，1984 3韩小良，韩良智。能源系统的寿命周期经济学。中国金属学会热能与热工学会第六 届年会论文，抚顺，1990 4 Mitchell J W.Energy Engineering.New York:John Wiley Sons,1983 5韩小良。评价加热炉技术经济性能的两个新指标，首届全国青年热能与热工学术会 论文，锦州，1989 6 徐扬光。设备综合工程学概论。北京：国防工业出版社，1988 7韩小良，韩良智.治金能源，1989,9(1)：41 420
济效益 不一定就低 。 如逆流换热 器 的寿命 周期费用要 比顺流换热器高 ， 但 由 于 前 者 回收量 大 ， 节约 燃料量大 ， 因而前者 的寿命 周期经济效益要 比后者大得多 〔 ” 。 可见 ， 单纯以寿 命 周 期费 用来设 计或选择这类设备是不合适的 ， 而必须以寿命周期经济效益作 为设 计或选择依 据 。 热能设备的优化管理 对热 能设备进行优化设 计和选择 ， 仅是 实现设 备优化管理 的第一步 。 设备 的管理不 仅包 括设计 选择 管理 ， 还包括购材制造管理和运行 维修 管理 〔 ‘ 〕 。 在设备 的 方案形成 及 制造 成 实物后 ， 其运行阶段的管理 运行维修管理 就变得非 常重要 了 。 设备 的运行维修费 用是 寿命周 期 费用 的主要部分 ， 往往设 备 的运行维修费用是 初投资费用 包括设 计研究费和购材 制造费 的几倍 〔 ’ 。 因此 ，减少设备 的运 行维修费 用 ， 就可大大减少设备 的寿命周期 费用 。 这就要 求对设备进行优化管理 ， 使设备运行在最佳状况下 。 对炉子进行优化运行维修管理 ， 不仅可以使炉子 的能耗 费用最低 ， 也使炉子的物耗费用 钢坯氧 化损失费用和耐火材料消耗费用 最低 。 由于炉子 的能耗 、 氧化烧损等与炉子 的热 工制 度有关 ， 故 为了对炉子进行优化运 行管理 ， 需要建立护子 的 管理模型 ， ‘ 包括传热模型 、 氧化模型 、 维修模型等技 术模型和经济模型 ， 这将是一项 巨大的工程 。 一个 简单的情况是 在给定 炉子 的温度制 度下 ， 如何调节炉子 的产 量指标 ， 使炉子 的运 行 维修 费用 主要 是能耗费 用和氧化损失 费用 最低 。 这时 ， 护子 的能耗费 用与氧化损失 费 用 与 产 量 的关 系就较简单 了 ， 我 们不难寻求最佳产 量指标 ， 使 上述两项 费用之和 为 最 小 〔 “ ’ 。 炉子 的节能改造是对 原来设 计方案 的补充和 修正 。 节能 改造的 目标是节能 ， 因此节能改 造方案 的选择属于前 面所述的寿命 周期费 用最 佳化的第二种形式 ， 也就是 改造后 所节约 的燃 料费 用应超过节能改造投资费用 ， 并取得最大经 济效益 的方案才是最 优 的 。 结 论 在 用经济观 点 分析热能设备寿命 周期 费用 的基础上 ， 综 合考虑技 术因素 、 经济因素和能 源因素 ， 并将设备一 生 中的 各个 阶段 有机地联系 在一 起 ， 能够 比只考虑技 术 因素 或经济 因素 的传统方法 更全面 、 更科学地 分析和评价设 备 ， 并做 出优化设 计和 管理 。 参 考 文 献 韩小 良等 钢铁 ， ， 日比宗平 寿命周期 费用评价法 。 北京 机械工业 出版社 ， 韩小 良 ， 韩 良智 。 能源系统 的 寿命 周期经济学 。 中国金 属 学会热能与热 工 学会 第六 届年会论文 ， 抚顺 ， 。 。 。 ， 韩小 良 评价加 热 炉技 术经 济性能 的两个新指标 ， 首 届全 国青 年热能 一 与热工 学 术会 论文 ， 锦州 ， 徐扬光 设 备综合工程学概论 北京 国防工业 出版社 ， 韩小 良 ， 韩 良智 冶金能源 ， ， 飞 工 卜
