湖南工程学院函授-工程经济学学习课程-第11章 案例
院校：湖南工程学院继续教育
发布时间：2020-03-17 13:04:53
1.项目背景
某化工企业为一级电力负荷生产企业，由两个独立电源（两路高压市电）供电。但从电力网引接两回路电源进线供电方式，不能满足一级负着中的特别重要负荷对供电可靠性及连续性的要求。因为地区大电力网在主网电压上部是并网的，若发生电力同故障，无论从电网取几回电源进线，也无法得到严格意义上的两个独立电源，且企业供电系统内部故障也可能造成全部停电事故。考虑到该厂有特别重要负荷——正常电源中断时处理安全停产所必需的应急照明、通信系统、自动控制装置（生产控制中心）、需要连续生产的主车间部分设备、消防车通道电闸、电梯、事故照明、安保系统等，供电系统设置了一个独立的应急电源系统。它由三组国产某品牌600kW柴油发电机组组成，两组使用，一组备用。因柴油发电机组是第三电源，不必为它再设“备用”，所以备用的并未购置安装，只预留了位置。
现该企业为提高生产能力，拟对工厂进行扩建，应急电源系统总容量需达到1800kW，并委托一家电力设计公司提出应急电源系统的更新设计方案。设计公司在综合考虑了工厂的用电设备负荷等级、现有高低压配电系统主结线形式、供电范围和供电半径等因素后，根据该厂电力部门的意见，提出了三个设计方案。如%
（1）增加发电机组方案
在原发电机房的预留位置上安装一组同品牌的600kW新发电机组，与原两组发电机并行接入应急电源系统。考虑到发电机集成厂商售后服务方面的问题，采用这一方案时采用同品牌的发电机组较为妥当。
（2）更换发电机组方案
将现有的发电机组更换成两组900kW的国外某品牌发电机组。这是考虑到现有品牌的发电机组耗油量大、噪声比较大，而且其在当地的系统集成厂商售后服务不及时等因素而提出的。近几年发生过9次在电力网较长时间中断情况下，接到通知后，该厂商未能及时到场提供服务的问题。而经市场调查，该国外品牌的当地集成商可提供整机集成、安装、调试及三年免费维护服务，能保证在接到通知后一小时内到场服务。
（3）采用蓄电池组方案
这是近年来迅速发展起来的一种应急电源系统，通过有效独立于正常电源的电池组提供应急电源，其原理如图11-5所示。即当市电正常时，通过整流、稳压、海孩等装置，直接向负载输出220V电压，并对蓄电池组进行浮充储能，电池和迎变器等器件都处于后备状态；当市电中断时，由静态转换开关启动蓄电池组由充电状态变为放电状态，各部件处干逆变状态，经逆变器和升压器处理后向负载输出220V电压的交流电源。目前，按电源逆变器原理区分主要有应急电源装置（EPS）和不间断电源装置（UPS）两种。
2.方案分析
（1)方案经济分析与计算
1)增加发电机组方案的经济分析与计算
原两台发电机组的购置与安装费共计80万元，加上配电盘、低压开关柜等附加设备费用，总费用90万元，折旧期和使用期均为10年，发电机组折旧采用平均年限法计算，残值率5%，已经使用5年，旧发电机组目前市场二手价为10万元。每台机组平均每年运行时间200h。根据往年统计数据测算，燃油消耗270g/kW.h（通常厂家的发电机说明书注明的比油耗为200~220g/kW·h，但厂家数据通常是依据特定情况测算的，实际使用时由于柴油质量、作为应急电源发电机的频繁启动和关闭及使用过程中的操作损耗等，实际比油耗较高）。维护维修费每台20000元/年。由于使用时间少，发电机组的运营费用的劣化现象不明显。若新购同品牌发电机组一组，价格为50万元，加上附加装置，费用共计55万元，其他经济数据与原发电机组相同。
从2002年以来，国际原油价格翻了四五倍，受原油价格影响，柴油价格也一直呈上升的趋势，这里暂按7000元/t计算，估计未来柴油平均价格应该高于这个水平。原两组发电机组的年燃油费用为：
新增一组同品牌同样功率的发电机组新增的燃油费用为453600/2=226800元，新增维护维修费为20000元/年。新增发电机组费用增加了企业所得税前抵扣额，以所得税率25%计算，则其节税额为：
（226800+20000+52250）×25%=74763元以5年使用寿命期计算。在以后的5年中，采取增加发电机组方案的年费用现金流，见表11-12所列。目前的资产账面价值为：90000-85500×5=172500元如现在进行处置，由于市场价值为20000元，低于资产账面价值，则抵扣所得税额为：
（472500-100000×2）×25%=68125元
表11-12中，期末所得税调整额是指新增加发电机组期末处置所得税调整额，
计算过程如下：
[（550000-52250×5)-100000]×25%=47188元
该企业的税后基准投资收益率为13%，根据表11-12净费用现金流量可以计算出，增加发电机组方案的年费用为868585元。
2）更换发电机组方案的经济分析与计算
采取这一方案，所更换的国外某品牌的两组900kW发电机组的购置费、安装费及全自动配电柜费用等，总共为200万元，采用平均年限法计算折旧，折旧期10年，残值率5%。考虑5年使用期，5年末的市场价格为20万元/台。每台机组平均每年运行时间200h，燃油消耗为20g/kW.h（该品牌柴油发电机带有自调式子油阀，可根据负载大小自动调节油量，较高的品质能保证长时间使用时保持好的状况，且缸套与活塞吻合也较好，因此比油耗较低），维护维修费每台10000元/年。按同样的方法，可计算出年燃料费用为：
在5年使用期内，更新后与更新前相比，各年所得税节税额为：
（190000+554400+20000）-（85500+453600+2×20000）]×25%=46325元在5年使用期结束时，新发电机组处置的所得税调减额为：
[（200000-19000×5）-400000]×25%=162500元
如果采用本方案，可以利用原有的发电机房、油罐、噪声治理设施、通风，推烟、冷却、消防措施、水幕灭火或二氧化碳灭火等设施，这些费用将不会发生。更换新发电机组的费用现金流，见表11-13所列。
根据表11-13，按企业的税后基准投资收益率13%，可以计算出更换发电机组方案的年费用为1009902元。
3）采用蓄电池组方案的经济分析与计算
①逆变器采用EPS还是采用UPS的比较选择UPS是发展比较成熟的不间断电源技术，而EPS是近几年才发展起来的应急电源技术。两者均是采用了IGBI逆变技术和PWM脉宽调制技术，但它们的工作原理又有不同。大功率的UPS通常采用在线式的，即UPS不论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，按照“市电输入→整流（充电）一逆变一输出”的路程进行，只有在逆变器故障或过载时才改由市电供电。在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。EPS类似于大功率的后备式UPS，平时逆变器不工作，市电断电时才启动，一般不对电源进行恒流、恒压处理。图11-6显示了两者之间原理上的区别。
除此之外，两者的不同之处还表现在：①UPS除了提供应急供电外，还兼备改善市电品质的功能，而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题；②UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS则适用于各种行业；③UPS供电模式要求切换时间很短（0~10ms)，EPS则相对较宽（0~4s）；①EPS所带负荷混杂，UPS主要带计算机类负荷；⑤UPS对于运行环境要求较高，EPS则要求能适应各种环境。两者综合指标定性比较，见表11-14所列。
UPS专为IT行业的计算机类和通信类负荷而设计，其负荷适应能力不及EPS。如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负荷，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的启动电流通常是其额定电流的5~7倍，而UPS的过载能力标准规定：过载125%时，A类为10min，B类为1min，C类为30s；过载150%时，为10s，因此，如果想要UPS能承受电动机启动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容量，这无疑将加大投资，即便如此，也未必能彻底解决问题。
从上述对比分析可以看出，如选择蓄电池组应急电源方案，EPS更适合该厂的电力负荷特点。如采用UPS，一个可行的方案，是对工厂的一些电容性负荷（或安保系统、通信系统、自动装置控制系统及计算机室等）采用多个独立的UPS不间断电源，对电阻性、电感性负荷（如主要设备电动机、电梯、水泵、风机等）继续由柴油发电机组提供应急电源。但这一方案的投资成本明显偏高，且UPS提供的应急电源延续时间也较短，不能满足可能会出现的较长时间市电中断的情况。因此，采用蓄电池组更新方案时，选择EPS应急电源装置。
EPS按所带负荷的种类大致可以归纳为以下三种：
①主要用于应急照明和事故照明的单相EPS；
②用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电规卷帘门、排气风机、水泵等电感性负荷或兼而有之的混合供电的三相系列Ep<，
③直接给电动机供电的变频系列EPS，可以为一级负荷和特别重要负荷用电平。或消防设备提供第二或第三电源。由于企业的主要设备需要连续生产，因此应选择变频系统的EPS装置。
②EPS应急电源系统与柴油发电机应急电源系统的比较分析柴油发电机组作为传统的应急电源，至今已有五六十年的历史。柴油发电机的容量较大，可并机运行且持续供电时间长，还可独立运行，不与地区电网并列运行，不受电网故障的影响，可靠性较高。尤其在某些地区常用市电不是很可常的修况下，把柴油发电机作为备用电源，既能起到应急电源的作用，又能通过低压系统的合理优化，保证一些平时比较重要的负荷在停电时继续使用，因此该应急电源系统在工程中得到广泛的使用。
但是，柴油发电机使用也带来诸多问题，譬如占用面积较大，除发电机组外，还需考虑控制、配电、油箱等附属设备间，对平面和空间要求较高，还需要对储油间进行防火处理。另外，柴油发电机组带来的噪声、振动、排烟、通风、防潮、防冻的问题，对环境也造成严重影响。因此，这种应急电源系统并不适合应用于一些对环境要求较高的工程，如医院、商业中心、公共活动场所、宾馆和写字楼等。近几年发展起来的EPS应急电源克服了传统的柴油发电机组存在的众多问题（两者各项性能指标对比见表11-15所列），越来越多新建的上述设施采用EPS作为首选应急电源系统。北京奥运会很多场馆的建设都将EPS作为第一应急电源。
由此可见，EPS应急电源的优势是柴油发电机无法替代的。但目前EPS在工业生产中应用还不是太广泛，主要是存在两个问题：一是EPS应急电源供电持续时间比较短，标准型的为60min，虽可通过延时接口延长供电时间，但需要成倍增加蓄电池组的数量；二是EPS装置的投资儿平为进口发电机价格的3倍。本工程是否可采用EPS应急电源方案，还需要结合工厂的具体情况，进一步进行分析。
这里先分析第一个问题。从近5年电网供电数据分析，发生的电网断电在30min以内的次数占32%，在30~60min的次数占63%，在60-120min的次数占%.120min以上的次数上1%。由于工厂一些主要设备连续生产，仅依靠EPS作为应急电源（EPS定位为应急电源，而柴油发电机通常为备用电源）显然是不够的。但是，可以充分利用工厂现有的两台发电机组，组建一个以EPS为应急电源、以原有两组发电机作为备用电源的应急电源系统，从而可以解决上述的仅以EPS作为应急电源而存在的延时短的问题。该方案应急电源系统的基本架构如图11-7所示。当市网断电时间超过EPS备用时间时，可启动发电机供应要害负荷（如生产控制中心、连续生产设备、消防联动等）。
③“EPS+发电机组”方案的经济分析与计算
根据工厂低压配电网的设置及各类特别重要荷载负荷功率，按混合负荷EPS容量计算方法，确定在原有的A号、B号低压配电房及扩建厂区的C号配电房各设一个400kW混合负荷型三相EPS柜（某品牌HBES系列EPS产品），即可满足要求。蓄电池组配置数量应考虑电源备用时间及经济性，由于采用现有发电机组作为长时间应急电源，从市电断电概率分布来看，备用时间为60min的蓄电池配置是最经济的。因此，各EPS柜的后备时间柜为18组1800×1000×2280的电池柜（密封式免维护铅酸蓄电池）。
按上述配置，每组EPS装置的购置费用为115万元（其中：70万元EPS设备费，45万元蓄电池组费用），另计算配电房扩建费用、EPS装置安装费用及局部线路改造费用约10万元（包括应急照明系统线路改造），则三组EPS应急电源装置总投资375万元。按国家财务制度规定，电子设备按5年期折旧，计取3%~5%残值。这里考虑EPS设备采用5年折旧期及年数总和法计取折旧，由于配电房扩建及局部线路改造费用形成的固定资产数额较小，为简化计算，经济分析时也一并计入，对结果影响甚微。蓄电池柜按5年折旧期及平均折旧法计提折旧，折旧期末残值率3%。据此，计算出EPS应急电源系统的每年折旧费（表11-16）。
EPS设备实际使用率不高，5年计算期末有较高的价值，预计为20万元/白铅酸蓄电池寿命为充放电循环300~350次，作为后备电源，平均每年充放电循环70次左右，寿命应能达到5年，可考虑到计算期末再进行更换。另外，因电池中含有大量的铅，有较高的回收价值。每组400kW的EPS装置的电池重量在10t去右，市场回收价值8万元。由于EPS设备内电子部件对整个系统的价格和设备体积影响不大，可以充分设置各种电压、过电流、抗冲击等保护措施，可以选用高品质的元器件，同时由于其一般处于后备状态，所以主要部件可以使用到15~20年，其他元件也可以使用到5年或更长的时间。电池柜在寿命期内不需要进行修理，只需要做定期的检测。所以，EPS装置的日常维护成本很低。本方案的三组EPS装置运营费用按共计10000元/年计算。采用“EPS+发电机组”方案后，工厂减少的费用包括：
A.后备柴油发电机的使用费的减少。原柴油发电机组使用时间预计将减为50h左右，每年的维护修理费10000元/台，每年燃油费用为453600/（200/50)=113400元，在5年计算期内，两组发电机每年共节省维护修理费为20000元、节省燃油费用340200元。
B.节省应急灯具的电池更换费用。全厂（包括扩建部分）应急照明系统灯具及疏散指示牌共计520件，原应急灯具的电源为AANi-CD700mAh×4（镍镉电池），正常循环充放电次数在500次左右，但由于实际使用充放电的操作并不十分正确，使用次数在200~300次，寿命通常为1年。一盏应急灯具用一组4节700mAh的镍镉电池，购置价格20元，每年维护使用费（更换、检修、充电的人工费和材料费等）按10元计算。采用本方案后，由EPS电池柜供电，因此可每年节省此须费用30×520=15600元，并使得整个应急照明系统成为免维护系统。此外，EPS逆变输出波形为正弦波，性能优越，适合各式照明灯具，能延长灯具发光源的使用寿命。
C.减少生产设备维护费等。采用柴油发电机组作为应急电源，无论发电机的启动速度有多快，从停电后发电机接到启动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止，至少需要数十秒至数分钟。这段时间，所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备零部件的损坏、频繁启动的磨损、耗电量的增加、生产线上在产品的废弃、暂时的停工或窝工等损失，以及可能出现的生命和财产安全问题。因为缺少这些损失的实际统计数据，损失数据尚无法确定。而采用EPS应急电源后，启动一般不会超过25ms，而且可根据生产设备的情况需要，确定EPS应急电源与市电之间的切换时间而保证不会影响设备的正常工作，从而减少了这一损失。根据表11-18，按企业的税后基准投资收益率13%，可以计算出“EPS+柴油发电机”更新方案的年费用为1011833元。
（2）方案比较与结论
将上面计算结果汇集如下：①“增加发电机组”方案的年费用为868585元；
②“更换发电机组”方案的年费用为1009902元；③“EPS+柴油发电机”更新方案的年费用为1011833元。
首先，如果只是比较前两个方案，那么可以看出，“更换发电机组”方案的费用远高于“增加发电机组”方案的费用，在其他方面也没有太大的优势，两者之间应倾向于选择“增加发电机组”方案。
其次，分析“EPS+柴油发电机”方案。该方案在年费用上只比“更换发电机组”方案多1931元，比“增加发电机组”方案多了143248元。但是，该方案分析计算时，并没有计入前面所述的，在采用EPS装置第一应急电源后，可在市电中断后在极短的时间内进行切换，而不影响设备的连续正常生产和使用所带来的益处，即减少了过去因为采用发电机作为第一应急电源时切换时间较长所带来的损失。这部分损失大小一时没有准确的统计数据进行计算，但根据初步估算的结果，“生产线上在产品废弃”的损失费用平均每年就达到80000元以上（税后达到60000元以上），加上设备磨损费（维修费）的增加、设备频繁启动费用及停窝工损失，这些损失的费用总和会达到甚至会多于该方案与“增加发电机组”年费用之差。除此之外，该方案还将消除采用发电机组作为第一应急电源所带来的噪声、烟气，并由此带来生产和财产安全性等方面不可计量的社会效益。根据上述的分析和比较，建议企业采用“EPS+柴油发电机”更新方案。
3.编者按
本案例综合应用了设备更新的基本理论和方法，其分析过程与思路有下面几个方面值得关注和进一步思考：
（1）设备更新分析（包括工程经济分析的其他领域）不是简单的“1<2”的问题。即在许多情况下，不能简单地根据计算结果作出选择。实际上，实际经济分析所计算的数据可能很难包括所有的经济要素。当各更新方案的计算结果比较相近的青况下，这些未计入的要素可能将起到决定性的作用。
（2）新设备通常具备更良好的可靠性、柔性、安全性、环保性等额外的性能，些性能的效益可能并不直观，或者不能立即体现出来，但做着相关政策、制度或环境的变化，会为设备所有者带来收益。如不可预见的能源价格上涨、政府环保标准的提高等。这些因素可能很难定量化，但必须在设备更新方案选择时考虑这些“非货币”的要素。对这些非货币化的要素（或者称为定性的指标）如何量化，也是值得工程经济理论加以研究的问题。
（3）设备更新分析实际也是多个方案的比较问题，所以应将所有可能得到的设各方案纳入比较分析之中，这样才能保证可以找到最优的设备更新方案。例如本案例中，尚没有考虑可能得到的新发电机组的租赁方案和EPS租赁方案。另外，更新方案的提出也随环境而变化，例如本案例是在特定的情况下选择采用“EPS+柴油发电机”方案，而对一些民用建设工程的应急电源系统，一般只要有EPS装置就可以满足要求了。
（4）所得税因素对更新分析结果的影响是不能忽略的。这一点在本章前几节的例子中尚没有得到显著的体现，而在本案例中，如果忽略所得税因素，其结果相差会很大。有兴趣的读者不妨在不考虑所得税的情况下，重新演算一下本案例的计算过程，作一个比较。
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