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设备更新分析案例

一、项目背景
    某化工企业为一级电力负荷生产企业，有两个独立电源（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，不能满足一级负荷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，若发生电力网故障，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。考虑该厂有特别重要负荷（包括：正常电源中断时处理安全停产所必须的应急照明、通讯系统、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，两个使用一个备用。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，并根据该厂电力部门的意见，提出了三个设计方案：
    （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妥。
    （2）更换发电机组方案。更换现有的发电机组，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、噪音比较大，而且其在当地的系统集成厂商售后服务不及时等因素。近几年发生过9次因电力网较长时间中断情况下，在接到通知后，该厂商均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、调试及免费三年维护服务，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1所示。即当市电正常时，通过整流、稳压、滤波等装置，直接向负载输出220V电压，并对蓄电组进行浮充储能，电池和逆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，各部件处于逆变状态，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。

图1 蓄电池组应急电源原理
二、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，发电机组折旧制度平均年限法折旧，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。每台机平均每年运行时间200小时，根据往年统计数据测算，每KW?h的燃油消耗270g（通常厂家的发电机说明书注明的比油耗为200～220g/KW?h，但厂家数据通常在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。若新购的同品牌一组发电机组价格为50万元，加上附加装置，费用共计55万元，其它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/吨计算，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：

（元）
新增一组同品牌同样功率的发电机组新增的燃油费用为

（元），新增维护维修费为20000元/年。
新增发电机组的年折旧费为：

（元）
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：

（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如表1所示。

表1中，机会所得税调整额是指保留使用原发电机组而失去了处置原发电机组而引起的所得税调整，其值计算过程如下：
原两组发电机组的年折旧费为：

（元）
目前的资产账面价值为：

（元）
如现在进行处置，由于市场价值为200000元，低于资产账面价值，则抵扣所得税额为：

（元）
表1中，期末所得税调整项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：

（元）
    该企业的税后基准投资收益率13%，根据表1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20万元/台。每台机平均每年运行时间200小时，每KW?h的燃油消耗220g（该品牌柴油发电机带有自调式电子油阀，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：

（元）
新发电机组的年折旧费为：

（元）
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：

（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：

（元）
如果采用本方案，可以利用原有的发电机房、油罐、噪音治理设施、通风、排烟、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2。

    根据表2，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，即按照“市电输入→整流（充电）→逆变→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2显示了两者之间原理上的区别。

图2 EPS与UPS工作原理的区别
除此之外，两者的不同之处还表现在：①为UPS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）；④EPS所带负载混杂，UPS主要带计算机类负载；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3。

    UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及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载，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起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10s。如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容量，这无疑将加大投资，还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载特点。如采用UPS，一个可行的方案，是对工厂的一些电容性负载（或安保系统、通讯系统、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、电感性负载（如主要设备电动机、电梯、水泵、风机等）继续由柴油发机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按所带负载的种类大致可以归纳为以下3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、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS；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设备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。
    （2）EPS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。尤其对某些地区常用市电不是很可靠的情况下，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，将一些平时比较重要的负荷在停电时使用，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音、振动、排烟、通风、防潮、防冻的问题，对环境要也造成严重影响。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医院、商业中心、公共活动场所、宾馆和写字楼等工程。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4），越来越多的这样的新建设施采用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60分钟，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装置的投资几乎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30分钟以内的次数占32%，在30～60分钟的次数占63%，在60～120分钟的次数占4%，120分钟以上的次数占1%。由于工厂一些主要设备连续生产，显然仅依靠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作为应急电源的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3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载（如生产控制中心、连续生产设备、消防联动等）。

图3 “EPS＋发电机组”应急电源系统架构
    （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载功率，按混合负载EPS容量计算方法，确定在原有的A＃、B＃低压配电房及扩建厂区的C＃配电房各设一个400KW混合负载型三相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60分钟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，45万为蓄电池组费用），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5）。

    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/台。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10吨左右，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：
    ①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50小时左右，每年的维护修理费10000元/台，每年燃油费用为（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。
    ②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AA Ni-CD700mAh×4（镍镉电池），正常循环充电次数在500次左右，但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，因此可每年节省此项费用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逆变输出波型为正弦波，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。
    ③减少生产设备维护费等。采用柴油发电机组作为应急电源，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，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、暂时的停工或窝工损失等，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。
    另外，由于上述成本及费用的变化，EPS应急电源系统投入使用将使得企业的所得税额有所调整，在计算期5年内各年的所得税调整额计算见表6。

在5年计算期末，旧电池及EPS设备的处置也涉及所得税调整。旧电池的处置所得税调增额为（80000-40500）×25%＝9875（元）。EPS设备处置所得税调增额为（200000×3－120000）×25%＝120000（元）。
根据上述数据，可以编制出“EPS＋柴油发电机”方案的费用现金流量表（表7）。

    根据表7，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。
三、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“更换发机组”方案的费用远高于“增加发机电组”方案，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地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、烟气及生产和财产的安全性等一些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。

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