考慮碳排放成本全壽命周期的變壓器建設(shè)投資決策算法

2020年12月，工業(yè)和信息化部、市場監(jiān)管總局和國家能源局聯(lián)合制定了《變壓器能效提升計劃（2021—2023年）》。文件要求加快電網(wǎng)企業(yè)變壓器升級改造，推行綠色采購管理。自2021年6月起，新采購變壓器應(yīng)為高效節(jié)能變壓器。高效節(jié)能變壓器指符合《電力變壓器能效限定值及能效等級》中1級、2級能效標(biāo)準(zhǔn)的電力變壓器。電力變壓器建設(shè)和改造時，不僅要考慮項目的初始建設(shè)成本，也要綜合考慮運(yùn)行維護(hù)成本，還要考慮CO2排放成本，實現(xiàn)全社會成效最優(yōu)。全壽命周期成本（LifeCycleCost，LCC）管理是從整個項目壽命周期出發(fā)，側(cè)重對項目決策、設(shè)計、施工和運(yùn)行維護(hù)等各階段造價進(jìn)行控制，使LCC最小的一種管理方法。電力行業(yè)人員關(guān)于全壽命周期成本理論進(jìn)行了大量的研究，但都未考慮變壓器全壽命周期中的CO2排放成本，忽視了變壓器損耗排放的CO2對環(huán)境的影響，忽視了高效節(jié)能變壓器對環(huán)境保護(hù)綠色低碳的貢獻(xiàn)。本文將基于LCC理論，考慮變壓器損耗的CO2排放成本，提出一種考慮碳排放成本全壽命周期（CarbonLifeCycleCost，CLCC）的變壓器建設(shè)投資決策算法，為變壓器能效提升提供設(shè)備選型參考思路。變壓器CLCC理論算法LCC是指在設(shè)備壽命周期內(nèi)，為其論證、研制、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)、保障及退役后處理所支付的全部費(fèi)用。對于電力行業(yè)，電力設(shè)備LCC是指電力設(shè)備從設(shè)計到退役的整個期間所需費(fèi)用總和。電力設(shè)備LCC主要可劃分為基本建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本、大修和技術(shù)改造成本、懲罰成本。CLCC指在全壽命周期中增加碳排放成本，按照全壽命周期理論配電變壓器的CLCC可劃分為：初次投資成本C

F、運(yùn)行維護(hù)成本CYW、停電損失成本CT和設(shè)備殘值CR4部分，再加上碳排放成本CC。碳交易是指通過向企業(yè)和組織施加碳排放上限，并允許它們在這個上限內(nèi)自由交易碳排放權(quán)，以便實現(xiàn)減少溫室氣體排放的機(jī)制。碳排放成本CC是指變壓器運(yùn)行過程中排放的CO2在碳排放權(quán)交易市場上的價格。全壽命周期成本為CLLC=CF+CYW+CT－CR(1)再加上碳排放成本，得到考慮碳排放成本的全壽命周期成本計算公式為CCLCC=CF+CYW+CT－CR+CC(2)設(shè)變壓器的實際使用壽命為n，變壓器各年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為CYW1、CYW2、…、CYWn，各年的停電損失費(fèi)用為CT1、CT2、…、CTn。變壓器各年的碳排放成本為CC1、CC2、…、CCn。變壓器1年的運(yùn)行維護(hù)成本計算公式為CYW1=CSH+CYJ(3)式中，CSH為變壓器損耗電費(fèi)，為變壓器損耗電量Q和電價PE的乘積；CYJ為變壓器運(yùn)行檢修費(fèi)用，可采用變壓器運(yùn)維經(jīng)驗值。變壓器1年的碳排放成本計算公式為CC1=QQCPC式中，PC為碳排放交易單價；QC為單位電能產(chǎn)生的CO2質(zhì)量。不考慮貼現(xiàn)率，設(shè)每年的運(yùn)行維護(hù)成本、停電損失成本、碳排放成本相同，得到變壓器n年的全壽命周期成本計算公式為CCLCC=CF+nCYW1+nCT1－CR+nCC1變壓器CLCC理論算例本文算例作出如下設(shè)定：1）新建1臺10kV油浸式三相雙繞組無勵磁調(diào)壓配電變壓器，額定容量為400kV·A，接線組別Ｄyｎ11。變壓器的使用壽命為20年。2）變壓器功率因數(shù)取1。3）電價（單位損失電量費(fèi)用）為0.7元/（kW·h）。4）CO2排放價格624元/t。歐盟是全球最大的碳市場，其市場規(guī)模占全球碳市場總量的2/3以上，已經(jīng)建立了一個成熟的碳交易體系。預(yù)計2023年歐盟排放交易體系（ETS）平均價格為80歐元/t（1歐元=7.8元人民幣）。5）每消耗1kW·h電相當(dāng)于排放了0.96kg的CO2。6）依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，電工鋼帶變壓器年運(yùn)維成本2000元。非晶合金變壓器抗重過載能力較弱，年運(yùn)維成本比電工鋼帶變壓器多20%，為2400元。7）變壓器設(shè)備殘值為初次投資成本的5%。8）非晶合金變壓器抗過載能力弱、故障率高，設(shè)非晶合金變壓器比電工鋼帶變壓器的運(yùn)維檢修成本和停電損失成本高20%。依據(jù)《變壓器能效限定值》，容量為400kV·A的變壓器能效見表1。算例1：某農(nóng)村居民用變壓器，負(fù)荷波動大，變壓器年平均負(fù)載率30%，變壓器負(fù)荷季節(jié)性波動較大。依據(jù)《2021年全國電力可靠性年度報告城市》，變壓器年停電時間14.06h。各型號變壓器的CLCC成本計算結(jié)果見表2。由算例1可知，在變壓器年平均負(fù)載率30%時，不考慮碳排放成本時，為節(jié)省變壓器改造的長遠(yuǎn)投資按LCC最小原則進(jìn)行投資選型規(guī)劃，推薦采用非晶合金3級能效變壓器。因為非晶合金3級能效變壓器初始投資成本低。當(dāng)考慮碳排放成本時，按CLCC最小原則進(jìn)行投資選型規(guī)劃，推薦采用非晶合金1級能效變壓器。因為非晶合金1級能效變壓器碳排放成本低，且具有顯著優(yōu)勢。算例2：某城市小工業(yè)用戶變壓器，負(fù)荷穩(wěn)定，變壓器年平均負(fù)載率60%，變壓器負(fù)荷季節(jié)性波動較小。依據(jù)《2021年全國電力可靠性年度報告城市》，設(shè)變壓器年停電時間4.89h。各型號變壓器的CLCC成本計算結(jié)果見表3。由算例2可知，在變壓器年平均負(fù)載率60%時，為節(jié)省變壓器改造的長遠(yuǎn)投資，按LCC最小原則或者CLCC最小原則，都推薦采用電工鋼帶1級能效變壓器。因為雖然電工鋼帶1級能效變壓器初始投資成本最高，但運(yùn)維成本和碳排放成本都具有顯著優(yōu)勢。算例3：設(shè)變壓器年停電時間4.89h，不同型號變壓器在年平均負(fù)載率從10%至100%逐漸增加時的CLCC成本計算結(jié)果見表4。由算例3可知，當(dāng)變壓器年平均負(fù)載率低于20%時，初始投資成本為影響CLCC成本的主要因素，選用初始投資成本最低的非晶合金3級能效變壓器，CLCC最低。當(dāng)變壓器年平均負(fù)載率在30%或40%時，初始投資、空載損耗和負(fù)載損耗都對CLCC成本有較大影響，選用非晶合金1級能效變壓器，CLCC最低。當(dāng)變壓器年平均負(fù)載率高于50%時，負(fù)載損耗為CLCC成本最主要因素，選用電工鋼帶1級能效變壓器，CLCC最低。結(jié)束語1）隨著中國碳排放市場的逐步完善，碳排放成本將成為企業(yè)投資決策的重要考慮因素。為實現(xiàn)投資最優(yōu)，配電變壓器的選型投資決策應(yīng)以CLCC最小為原則。2）CLCC投資決策分析方法是考慮碳排放成本的全壽命周期成本分析方法，包括初始投資成本、運(yùn)維成本、停電損失成本、設(shè)備殘值和碳排放成本。其中起主要作用的是初始投資成本、運(yùn)維成本和碳排放成本。3）基于CLCC理念進(jìn)行變壓器改造選型時，應(yīng)考慮變壓器年平均負(fù)載率，以實現(xiàn)成本低、設(shè)備