TOC法在供热锅炉房电源变压器选型应用的经验

应用当前较为先进的总拥有费用TOC（Total Owning Cost）法，完成一供热锅炉房厂用电源变压器的选型和运行方式的确定，在锅炉房建设前期预测了其寿命期内的变压器总费用，为供热热源变压器选型中采用新方法的一次尝试。

      1　前言              

      某区域供热锅炉房计划建设热水供热锅炉4台，每台锅炉辅机统计电负荷320kW。在前期设计方案阶段，需要对其电源变压器的型式和容量进行确定。由于变压器负荷是一个变动参数，按照以往普遍采用的经济负载系数法选择的配电变压器往往偏大，特别是在应用新型非晶合金铁芯的低损耗变压器时，空载损耗很低，将极易形成“大马拉小车”的局面，使变压器能效下降。在该锅炉房电源变压器的选型中，采用了当前较为先进的总拥有费用法，该方法分析了包括变压器初始投资和运行费用在内的全部费用，较为直观地反映了变压器容量和负荷、损耗及建设成本的关系，使选择的变压器参数更贴近实际，有利于减小能耗、提高能源利用率。

总拥有费用法的计算表达式，及其参数的确定

      2.1　TOC的计算公式

      根据《配电变压器能效技术评价导则》DL/T 

      985，非供电企业专用配电变压器经济使用期总拥有费用包括：配电变压器的初始费用、空载损耗的等效初始费用、负载损耗的等效初始费用。计算表达式为：

        TOC=CI+A·P0+B·Pk（1）

      式中：CI——设备初始费用，元。对于新建项目，取设备价格；P0——变压器额定空载损耗，kW；Pk——变压器额定负载损耗，kW；A——变压器寿命期内单位空载损耗的资本费用，元/kW；B——变压器寿命期内单位负载损耗资本费用，元/kW；

      2.2　参数的确定

      2.2.1　系数A

      变压器空载损耗每千瓦的资本费用。通常可以看作变压器在寿命期不变的数，一天24小时，一年365天，20年不变（以下均设变压器寿命期为20年）www.china-heating.com。A的数值除与变压器的寿命期和此期间的利率等有关外，主要由电价来决定，等效于初始费用的现值表达式如下：

      A=KPV（Ee·Hpy+Ec·12） 元/kWh（2）

      其中：

         KPV=■（3）

      式中：KPV——贴现率为i的连续n年费用现值系数。可由现值系数表中查得；i——年贴现率；a——年通货膨胀率；n——变压器经济使用年数；Ee——单位电度电费元/（kW·月）；Ec——单位容量电费，即两部电价中按最大负荷收取的基本电费，元/（kW·月）；Hpy——变压器年带电小时数。

      2.2.2　系数B

      变压器负载损耗每千瓦的资本费用。除了电价因素外，主要与变压器所带负载特征有关，负载特征可用年最大负载损耗小时数（由最大负载利用小时Tmax和功率因数确定，见表1）以及负载率表示。重负载、运行时间长以及负载率高的生产企业，其系数B就大，反之则小。系数B的数值等效于初始费用的现值表达式如下：

       B=KPV（Ee·τ+Ec·m）·β2 元/kW（4）

      式中：KPV、Ee、Ec同系数A中所用；τ——年最大负载损耗小时数；m——变压器投运时长，该参数是以月为单位计算的，全年取12；β——变压器的负载率。

      2.2.3　τ值的计算

      年最大负载损耗小时数的定义为：变压器功率一直保持为最大负载功率Tmax，在τ小时的线损耗量恰等于元件年的实际线损耗量ΔA，则称τ为最大负载损耗小时数。根据行业性质不同，τ值差别很大，相应计算出的B值相差也很大。在配电变压器的设计中通过查表确定。但是，在这些规范中给出的数据多为采自常年运行的行业，与季节性强的供热行业相去甚远，而与供热季节性强的特点较为接近的城市照明负荷又由于负荷率较低而难以套用。

      τ值的大小取决于变压器单位时间内最大负荷利用小时数Tmax和持续负载曲线的形状，是变压器负载率在该段时间内的积分，与行业用电的运行方式密切相关。为准确计算τ值，可通过分析该地区在运类似锅炉的年电负荷日志得出。统计中，供热锅炉往往为半年运行，其电源变压器在夏季为停运状态，此时半年的数据即可确认为年值。

      2.2.4　现值系数KPV的确定

      忽略的通货膨胀的影响，按照计算时银行一年期贷款利率i为0.6，根据式（3）计算20年的现值系数KPV为11.4699。

      2.2.5　变压器负荷率β的确定

      为便于比较各种方案技术经济指标的优劣，现根据每台锅炉的计算电负荷320kW，及干式变压器容量的档级，分别计算了各种可能方案下的变压器负荷率，见表1。

      2.2.5　系数A和B的计算

      根据公式（2）、（4）及相关参数，分别计算了变压器在经济使用期20年里，年投运5个月、7个月的运行方式下，负荷率分别为0.65、0.70、0.83和0.87时的A、B值（如表2）。

      表2中的计算依照所在地，电价Ee=0.7元／kWh，基本电费Ec＝20元，（kW·月）。

3　TOC值计算

      根据GB50053-1994《10kV及变电所设计规范》要求，拟选用防火型干式变压器。对SCB9型、SCB10型以及低损耗的SCBH10型干式变压器产品进行了市场调查。现根据厂家所提供的产品样本，计算出相关变压器的部分技术经济数据（如表3）。

      根据表2中变压器在不同工作条件下的A值和B值，及表3中的部分变压器空载损耗、负载损耗及变压器的初始投资（市场价格），计算备选6种变压器的经济评价表。评价表根据运行的方式的不同，按照每年投运5个月、7个月本别开列（如表4、表5）。

      从表4、表5可以看出：

      ●尽管节能型变压器SCBH10市场价格高出SCB10型40%以上，但是经20年的运行，由于其损耗远低于其它两个型号，期间产生的总费用已经与其它两个型号相当。在每年投运5个月的运行方式下，其TOC值略高于SCB10型，但在每年投运相对较长的7个月运行方式中，TOC值明显低于SCB10型2%~3%。由于节能型变压器空载损耗低，在带电时间长的运行方式下节能效果明显。

      ●在能够满足1台锅炉电负荷的变压器容量中，400kVA容量变压器的TOC值要低于500kVA的；在能够满足2台锅炉电负荷的变压器容量中，1000kVA容量变压器的TOC值要低于800kVA的；在能够满足3台锅炉供电负荷的变压器容量中，

蒸汽流量计，蒸汽流量表，蒸汽计量表，蒸汽表，涡街流量计1250kVA容量变压器的TOC值要低于1600kVA的。

4 方案比较

      考虑锅炉房厂用电源的可靠性，初步确定低压配电形式采用两台变压器、按变压器分段的方式。两台变压器根据冬季热负荷变化情况锅炉投运情况可以分别投入运行，以节省基本电费。依照一台变压器带1~3台锅炉电负荷的方式，制定方案如下：

      方案1，选用1台SCBH10型400kVA低损耗变压器带1台炉电负荷整个采暖季运行7个月，选用1台SCB10型1250kVA普通变压器带3台炉电负荷，供热负荷较大期间运行5个月，TOC=181916+343702=525618元，

初始投资234117元。

5 为优选方案而增加投资的回收

      方案1的初始投资高于方案2，多投入资金的回收作为多方案的经济性的指标，下面予以计算。

      在不考虑资金的时间价值时，回收年限为两方案投资差与耗能价差的累计持平的年限：

       n=■

      （8）

        式中：C1-C2为两种方案的投资差，元；（∑2 A·P0-∑1 A·P0）+（∑2 B·PK-∑1 B·PK）为两种方案的年耗能价差，元。

      在记及资金时间价值时，回收年限即为两方案综合费用相等时的使用年限，即TOC1=TOC2：带入（1）式，整理后得到：

      KPV20=■

      （9）

      （9）式与（8）式值相同，KPV20为变压器使用年限为20年的回收年限的现值系数。由现值系数表达式（3）得到：

         n=■（10）

      根据表达式（8）计算未计及资金时间价值时的回收年限：n=3.16年，由表达式（10），计算出变压器使用年限为20年时的方案初始投资1的回收年限n=3.6年。因此，由于方案1的经济指标好于方案2，使其多投入的11739元在3年半即可收回。

6 结束语

      总拥有费用法通过比较具有不同效率水平和不同价格的变压器在使用期间的总拥有费用，按照总拥有费用最低来评价和选择变压器。TOC法在美国于1981年发展成为工业标准，按照TOC标准购置变压器一直沿用至今。近年来TOC法在国内广泛应用，并且已经有电力行业标准《配电变压器能效技术评价导则》DL/T985、南方电网公司《配电变压器能效标准及技术经济评价导则》Q/CSG11624等技术标准公布实施。在可查阅文献中鲜有在供热行业应用的实例，这次应用实为一次有益的探索。

涡街流量计