-
价值工程的提出，其首要解决的问题就是统一产品的价值和成品，以适合的成品实现必要的功能。价值和功能，成品之间的关系应为如下公式[3-5]：
$$ V=F/C$$ (1) 式中：
V ——价值；
F ——功能；
C ——成本。
功能属于技术指标，成本则属于经济指标，价值工程可通过功能成本的分析，将技术问题和经济问题紧密结合起来，从技术、经济这两方面来提高产品的价值。功能分析是价值工程的核心要点[6]。通过准确的分析其功能及其所要付出的成本，达到功能价值的成本的统一，以实现最合理成本下功能效益的最大化。
价值工程的目的是实现产品的最合理价值，而此价值是达到成本一定功能与所付出成本之比。如公式（1）所示，实现价值最大化需要从提高产品功能属性及减低成本属性两个方面入手。提高功能属性并非一味追求高功能，而是应该实现功能合理化，根据实际需求确定产品的功能，在不增加或少增加成本的情况下提高产品的必要功能。成本的合理化是消除由于不必要的功能所引起的多余的成本。通过合理提高功能，消减成本，以达到两者最佳配比。
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电力工程设计阶段对辅机设备选型的关注点往往不限于一个功能，需要关注多个功能，而每个功能变化相应地引起价值变化，简单的照搬价值公式（1）已不再适用，因此需要采用改良的公式。文章采用功能指数法[7]作为计算功能价值V的方法。功能指数法又称为相对值法，即分别计算设备选型中不同方案的总功能系数和总成本系数，用总功能系数/总成本系数得出各方案价值系数。
价值系数公式：
$$ V_{i}=F_{i}/C_{i}$$ (2) 式中：
Vi ——i方案价值系数；
Fi ——i方案功能系数；
Ci ——i方案成本系数。
-
$$ F_{i}=Σ_{0}^{j}F_{ij}/Σ_{0}^{i}Σ_{0}^{j}F_{ij}$$ (3) 式中：
Σ0jFij ——i方案1~j项功能加权评分值和：
$$ \sum \nolimits_{0}^{j}F_{ij}=(β_{1}F_{i1}+β_{2}F_{i2}+β_{３}F_{i3}+\cdots\cdots)$$ βj ——功能重要性系数；
Σ0iΣ0jFij ——1~i方案的所有功能评分值之和。
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$$ C_{i}=方案i成本/（各种方案的成本和） $$ (4) -
重要系数Ψj评价法，是一种常用的价值功能评价方法，其根据不同功能所具有的重要性差别来区别功能的价值。这种方法特别适合应用于需要考虑多个功能的设备选型设计，其根据各个方案功能之间的复杂及重要程度差异，确定各方案功能在设备总功能中的不同比重，所得比重便是其所具有重要系数Ψi。
为得到功能所具有的重要系数Ψi，需要对于不同功能的重要程度进行评价和打分。 常用的评价方法有环比评分法，多比例评分法，0~4打分法，0~1打分法等[7]。
本文采用0～4打分法来评价功能的重要性差别，其规则如下：
F1相比于F2具有很大的重要性，则F1取4分，F2取0分；
F1相比于F2具有较大的重要性，则F1取3分，F2取1分；
F1相比于F2具有同等的重要性，则F1和F2同时取1分；
F1相比于F2具有很小的重要性，则F1取0分，F2取4分；
F1相比于F2具有较小的重要性，则F1取1分，F2取4分。
-
采用价值系数进行辅机设备选型的程序如下：
1）确定设备选型不同方案，进行方案类型的定义；
2）确定设备主要功能分类，对各个功能进行定义，以对设备功能的评价作为价值工程的主要分析对象；
3）确定不同功能的重要性系数βi，以区分不同功能对设备整个生命周期的重要程度；
4）计算不同方案的功能系数以及成本系数；
5）计算不同方案的价值系数，最终对比价值系数，采用价值系数值高的方案作为最优的选型方案。
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发电厂中的给水泵主要功能就是提升给水到一定的温度，并赋予给水压力并输送给水到锅炉省煤器中。给水泵是电厂设备中最为重要的辅机之一，因此其配置方案的选择对电厂的运行安全性以及运行经济性具有重要影响[8]。目前国内外1 000 MW超超临界主要有2×50%容量和1×100%容量两种配置方案。基于某百万二次再热机组汽动给水泵配置方案选型，以此实例分析价值工程在热机辅机设备设计过程中的项目成本控制应用，并确定合理的配置方案。
汽动给水泵配置方案中各项功能成本很难准确孤立计算，因此采用相对值法公式（2）进行价值系数计算。
实例定义2×50%容量汽动给水泵为方案1，1×100%容量汽动给水泵方案为方案2。
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在汽动给水泵配置方案选择过程中，主要是从运行可靠性，初始投资费用，运行经济性，设备管道布置，运行维护方便性五个方面。因此文章将功能划分成5个类型，即运行可靠性为Fi1，运行经济性为Fi2，初始投资费用为Fi3，设备管道布置为Fi4，运行维护方便性为Fi5，其中i=1代表方案1，i=2代表方案2。
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因各个工程均具有独特性，因此不同工程设计过程中对方案各个功能的重视程度不同，但一般情况，汽动给水泵选型中，各功能的重要性排列顺序为运行经济性、运行可靠性、初始投资费用、运行维护方便性、设备管道布置，即重要性排序为Fi2>Fi1>Fi3>Fi5>Fi4。其中各功能的两两相对重要性如下：
Fi2比Fi1，Fi3和Fi5重要，比Fi4重要的多；
Fi1比Fi3和Fi5重要，比Fi4重要的多；
Fi3比Fi4和Fi5重要；
Fi5比Fi4重要。
重要系数Ψ确定，文章采用0～4评分法确定。评分计算如表1所示：
表 1 重要系数Ψ评分计算表
Table 1. Functional importance coefficient β score calculation table
功能 Fi1 Fi2 Fi3 Fi4 Fi5 功能总分 重要性系数 Fi1 — 1 3 4 3 11 0.275 Fi2 3 — 3 4 3 13 0.325 Fi3 1 1 — 3 3 8 0.200 Fi4 0 0 1 — 1 2 0.050 Fi5 1 1 1 3 — 6 0.150 合计 — — — — — 40 1.000 从上表可得Fi1，Fi2，Fi3，Fi4，Fi5重要系数Ψ分别为Ψi1=0.275，Ψi2=0.325，Ψi3=0.2，Ψi4=0.05，Ψi5=0.15。
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按照运行可靠性运行经济性，初始投资费用，设备管道布置，运行维护方便性五大功能对比，分别对两种方案进行评分，对比评分也采用0～4评分法，即：
1）方案1比方案2指标优秀得多：方案1得4分，方案2得0分；
2）方案1比方案2指标优秀：方案1得3分，方案2得1分；
3）方案1比方案2指标接近：方案1得2分，方案2得2分；
4）方案1对比方案2，指标不如其优秀：方案1得1分，方案2得3分；
5）方案1对比方案2，指标远不如其优秀：方案1得0分，方案1得4分。
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根据国家能源局发布的《2017年全国电力可靠性年度报告》[8]，锅炉给水泵组运行可靠性数据摘选如表2所示：
表 2 2017给水泵组按主机容量分类的运行可靠性指标分布
Table 2. Distribution of operation reliability indicators of feed waterpump unit by main engine capacity in 2017
主机容量/MW 统计台数/台 运行系数/% 可用系数/% 计划停运系数/% 非计划停运系数/% 非计划停运率/% 200～299 349 48.94 96.92 3.08 0.00 0.01 300～399 1 954 44.82 94.45 5.50 0.05 0.11 500～599 22 43.82 91.26 8.74 0.00 0.00 600～699 1 147 51.29 93.37 6.61 0.02 0.03 1 000～1 100 195 63.71 93.42 6.58 0.00 0.00 由表2统计数据可知：1 000 MW等级机组的给水泵组可用系数为93.42％，非计划停运系数为0.00％，就汽动给水泵本身可靠性而言，100％汽动给水泵与50％汽动给水泵可用率均非常高，但是给水泵也存在一定的非计划停运次数。当泵发生故障时，对于1×100％汽动给水泵方案，由于无备用泵可用，机组只能事故停机；而对于50％锅炉给水泵，当一台泵发生故障时，RB功能可以保证机组60％的发电量，因此，采用1×100％汽动给水泵方案，泵组非计划停运机率的存在使得机组的运行经济性降低。
因此，综合考虑，方案1运行可靠性功能较优，且两方案相差不大，根据3.1.3节0～4评分法规则，判定F11=3，F21=1。
-
在不同方案中，小机效率不同，给水泵效率不同和小机的排汽背压也不同，对机组热耗均会产生影响，结合某百万二次再热机组实际分析，各方案热耗差异如表3所示：
表 3 各工况两种给水泵配置方案主机热耗差异表
Table 3. Difference in heat consumption of main engine in two feed water pump configuration schemes under various operating conditions
方案 给水泵
效率/%给水泵汽轮机
效率/%小机排汽
背压/kPa小机实际
排汽焓/(kJ·kg−1)小机进汽
减少/(t·h−1)主机热耗率
差异/(kJ·kWh−1)100%THA 100%容量泵组方案 87.07 85.38 5.2 2 496.75 −3.02 −5.75 2×50%容量泵组方案 85.96 84.56 5.5 2 505.22 基准 基准 75%THA 100%容量泵组方案 83.49 84.65 5.2 2 626.54 −3.24 −12.08 2×50%容量泵组方案 82.44 83.83 5.5 2 673.72 基准 基准 50%THA 100%容量泵组方案 75.75 81.08 5.2 2 542.03 −1.72 −4.32 2×50%容量泵组方案 74.35 76.21 5.5 2 550.30 基准 基准 40%THA 100%容量泵组方案 71.32 70.82 5.2 2 708.89 −1.74 −4.5 2×50%容量泵组方案 74.35 71.29 5.5 2 744.62 基准 基准 如标煤价按850元/t计，在机组年利用小时数为5 500 h情况下，根据广东省已投运百万机组负荷运行数据，不同方案下机组的年均耗煤量以及年均燃料费用如下表所示：
从表4可以看出，与方案1暨2 × 50%泵方案相比，采用方案2暨1 × 100%泵方案，单台机组年均节省燃料费为112万，两台机组年均节省燃料费224万元。
表 4 单台机组在不同方案下的年耗煤量和燃料费用差异
Table 4. Difference in annual coal consumption and fuel cost of a single unit under different schemes
运行负荷 运行小时数h 汽轮机热耗率/(kJ·kWh−1) 发电标煤耗/(g·kWh−1) 年耗标煤量差/(t·a−1) 年燃料费差/(万元·a−1) 1×100%泵 2×50%容量泵 1×100%泵 2×50%泵 1×100%泵 2×50%泵 1×100%泵 2×50%泵 100%THA 2500 −5.75 基准 −0.21 基准 −516.825 基准 −43.90 基准 75%THA 2200 −12.08 基准 −0.16 基准 −262.098 基准 −22.30 基准 50%THA 2300 −4.32 基准 −0.44 基准 −505.949 基准 −43.01 基准 40%THA 500 −4.50 基准 −0.16 基准 −32.817 基准 −2.80 基准 合计 — — — — — −1 317.690 — −112.01 — 因此，从运行经济性分析，方案2优于方案1，且两方案相差不大，根据3.1.3节0～4评分法规则，判定F12=1，F22=3。
-
根据目前百万二次再热机组给水泵采购情况， 2 × 50%容量给水泵和1 × 100%容量给水泵均为全进口或者进口组装。
两个配置方案所配小机都可以配置国产产品，两种方案配置的差异不同是：1 × 100%容量给水泵汽轮机方案一般配置独立的小凝汽器及其冷却系统；2 × 50%容量给水泵汽轮机方案可合并排汽至大机凝汽器。两种方案的造价差异见下表所示：
结合上表所示，可知采用1 × 100%容量给水泵方案相对于采用2 × 50%容量给水泵方案，两台机组可降低造价约375万元，减费比率约为8%，方案2优于方案1，且两方案相差不大。
因此从初始投资对比，根据3.1.3节0～4评分法规则，判定F13=1，F23=3。
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100%容量给水泵方案，需要配套增加小机凝汽器系统，循环冷却水系统及小机凝结水系统，因此对比布置，方案1优于方案2，且两方案相差不大，根据3.1.3节0～4评分法规则，判定F14=3，F24=1。
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如3.1.3.4所述，100%容量给水泵方案，需要配套增加小机凝汽器系统，循环冷却水系统及小机凝结水系统，维护系统会增加。综合给水泵组和其配套系统，方案1优于方案2，且两方案相差不大，根据0～4评分法规则，判定F15=3，F25=1。
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将上述评分判定汇总如表6所示：
表 6 方案功能评分对比表
Table 6. Comparison of scheme function scores
方案1 评分 方案2 评分 功能重要系数 F11 3 F21 1 0.275 F12 1 F22 3 0.325 F13 1 F23 3 0.200 F14 3 F24 1 0.050 F15 3 F25 1 0.150 按公式（4）可得：
$\displaystyle \sum$ F1j=0.275×3+0.325×1+0.2×1+0.05×3+0.15×3=1.95$\displaystyle \sum $ F2j=0.275×1+0.325×3+0.2×3+0.05×1+0.15×1=2.05按公式（3）可得：
方案1功能系数F1=1.95/(1.95+2.05)=0.487 5
方案2功能系数F2=2.05/(1.95+2.05)=0.512 5
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根据表5可得方案1成本为4 550万元，方案2成本为4 175万元。
表 5 100%全容量给水泵汽轮机和2×50%容量给水泵汽轮机投资价格比较
Table 5. Comparison of investment price between 100% full capacity feed water pump turbine and 2 × 50% capacity feed water pump turbines
单位：万元 项目 2×50%容量给水泵汽轮机 1×100%全容量给水泵汽轮机 主给水泵芯包 2 350 1 900 给水泵汽轮机本体 1 900 2 000 排汽管道及排汽蝶阀 300 — 小凝汽器本体
（不含换热管）无论排汽去向，机组总凝汽量近似一致，总换热面积一致 150
（仅小凝汽器壳体）循环水管道 — 45 循环水蝶阀 — 30 辅助小设备 — 50 泵组基础 近似一致 近似一致 合计 4 550 4 175 根据公式（4）可得：
方案1成本系数C1=4 550/(4 550+4 175)=0.521 5
方案2成本系数C2=4 175/(4 550+4 175)=0.478 5
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根据公式（2）可得：
方案1价值系数V1=F1/C1≈0.934 8
方案2价值系数V2=F2/C2≈1.051 3
V2>V1从价值系数判断，本工程宜采用方案2即1×100%容量汽动给水泵配置方案。针对百万机组给水泵配置方案，欧洲一般采用全容量汽泵方案；在国内，随着相关制造商制造水平的提高，目前新建机组也逐渐接受全容量给水泵方案。而本文也根据价值系数理论阐述了1 × 100% BMCR容量汽动给水泵方案的优越性。
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热机设备方案选型是发电工程热机设计的重要内容，一些重要设备的方案选择，关系到电厂建设的初始投资，同时对电厂建成后运行的安全可靠性、运行维护成本以及机组的整体经济性都有着重要影响。因此，重要设备的方案选择要综合考虑功能、投资、运营等多方面。
本文首次借鉴价值工程理论用于热机辅机设备选型领域，利用价值方程和价值系数方程，将设备的功能与成本统一为一个价值因子，通过比较不同方案的价值因子，作为方案选择依据。并以某百万千瓦二次再热机组汽动给水泵配置方案选择实例，详细地介绍了其工作程序，计算结果表明价值工程理论应用在热机设备方案选型中是可行的。
但同时需要指出，价值工程方法在国内建设项目中的应用还不广泛，文章也仅针对部分设备选型过程的理论进行融合探讨，需要进一步扩展研究数据，才能使其理论价值发挥更大的作用。
基于价值工程的热机设备选型方法分析及实践
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.S2.004
CSTR: 32391.14.j.gedi.issn2095-8676.2022.S2.004
作者简介:
通讯作者:
Method Analysis and Practice of Heat Engine Equipment Selection Based on Value Engineering
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摘要:
目的 传统设计工程中，热机辅机设备设计选型存在两种倾向，一是以功能为先，忽视成本；二是以低成本为准，忽略部分功能的重要性。这两种选型方式都存在一定的缺陷，不能实现功能与成本的统筹，不能获取收益最大化。随着行业发展，设计工程热机设备选型越来越重视性价比，即以合理的成本实现最佳的功能。 方法 将价值工程理论应用于热机设备选型，通过价值系数公式，统一考虑功能与成本，实现热机设备选型方案的最优选择。 结果 结合实际案列，文章论证了价值工程理论应用于热机设备选型的可行性。 结论 为后续电厂在设计设备选型过程中实现设备的功能与成本统一论证提供了一种可行方法。 Abstract:Introduction In traditional design engineering, there are two trends in the design and selection of auxiliary equipment of heat engine. One is to put function first and ignore cost; the other is to take low cost as the criterion and ignore the importance of some functions. Both of these two selection methods have certain defects, and the function and cost cannot be considered as a whole to maximize the benefits. With the development of the industry, an increasing emphasis is placed on the cost performance in the process of heat engine equipment selection in design engineering so as to achieve the best function at a reasonable cost. Method In this paper, the theory of value engineering was applied to the design and selection of heat engine equipment, and the function and cost were considered in a unified manner through the formula of value coefficient, so as to realize the optimal heat engine equipment selection scheme. Result Combined with practical cases, this paper has demonstrated the feasibility of applying the theory of value engineering to the selection of heat engine equipment. Conclusion The paper provides a feasible method for realizing the unified demonstration of equipment function and cost in the heat engine equipment selection process of the subsequent power plant design. -
表 1 重要系数Ψ评分计算表
Tab. 1. Functional importance coefficient β score calculation table
功能 Fi1 Fi2 Fi3 Fi4 Fi5 功能总分 重要性系数 Fi1 — 1 3 4 3 11 0.275 Fi2 3 — 3 4 3 13 0.325 Fi3 1 1 — 3 3 8 0.200 Fi4 0 0 1 — 1 2 0.050 Fi5 1 1 1 3 — 6 0.150 合计 — — — — — 40 1.000 
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表 2 2017给水泵组按主机容量分类的运行可靠性指标分布
Tab. 2. Distribution of operation reliability indicators of feed waterpump unit by main engine capacity in 2017
主机容量/MW 统计台数/台 运行系数/% 可用系数/% 计划停运系数/% 非计划停运系数/% 非计划停运率/% 200～299 349 48.94 96.92 3.08 0.00 0.01 300～399 1 954 44.82 94.45 5.50 0.05 0.11 500～599 22 43.82 91.26 8.74 0.00 0.00 600～699 1 147 51.29 93.37 6.61 0.02 0.03 1 000～1 100 195 63.71 93.42 6.58 0.00 0.00
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表 3 各工况两种给水泵配置方案主机热耗差异表
Tab. 3. Difference in heat consumption of main engine in two feed water pump configuration schemes under various operating conditions
方案 给水泵
效率/%给水泵汽轮机
效率/%小机排汽
背压/kPa小机实际
排汽焓/(kJ·kg−1)小机进汽
减少/(t·h−1)主机热耗率
差异/(kJ·kWh−1)100%THA 100%容量泵组方案 87.07 85.38 5.2 2 496.75 −3.02 −5.75 2×50%容量泵组方案 85.96 84.56 5.5 2 505.22 基准 基准 75%THA 100%容量泵组方案 83.49 84.65 5.2 2 626.54 −3.24 −12.08 2×50%容量泵组方案 82.44 83.83 5.5 2 673.72 基准 基准 50%THA 100%容量泵组方案 75.75 81.08 5.2 2 542.03 −1.72 −4.32 2×50%容量泵组方案 74.35 76.21 5.5 2 550.30 基准 基准 40%THA 100%容量泵组方案 71.32 70.82 5.2 2 708.89 −1.74 −4.5 2×50%容量泵组方案 74.35 71.29 5.5 2 744.62 基准 基准
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表 4 单台机组在不同方案下的年耗煤量和燃料费用差异
Tab. 4. Difference in annual coal consumption and fuel cost of a single unit under different schemes
运行负荷 运行小时数h 汽轮机热耗率/(kJ·kWh−1) 发电标煤耗/(g·kWh−1) 年耗标煤量差/(t·a−1) 年燃料费差/(万元·a−1) 1×100%泵 2×50%容量泵 1×100%泵 2×50%泵 1×100%泵 2×50%泵 1×100%泵 2×50%泵 100%THA 2500 −5.75 基准 −0.21 基准 −516.825 基准 −43.90 基准 75%THA 2200 −12.08 基准 −0.16 基准 −262.098 基准 −22.30 基准 50%THA 2300 −4.32 基准 −0.44 基准 −505.949 基准 −43.01 基准 40%THA 500 −4.50 基准 −0.16 基准 −32.817 基准 −2.80 基准 合计 — — — — — −1 317.690 — −112.01 —
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表 6 方案功能评分对比表
Tab. 6. Comparison of scheme function scores
方案1 评分 方案2 评分 功能重要系数 F11 3 F21 1 0.275 F12 1 F22 3 0.325 F13 1 F23 3 0.200 F14 3 F24 1 0.050 F15 3 F25 1 0.150
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表 5 100%全容量给水泵汽轮机和2×50%容量给水泵汽轮机投资价格比较
Tab. 5. Comparison of investment price between 100% full capacity feed water pump turbine and 2 × 50% capacity feed water pump turbines
单位：万元 项目 2×50%容量给水泵汽轮机 1×100%全容量给水泵汽轮机 主给水泵芯包 2 350 1 900 给水泵汽轮机本体 1 900 2 000 排汽管道及排汽蝶阀 300 — 小凝汽器本体
（不含换热管）无论排汽去向，机组总凝汽量近似一致，总换热面积一致 150
（仅小凝汽器壳体）循环水管道 — 45 循环水蝶阀 — 30 辅助小设备 — 50 泵组基础 近似一致 近似一致 合计 4 550 4 175
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