基于全寿命周期管理理论的110kV输电线路工程优化设计研究.docx

基于全寿命周期管理理论的110kV输电线路工程优化设计研究 基于全寿命周期管理理论的110kV输电线路工程优化设计研究 1.引言 为了实现国家电网公司提出的转变电网发展方式、建设世界一流电网的目标，在电力工程建设项目管理中运用先进的管理理念和管理思想显得尤为重要。传统的工程项目管理以建设过程为对象，以质量、工期、成本三大目标为核心，由此产生了项目管理的三大控制。这种以工程建设过程为对象的目标是近视的、局限性的，造成项目管理者的思维过于现实和视角太低，同时造成项目管理过于技术化的倾向。 全寿命周期管理理念下的设计是一种在设计阶段就考虑产品整个周期内价值最优化的方法，其目标是所设计的产品对社会的贡献最大，对建设方、施工方、用户和环境的成本最小。全寿命周期设计意味着在设计阶段考虑到设计成品寿命历程的所有环节，以求全寿命周期所有相关因素在成品设计阶段就能得到综合规划和优化。工程项目全寿命周期管理是指工程从预想（立项）到淘汰（退运拆除）的整个过程，一般可分为方案论证、设计规划、施工建设、投运使用、维护修理和退运报废等阶段。工程项目全寿命周期的观点就是要统筹把握装备的全寿命过程，使各个阶段互相衔接，密切结合，相辅相成。 从图1可以看出设计阶段是对项目立项后的最初贯彻，它决定着工程项目的施工和后期各阶段的方向。设计方案决定着施工成本、进度，也影响着运行阶段的能源消耗、运行维护的难易程度和费用高低、与环境的协调程度、运行的安全可靠性、规模的扩展性、以及拆除回收的难易程度等方面。根据国外数据统计表明，在整个工程项目全寿命周期中，设计阶段项目的累计费用在工程项目总投资额中的比例不到20%，但是对工程项目的影响程度达到75%以上。线路工程项目要在建设过程中节约投资，建成后安全稳定运行并取得良好的经济、社会效益，设计环节起着决定性的作用。因此在全寿命周期管理中必需在设计阶段就充分考虑线路全寿命历程中的所有环节，不仅考虑到工程项目的规划、设计和建设阶段，也将竣工后的使用维护、拆除、复原等阶段纳入造价管理范围，以求线路全寿命周期所有相关因素在设计阶段就能得到综合规划和优化。 图1 工程项目的全寿命周期划分 2.全寿命周期管理 2.1 基本原则 全寿命周期成本管理是全寿命周期管理理论的核心，建立全寿命周期成本的概念是十分必要的。价值工程中的工程项目寿命周期成本，既包括工程项目研制、设计、制造、实验、销售的费用所构成的制造成本，又包括本文由收集整理使用、保养、维修、能耗、保险、报废的费用所构成的使用成本，工程项目的全寿命周期成本是这两种成本的总合。任何电网项目都会产生运行成本，如污染环境需要治理费用，低性能的项目造成的影响如环境退化、林木减少、土壤和水体被污染均属于运行成本。现代人们习惯上比较重视工程项目的建设费用而忽视工程项目的使用费用。而实际上有许多工程项自的使用成本不容忽视，甚至大于制造成本。 为了达到工程建设和运行的最优化的目标，下面几点非常关键： （1）确保线路全过程中的寿命周期费用最优化。 （2）从技术、经济和组织等方面对线路实施综合管理。 （3）重点研究线路的可靠性、维修性设计。 （4）对线路全寿命周期实行全过程统一管理。 （5）重视线路工作过程中的信息反馈，采取预防维护可以大大降低线路的故障率。 2.2 基本理念 深入分析工程项目的全寿命周期理念，其主旨就是在项目前期策划阶段进行确定，指导设计人员从工程项目的全寿命周期角度对项目进行设计，对项目在施工难易程度、运行的能源消耗、项目使用者的舒适度和人性化、运行维护的难易程度、对环境的影响程度、运行的安全可靠性、规模的扩展性以及拆除回收的难易等方面问题和情况给予考虑，并提出相应设计方案以应对以上情况和问题。对于不同种类的项目，其全寿命周期设计理念包括的方面有所不同。 图2 线路工程项目中的全寿命周期设计理念 送电线路工程项目的全寿命周期设计不仅要考虑技术实现，还要根据项目所在地的特点，结合地区电网的客观实际和发展前景，进而考虑到其施工安装、运行维护直至报废回收处置等问题。因此，具体的说线路工程项目的全寿命周期设计理念主要包括以下九个方面，如图2所示，可靠性与安全性设计、可维护性设计、可施工性设计、可扩展性设计、节约环保性设计、人性化设计、可回收性设计、防灾与突发事件处理设计以及全寿命周期成本最优化设计，这九个方面贯穿于整个项目的全寿命周期。 2.3 基本方法 根据效益极大化目标的要求，以及依据费用较小的项目比之费用较大的项目更为可取的原则来选择最佳方案，这种方法称为最小费用法。最小费用法包括费用现值比较法和年费用比较法。 （1）费用现值（CP）比较法。 费用现值比较法实际上是净现值法的一个特例。净现值是指把项目计算期内各年的净现金流量，按照一个指定的折现率折算到建设初期（即项目计算期第一年年初）的现值之和。费用现值的含义是指利用此方法所计算出的净现值只包括费用（即支出）部分（各方案收益视为相同）。对各备选方案的CP进行对比，以CP较低的方案为最佳。 （2）年费用（Ca）比较法。 其计算表达式为： 式中Cp：费用现值;F：终值，其含义是指初期投入或产出的资金转换为计算期末的期终值，即期末本利和的价值;t：计息次数，即寿命期;P：现值，它表示建设初期的投资额或折算到建设初期的金额;Ct：寿命期（包括建设期及运行期）内各年度的费用支出;ic：折现率。 2.4 设计理念的实现 线路项目的全寿命周期设计理念的最终实现需要业主、设计单位以及承包商的共同参与。全寿命周期设计理念反映在设计方案上只是该理念的最初实现，但是如果设计方案中蕴含的设计理念得不到施工、运行阶段的实现，那么全寿命周期设计理念只是纸上谈兵。因此，全寿命周期设计理念不以设计方案的交付为标志，而以项目的最终建成交付和正常运行为标志的。从而可见，检验项目全寿命周期设计理念的实现是一项长期性的工作，并且存在一定的挑战性。由此，我们需要通过具体的措施来保证全寿命周期设计理念的实现，具体方法如下： （1）将全寿命周期设计理念细化为各专业的目标; （2）按照各专业目标制定各专业工程设计要求; （3）构建集成化设计团队; （4）业主和施工方参与设计工作; （5）施工阶段设计单位保持与承包商的沟通。 3.全寿命周期管理设计理论的应用 电力系统的全寿命周期管理主要涉及两个方面即工程范畴和财务范畴。工程范畴主要涉及：设备的可靠性、安全性、可维护性、可扩展性、节约环保性、可回收性和工程设计的人性化、应对灾害和突发事故的能力以及工程全寿命周全成本的最优化设计等。财务范畴全寿命管理主要涉及：设备或系统的最初投资成本、设备初投资成本在不同方案时的比较、投资成本和运行成本的比较、设备故障对系统的影响及可能导致的损失比较、设备的维护或更新成本、设备的退役成本等。在大石-思居110kV线路工程设计中，按照上述工程范畴的既定目标，进行逐项分解，具体分析并制定每个原则下的设计处理方案。 （1）安全可靠性设计 对线路路径进行优化处理，尽量避让已有的各种矿产采空区、开采区、规划开采区及险恶地形、不良地质地段，尽量避让林木密集覆盖区;通过收集线路所在区域的气象台（站）的气象资料并结合本线路所经地区已建架空线路采用的设计风速、覆冰厚度等资料，工程线路设计最大风速采用离地10m高30年一遇10min平均最大风速为23.5m/s，通过分析架空线路覆冰机理，取消了可研当中的5mm覆冰;本工程采用垂直排列的双回路铁塔的设计，因为保证导线的供电可靠性是衡量线路可靠性的重要准则;采用预交式防护金具及预绞式防振锤，方便施工和维护检修，更有效防止导线振动断股，提高了线路运行的可靠性。 （2）可维护性设计 全寿命周期理论中可维护性设计是指设计方案使工程在运行时维护方便、降低成本、不影响安全。本工程选用2011版通用设计中1F1模块直线塔，该型铁塔为垂直排列双回直线铁塔，该型铁塔为常规布置，实践表明该布置在线路维护中是十分方便的。考虑线路处于丘陵地带，将塔位排布地势较平缓的地段，靠近道路，保证车辆、机械设备、人员在运行检修时可以靠近输电线路设备附近进行操作;尽量选择成熟定型的线路设备产品，该类产品一般运行可靠，维护工作量小。我们耐张采用了使用寿命长于线路设计寿命的瓷质绝缘子，尽量减少维护更换工作。在铁塔设计中，铁塔构件均采用角钢，用螺栓进行连接，组成塔架结构，在运行维护中便于检修和更换。在登塔措施上本工程一般直线塔及转角塔均采用弯钩式脚钉，脚钉一般采用M16160的规格，按450mm左右的间距从下往上正侧面均匀交错排列。排列时，当遇到用脚钉代替螺栓时，则脚钉的直径及强度等级与所代替的螺栓相同。预绞式悬垂线夹可有效的保护导线，抵御振动断股，且平滑的外轮廓减小电晕放电，延长了金具的使用寿命，且安装检查方便，提高了施工效率。 （3）可扩展性设计 由于社会和经济的发展，地区的用电量会逐渐加大，同时由于线路的建设规模一般按照一定时期的规划确定，而线路走廊属于紧缺资源，这就需要线路具有可扩展性。因此在大石-思居110kV线路的设计中，对可扩展性设计作如下考虑：本工程导线选择双分裂2JLHA3-335型中强度铝合金绞线，已通过相关计算充分考虑了导线极限输送容量裕度，避免运行中输送容量不够更换导线的问题发生。按重庆地区污秽等级划分，本工程污秽等级为D级，导线采用瓷质绝缘子，按爬电比距计算后留有裕度，以适应将来污染源增加，通道污秽等级增高的情况。 （4）节约环保性设计 在路径选择中，充分体现以人为本、保护环境的意识，尽量利用省、市分界地区，城镇、乡镇之间结合部，尽量少占用基本农田，避免大面积拆迁民房。选用低能耗设备产品，减少能源损耗。在满足线路运行基本要求的前提下，通过优化线路路径、导线布置，尽可能压缩线路边导线之间的距离，使线路走廊宽度达到最小，减少房屋拆迁，减少树木砍伐，减少通道清赔的工作量和费用水平，减少土石方开挖、防止水土流失，减少对社会环境和自然环境的影响，保证运行的经济性。尽可能采用生态施工法，加强环境保护力度。基础施工不可避免的要对水土流失造成影响，设计中应充分考虑基础形式对水土流失的影响。充分考虑用户的需求，使运行、维护方便，灵活地使用工程。本工程采用的铝合金耐张线夹和预绞式悬垂线夹节能优势显著。 （5）可实施性设计 可施工性设计是指将施工知识和经验最佳地应用到项目的设计中，是可施工性研究的一部分。对项目进行可施工性设计可以使项目的设计方案便于施工，以避免施工过程中大量的设计变更，从而保证项目工期和成本的节约，同时还要考虑材料、设备的可供性和施工的便捷性。设计时分析所需物资的可供性，对线路沿线的建筑材料、土源、水源、运距等进行调查，提高设计对自然环境的适应性。本次设计采用中强度铝合金绞线，该种导线形式可靠性高，施工工艺同普通钢芯铝绞线相同。采用预绞式悬垂线夹和复合绝缘横担，施工方便、连接方式简单、防振性能好。金具绝缘子优先选用通用设计型号，同时确保ERP系统中已收录该型号，安装采用螺栓连接，方便生产、施工、安装。选用通用设计铁塔，该型铁塔已充分考虑安装工况的各种荷载组合，如双倍起吊、锚线、紧线等，对施工过程中因不同原因引起的塔型受力变化做了全面分析，提高了施工的便捷性。通过优化路径，与可研相比，铁塔用量由41基减少为38基，节省了工程投资。交叉跨越：推荐方案房屋跨越由可研5次减少为3次。主要障碍物及拆迁：无房屋拆迁。从施工角度看，通过优化路径，推荐方案大部分位于道路两侧，便于施工。 （6）可回收性设计 循环经济是指以资源的高效利用和循环利用为核心、以4R（减量化Reduce、再利用Reuse、再循环Recycle、再制造Remanufacture）为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征的社会生产和再生产活动。循环经济的实质是以尽可能少的资源消耗、尽可能小的环境代价实现最大的发展效益。输电线路的寿命是有限的，土地资源也是有限的，从全寿命周期管理的角度来看，输电线路寿命周期结束时，设计中考虑可利用性设计是十分必要的，可以加快进度，节约大量的人力物力。因此对可回收性设计作如下考虑：铁塔安装一般均采用螺栓连接，因此具备可更换可拆除的特点，这降低了设备回收难度，并提高了设备回收时的完整度。线路铁塔多年运行过程中，均有不同程度的锈蚀，我们采用寿命评估技术，利用金属磁记忆检测、涡流检测、电磁探伤、红外热成像等技术对输电设施及线路进行失效分析及剩余寿命评估。根据线路寿命状况，利用热喷涂、热浸镀技术，对老旧输电铁塔进行防腐处理，重新投入线路使用。 （7）防灾和突发事件处理设计 充分考虑承受各种自然灾害（地震、水灾、冰灾、火灾等），给工程的正常运行带来的危害，以确保在这些不可抗拒的自然灾害面前，工程可以最大程度维持运行。针对不同的地质灾害情况，分别制定对策。如针对小型崩塌、滑坡及不稳定斜坡，设计考虑在路径选择时尽量避让，在避让不开的地段，需将塔位定在远离采石场的高边坡附近，以避免高边坡由于雨雪等因素而形成崩塌的危险。严格执行防灾规范，设计灾害预警、预报系统，工程备用防灾或灾害处理系统，尽可能做到工程项目遇灾害时易损性小，灾后恢复快。如因外力因素、施工遗留等问题，输电线路的导线容易产生断线或破损，威胁电网运行。以前更换导线的做法不仅消耗大量的人力、物力和财力，线路停电时间较长，而且修补点还会留下严重的安全隐患。本工程线路采用预绞式接续条修复技术，不仅能够修复导线断线或破损故障，而且可以广泛运用于输电线路的抢修和一般缺陷处理。 4.全寿命周期成本最优化设计分析 根据全寿命周期管理理论明确了输电线路工程项目中设计优化的目标之后，就需要按照目标针对不同设备材料或必要环节进行分析比较，以达到全寿命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）最优化设计的要求。全寿命周期成本最优化设计覆盖了工程项目的全寿命周期，要求从工程项目全寿命周期出发，不仅仅要考虑项目的初始投资，更要考虑项目在整个全寿命周期内的支持成本，包含运行、维修、更新直至报废的全过程。在大石-思居110kV线路的设计中，我们对设计方案进行全寿命周期成本优化，现以下面几个方面为例作重点分析。 4.1 导线选型分析 根据系统条件，本工程正常运行时最大输送电流为563.5A，线路正常运行需要最小经济截面为490mm?（J=1.15）。结合目前110kV线路工程经验，拟定本工程导线为双分裂方式，并根据最小截面要求对导线提出了4个方案进行比选。方案1：钢芯铝绞线，2JL/G1A-300/25;方案2：钢芯高导电率铝绞线，2JL4/G1A-300/25;方案3：铝合金芯高导铝绞线，2JL1/LHA1-165/170;方案4：中强度铝合金绞线，2JLHA3-335。 进行详细对比分析可得各种导线方案本期投资的经济比较表，如（下转第61页）（上接第55页）表1所示。 钢芯高导电率铝绞线JL4/G1A-300/25有良好的节能效果，受导线价格影响，初投资高于普通钢芯铝绞线JL/G1A-300/25，补偿初投资的花费最长需要16.12年;由于铝合金芯高导铝绞线JL1/LHA1-165/170交流电阻较低，同时电阻温度系数小，初投资增加很少，补偿初投资的花费最小为1.74年;中强度铝合金绞线JLHA3-335的导线本体较贵，但同样节能性能最好，补偿初投资需4.53年。 4.2 杆塔选型分析 国网公司发布的2011版110kV输电线路通用设计塔型，采用通用设计塔型能加快设计、评审、材料加工进度，缩短工程建设周期，提高工程效率和工程质量，相比之下，已经取得了良好的经济效益和社会效益。结合导线选型专题中论述，选择最接近本工程设计条件的通用设计塔型，其中直线选择1F1模块塔型，耐张选择1F2模块塔型，能满足本工程各种需求。 1F1模块为海拔1000m以内、设计基本风速23.5m/s（离地10m）、覆冰厚度10mm，导线2LGJ-300/40的双回铁塔，地线采用JLB-100。该模块为山区和平地共用一套塔型。耐张由1F2子模块兼，悬垂串按型布置。1F2模块为海拔1000m以内、设计基本风速25m/s（离地10m）、覆冰厚度10mm，导线2LGJ-300/40的双回铁塔，地线采用JLB-100。该模块为山区和平地共用一套塔型。耐张由1F2子模块兼，悬垂串按型布置。 本工程设计基本风速23.5m/s（离地10m）、覆冰厚度5mm，导线2JLHA3-335（基本参数和JL/G1A-300/25相当），地形为丘陵。可以看出1F1模块和1F2模块设计适用条件略大于本工程设计条