Обоснование строительства воздуходувных станций на базе экономического анализа затрат жизненного цикла

В. И. БАЖЕНОВ , С. Е. БЕРЕЗИН , А. В. УСТЮЖАНИН

Спрос на управляемое воздуходувное оборудование очистных сооружений, обладающее значимым потенциалом энергосбережения, растет. Поэтому проектные решения на базе такого оборудования вызывают интерес инвесторов. Целью исследований является экономический анализ вариантов технологически не управляемой и управляемой подачи воздуха для аэрационных систем аэротенков в условиях нового строительства здания насосно-воздуходувной станции с учетом и без учета инвестиционной привлекательности проектов. В качестве исходного условия для оценки вариантов принята условно заданная неравномерность подачи воздуха в системы пневматической аэрации. Метод проведения исследований – экономический анализ затрат жизненного цикла (LCC) с учетом и без учета механизма регулирования затрат во времени, а именно процентной ставки банков и инфляции. Представлены три варианта проектных решений воздуходувных станций: без технологического управления (многоступенчатые); с управлением при помощи регулируемого электропривода (многоступенчатые); с управлением поворотно-лопастным механизмом (одноступенчатые). При строительстве воздуходувных станций большей инвестиционной привлекательностью обладает вариант с внедрением одноступенчатых поворотно-лопастных турбовоздуходувок двойного регулирования. В этом варианте показатель LCC снижен по сравнению с вариантом использования регулируемого электропривода на 23,07% – в случае обеспечения экономических расчетов без учета инфляции и дисконта и на 21% – в подобных расчетах с использованием механизма регулирования затрат во времени (с учетом инфляции и дисконта).

Ключевые слова: воздуходувная станция, система аэрации, управление воздуходувкой, экономический анализ, затраты жизненного цикла, инвестиционная привлекательность проекта

Повышение энергетической эффективности системы «воздуходувная станция – аэротенк» на очистных сооружениях связано не только с использованием современного оборудования, КПД которого достигает 88%, но и с учетом стратегии технологического управления. Необходимость разработки такой стратегии обусловлена объективными причинами. Во-первых, нагрузка на очистные сооружения неравномерна, т. е. зависит от уровня жизни населения, комфортности проживания и т. д. Расходы поступающих сточных вод и концентрации загрязнений изменяются и в течение суток, и по сезонам. Эти параметры трудно поддаются математическому описанию, поскольку зависят от многих факторов (времени года, общей протяженности сетей канализации и др.). Во-вторых, очевидна необходимость экономии ресурсов (электроэнергии, реагентов) и снижения капитальных затрат. Математическое описание экономических показателей ресурсосбережения и расчеты инвестиционных составляющих зависят от принятых способов стратегии технологического управления

При проектировании аэрационных систем аэротенков важным вопросом, в том числе с точки зрения инвестиций, является выбор способа WATER SUPPLY AND SANITARY TECHNIQUE. 2015. No. 2 47 регулирования воздуходувного оборудования. Для сравнительного экономического анализа были рассмотрены наиболее интересные варианты технологических решений: первый – технологическое управление не предусматривается; второй – управление с помощью регулируемого электропривода (включая использование преобразователей частоты); третий – управление с использованием поворотно-лопастного механизма на всасывающей и напорной частях агрегата.

Долгосрочные проекты требуют точного технико-экономического обоснования. Традиционные методы оценки, основанные на сравнении экономической эффективности работы оборудования по показателю приведенных затрат, малоинформативны и не отражают современные экономические процессы (инфляцию, условия кредитования и пр.).

Цели и задачи исследования

Цель исследований состояла в сравнении способов технологически не управляемой и управляемой подачи воздуха для систем аэрации в условиях нового строительства здания насосновоздуходувной станции с учетом и без учета дисконтирования денежных потоков проекта для инвестора.

В задачи исследований входило выполнение экономического анализа в условиях неравномерности (суточной и сезонной) подачи воздуха в системы пневматической аэрации при применении крупных воздухонагнетателей центробежного типа (многоступенчатых и одноступенчатых поворотно-лопастных), как наиболее распространенных в России.

Затраты жизненного цикла как метод экономического анализа

В качестве критерия сравнения различных типов оборудования удобно использовать понятие затрат жизненного цикла LCC (Life Cycle Cost). 

Этот критерий давно применяется в международной практике, в том числе при проведении сравнительных технико-экономических обоснований, включая тендерные процедуры [1].

Методы экономического анализа схожи, поскольку основные их составляющие (капитальные вложения и эксплуатационные затраты) трактуются единообразно

Затраты жизненного цикла (по вариантам сравнения) принято определять по формуле [2]:

Основные составляющие формулы (1) представлены в табл. 1 (с учетом их использования в рассматриваемом примере расчетов по обоснованию технических решений строительства воздуходувных станций). Компоненты затрат Cs , Cenv, Cd не рассматривались ввиду их эквивалентности по выбранным вариантам, невысокой удельной составляющей или неоднозначности в определении. Например, компонент Cd будет сохранять остаточную стоимость по вариантам сравнения, поскольку через некоторый период эксплуатации (принято 25 лет) воздуходувные агрегаты не потеряют работоспособности, но остаточная амортизация основных средств приведет их к нулевой стоимости. Расчетную составляющую затрат на утилизацию оборудования Cd вполне возможно определить, но она не учитывалась ввиду сравнительно пониженных величин затрат. Цель исследований определяет необходимый состав комплекса LCC (табл. 1).

Механизм регулирования затрат во времени

Учетные составляющие Ce, Co и Cm относятся к эксплуатационным затратам, при расчете которых во внимание принимается годовой темп инфляции p, который требуется компенсировать банковской процентной ставкой i, выраженной в долях единицы:

где n – расчетный период, n = 7, 8, …, 30 лет в зависимости от расчетного срока эксплуатации оборудования (в проекте n = 25 лет); Сp, Cn – текущие и предстоящие через n лет затраты; i – процентная ставка, принимаемая с учетом депозитных ставок банков высшей категории надежности; p – годовой темп инфляции.

Для приведения к сопоставимому виду результатов, полученных в различные моменты времени в ходе реализации проекта, необходимо использовать коэффициент дисконтирования, поскольку очевидно, что ценность эквивалентных денежных средств в разные периоды не одинакова

С учетом коэффициента дисконтирования формула (2) примет вид:

Значения параметров i и p для условий Российской Федерации трудно определить по следующим причинам. Так, например, на декабрь 2014 г. реальная банковская процентная ставка i для потребителя составляла 20–25% (при этом ключевая ставка Банка России – 17%). В свою очередь годовой темп инфляции p, по данным Росстата и Минэкономразвития России, статистически объявляется равным 9,4%, что реально не соответствует уровню роста цен. Разница (i – p) на рассматриваемый момент времени слишком велика – 10,6–15,6%. В странах со стабильной экономикой и поддержанием реальной отчетности она составляет ~ 4–5%.

Для упрощения расчетов по зависимостям (2) – (4) обычно пользуются таблицами [1]. По условиям проекта исходные данные составят: discount factor (df) = 14,09; factor (Cp/Cn) = 0,33. Поэтому для долгосрочных расчетов на период 25 лет были использованы более стабильные экономические условия: i = 20%; p = 15%; (i – p) = 5%.

Как не ошибиться и не только вернуть вложенные средства, но еще и получить прибыль от инвестиций? Для этого можно воспользоваться одним из методов оценки эффективности инвестиционных проектов – Net Present Value (NPV). Найти значение NPV инвестиционного проекта означает определить чистую приведенную (к настоящему периоду) стоимость всех денежных потоков, связанных с этим проектом. Иначе говоря, NPV – это сегодняшний эквивалент суммы, выплачиваемой в будущем. Данный экономический инструмент, основанный на методе дисконтирования денежных потоков, широко используют в экономике и финансах для расчетов инвестиционных проектов. Модель дисконтированных затрат связана с оценкой стоимости (текущий денежный эквивалент) будущего потока расходов исходя из различной стоимости денег, потраченных в разные моменты времени (концепция временной ценности денег).

Данный экономический инструмент базируется на способности инвестора прогнозировать величину (i – p) с точки зрения инвестиционной привлекательности проекта в целом. Инвестор должен знать, какая сумма, полученная им сегодня, будет иметь для него ту же ценность, что и сумма Х, полученная через n лет

Сравним расходы за условные 100 кВт·ч электроэнергии при ее стоимости 3 руб/кВт для разных расчетных сроков. На текущий период времени расходы определяют простым перемножением: 100 кВт·ч × 3 руб/кВт = 300 руб. Но, например, через период времени n = 3 года денежный поток изменится. С точки зрения инвестора подобное изменение связано не только с инфляцией, но и с вложением денег в некоторые активы на долгосрочную перспективу. При ставке дисконтирования (i – p) = 5% чистая приведенная стоимость денежных потоков за электроэнергию, согласно формуле (2), составит:

Данная величина характеризует показатель NPV, или сегодняшний эквивалент суммы, которая будет выплачена в будущем (через 3 года). Предстоящие расходы Co, Cm рассчитываются аналогичным образом.

Условия и методики расчетов 

Для экономического анализа был выбран объект условной производительностью 300 тыс. м3 /сут со средней неравномерностью подачи воздуха в аэротенки 7 м3 /м3 (рис. 1), что соответствует следующим расчетным значениям расхода воздуха, м3 /ч: максимальный – 107 114,76; средний – 87 500; минимальный – 58 107,23. Исходные данные позволяют сформировать технические варианты для экономического анализа системы и обозначить основные условия (табл. 2).

 

При сравнении рассматриваемых технических вариантов приняты следующие допущения:

недостаток расхода подаваемого воздуха в вариантах 1 и 2 (102 600 м3 /ч) компенсировался в математической модели рассчитанной тенденцией за пределами указанной величины расхода, поскольку суть исследований состояла не в обеспечении инженерного варианта, а в экономических параметрах, типичных для оборудования в целом;

принятое количество рабочих единиц оборудования (6 и 2) соответствует обеспечению расчетных расходов воздуха и подающей способности агрегатов;

паспортные характеристики воздуходувного агрегата ТВ-300-1,6 содержат два параметра с допускаемыми отклонениями + 5% (по мощности и по расходу). Один из них целесообразно рассмотреть.

К расчетам приняты реальные характеристики воздуходувок ТВ-300-1,6 (подача, давление, мощность) без глубокого научного анализа технологической способности к управлению. В качестве исходных данных принимались значения прямых паспортных технических характеристик. В качестве рабочего давления принято избыточное давление 0,6 бар, включая потери напора в системе распределения воздуха.

 результатам исследования, наглядно демонстрируют работу агрегатов в условиях принятой суточной неравномерности подачи воздуха (рис. 2). Из рисунка видно, что по варианту 3 (при управлении с помощью поворотно-лопастного механизма) обеспечивается меньшее энергопотребление при полном соответствии с заданной неравномерностью подачи воздуха. Для варианта 2 (управление с помощью регулируемого электропривода) при расходах воздуха менее 71 тыс. м3 /ч происходит перерасход и по подаче, и по энергопотреблению из-за риска помпажа. Данный график, учитывая динамику суточных колебаний, не охватывает критерий сезонного регулирования.

Для компенсации сезонной неравномерности подачи воздуха дальнейшие исследования выполнялись на базе расчетной системы MathCAD, поскольку расчетно-графическая среда MS Excel не обладает рядом востребованных функций. Результаты расчета, определенные для климатических условий Московской области, совместно с другими технико-экономическими показателями по вариантам сравнения за расчетный период n = 25 лет представлены в табл. 3.

Капитальная часть затрат сформирована согласно типовому проекту ЦНИИЭП инженерного оборудования 902-1-135.88 «Насосно-воздуходувная станция с 8 турбокомпрессорами ТВ-300- 1,6». Корректировка капитальных затрат в ценах 1984 г. выполнялась в соответствии с Письмом Координационного центра по ценообразованию и сметному нормированию в строительстве от 14 апреля 2014 г. № КЦ/П2014-04ти «Об индексах изменения сметной стоимости строительства по федеральным округам и регионам Российской Федерации на апрель 2014 года» исходя из средних величин по Центральному федеральному округу. Общая сметная стоимость включает затраты на строительство совмещенной насосной станции, что обусловлено типовым проектом.

Резервное количество оборудования по вариантам 1 и 2 принято в соответствии с СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения», по варианту 3 – одна единица, поскольку удельный вес цен двух рабочих агрегатов нецелесообразно распространять на два дополнительных резервных. Следует заметить, что в вариантах 1 и 2 соотношение резервных агрегатов к рабочим составляет 1:3, а в варианте 3 – 1:2 (явно ущемлен в экономическом аспекте). Хотя на практике, например в проекте Новокурьяновской станции аэрации, данное соотношение составляет 1:4.

Цены на воздуходувное оборудование и запасные части (элементы затрат Cic, Cm) сформированы с учетом затрат на транспортировку до потребителя, затрат на услуги таможни, НДС. В расчетах параметра Cm стоимость нормо-часа принята равной 2820 руб. Были составлены графики технического обслуживания агрегатов за расчетный период (ежемесячное – ТО-0, периодические – ТО-1 и ТО-2). В расчетах принят стабильный валютный курс (на июль 2014 г. – 47 руб/евро).

Численность обслуживающего персонала по элементам затрат Co определена Нормативами численности рабочих компрессорных станций, утвержденными ЦБНТ Госкомтруда РФ (по состоянию на июль 2011 г.).

Вариант 2 включает одноразовую замену преобразователей частоты за расчетный период (срок их службы 12–15 лет), а также периодическое обслуживание с заменой конденсаторных батарей и вентиляторов.

В настоящей статье не рассматриваются теоретические основы управляемых технологических воздействий [3–6].

В табл. 4 приведены результаты сравнения вариантов технических решений, выполненного в привычной форме – без инфляции и дисконта (включая данные из табл. 3 за расчетный период n = 25 лет) и с использованием рассмотренного механизма регулирования затрат во времени [(формулы (2) – (4) при принятых параметрах i и p].

Из данных табл. 4 видно, что использованный механизм регулирования затрат во времени позволяет существенно снизить величину перспективных эксплуатационных затрат. В таком виде он функционирует как отражение средств инвестиционной привлекательности проектов. Для наглядности данные табл. 4 представлены в графическом виде (рис. 3).

рафическом виде (рис. 3). Самым инвестиционно привлекательным проектом выглядит вариант 3 с управлением на базе поворотно-лопастного механизма, обеспечивающий годовую экономию электроэнергии 6 603 850 кВт·ч с экономией на первый год эксплуатации 19,81 млн. руб. (по отношению к базовому варианту 1). Затраты жизненного цикла LCC снижены по отношению к варианту 2 на 23,07% – в случае обеспечения экономических расчетов без учета инфляции и дисконта, на 21% – в подобных расчетах с использованием механизма регулирования затрат во времени.

Вариант 2 с управлением при помощи регулируемого электропривода, наоборот, потерял свою инвестиционную привлекательность в процессе учета инфляции и дисконта. Критерий LCC по отношению к базовому варианту 1 вырос на 4,86%, хотя в привычной форме (без инфляции и дисконта) был чуть ниже – на 1,57%.

Таким образом, применение метода расчета с использованием критерия LCC позволяет: оценивать и оптимизировать инвестиционные и эксплуатационные затраты; сравнивать тендерные предложения различного технического уровня; экономически учитывать исходные значения КПД и качество используемого оборудования (технологии) как элементы затрат и пр.

Выводы 

1. Экономические расчеты на базе показателя затрат жизненного цикла LCC можно использовать на практике в качестве критерия технико-экономического обоснования технических решений для вновь строящихся объектов – воздуходувных станций очистных сооружений. Рассмотренные практические примеры включают варианты с использованием неуправляемого и управляемого оборудования с многоступенчатыми воздуходувками ТВ-300-1,6 и одноступенчатыми поворотно-лопастными воздуходувками Siemens TE KA-66 двойного регулирования. Для сравнения расчеты выполнялись по двум экономическим методикам: в привычной для технических специалистов форме (без инфляции и дисконта) и с использованием механизма регулирования затрат во времени при принятых параметрах процентной ставки банков и инфляции.

2. Инвестиционную привлекательность имеет проект, связанный с внедрением одноступенчатых поворотно-лопастных турбовоздуходувок двойного регулирования. По экономическим расчетам с использованием первой методики этот проект обеспечивает снижение затрат (по сравнению с применением регулируемого электропривода) на 23,07%, второй методики – 21%. Применение методики, учитывающей инфляцию, показало, что вариант с использованием регулируемого электропривода теряет инвестиционную привлекательность.