Bei der Planung und Bewertung eines Kühlturmreparatur- und Wartungsprogramms führen nur wenige Kühlturmbesitzer und -betreiber eine gründliche Wirtschaftlichkeitsbewertung durch. Und während einfache Reparaturen und Änderungen mit minimalem Aufwand durchgeführt werden können, erfordern umfangreichere Kühlturmwartungsprojekte eine ordnungsgemäße Planung und wirtschaftliche Begründung. Tatsächlich kann eine schlecht durchgeführte Wirtschaftlichkeitsbewertung Millionen von Dollar an Produktivitätsverlusten kosten.
In der Vergangenheit verließen sich viele Anlagen der chemischen Prozessindustrie (CPI) auf Durchlaufkühlung, bei der das Kühlwasser aus einer lokalen Quelle oder einem künstlichen Teich bezogen wurde. Die Temperatur des einlaufenden Wassers hing von Umweltfaktoren ab und war nicht kontrollierbar, sodass die Anlagenbetreiber völlig von den Umgebungstemperaturbedingungen abhängig waren.
Aufgrund jahrelanger Erfahrung glaubten viele Betreiber, man könne die Wassertemperaturen nicht ändern. Doch dank moderner Kühltechnologie kann bei gleicher Beckengröße und sogar niedrigerer Pumpenhöhe oft deutlich kälteres Wasser geliefert werden.
Vor der Modernisierung sollte jedoch eine gründliche Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt und die Gründe für die vorgeschlagenen Reparaturen und Modernisierungen des Kühlturms dargelegt werden. Eine ordnungsgemäße Wirtschaftlichkeitsanalyse besteht aus vier Schritten:
1. Bewerten Sie die Wärmeleistung des vorhandenen Turms im Vergleich zur Wärmeleistung des Entwurfs.
Während eine Inspektion und Bewertung durch einen örtlichen Kühlturmspezialisten eine der besten Möglichkeiten ist, mögliche Ursachen für das Leistungsdefizit zu ermitteln, kann die Leistungsentwicklung eines Turms anhand allgemein verfügbarer Prozessdaten beurteilt werden. Die Leistung eines Kühlturms wird durch Aufzeichnen der Kaltwasserauslasstemperatur im Vergleich zur Feuchtkugeltemperatur am Einlass bei konstanter Lüftergeschwindigkeit, Wasserdurchflussrate und Wärmelast nachgewiesen. Die Notwendigkeit eines formellen Leistungstests wird anhand mehrerer Faktoren bestimmt. Generell gilt: Je weniger Temperatur- und Durchflussdaten von installierten Instrumenten verfügbar sind, desto wahrscheinlicher ist ein formeller Leistungstest erforderlich, unabhängig vom Alter des Turms.
Jeder Kühlturm ist so ausgelegt, dass er bei einer bestimmten Kombination aus Feuchttemperatur, Wärmelast, Wasserdurchfluss und Luftstrom eine bestimmte Auslasstemperatur (80-95 °F) liefert. Diese Temperatur ist jedoch nur unter Auslegungsbedingungen zu erwarten, die normalerweise konservativ gewählt werden und daher weniger als 200 Stunden pro Jahr auftreten. Bei der Überprüfung der Betriebsdaten sollte man daher damit rechnen, dass die Temperaturen an allen Tagen des Jahres, außer an den heißesten, unter diesem Auslegungspunkt liegen. Andernfalls ist die Wärmeleistung des Turms möglicherweise nicht ausreichend.
Selbst neue Türme werden wahrscheinlich nicht die Leistung erbringen, die sie vorhaben. Laut dem Cooling Technology Institute (CTI) haben etwa die Hälfte der neu errichteten Kühltürme 2014 ihren ersten Leistungstest bestanden. Obwohl das CTI im Rahmen des CTI STD-202-Programms erst jetzt damit beginnt, Teststatistiken für einzelne Hersteller zu veröffentlichen, kennt jedes Unternehmen sein eigenes Bestehens-/Nichtbestehensverhältnis und gibt diese Informationen auf Anfrage bekannt. Da die Ausfallrate neuer Türme hoch ist, ist es ratsam, beim Kauf neuer Geräte immer auf einem Leistungstest des Turms zu bestehen.
2. Modellieren Sie die Reaktion des Prozesses auf Änderungen der thermischen Leistung.
Obwohl Leistungsbewertungen nützliche technische Informationen liefern, fehlt ihnen eine wirtschaftliche Analyse. Für diese Analyse muss der Prozess, der kaltes Wasser aus dem Turm erhält, bewertet und modelliert werden. Der zweite Schritt des Bewertungsprozesses besteht darin, festzustellen, ob kälteres Wasser einen vorhersehbaren und messbaren wirtschaftlichen Einfluss auf die Anlagenleistung hat.
Die Größenordnung der Auswirkungen lässt sich häufig durch die Frage ermitteln: „Gibt es im Sommer einen Unterschied bei der Anlagenkapazität oder den Betriebskosten im Vergleich zum Winter?“ Wenn die Antwort „Ja“ lautet, werden einige temperaturempfindliche Prozesse wahrscheinlich durch die kalte Wassertemperatur beeinflusst.
Durch eine einfache Regressionsanalyse der Betriebsdaten lässt sich eine mathematische Funktion generieren, die die Betriebskosten oder die Leistung in Bezug auf die Kaltwassertemperatur ausdrückt. In vielen Anlagen ist diese Analyse bereits abgeschlossen. Die technische Herausforderung besteht darin, dieses Wissen zu nutzen, um Möglichkeiten zur Verbesserung der Anlagenökonomie zu finden.
Diese Analyse ist oft kompliziert, beispielsweise wenn mehrere Prozesse auf einen gemeinsamen Kühlkreislauf angewiesen sind. In solchen Fällen sollten Sie zuerst den kritischsten oder temperaturempfindlichsten Prozess bewerten. Die beste Lösung könnte darin bestehen, den Kühlkreislauf aufzuteilen und das kälteste Wasser dem Teil der Anlage zuzuführen, in dem es am wertvollsten ist.
Für jeden temperaturabhängigen Prozess sollte eine Leistungskurve im Vergleich zur Kaltwassertemperatur erstellt werden. Die Leistung kann in Form von Produktleistung, Stromverbrauch oder einem anderen für den jeweiligen Prozess relevanten Leistungsindikator ausgedrückt werden. Abhängig von der Kostenabweichung wird eine separate Kurve für die wirtschaftlichen Auswirkungen im Vergleich zur Systemleistung erstellt.
3. Bewerten Sie mehrere Reparatur- und Upgrade-Szenarien, um eine optimierte Lösung zu entwickeln.
Wenn die Beziehung zwischen wirtschaftlichen Auswirkungen und Systemleistung hergestellt ist, besteht der nächste Schritt darin, zu ermitteln, was zur Verbesserung der Systemleistung getan werden kann – und um wie viel.
Zu den in den ersten beiden Schritten erstellten Kurven (vorhandene thermische Leistung, Prozessauswirkungen und wirtschaftliche Auswirkungen) müssen jährliche Wetterschwankungen hinzugefügt werden, um ein Vergleichsmodell zu entwickeln, das die finanziellen Auswirkungen und die Amortisierung verschiedener Kühlturm-Upgradeprojekte vorhersagt. Der erste Vergleich erfolgt normalerweise zwischen der Ist-Leistungskurve und der ursprünglichen Design-Leistungskurve, um die finanziellen Auswirkungen der Leistungsverschlechterung zu quantifizieren.
In manchen Fällen kann eine einfache Auswertung auf Grundlage der jährlichen Summe der Feuchtkugeltemperaturen ausreichend sein. Solche Daten sind für Hunderte von Wetterdatenerfassungszentren der National Centers for Environmental Information, der National Oceanic and Atmospheric Administration verfügbar. www.ncdc.noaa.gov.
Wenn die Anlage ein Produkt herstellt, das empfindlich auf saisonale Preisschwankungen reagiert, ist es sinnvoller, saisonale Leistungsmodelle zu verwenden. In Fällen, in denen die Kaltwassertemperatur den Stromverbrauch oder die Stromerzeugung einer Anlage beeinflusst, kann es sinnvoll sein, Temperaturänderungen zwischen Tag und Nacht zu bewerten. Es gibt Wetterdaten-Softwarepakete, die Statistiken zu beobachteten Temperaturen in Drei-Stunden-Schritten bereitstellen und diese Art der Analyse ermöglichen.
Durch die Kombination der Turmleistungskurve, der Prozessleistungskurve, der wirtschaftlichen Auswirkungskurve und der jährlichen Wetterkurven kann der wirtschaftliche Wert der Wiederherstellung des ursprünglichen Konstruktionszustands des Turms vorhergesagt werden.
Als Nächstes müssen die technischen Optionen zur Wiederherstellung des Turms (Austausch des Füllmediums, Sanierung des Wasserverteilungssystems, Aufrüstung mechanischer Komponenten) ermittelt und im Hinblick auf die Auswirkungen eines vollständigen Systemaustauschs analysiert werden.
4. Führen Sie eine Analyse der finanziellen Optimierung der vorgeschlagenen Lösungen durch.
Traditionell wurde bei der Auswahl eines „optimierten“ Kühlturms lediglich die Abwägung der Anschaffungskosten gegenüber den Betriebskosten vorgenommen, basierend auf einem fortgesetzten Betrieb bei seinem Auslegungspunkt. Dieses Modell berücksichtigt jedoch weder die Auswirkungen auf den Prozessbetrieb noch den Betrieb über oder unter den Auslegungsbedingungen. Ein integriertes Modell, das mehrere Iterationen berechnet und bewertet und dabei auch die gesamte Bandbreite der Wetter- und Betriebsbedingungen berücksichtigt, ist der beste Weg, die Auswahl eines Ersatzturms richtig zu optimieren.
Die Gesamtwertgleichung zum Vergleich von Kühlturmanlagen sollte im Allgemeinen Folgendes umfassen:
- Kapitalkosten für Ausrüstung und Installation
- Stromkosten für Lüfter- und Pumpenbetrieb
- Kosten der Wasseraufbereitung
- Wartungskosten (besonders wichtig für den Vergleich zwischen einem Neukauf eines Turms und einer Reparatur/einem Umbau)
- Betriebskostensenkung durch niedrigere Betriebstemperaturen
Der erste Schritt bei der Durchführung dieser Optimierung besteht darin, zu bestimmen, welche Finanzkennzahl optimiert werden soll. Dies erfordert, dass Ingenieure und Anlagenpersonal, die den Kauf und die Aufrüstung von Geräten empfehlen, die Bewertungskriterien des Unternehmens für die Einstufung und Genehmigung von Investitionsprojekten verstehen, um eine richtig optimierte Lösung präsentieren zu können.
Eine Methode zur Bewertung von Projekten besteht darin, eine Anforderung auf Grundlage der einfachen Amortisation festzulegen. Die einfache Amortisation ist ein sehr kurzfristiges Maß für die Kapitalrendite eines Projekts und wird berechnet, indem die gesamten Kapitalausgaben durch die jährlichen wirtschaftlichen Auswirkungen geteilt werden. Die einfache Amortisation ist ein Screening-Tool, das hauptsächlich in eingeschränkten Umgebungen verwendet wird und selten als primäre Messgröße für die Einstufung und Bewertung von Kapitalausgaben verwendet wird. Gängigere Kennzahlen wie der interne Zinsfuß (IRR), der Nettogegenwartswert des Cashflows (NPV) und der wirtschaftliche Mehrwert (EVA) liefern aussagekräftigere Informationen zum langfristigen Wert.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass die Optimierung nur einer Maßnahme nicht unbedingt die beste Option ist. Daher ist es wichtig, bei der Systemoptimierung die entsprechenden finanziellen Kennzahlen zu berücksichtigen. Letztendlich wird die „beste“ Lösung in erster Linie durch die gewünschten finanziellen Ergebnisse bestimmt – eine schnelle Amortisierung oder ein maximaler langfristiger Wert.
Aufgrund der engen Wechselwirkung zwischen Kaltwassertemperatur und Prozessleistung ist es wichtig, dass bei der Planung und Bewertung von Kühlturm-Upgrades und -Reparaturen ein umfassendes Verständnis der Kühlturmkonstruktion, der Prozessabläufe und der Finanzkennzahlen vorhanden ist.
Im Kern ist Ingenieurwesen eine wirtschaftliche Übung mit wissenschaftlicher Grundlage. Und während die Wissenschaft des Kühlturmbetriebs sehr einfach ist, erfordert die wirtschaftliche Analyse strenge Disziplin, um sicherzustellen, dass Kapital und Wartungskosten die gewünschten Erträge bringen. Viele Projekte zur Verbesserung von Kühltürmen bieten erhebliche finanzielle Vorteile, die durch eine ordnungsgemäße wirtschaftliche Analyse aufgedeckt werden können. Die Verzögerung bestimmter Reparaturen und Verbesserungen kann den Anlagen Millionen an Produktivitätsverlusten und übermäßigen Betriebskosten kosten.
