Al planificar y evaluar un programa de reparación y mantenimiento de torres de enfriamiento, pocos propietarios y operadores de torres de enfriamiento realizan una evaluación económica exhaustiva. Y si bien las reparaciones y modificaciones simples se pueden realizar con un gasto mínimo, los proyectos de mantenimiento de torres de enfriamiento más extensos requieren una planificación adecuada y una justificación económica. De hecho, una evaluación económica mal ejecutada puede costar millones de dólares en pérdida de productividad.
En el pasado, muchas plantas de la industria de procesos químicos dependían de un sistema de enfriamiento de paso único, que obtenía agua de una fuente local o de un estanque artificial. La temperatura del agua entrante dependía de factores ambientales y no era controlable, lo que dejaba a los operadores de la planta completamente a merced de las condiciones de temperatura ambiente.
Años de experiencia llevaron a muchos operadores a creer que no se podía hacer nada con respecto a las temperaturas del agua entrante. Sin embargo, las innovaciones tecnológicas de refrigeración actuales a menudo pueden proporcionar agua significativamente más fría con el mismo espacio de almacenamiento e incluso una altura de bombeo menor.
Sin embargo, antes de actualizar, se debe evaluar un análisis económico exhaustivo y justificar las reparaciones y actualizaciones propuestas de la torre de enfriamiento. Hay cuatro pasos para un análisis económico adecuado:
1. Evalúe el rendimiento térmico de la torre existente frente al rendimiento térmico del diseño.
Si bien una inspección y evaluación por parte de un especialista local en torres de enfriamiento es una de las mejores formas de identificar las posibles causas del déficit de rendimiento, la tendencia de rendimiento de una torre se puede evaluar con datos de procesos generalmente disponibles. El rendimiento de la torre de enfriamiento se demuestra trazando la temperatura del agua fría de salida frente a la temperatura de bulbo húmedo de entrada a una velocidad del ventilador, un caudal de agua y una carga térmica constantes. La necesidad de una prueba de rendimiento formal se determina en función de varios factores. En general, cuanto menos datos de temperatura y caudal estén disponibles a partir de la instrumentación instalada, más probable será que se requiera una prueba de rendimiento formal, independientemente de la antigüedad de la torre.
Cada torre de refrigeración está diseñada para proporcionar una temperatura de salida específica (80-95 °F) en una combinación de diseño de temperatura de bulbo húmedo, carga térmica, caudal de agua y caudal de aire. Sin embargo, esta temperatura solo se esperaría en condiciones de diseño, que normalmente se eligen de manera conservadora y, como tal, ocurren menos de 200 h/año. Por lo tanto, al revisar los datos operativos, uno debería esperar ver temperaturas por debajo de este punto de diseño para todos los días excepto los más calurosos del año. Si no es así, entonces el rendimiento térmico de la torre puede no ser adecuado.
Incluso es poco probable que las torres nuevas rindan a los niveles de diseño. Según el Instituto de Tecnología de Refrigeración (CTI), aproximadamente la mitad de las torres de refrigeración de nueva construcción aprobaron la prueba de rendimiento inicial en 2014. Si bien el CTI recién está comenzando a publicar estadísticas de pruebas para fabricantes individuales según el Programa CTI STD-202, cada empresa conoce su propia tasa de aprobación/reprobación y divulgará esta información si se le solicita. Dado que la tasa de fallas de las torres nuevas es alta, es recomendable insistir siempre en una prueba de rendimiento de la torre al comprar equipos nuevos.
2. Modelar la respuesta del proceso a los cambios en el rendimiento térmico.
Si bien las evaluaciones de desempeño brindan información técnica útil, carecen de análisis económico. Para ese análisis, se debe evaluar y modelar el proceso que recibe agua fría de la torre. El segundo paso del proceso de evaluación es determinar si el agua más fría tendrá un impacto económico predecible y mensurable en el desempeño de la planta.
A menudo, se puede determinar un impacto de orden de magnitud preguntando: “¿Hay una diferencia en la capacidad de la planta o en el costo operativo en verano y en invierno?”. Si la respuesta es sí, entonces es probable que algunos procesos sensibles a la temperatura se vean afectados por la temperatura del agua fría.
Se puede realizar un análisis de regresión simple de los datos operativos para generar una función matemática que exprese el costo operativo o la producción en términos de temperatura del agua fría. En muchas plantas, este análisis ya se ha realizado. El desafío de ingeniería es utilizar este conocimiento para descubrir formas de mejorar la economía de la planta.
Este análisis suele ser complicado, como cuando varios procesos dependen de un circuito de refrigeración común. En esos casos, evalúe primero el proceso más crítico o sensible a la temperatura. La mejor solución puede ser dividir el circuito de refrigeración y proporcionar el agua más fría a la parte de la planta donde es más valiosa.
Para cada proceso dependiente de la temperatura, se debe generar una curva de rendimiento en función de la temperatura del agua fría. El rendimiento se puede expresar en términos de producción, consumo de energía o cualquier otro indicador clave de rendimiento relevante para el proceso en particular. Según la variación de costos, se genera una curva separada para el impacto económico en función del rendimiento del sistema.
3. Evaluar múltiples escenarios de reparación y actualización para desarrollar una solución optimizada.
Una vez establecida la relación entre el impacto económico y el rendimiento del sistema, el siguiente paso es determinar qué se puede hacer para mejorar el rendimiento del sistema y en qué medida.
Además de las curvas generadas en los dos primeros pasos (rendimiento térmico existente, impactos del proceso e impactos económicos), es necesario agregar la variación climática anual para desarrollar un modelo comparativo que prediga el impacto financiero y la recuperación de la inversión para varios proyectos de actualización de torres de enfriamiento. La primera comparación suele ser entre la curva de rendimiento "tal como está" y la curva de rendimiento del diseño original, cuantificando el impacto financiero de la degradación del rendimiento.
En algunos casos, puede ser suficiente una evaluación simple basada en la suma anual de cada temperatura de bulbo húmedo. Estos datos están disponibles para cientos de centros de recopilación de datos meteorológicos de los Centros Nacionales de Información Ambiental, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, www.ncdc.noaa.gov.
Si la planta fabrica un producto que es sensible a las fluctuaciones estacionales de precios, es más adecuado ejecutar modelos de rendimiento estacionales. En los casos en que la temperatura del agua fría afecta el uso o la generación de energía de una planta, puede ser adecuado evaluar los cambios de temperatura entre la noche y el día. Hay paquetes de software de datos meteorológicos que brindan estadísticas de temperatura observada en incrementos de tres horas, lo que hace posible este nivel de análisis.
Al combinar la curva de rendimiento de la torre, la curva de rendimiento del proceso, la curva de impacto económico y las curvas climáticas anuales, se puede predecir el valor económico de restaurar la torre a su condición de diseño original.
A continuación, se deben identificar y analizar las opciones técnicas para restaurar la torre (reemplazo del medio de relleno, renovación del sistema de distribución de agua, actualizaciones de componentes mecánicos) frente al impacto de un reemplazo completo del sistema.
4. Realizar un análisis de optimización financiera de las soluciones propuestas.
Tradicionalmente, la selección de una torre de enfriamiento “optimizada” consistía simplemente en equilibrar el costo inicial con el costo operativo, basándose en el funcionamiento continuo en su punto de diseño. Sin embargo, este modelo no considera el impacto en las operaciones de proceso ni las operaciones por encima o por debajo de las condiciones de diseño. Un modelo integrado que calcula y clasifica múltiples iteraciones y, al mismo tiempo, considera todo el rango de condiciones climáticas y operativas es la mejor manera de optimizar adecuadamente la selección de una torre de reemplazo.
La ecuación de valor general para comparar instalaciones de torres de enfriamiento generalmente debe incluir:
- Costos de capital para equipos e instalación
- Costos de electricidad para el funcionamiento de ventiladores y bombas
- Costos de tratamiento de agua
- Costos de mantenimiento (especialmente importantes para comparar la compra de una nueva torre con una reparación/reconstrucción)
- Reducción de costes operativos gracias a temperaturas de funcionamiento más bajas
El primer paso para llevar a cabo esta optimización es determinar qué medida financiera se optimizará. Para ello, los ingenieros y el personal de planta que recomiendan la compra y actualización de equipos deben comprender los criterios de evaluación de la empresa para clasificar y aprobar proyectos de capital a fin de presentar una solución optimizada de manera adecuada.
Un método para evaluar proyectos es establecer un requisito basado en el período de recuperación simple. El período de recuperación simple es una medida a muy corto plazo del rendimiento de la inversión de un proyecto y se calcula dividiendo el gasto total de capital por el impacto económico anual. El período de recuperación simple es una herramienta de detección que se utiliza principalmente en entornos restringidos y rara vez se utiliza como métrica principal para clasificar y evaluar los gastos de capital. Medidas más comunes, como la tasa interna de retorno (TIR), el valor actual neto del flujo de efectivo (VAN) y el valor económico agregado (EVA) brindan información más significativa para el valor a largo plazo.
Sin embargo, la experiencia ha demostrado que optimizar solo una medida puede no ser la mejor opción. Por lo tanto, es fundamental tener en cuenta la métrica financiera adecuada al realizar una optimización del sistema. En última instancia, la “mejor” solución estará determinada principalmente por los resultados financieros deseados: una recuperación rápida de la inversión o el máximo valor a largo plazo.
Debido a la estrecha interacción entre la temperatura del agua fría y el rendimiento del proceso, es fundamental que las actualizaciones y reparaciones de las torres de enfriamiento se planifiquen y evalúen con un conocimiento profundo del diseño de la torre de enfriamiento, las operaciones del proceso y las métricas financieras.
En esencia, la ingeniería es un ejercicio económico con una base científica; y si bien la ciencia de las operaciones de las torres de enfriamiento es muy simple, el análisis económico requiere una disciplina rigurosa para garantizar que el capital y el dinero invertidos en mantenimiento generen los rendimientos deseados. Muchos proyectos de mejora de las torres de enfriamiento tienen importantes beneficios financieros que pueden revelarse con un análisis económico adecuado, y retrasar ciertas reparaciones y actualizaciones puede costarles a las plantas millones en pérdida de productividad y costos operativos excesivos.
