Lors de la planification et de l’évaluation d’un programme de réparation et d’entretien d’une tour de refroidissement, peu de propriétaires et d’exploitants de tours de refroidissement effectuent une évaluation économique approfondie. Et si des réparations et des modifications simples peuvent être effectuées à moindre coût, des projets d’entretien de tour de refroidissement plus importants nécessitent une planification et une justification économique appropriées. En fait, une évaluation économique mal exécutée peut coûter des millions de dollars en perte de productivité.
Dans le passé, de nombreuses usines de l'industrie chimique (ICP) s'appuyaient sur un refroidissement à passage unique, en puisant l'eau de refroidissement dans une source locale ou dans un bassin artificiel. La température de l'eau entrante dépendait de facteurs environnementaux et n'était pas contrôlable, ce qui laissait les opérateurs de l'usine entièrement à la merci des conditions de température ambiante.
Des années d'expérience ont conduit de nombreux exploitants à penser qu'il était impossible de modifier la température de l'eau entrante. Mais les innovations technologiques actuelles en matière de refroidissement permettent souvent de fournir une eau nettement plus froide avec le même encombrement du bassin et une hauteur de pompage encore plus faible.
Toutefois, avant de procéder à la mise à niveau, il convient de procéder à une analyse économique approfondie et de justifier les réparations et les mises à niveau proposées pour la tour de refroidissement. Une analyse économique appropriée comporte quatre étapes :
1. Évaluer les performances thermiques de la tour existante par rapport aux performances thermiques de conception.
Bien qu'une inspection et une évaluation par un spécialiste local des tours de refroidissement constituent l'un des meilleurs moyens d'identifier les causes possibles du déficit de performance, la tendance des performances d'une tour peut être évaluée à l'aide des données de processus généralement disponibles. Les performances de la tour de refroidissement sont démontrées en traçant la température de l'eau froide de sortie par rapport à la température du bulbe humide d'entrée à une vitesse de ventilateur, un débit d'eau et une charge thermique constants. La nécessité d'un test de performance formel est déterminée en fonction de plusieurs facteurs. En général, moins les données de température et de débit disponibles à partir de l'instrumentation installée sont nombreuses, plus un test de performance formel sera probablement nécessaire, quel que soit l'âge de la tour.
Chaque tour de refroidissement est conçue pour fournir une température de sortie spécifique (80-95°F) à une combinaison de température de bulbe humide, de charge thermique, de débit d'eau et de débit d'air. Cette température ne peut toutefois être attendue que dans des conditions de conception, qui sont normalement choisies de manière conservatrice et, par conséquent, se produisent moins de 200 h/an. Ainsi, lors de l'examen des données d'exploitation, il faut s'attendre à voir des températures inférieures à ce point de conception pour tous les jours de l'année, sauf les jours les plus chauds. Dans le cas contraire, les performances thermiques de la tour peuvent ne pas être adéquates.
Même les tours neuves ne sont pas susceptibles de fonctionner aux niveaux prévus. Selon le Cooling Technology Institute (CTI), environ la moitié des tours de refroidissement nouvellement construites ont réussi leur test de performance initial en 2014. Bien que le CTI commence seulement à publier des statistiques de test pour les différents fabricants dans le cadre du programme CTI STD-202, chaque entreprise connaît son propre taux de réussite/échec et divulguera ces informations si elle le demande. Étant donné que le taux d'échec des nouvelles tours est élevé, il est conseillé de toujours insister sur un test de performance de la tour lors de l'achat d'un nouvel équipement.
2. Modélisez la réponse du processus aux changements de performance thermique.
Bien que les évaluations de performance fournissent des informations techniques utiles, elles sont dépourvues d'analyse économique. Pour cette analyse, le processus qui reçoit l'eau froide de la tour doit être évalué et modélisé. La deuxième étape du processus d'évaluation consiste à déterminer si l'eau plus froide aura un impact économique prévisible et mesurable sur les performances de l'usine.
Il est souvent possible de déterminer l’ordre de grandeur de l’impact en se demandant « existe-t-il une différence de capacité ou de coût d’exploitation de l’usine en été par rapport à l’hiver ? » Si la réponse est oui, alors certains processus sensibles à la température sont probablement affectés par la température de l’eau froide.
Une analyse de régression simple des données d'exploitation peut être réalisée pour générer une fonction mathématique qui exprime le coût d'exploitation ou la production en termes de température de l'eau froide. Dans de nombreuses usines, cette analyse a déjà été réalisée. Le défi technique consiste à utiliser ces connaissances pour découvrir des moyens d'améliorer la rentabilité de l'usine.
Cette analyse est souvent compliquée, par exemple lorsque plusieurs processus s'appuient sur une boucle de refroidissement commune. Dans ce cas, évaluez d'abord le processus le plus critique ou le plus sensible à la température. La meilleure solution peut être de diviser la boucle de refroidissement et de fournir l'eau la plus froide à la partie de l'usine où elle est la plus précieuse.
Pour chaque processus dépendant de la température, une courbe de performance par rapport à la température de l'eau froide doit être générée. La performance peut être exprimée en termes de rendement du produit, de consommation d'énergie ou de tout autre indicateur de performance clé pertinent pour le processus particulier. En fonction de l'écart de coût, une courbe distincte est produite pour l'impact économique par rapport aux performances du système.
3. Évaluez plusieurs scénarios de réparation et de mise à niveau pour développer une solution optimisée.
Une fois la relation entre l’impact économique et la performance du système établie, l’étape suivante consiste à déterminer ce qui peut être fait pour améliorer la performance du système, et dans quelle mesure.
Outre les courbes générées lors des deux premières étapes (performances thermiques existantes, impacts sur les procédés et impacts économiques), il convient d’ajouter les variations climatiques annuelles pour élaborer un modèle comparatif qui prédit l’impact financier et le retour sur investissement de divers projets de modernisation des tours de refroidissement. La première comparaison s’effectue généralement entre la courbe de performance « en l’état » et la courbe de performance de conception d’origine, ce qui permet de quantifier l’impact financier de la dégradation des performances.
Dans certains cas, une simple évaluation basée sur la somme annuelle de chaque température du thermomètre mouillé peut suffire. Ces données sont disponibles auprès de centaines de centres de collecte de données météorologiques des Centres nationaux d'information sur l'environnement, de la National Oceanic and Atmospheric Administration, www.ncdc.noaa.gov.
Si l'installation fabrique un produit sensible aux fluctuations saisonnières des prix, il est plus approprié d'exécuter des modèles de performance saisonniers. Dans les cas où la température de l'eau froide affecte la consommation d'énergie ou la production d'une centrale, il peut être approprié d'évaluer les variations de température entre la nuit et le jour. Il existe des logiciels de données météorologiques qui fournissent des statistiques de température observées par incréments de trois heures, ce qui rend ce niveau d'analyse possible.
En combinant la courbe de performance de la tour, la courbe de performance du processus, la courbe d’impact économique et les courbes météorologiques annuelles, la valeur économique de la restauration de la tour à son état de conception d’origine peut être prédite.
Ensuite, les options techniques pour la restauration de la tour (remplacement du matériau de remplissage, rénovation du système de distribution d’eau, modernisation des composants mécaniques) doivent être identifiées et analysées par rapport à l’impact d’un remplacement complet du système.
4. Réaliser une analyse d’optimisation financière des solutions proposées.
Traditionnellement, la sélection d’une tour de refroidissement « optimisée » se limitait à équilibrer le coût initial et le coût d’exploitation, en fonction du fonctionnement continu au point de conception. Ce modèle ne prend cependant pas en compte l’impact sur les opérations de traitement, ni les opérations au-dessus ou en dessous des conditions de conception. Un modèle intégré qui calcule et classe plusieurs itérations tout en prenant en compte l’ensemble des conditions météorologiques et d’exploitation est le meilleur moyen d’optimiser correctement la sélection d’une tour de remplacement.
L'équation de valeur globale pour comparer les installations de tours de refroidissement doit généralement inclure :
- Coûts d'investissement pour l'équipement et l'installation
- Coûts d'électricité pour le fonctionnement du ventilateur et de la pompe
- Coûts de traitement de l'eau
- Coûts de maintenance (particulièrement importants pour comparer l’achat d’une nouvelle tour à une réparation/reconstruction)
- Réduction des coûts d'exploitation grâce à des températures de fonctionnement plus basses
La première étape de cette optimisation consiste à déterminer la mesure financière à optimiser. Cela nécessite que les ingénieurs et le personnel de l'usine qui recommandent les achats et les mises à niveau d'équipements comprennent les critères d'évaluation de l'entreprise pour classer et approuver les projets d'investissement afin de présenter une solution correctement optimisée.
Une méthode d'évaluation des projets consiste à définir une exigence basée sur le retour sur investissement simple. Le retour sur investissement simple est une mesure à très court terme du retour sur investissement d'un projet et est calculé en divisant les dépenses d'investissement totales par l'impact économique annuel. Le retour sur investissement simple est un outil de sélection utilisé principalement dans les environnements contraints et est rarement utilisé comme mesure principale pour classer et évaluer les dépenses d'investissement. Des mesures plus courantes, telles que le taux de rendement interne (TRI), la valeur actuelle nette des flux de trésorerie (VAN) et la valeur ajoutée économique (EVA), fournissent des informations plus significatives pour la valeur à long terme.
L’expérience montre cependant que l’optimisation d’une seule mesure n’est pas forcément la meilleure option. Il est donc essentiel de prendre en compte la mesure financière appropriée lors de l’optimisation d’un système. En fin de compte, la « meilleure » solution sera déterminée principalement par les résultats financiers souhaités : un retour sur investissement rapide ou une valeur maximale à long terme.
En raison de l’interaction étroite entre la température de l’eau froide et les performances du processus, il est essentiel que les mises à niveau et les réparations des tours de refroidissement soient planifiées et évaluées avec une compréhension approfondie de la conception de la tour de refroidissement, des opérations de processus et des mesures financières.
L’ingénierie est avant tout un exercice économique basé sur la science. Or, si la science de l’exploitation des tours de refroidissement est très simple, l’analyse économique requiert une discipline rigoureuse pour garantir que les investissements et les dépenses de maintenance génèrent les rendements souhaités. De nombreux projets d’amélioration des tours de refroidissement présentent des avantages financiers importants qui peuvent être révélés par une analyse économique appropriée. De plus, le report de certaines réparations et mises à niveau peut coûter des millions de dollars aux usines en perte de productivité et en coûts d’exploitation excessifs.
