Quando si pianifica e si valuta un programma di riparazione e manutenzione di una torre di raffreddamento, pochi proprietari e gestori di torri di raffreddamento conducono una valutazione economica approfondita. E mentre semplici riparazioni e modifiche possono essere eseguite con una spesa minima, progetti di manutenzione di torri di raffreddamento più estesi richiedono una pianificazione adeguata e una giustificazione economica. Infatti, una valutazione economica mal eseguita può costare milioni di dollari in produttività persa.
In passato, molti impianti delle industrie di processo chimico (CPI) si basavano sul raffreddamento a passaggio singolo, attingendo acqua di raffreddamento da una fonte locale o da uno stagno artificiale. La temperatura dell'acqua in entrata dipendeva da fattori ambientali e non era controllabile, ponendo gli operatori dell'impianto completamente alla mercé delle condizioni di temperatura ambiente.
Anni di esperienza hanno portato molti operatori a credere che non si potesse fare nulla per quanto riguarda le temperature dell'acqua in entrata. Ma le innovazioni della tecnologia di raffreddamento odierne possono spesso fornire acqua significativamente più fredda con lo stesso ingombro del bacino e una prevalenza di pompaggio persino inferiore.
Prima di effettuare l'aggiornamento, tuttavia, è necessario valutare un'analisi economica approfondita e una giustificazione per le riparazioni e gli aggiornamenti proposti della torre di raffreddamento. Ci sono quattro passaggi per un'analisi economica corretta:
1. Valutare le prestazioni termiche della torre esistente rispetto a quelle di progetto.
Mentre un'ispezione e una valutazione da parte di uno specialista locale di torri di raffreddamento sono uno dei modi migliori per identificare le possibili cause del deficit di prestazioni, l'andamento delle prestazioni di una torre può essere valutato con dati di processo generalmente disponibili. Le prestazioni della torre di raffreddamento sono dimostrate tracciando la temperatura dell'acqua fredda in uscita rispetto alla temperatura del bulbo umido in ingresso a una velocità della ventola costante, portata d'acqua e carico termico. La necessità di un test formale delle prestazioni è determinata in base a diversi fattori. In generale, meno dati di temperatura e portata sono disponibili dalla strumentazione installata, più è probabile che sia necessario un test formale delle prestazioni, indipendentemente dall'età della torre.
Ogni torre di raffreddamento è progettata per fornire una temperatura di uscita specifica (80-95 °F) a una combinazione di progettazione di temperatura del bulbo umido, carico termico, portata d'acqua e flusso d'aria. Questa temperatura, tuttavia, sarebbe prevista solo in condizioni di progettazione, che sono normalmente scelte in modo conservativo e, come tali, si verificano meno di 200 ore/anno. Quindi, quando si esaminano i dati operativi, ci si dovrebbe aspettare di vedere temperature inferiori a questo punto di progettazione per tutti i giorni dell'anno, tranne quelli più caldi. In caso contrario, le prestazioni termiche della torre potrebbero non essere adeguate.
Anche le nuove torri difficilmente funzioneranno ai livelli di progettazione. Secondo il Cooling Technology Institute (CTI), circa la metà delle torri di raffreddamento di nuova costruzione ha superato il test di prestazione iniziale nel 2014. Mentre il CTI sta solo iniziando a pubblicare statistiche di prova per i singoli produttori nell'ambito del programma CTI STD-202, ogni azienda conosce il proprio rapporto di superamento/fallimento e divulgherà queste informazioni se richiesto. Poiché il tasso di fallimento delle nuove torri è elevato, è consigliabile insistere sempre su un test di prestazione della torre quando si acquistano nuove apparecchiature.
2. Modellare la risposta del processo alle variazioni delle prestazioni termiche.
Sebbene le valutazioni delle prestazioni forniscano informazioni tecniche utili, sono prive di analisi economica. Per tale analisi, il processo che riceve acqua fredda dalla torre deve essere valutato e modellato. Il secondo passaggio del processo di valutazione è determinare se l'acqua più fredda avrà un impatto economico prevedibile e misurabile sulle prestazioni dell'impianto.
Un impatto di ordine di grandezza può spesso essere determinato chiedendosi "c'è una differenza nella capacità dell'impianto o nei costi operativi in estate rispetto all'inverno?" Se la risposta è sì, allora alcuni processi sensibili alla temperatura sono probabilmente influenzati dalla temperatura fredda dell'acqua.
È possibile eseguire una semplice analisi di regressione dei dati operativi per generare una funzione matematica che esprime il costo operativo o l'output in termini di temperatura dell'acqua fredda. In molti impianti, questa analisi è già stata completata. La sfida ingegneristica è quella di utilizzare questa conoscenza per scoprire modi per migliorare l'economia dell'impianto.
Questa analisi è spesso complicata, come quando più processi si basano su un circuito di raffreddamento comune. In tali casi, valutare prima il processo più critico o sensibile alla temperatura. La soluzione migliore potrebbe essere quella di dividere il circuito di raffreddamento e fornire l'acqua più fredda alla parte dell'impianto in cui è più preziosa.
Per ogni processo dipendente dalla temperatura, dovrebbe essere generata una curva di performance vs. temperatura dell'acqua fredda. La performance può essere espressa in termini di output di prodotto, consumo di energia o qualsiasi altro indicatore di performance chiave rilevante per il processo specifico. A seconda della varianza dei costi, viene prodotta una curva separata per l'impatto economico vs. performance del sistema.
3. Valutare più scenari di riparazione e aggiornamento per sviluppare una soluzione ottimizzata.
Una volta stabilita la relazione tra impatto economico e prestazioni del sistema, il passo successivo è determinare cosa si può fare per migliorare le prestazioni del sistema e in che misura.
Insieme alle curve generate nei primi due passaggi (prestazioni termiche esistenti, impatti di processo e impatti economici), è necessario aggiungere la varianza meteorologica annuale per sviluppare un modello comparativo che preveda l'impatto finanziario e il rimborso per vari progetti di ammodernamento delle torri di raffreddamento. Il primo confronto è solitamente tra la curva di prestazione "così com'è" e la curva di prestazione del progetto originale, quantificando l'impatto finanziario del degrado delle prestazioni.
In alcuni casi, una semplice valutazione basata sulla somma annuale di ciascuna temperatura di bulbo umido può essere sufficiente. Tali dati sono disponibili per centinaia di centri di raccolta dati meteorologici dai National Centers for Environmental Information, National Oceanic and Atmospheric Administration, Italiano: www.ncdc.noaa.gov.
Se l'impianto produce un prodotto sensibile alle fluttuazioni stagionali dei prezzi, è più appropriato eseguire modelli di prestazioni stagionali. Nei casi in cui la temperatura dell'acqua fredda influisce sull'utilizzo di energia o sulla generazione di un impianto, potrebbe essere appropriato valutare le variazioni di temperatura tra notte e giorno. Sono disponibili pacchetti software di dati meteorologici che forniscono statistiche sulla temperatura osservata in incrementi di tre ore, rendendo possibile questo livello di analisi.
Combinando la curva di prestazione della torre, la curva di prestazione del processo, la curva di impatto economico e le curve meteorologiche annuali, è possibile prevedere il valore economico del ripristino della torre alle sue condizioni di progettazione originali.
Successivamente, è necessario identificare le opzioni tecniche per il ripristino della torre (sostituzione del mezzo di riempimento, ristrutturazione del sistema di distribuzione dell'acqua, aggiornamenti dei componenti meccanici) e analizzarle rispetto all'impatto di una sostituzione completa del sistema.
4. Completare un'analisi di ottimizzazione finanziaria delle soluzioni proposte.
Tradizionalmente, la selezione di una torre di raffreddamento "ottimizzata" era quella che bilanciava semplicemente il costo iniziale rispetto al costo operativo, in base al funzionamento continuo al suo punto di progettazione. Questo modello, tuttavia, non considera né l'impatto sulle operazioni di processo, né le operazioni al di sopra o al di sotto delle condizioni di progettazione. Un modello integrato che calcola e classifica più iterazioni considerando anche l'intera gamma di condizioni meteorologiche e operative è il modo migliore per ottimizzare correttamente la selezione di una torre sostitutiva.
L'equazione del valore complessivo per il confronto delle installazioni delle torri di raffreddamento dovrebbe generalmente includere:
- Costi di capitale per attrezzature e installazione
- Costi dell'elettricità per il funzionamento del ventilatore e della pompa
- Costi di trattamento delle acque
- Costi di manutenzione (particolarmente importanti per confrontare l'acquisto di una nuova torre con una riparazione/ricostruzione)
- Riduzione dei costi operativi grazie alle temperature di esercizio più basse
Il primo passo per eseguire questa ottimizzazione è determinare quale misura finanziaria verrà ottimizzata. Ciò richiede che ingegneri e personale di stabilimento che raccomandano acquisti e aggiornamenti di attrezzature comprendano i criteri di valutazione dell'azienda per classificare e approvare progetti di capitale al fine di presentare una soluzione opportunamente ottimizzata.
Un metodo di valutazione dei progetti è quello di stabilire un requisito basato sul semplice rimborso. Il rimborso semplice è una misura a brevissimo termine del ritorno sull'investimento di un progetto e viene calcolato dividendo la spesa totale in conto capitale per l'impatto economico annuale. Il rimborso semplice è uno strumento di screening utilizzato principalmente in ambienti vincolati e raramente viene utilizzato come metrica primaria per classificare e valutare le spese in conto capitale. Misure più comuni, come il tasso interno di rendimento (IRR), il valore attuale netto del flusso di cassa (VAN) e il valore aggiunto economico (EVA) forniscono informazioni più significative per il valore a lungo termine.
L'esperienza ha dimostrato, tuttavia, che ottimizzare una sola misura potrebbe non essere l'opzione migliore. È quindi fondamentale tenere conto della metrica finanziaria appropriata quando si esegue un'ottimizzazione del sistema. In definitiva, la soluzione "migliore" sarà determinata principalmente dai risultati finanziari desiderati: un rapido rimborso o il massimo valore a lungo termine.
Data la stretta interazione tra la temperatura dell'acqua fredda e le prestazioni del processo, è fondamentale che gli aggiornamenti e le riparazioni delle torri di raffreddamento siano pianificati e valutati con una conoscenza approfondita della progettazione delle torri di raffreddamento, delle operazioni di processo e delle metriche finanziarie.
In sostanza, l'ingegneria è un esercizio economico con una base scientifica; e mentre la scienza delle operazioni delle torri di raffreddamento è molto semplice, l'analisi economica richiede una disciplina rigorosa per garantire che i dollari di capitale e manutenzione generino i rendimenti desiderati. Molti progetti di miglioramento delle torri di raffreddamento hanno significativi benefici finanziari che possono essere rivelati con un'analisi economica adeguata, e ritardare alcune riparazioni e aggiornamenti può costare agli impianti milioni di dollari in produttività persa e costi operativi eccessivi.
