قرار مصدر التدفئة
تخطط إحدى المنشآت لتسخين 12 خزان معالجة، يتطلب كل منها 40 كيلووات من رسوم التسخين. هناك خياران قيد الدراسة: تركيب سخانات غاطسة كهربائية في كل خزان، أو تركيب غلاية بخارية مركزية تعمل بالغاز الطبيعي -وتخدم المبادلات الحرارية PTFE في كل خزان.
يوفر الخيار الكهربائي البساطة: لا توجد غلاية، ولا أنابيب بخار، ولا عودة للمكثفات، ولا معالجة للمياه. يحتوي كل خزان على سخان كهربائي خاص به، ويتم التحكم فيه بشكل مستقل. التكلفة الرأسمالية هي 12 سخانًا كهربائيًا بالإضافة إلى البنية التحتية الكهربائية.
يتطلب خيار البخار غلاية، وأنابيب توزيع البخار، ونظام إرجاع المكثفات، ومعدات معالجة المياه، و12 مبادل حراري PTFE. تكلفة رأس المال أعلى. تكلفة التشغيل-التي تهيمن عليها الطاقة-هي أقل لأن الغاز الطبيعي لكل وحدة طاقة يكلف ما يقرب من-ثلث إلى ربع-الكهرباء في معظم الأسواق الصناعية.
تحدد مقارنة التكلفة الإجمالية لمدة 10 سنوات الخيار الذي يوفر تكلفة دورة حياة أقل، مع مراعاة الطاقة واستبدال المعدات والصيانة.
فرق تكلفة الطاقة
يعمل التسخين بالمقاومة الكهربائية على تحويل ما يقرب من 100% من الطاقة الكهربائية إلى حرارة عند نقطة الاستخدام. لا توجد خسائر في المكدس، ولا خسائر في الأنابيب، ولا توجد خسائر في التفجير. الكفاءة المقدمة هي في الأساس 100٪.
ينطوي توليد البخار بالغاز الطبيعي على خسائر متعددة في الكفاءة. تعمل الغلاية الصناعية التي تتم صيانتها جيدًا بنسبة 80-85% من الوقود-إلى-كفاءة البخار. تفقد أنابيب توزيع البخار 5-10% من الحرارة من خلال فقدان العزل. تفقد أنظمة عودة المكثفات حرارة إضافية. وتبلغ الكفاءة الإجمالية للوقود إلى العملية 65-75%.
وعلى الرغم من هذه الخسائر، فإن الغاز الطبيعي أرخص بكثير لكل وحدة طاقة من الكهرباء، مما يجعل خيار البخار يفوز على تكلفة التشغيل. في متوسط أسعار الطاقة الصناعية في الولايات المتحدة-0.08 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة كهرباء، 4.50 دولار أمريكي/مليون وحدة حرارية بريطانية من الغاز الطبيعي-تبلغ تكلفة كل كيلووات ساعة من الحرارة يتم توصيلها 0.08 دولار أمريكي للكهرباء، و0.023 دولار أمريكي لبخار الغاز الطبيعي (وهو ما يمثل 70% من الكفاءة الإجمالية).
الجدول 1: مقارنة التكلفة الإجمالية لمدة 10 سنوات (12 خزانًا × 40 كيلووات، 6000 ساعة تشغيل في السنة)
| عنصر التكلفة | سخانات غاطسة كهربائية | غلاية مخصصة + مبادلات حرارية PTFE |
|---|---|---|
| تكاليف رأس المال | ||
| معدات التدفئة (12 وحدة) | $48,000 (12 × $4,000) | 96,000 دولار (12 PTFE × 8,000 دولار) |
| نظام الغلايات والبخار | $0 | 65,000 دولار (مثبتة) |
| تحديث البنية التحتية الكهربائية | $25,000 | $0 |
| إجمالي رأس المال | $73,000 | $161,000 |
| تكاليف التشغيل السنوية | ||
| تكلفة الطاقة | 230,400 دولار (2,880 ميجاوات في الساعة × 0.08 دولار) | 82,800 دولار (ما يعادل 3,600 ميجاوات في الساعة × 0.023 دولار) |
| استبدال السخان (العناصر الكهربائية كل سنتين) | 48,000 دولار أمريكي (6 بدائل / سنة × 4,000 دولار أمريكي × 10 سنوات=240,000 دولار أمريكي / 10) | $0 (PTFE >عمر 10 سنوات) |
| صيانة الغلايات ومعالجة المياه | $0 | $8,000 |
| إجمالي التشغيل السنوي | $278,400 | $90,800 |
| التكلفة الإجمالية لمدة 10 سنوات | $2,857,000 | $1,069,000 |
تكلفة استبدال المعدات
تتمتع السخانات الغاطسة الكهربائية بعمر خدمة محدود. في الحمامات الكيميائية المسببة للتآكل، حتى العناصر الكهربائية المغلفة تفشل في غضون 2-3 سنوات بسبب تآكل الغلاف أو فشل الختم. على مدى 10 سنوات، يحتاج كل خزان من الخزانات الـ 12 إلى 3-5 عمليات تبديل للسخان. تقترب تكلفة الاستبدال التراكمية من التكلفة الرأسمالية الأولية أو تتجاوزها.
المبادلات الحرارية PTFE التي يتم تسخينها بالبخار لا تحتوي على عناصر كهربائية يمكن أن تفشل. إن حزمة أنابيب PTFE، المصممة بشكل مناسب لضغط البخار ودرجة الحرارة، تدوم لمدة 10+ سنة دون استبدال. تكلفة استبدال المعدات لمدة 10-لخيار البخار تقترب من الصفر بالنسبة للمعدات المثبتة على جانب الخزان.
تتطلب الغلاية نفسها صيانة-تنظيف الأنابيب وخدمة الموقد ومعالجة المياه-ولكن هذه التكاليف يمكن التنبؤ بها وهي متواضعة مقارنة بتكلفة استبدال السخانات الغاطسة الكهربائية بشكل متكرر في البيئات الكيميائية القاسية.
النظر في المرونة والتكرار
يوفر خيار البخار مرونة تشغيلية. يمكن أن تخدم الغلاية احتياجات تسخين العمليات الإضافية بما يتجاوز 12 خزانًا-لتسخين المساحة، أو تسخين محلول التنظيف، أو خزانات التوسع المستقبلية. يخدم الخيار الكهربائي الخزانات فقط ولا يقدم أي فائدة غير مباشرة.
إذا كانت الغلاية بحاجة إلى صيانة، فيمكن للخزانات الاستمرار في العمل بالمياه الساخنة المخزنة أو الإنتاجية المنخفضة. إذا تعطل سخان كهربائي في خزان واحد، فإن هذا الخزان يكون خارج الإنتاج حتى يتم استبدال السخان. إن مبادل PTFE، كونه أكثر موثوقية بطبيعته، يقلل من هذه المخاطر ولكنه لا يزيلها-ومع ذلك، تضيف الغلاية نفسها خطر فشل نقطة واحدة- يجب إدارته من خلال التكرار أو التخطيط للطوارئ.
ملخص
على مدار فترة 10-سنوات، تبلغ تكلفة الجمع بين غلاية الغاز الطبيعي المخصصة والمبادلات الحرارية PTFE حوالي 1,069,000 دولار أمريكي تقريبًا، مقارنة بـ 2,857,000 دولار أمريكي للسخانات الغاطسة الكهربائية - وهو انخفاض بنسبة 63%. التكلفة الرأسمالية لنظام البخار أعلى (161,000 دولار مقابل 73,000 دولار)، لكن توفير تكاليف الطاقة البالغ 147,600 دولار سنويًا والتخلص من عمليات استبدال السخانات الكهربائية المتكررة يستعيد فرق رأس المال خلال السنة الأولى من التشغيل.
بالنسبة للمنشآت التي تحتوي على ثلاثة خزانات ساخنة أو أكثر، فإن مجموعة البخار-زائد-PTFE هي خيار التكلفة الإجمالية الأقل. وتعتمد نقطة التقاطع على أسعار الطاقة المحلية، وتآكل المواد الكيميائية المعالجة (التي تحدد تكرار استبدال السخان الكهربائي)، ومدى توافر البنية التحتية البخارية الحالية.
يتوفر التحليل الهندسي لمقارنة مصادر التدفئة في ظروف المنشأة المحددة عند تقديم عدد وحجم الخزانات، ومعدلات الكهرباء والغاز المحلية، وكيمياء العمليات، والبنية التحتية الحالية للمرافق.
