Άρθρα

ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ (LCC)

Άρθρο του συναδέλφου Π.Χριστοφοράκη που πρωτοδημοσιεύτηκε στο περιοδικό Θερμουδραυλικός.

Η οικονομία ενός συστήματος αντλίας πρέπει να αξιολογείται από την προοπτική του Κόστους Κύκλου Ζωής (LCC). Αυτή η δομημένη προσέγγιση εξασφαλίζει την ελαχιστοποίηση όλων των άμεσων και έμμεσων δαπανών που σχετίζονται με τη λειτουργία και το service της αντλίας. Για να λάβουμε υπόψη μας όλες τις οικονομικές παραμέτρους μία λύσης αντλίας που επιλέξαμε, δεν αρκεί να επικεντρώσουμε το ενδιαφέρον μας αποκλειστικά στην τιμή της αντλίας. Μία ανάλυση LCC περιλαμβάνει την αρχική επένδυση, τη συντήρηση και την κατανάλωση ενέργειας για όλη τη διάρκεια ζωής της επιλεγμένης λύσης. Η αρχική τιμή αγοράς σπάνια υπερβαίνει το 5% του συνολικού κόστους μίας αντλίας για όλη τη διάρκεια ζωής της. Σχεδόν το 85% του LCC μίας αντλίας σχετίζεται με την κατανάλωση ενέργειας. Το service και η συντήρηση ανέρχονται συνήθως στο 10% των εξόδων του κύκλου ζωής.

Το γεγονός ότι η ενεργειακή κατανάλωση των υφιστάμενων αντλιών είναι περίπου το 85% του μακρόχρόνιου κόστους μιας αντλίας μας δίνει και το έναυσμα για τα περιθώρια κέρδους που έχουμε ενώ παρουσιάζεται μεγάλο δυναμικό βελτιστοποίησης των εν λειτουργία αντλητικών συστημάτων. Οι εγκατεστημένες αντλίες ξεπερνούν κατά 20 φορές τον αριθμό των νέων αντλιών που τοποθετούνται κάθε χρόνο.

Σήμερα εκτιμάται 75% των υφιστάμενων εν λειτουργία αντλιών είναι υπερδιαστασιολογημένες τουλάχιστον κατά 20%. Κύριες αιτίες της υπερδιαστασιολόγησης των αντλιών είναι η επιλογή μεγάλης αντλίας για κάλυψη μελλοντικών αναγκών καθώς και η υπερβολική προσαύξηση συντελεστών ασφαλείας στον υπολογισμό του απαιτούμενου μανομετρικού. Επίσης επιλογή αντλίας για κάλυψη μέγιστου φορτίου & κακή ή ανύπαρκτη προσαρμογή σε συνθήκες μερικού φορτίου οδηγεί επίσης σε λανθασμένη υπερδιαστασιολόγηση αντλίας με ότι αυτό συνεπάγεται. Η επιλογή μεγάλης αντλίας από ανάγκη επίλυσης άλλων προβλημάτων του συστήματος (υδραυλική εξισορρόπηση, διατήρηση πίεσης, περιεκτικότητα αέρα ή/και σωματιδίων στο νερό, κλπ.) καθώς και επιλογή αντλίας βάση προδιαγραφών ακατάλληλων για συγκεκριμένες εφαρμογές οδηγούν σε λανθασμένα συμπεράσματα επίσης.

Το μέγεθος της ενεργειακής κατανάλωσης σε σχέση με το αρχικό κόστος αγοράς μιας ακριβότερης λύσης αρχικά φαίνεται χαρακτηριστικά στο σχήμα 1

Σχήμα 1. Το "παγόβουνο" του κόστους

Παρακάτω γίνεται μια προσέγγιση των όρων του κόστους κύκλου ζωής και των επιμέρους παραγόντων του.

Το Κόστος Κύκλου Ζωής (LCC) της αντλίας υπολογίζεται από τη σχέση:

LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd

όπου:

  • Αρχικό κόστος, κόστος αγοράς (Cic)

Περιλαμβάνει το σύνολο του εξοπλισμού που απαιτείται για την λειτουργία του αντλητικού συστήματος, δηλαδή αντλίες, μετατροπείς συχνότητας (inverter), ηλεκτρικοί πίνακες, αισθητήρια σήματος.

Στο κόστος αγοράς συχνά ενσωματώνεται η ενεργειακή απόδοση καθώς και η αξιοπιστία των αντλιών δεδομένου ότι πολλές φορές ακριβότερα υλικά παρέχουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής ή χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος συγκριτικά με φθηνότερα υλικά – προϊόντα.

  • Κόστος εγκατάστασης και μεταφοράς (Cin)

Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης περιλαμβάνει:

  • εγκατάσταση των αντλιών (θεμελίωση, στήριξη, πάκτωση)
  • ηλεκτρολογικές συνδέσεις παροχής ισχύος καθώς και διαφόρων άλλων οργάνων
  • τοποθέτηση και σύνδεση αισθητηρίων και μονάδων inverter
  • επίβλεψη και εκκίνηση των ανωτέρω (start-up)

Όπως στο αρχικό κόστος/αγοράς, έτσι και εδώ οφείλουμε να ελέγχουμε και να λαμβάνουμε υπόψη τυχόν πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τις επιλογές μας, π.χ. σε περίπτωση επιλογής αντλιών in-line με ενσωματωμένες μονάδες inverter και αισθητήρια πολλά από τα απαιτούμενα υλικά / εξαρτήματα όπως μονάδα inverter, φίλτρα διαχωρισμού, ηλεκτρομαγνητική προστασία του inverter για αποφυγή διάδοσης αρμονικών συχνοτήτων, και αισθητήρια διαφορικής πίεσης βρίσκονται ήδη επί των αντλιών (factory assembled).

Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα υψηλότερο αρχικό κόστος αγοράς αλλά ταυτόχρονα πολύ χαμηλό κόστος προμήθειας και εγκατάστασης του συνολικού εξοπλισμού.

  • Κόστος δαπάνης ενέργειας (Ce)

Στις περισσότερες περιπτώσεις εφαρμογών η κατανάλωση ενέργειας αποτελεί τη μεγαλύτερη επιβάρυνση στο κόστος κύκλου ζωής οποιουδήποτε συστήματος άντλησης, όπου συχνά οι αντλίες λειτουργούν περισσότερο από 2.000 ώρες ετησίως. Πράγματι, 22% περίπου της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας αποδίδεται στην χρήση αντλητικών συστημάτων (σχήμα 2). Το μεγάλο αυτό ποσοστό των αντλιών επί του συνόλου των μηχανημάτων αποτελεί μια καλή βάση για την περαιτέρω βελτίωση των αντλητικών εγκαταστάσεων όσον αφορά την ενεργειακή τους κατανάλωση.

Επίσης όπως είναι προφανές το λειτουργικό - ενεργειακό κόστος κάθε μηχανήματος ξεχωριστά είναι πολύ μεγαλύτερο σε σχέση με τα υπόλοιπα κόστη που πιθανόν να έχει (σχήμα 3)

Σχήμα 2 Καταμερισμός παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας

Σχήμα 3 Ενεργειακό κόστος μηχανήματος

Ακολούθως βλέπουμε κάποιους παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας μιας αντλίας:

  • κατανομή φορτίου (load profile)
  • βαθμός απόδοσης της αντλίας, υπολογισμός σημείου λειτουργίας.
  • βαθμός απόδοσης ηλεκτροκινητήρα (μπορεί να διαφέρει σημαντικά μεταξύ ηλεκτροκινητήρων κλάσης IE3 και άλλων standard ηλ/τήρων.
  • διαστασιολόγηση αντλίας (συνήθως η υπερδιαστασιόλογηση αντλιών για λόγους ασφαλείας καταλήγει σε ενεργειακά δαπανηρή λύση).
  • άλλες παράμετροι όπως σωληνώσεις, δίοδες / τρίοδες βάνες, συλλέκτες.
  • επιλογή συστημάτων μεταβλητής συχνότητας (inverter), η χρήση των οποίων μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας μέχρι και 50% στην βιομηχανία.

Κύρια χαρακτηριστικά που διακρίνουν τους ηλεκτροκινητήρες IE3 ως προς την λειτουργία τους αλλά και ως προς την κατασκευή τους:

  • Χαμηλότερη στάθμη θορύβου κατά 5 έως 6dΒ(a). Σε ένα ηλ/τηρα κύρια πηγή θορύβου είναι ο ανεμιστήρας ψύξης. Οι ηλ/τήρες IE3 λόγω πολύ υψηλού βαθμού απόδοσης μειώνουν σημαντικά τις ανάγκες ψύξης γεγονός που οδηγεί σε μικρότερους ανεμιστήρες άρα και πλέον αθόρυβους ηλ/ρες.
  • Διατήρηση υψηλών βαθμών απόδοσης με τιμές cosφ έως 0,95.
  • Διατήρηση υψηλού βαθμού απόδοσης στο 100% του φορτίου ακόμα και για μεγάλα χρονικά διαστήματα
  • Μεγάλη διάρκεια ζωής τυλιγμάτων & δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος χάρη στην διατήρηση χαμηλών θερμοκρασιών στα τυλίγματα των κινητήρων.
  • Μεγάλη διάρκεια ζωής των ρουλεμάν λόγω μειωμένης «ολίσθησης» και συνεπώς μείωση της θερμοκρασίας των ρουλεμάν

Αντιλαμβάνεται κανείς ότι η επιλογή αντλιών με ηλ/τήρες 2.900 στροφών είναι πλέον αξιόπιστη και ασφαλής, ειδικά όταν τα σημεία λειτουργίας οδηγούν σε ογκώδεις και ασύμφορες αντλίες 1.450 στροφών, ενώ παράλληλα προσφέρουν την βέλτιστη λύση από πλευράς κόστους αγοράς στον εργολάβο και τον τελικό χρήστη. Ειδικότερα σε περιπτώσεις όπου το μανομετρικό ύψος παρουσιάζει δυσανάλογα υψηλή τιμή ως προς την ονομαστική παροχή (π.χ. Q=40 m3/h, H=35 m) είναι σχεδόν επιτακτική η ανάγκη επιλογής αντλίας σε 2.900 στροφές, εφόσον επιθυμούμε σωστή και αξιόπιστη επιλογή στην μέση της καμπύλης λειτουργίας - σεβόμενοι πάντα τις αρχές της Υδραυλικής - ενώ αντίθετα όπου το μανομετρικό ύψος κρίνεται χαμηλό συγκρινόμενο με την παροχή της αντλίας (π.χ. Q=200 m3/h, H=8 m),τότε οδηγούμαστε εκ των πραγμάτων σε αντλία 1.450 στροφών.

  • Κόστος λειτουργικού ελέγχου (Co)

Αναφέρεται στα έξοδα απασχόλησης εργαζομένων που υποστηρίζουν αντλητικά συστήματα. Συνήθως, χάρη στην σημερινή τεχνολογική εξέλιξη, τα έξοδα αυτά είναι αμελητέα χάρη στους σύγχρονους τρόπους παρακολούθησης των διαφόρων εφαρμογών με αντλίες όπως είναι το Building Management System (BMS),η σειριακή σύνδεση, και πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως GENIbus και LONbus.

  • Κόστος συντήρησης και επισκευών (Cm)

Είναι προφανές ότι έχει να κάνει με την συντήρηση και επισκευή της αντλίας, π.χ. παροχή τεχνικής υποστήριξης, κόστος απασχόλησης ειδικευμένου τεχνικού, ανταλλακτικά, μεταφορά, δοκιμή σε δοκιμαστήριο και έλεγχος σωστής απόδοσης επισκευασμένης αντλίας, καθαρισμός αντλίας (όταν αυτό απαιτείται σε υποβρύχιες αντλίες λυμάτων λόγω μέτρων υγιεινής). Η βέλτιστη λύση για να έχουμε την μέγιστη διάρκεια ζωής μιας αντλίας αποκλείοντας ζημιές και έκτακτες βλάβες είναι η προληπτική συντήρηση σε τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. service contracts σε κτιριακά έργα ή έργα υποδομής, υψηλής λειτουργικής ετοιμότητας και υπεύθυνης διαχείρισης).

  • Κόστος διακοπών (Cs)

Εξαιρετικά σημαντικό όταν η αντλία χρησιμοποιείται σε γραμμή βιομηχανικής παραγωγής ή καλείται να εξασφαλίσει την επιθυμητή θερμοκρασία χώρου σε ένα κτίριο γραφείων. Στην περίπτωση της βιομηχανίας το κόστος παύσης της παραγωγής λόγω βλάβης σε αντλία είναι απαγορευτικό ενώ στην περίπτωση του κτιρίου γραφείων οι επιπτώσεις στους εργαζομένους είναι αναπόφευκτα αρνητικές. Προκειμένου να διασφαλιστούμε σε κάθε εφαρμογή όπου δεν μπορούμε να διανοηθούμε αντλία χαλασμένη χωρίς άμεση κάλυψη συνιστάται η εγκατάσταση εφεδρικών αντλιών οι οποίες εξασφαλίζουν την απρόσκοπτη και ασφαλή λειτουργία της εγκατάστασης. Ειδικότερα σε περιπτώσεις όπου ο διαθέσιμος χώρος είναι ελάχιστος και ο αριθμός των αντλιών μεγάλος επιλέγουμε αντλίες δίδυμης κεφαλής με κοινό στόμιο αναρρόφησης/κατάθλιψης και ενδιάμεσο κλαπέ (αντεπίστροφο), αποφεύγοντας τους συλλέκτες προσαγωγής/επιστροφής και περιορίζοντας κατά το ήμισυ τον αριθμό των απαιτούμενων βανών σύνδεσης.

  • Κόστος προστασίας περιβάλλοντος (Cenv)

Μιλώντας για αντλητικά συστήματα και τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον αυτές είναι είτε η απόρριψη των αντλιών ή μέρους αυτών (άχρηστα ανταλλακτικά) ή ακόμη η αλλοίωση της χημικής σύστασης και καθαρότητας του αντλούμενου υγρού/νερού από τα βρεχόμενα μέρη της αντλίας.

Κόστος απεγκατάστασης και απόρριψης (Cd)

Ουσιαστικά κρίνεται περισσότερο ο εκάστοτε κατασκευαστής αντλιών για το κόστος απόρριψης παρά ο τελικός χρήστης. Παρά το γεγονός ότι το κόστος αυτό σπανίως λαμβάνεται υπόψη, περιλαμβάνει την ικανότητα της γραμμής παραγωγής κάθε εταιρείας να ανακυκλώνει τα «άχρηστα» υλικά (scrap, ανταλλακτικά ) μετατρέποντας τα πάλι σε πρώτη ύλη κατασκευής των προϊόντων της.

Λαμβάνοντας το άθροισμα των επιμέρους συντελεστών (Cic, Cin, Ce, Co, Cenv, Cm, Cs, Cd) έχουμε το ζητούμενο LCC για την διάρκεια ζωής του εν λόγω αντλητικού συστήματος που τυπικά ανέρχεται σε 10 έως 20 έτη. Στον χώρο των αντλιών το LCC υπολογίζεται απλούστερα ως κάτωθι:

LCC = Cic + Ce + Cm.

Αυτή η παραδοχή έχει δείξει ότι ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα λαμβάνοντας υπόψη ότι το 85% περίπου του ολικού κόστους μιας αντλίας σε χρονικό βάθος ορίζοντα 10 με 15 χρόνια είναι το ενεργειακό κόστος της καθιστώντας την ανάλυση κύκλου ζωής ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τον τελικό χρήστη του μηχανήματος. Την ανάλυση κύκλου ζωής μπορούν να την κάνουν οι μηχανικοί της WILO HELLAS σε συνεργασία με τον εκάστοτε ενδιαφερόμενο ανάλογα με την εφαρμογή.

Παναγιώτης Γ. Χριστοφοράκης
Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Α.Π.Θ.
M.Sc. Παραγωγή & Διαχείριση Ενέργειας Ε.Μ.Π.

Τμήμα Δημοσίων Έργων
WILO HELLAS