熱源の決定
ある施設では 12 個のプロセス タンクを加熱する予定で、それぞれのタンクには 40 kW の加熱負荷が必要です。 2 つのオプションが検討中です。各タンクに電気浸漬ヒーターを設置するか、各タンクに PTFE 熱交換器として機能する中央天然ガス焚き蒸気ボイラーを設置します。-
電気オプションはシンプルさを実現します。ボイラー、蒸気配管、凝縮水の戻り、水処理が不要です。各タンクには独自の電気ヒーターがあり、独立して制御されます。資本コストは、12 台の電気ヒーターと電気インフラストラクチャです。
蒸気オプションには、ボイラー、蒸気分配配管、復水戻りシステム、水処理装置、および 12 台の PTFE 熱交換器が必要です。資本コストが高くなります。ほとんどの産業市場では、エネルギー単位当たりの天然ガスのコストが電力の約 3 分の 1 から 4 分の 1{6}} であるため、-エネルギーが大半を占めている-運用コストは低くなります。
10 年間の総コストを比較することで、エネルギー、機器の交換、メンテナンスを考慮して、どちらのオプションがより低いライフサイクル コストを実現できるかが決まります。
エネルギーコストの差
電気抵抗加熱は、使用時に電気エネルギーのほぼ 100% を熱に変換します。スタック損失、配管損失、ブローダウン損失はありません。実現される効率は基本的に 100% です。
天然ガス蒸気の生成には複数の効率損失が伴います。適切にメンテナンスされた産業用ボイラーは、-燃料対蒸気効率 80-85%-} で動作します。-蒸気分配配管は断熱材の損失により熱の 5-10% を失います。凝縮水戻りシステムはさらに熱を失います。全体的な燃料からプロセスまでの効率は 65 ～ 75% です。
これらの損失にもかかわらず、天然ガスはエネルギー単位あたり電気よりもはるかに安いため、運転コストでは蒸気の選択肢が勝ちます。米国の平均産業用エネルギー価格-電力 0.08 ドル/kWh、天然ガス 4.50 ドル/MMBtu-供給される熱量 1 kWh あたりのコストは、電力で 0.08 ドル、天然ガス蒸気で 0.023 ドルです（全体の効率 70% を占めます）。
表 1: 10 年間の総コストの比較 (12 タンク × 40 kW、6,000 時間/年運転)
| 原価要素 | 電気浸漬ヒーター | 専用ボイラー+PTFE熱交換器 |
|---|---|---|
| 資本コスト | ||
| 暖房設備（12台） | $48,000 (12 × $4,000) | $96,000 (12 PTFE × $8,000) |
| ボイラーおよび蒸気システム | $0 | $65,000 (設置済み) |
| 電力インフラのアップグレード | $25,000 | $0 |
| 総資本金 | $73,000 | $161,000 |
| 年間運営コスト | ||
| エネルギーコスト | 230,400ドル (2,880 MWh × 0.08ドル) | 82,800 ドル (3,600 MWh 相当 × 0.023 ドル) |
| ヒーター交換（電気エレメントは2年ごと） | $48,000 (交換 6 回/年 × $4,000 × 10 年=$240,000 / 10) | $0 (PTFE >寿命は10年） |
| ボイラーのメンテナンスと水処理 | $0 | $8,000 |
| 年間稼働総額 | $278,400 | $90,800 |
| 10年間の総コスト | $2,857,000 | $1,069,000 |
機器交換費用
電気浸漬ヒーターには有限の耐用年数があります。腐食性の化学浴では、シースに覆われた電気要素であっても、シースの腐食やシールの破損により 2 ～ 3 年以内に故障します。 10 年を超えると、12 個のタンクごとに 3 ～ 5 回のヒーター交換が必要になります。累積交換コストは初期資本コストに近づくか、それを超えます。
蒸気で加熱される PTFE 熱交換器には、故障する電気要素がありません。 PTFE チューブ束は、蒸気の圧力と温度に合わせて適切に設計されており、交換することなく 10+ 年間持続します。蒸気オプションの 10- 年間の機器交換コストは、タンク側機器の場合はほぼゼロです。
ボイラー自体のメンテナンスには{0}チューブの洗浄、バーナーの整備、水処理-が必要ですが、これらのコストは予測可能であり、攻撃的な化学環境で電気浸漬ヒーターを繰り返し交換するコストに比べれば少額です。
柔軟性と冗長性の考慮事項
蒸気オプションは運用上の柔軟性を提供します。ボイラーは、12 個のタンク-の空間加熱、洗浄液の加熱、または将来の拡張タンクを超える追加のプロセス加熱のニーズに対応できます。電気オプションはタンクのみに電力を供給し、波及効果はありません。
ボイラーのメンテナンスが必要な場合、タンクは貯湯水または減少した処理量で運転を続けることができます。 1 つのタンクの電気ヒーターが故障すると、ヒーターを交換するまでそのタンクは生産できなくなります。 PTFE 熱交換器は本質的に信頼性が高いため、このリスクは軽減されますが、排除されるわけではありません。-ただし、ボイラー自体に単一点障害のリスクが追加され、冗長性または緊急時計画を通じて管理する必要があります。-
まとめ
10- 年間で、専用の天然ガスボイラーと PTFE 熱交換器を組み合わせると合計約 1,069,000 ドルのコストがかかりますが、電気浸漬ヒーターの場合は 2,857,000 ドルで、63% 削減されます。蒸気システムの資本コストは高くなりますが (161,000 ドル対 73,000 ドル)、年間 147,600 ドルのエネルギーコストの節約と定期的な電気ヒーターの交換の排除により、運用開始 1 年以内に資本の差額が回収されます。
3 つ以上の加熱タンクがある施設の場合、スチーム{0}}と-PTFE の組み合わせが総コストを抑える選択肢となります。クロスオーバーポイントは、地域のエネルギー価格、プロセス化学物質の腐食性 (電気ヒーターの交換頻度を決定します)、および既存の蒸気インフラストラクチャの可用性によって異なります。
特定の施設条件における熱源を比較するための工学分析は、タンクの数とサイズ、地域の電気とガスの料金、プロセス化学、および既存のユーティリティインフラストラクチャを提出すると利用できます。
