מָבוֹא:לתעשיות כמו כימיקלים כבדים, מטלורגיה, זכוכית, כימיקלים ואלקטרוניקה יש ביקוש גבוה לחמצן -טוהר גבוה (O₂), חנקן (N₂) וארגון (Ar). כדי להבטיח את המשכיות, הטוהר והחיסכון באספקת הגז, מספר הולך וגדל של מפעלים גדולים בוחרים להתקין יחידות הפרדת אוויר קריוגניות (ASUs) באתר- במקום להסתמך על גזים שנרכשו. בחירת ה-ASU הנכונה היא חיונית להבטחת ייצור יציב, חיסכון בעלויות תפעול ואופטימיזציה של ההחזר על ההשקעה.
מאמר זה ידון בפירוט כיצד לבחור ASU עבור פרויקט ספציפי משלושה מימדים מרכזיים-קיבולת, צריכת אנרגיה ו-OPEX, ו-CAPEX והשקעה כוללת-ובשילוב עם מודל השירות EPC & Turnkey של NEWTEK, ימחיש כיצד להשיג פתרון יעיל ואמין באמצעות-עצירה אחת של תכנון והקמה של ציוד, תכנון והקמה של ציוד, כולל תכנון והקמה של ציוד, מסירה מבצעית.
1. עקרונות בסיסיים של ASU ותרחישים ישימים
ראשית, בואו נסקור בקצרה את עקרון העבודה הבסיסי של ASU קריוגני. ASU קריוגני פועל על ידי דחיסה, טיהור (הסרת לחות, CO₂ וזיהומים), קירור שלו לטמפרטורות נמוכות במיוחד (בערך -180 מעלות עד -200 מעלות), ולאחר מכן הפרדת הרכיבים על סמך הבדלי נקודת הרתיחה שלהם בעמודת חלוקה. חנקן (N₂), חמצן (O₂) וארגון (Ar) יכולים להיות מופקים כגזי תוצר (או נוזלים), בהתאמה. בהתאם לקנה המידה ותצורת היחידה (עמודה-יחידה,-עמודה כפולה או-עמודה משולשת עם שחזור ארגון), ASUs ישימים באופן נרחב בייצור פלדה (העשרת חמצן בכבשן פיצוץ, ניפוח ממיר), פטרוכימיים/גזיזציה (הדורשים תגובת חמצן חלקית של חמצן זכוכית), (דלק חמצן), סינתזה כימית, אלקטרוניקה/מוליכים למחצה (חנקן/ארגון בטוהר אולטרה{12}), טיפול בחום בקנה מידה גדול ותנורי אטמוספירה אינרטית. לכן, ASUs הם לעתים קרובות תשתית ליבה בפרויקטים תעשייתיים גדולים ובינוניים, והתכנון שלהם חייב להיות מותאם אישית מאוד בהתבסס על הצרכים במורד הזרם (נפח ייצור גז, טוהר, לחץ) ותנאים מקומיים.
2. קיבולת: קביעת גודל ASU על סמך ביקוש.
השיקול העיקרי בבחירת ASU הוא הקיבולת שלו (כלומר, כמה טון/מטר מעוקב סטנדרטי של O₂/N₂/Ar הוא יכול לייצר ביום). קיבולת זו חייבת להתאים לשיא צריכת הגז ולצמיחה הצפויה של תהליכים במורד הזרם.
טווח הקיבולת של ASUs קריוגניים הוא רחב מאוד. לפי נתוני התעשייה, יחידות קטנות{1}}יחידות עשויות לייצר עשרות עד מאות טונות של חמצן ביום; מערכות בגודל כפול-טור/בינוני- יכולות להגיע למאות עד אלפיים טון ליום; בעוד שיחידות מרובות-עמודות גדולות (כולל שחזור ארגון) יכולות להשיג אלפי עד כמה אלפי טונות של ייצור O₂ ביום. באופן ספציפי, נתונים מראים שטווח הקיבולת של ASU תעשייתי גדול טיפוסי יכול לכסות כ-100 עד למעלה מ-5,000 טון ליום של O₂. בעת בחירת קיבולת, עומס שיא (תנורי פיצוץ, ממירים, מגזים ותנורים עשויים לדרוש כמויות גדולות של חמצן במהלך{10}תקופות עומס גבוהות), יש לשקול דרישות הפעלה רציפה (24/7), ופוטנציאל התרחבות עתידי (למשל, הוספת קווי ייצור, הגדלת קיבולת וגיבוי/יתירות בטיחותית).
לכן, עבור פרויקטים מתכתיים, פטרוכימיים או זכוכית בקנה מידה גדול, מומלץ בדרך כלל להגדיר ASUs בינוני עד גדול (מאות עד אלפי טון O₂ ליום) כדי להבטיח אספקה יציבה ולהפחית צווארי בקבוק. עבור יישומי גז בקנה מידה קטן יותר או עזר (למשל, קיני טיפול בחום, אטמוספרות אינרטיות מקומיות, קיבולת פנויה), ניתן לשקול גם יחידות קטנות/מודולריות.
3. צריכת אנרגיה & OPEX: מנהלי התקנים עיקריים
לאחר קביעת הקיבולת, חישוב עלויות התפעול (במיוחד צריכת החשמל) הוא השלב הקריטי הבא בתהליך הבחירה, מכיוון שלעתים קרובות OPEX קובעת כלכלה-ארוכת טווח.
- טווח צריכת אנרגיה
צריכת האנרגיה הספציפית האופיינית של ASU קריוגני נופלת בדרך כלל בטווח של כ-250-500 קוט"ש/טון O₂ (או כ-0.3-0.6 קוט"ש/Nm³ O₂).
לחלק מהעיצובים הישנים או הקטנים יותר עשויה להיות צריכת אנרגיה מעט גבוהה יותר (וגה יותר), בעוד שעיצובים מודרניים-חוסכי אנרגיה המשתמשים בשחזור חום מתקדם,-הרחבת טורבו ומערכות חילופי חום מעולות יכולים להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה.
צריכת האנרגיה בפועל מושפעת גם מגורמים כמו לחץ תפוקה, טוהר המוצר ומבנה ייצור הגז (אם ארגון/N₂ מוחזר). לדוגמה, הגדלת יחס לחץ/דחיסה באספקה או דרישה לטוהר גבוה יותר עשויה להגביר את צריכת האנרגיה.
- הרכב עלות תפעול
בהתאם למקור, עלויות החשמל מהוות בדרך כלל ≈70-80% מעלות התפעול (OPEX). עלויות אחרות כוללות כוח אדם (מפעילים, הנהלה), תחזוקה (שיפוץ מדחס, תחזוקת קופסאות קירור, החלפת מגש/אריזה), החלפת זרז/סופח/קירור (אם רלוונטי), כמו גם שימון, חומרים מתכלים, ביטוח/מיסים וכו'. בסך הכל, פריטים שונים אלו מהווים כ-10-20% מ-OPEX. לכן, באזורים עם עלויות חשמל גבוהות (או מחירי חשמל תעשייתיים מקומיים גבוהים), עלויות התפעול של ASU יכולות להוות נטל כלכלי. לעומת זאת, אם הפרויקט ממוקם באזור עם מחירי חשמל נמוכים והספק זול/יעודי (למשל, קרבה לתחנות כוח, שימוש בפסולת חום/כוח עצמי), כלכלת התפעול של ה-ASU תשתפר משמעותית.
ערך כלכלי של גזי מוצר-לוואי (N₂/Ar/ארגון)
ASUs רבים לא רק מייצרים חמצן (O₂) אלא גם חנקן (N₂) ו(אופציונלי) ארגון (Ar). על ידי שחזור ומכירה (או שימוש בתוך המפעל) על ידי-גזי מוצר, ניתן לקזז חלקית את עלויות התפעול/הוצאות החשמל של ה-ASU. אם ניקח ארגון כדוגמה, מכיוון שתכולת הארגון באוויר היא כ-0.93%, הערך הכלכלי של ארגון מוחזר (או ארגון נוזלי) יכול להפחית משמעותית את עלויות O₂ נטו אם יש שוק עבורו (למשל, ביציקת מתכת, אלקטרוניקה, גזי מגן אינרטיים וכו'). לכן, בעת בחירה וקבלת החלטות השקעה, יש לשקול באופן מקיף ייצור חמצן, ייצור וניצול חנקן/ארגון בו-זמנית (מכירות פנימיות או בשוק) כדי למקסם את היעילות הכלכלית הכוללת.
4. עלויות השקעה (CAPEX ועלות פרויקט כוללת): להיקף ולשיטת אספקה יש השפעה משמעותית
מלבד עלויות התפעול, הוצאות הון (CAPEX) הן גורם מכריע בהחלטות הבחירה של ASU. עלויות ההתקנה והבנייה של ASUs בגדלים/עיצובים/תצורות שונות (בין אם כלול שחזור ארגון, מספר רכבות, מספר עמודות) משתנות מאוד.
חלק מדוחות התעשייה מצביעים על כך שעלות הרכישה (PEC) של ASU קטן/החלקה-מותאמת יכולה להיות במיליוני דולרים; עלות ההתקנה הכוללת (TPC) לאחר ההתקנה וההפעלה תהיה אפילו גבוהה יותר. על פי נתונים על ASU של 200 טון ליום (TPD), כ-75% מעלות מחזור החיים שלה מגיעות מאנרגיה; לכן, אפילו עם CAPEX נמוך, OPEX תפעול יכול לקבוע את הכדאיות הכלכלית הסופית. בהתבסס על הערכות תעשייה זמינות לציבור, עבור ASUs בגודל-בינוני (מאות-אלפי טון ליום), ההשקעה הראשונית (מפעל, התקנה, הפעלה, תשתית, חיבורי צנרת, רשתות גז, מתקני חשמל, קופסאות בידוד וכו') נעה בדרך כלל בין עשרות מיליוני למאות מיליוני דולרים.
במיוחד עבור מערכות מורכבות בקנה מידה גדול- עם התאוששות ארגון, מספר רכבות ותפוקות גז מרובות (O₂/N₂/Ar), CAPEX גבוה יותר, אך עלות הפקת הגז ליחידה (לאחר הפחתת CAPEX + OPEX) נמוכה יותר, מה שמציג יתרונות לגודל.
לכן, בשלבים הראשונים של פרויקט (שלב הערכת FEED/השקעות), יש להגדיר בבירור את הדברים הבאים:
יכולת עיצוב (נוכחית + הרחבה עתידית פוטנציאלית)
טוהר נדרש (O₂, N₂, Ar) וקצב לחץ/זרימה פלט
שינוי בשימוש בגז (רציף 24/7 או שיא + עונה לא-)
האם יש צורך בארגון/חנקן כתוצר לוואי והאם יש ערוצי ניצול/מכירה
מחירי חשמל מקומיים, יציבות אספקת החשמל/מבנה עלויות/חוזי חשמל (למשל, זמינות של חשמל תעשייתי בעלות נמוכה-)
המורכבות של בנייה הנדסית (הנדסה אזרחית, יסודות, צנרת, התקנה, חשמל/קירור/בידוד/בטיחות/מכשור)
רק על ידי התחשבות מקיפה בגורמים אלה ניתן להעריך באופן סביר את סך ההשקעה בפרויקט (CAPEX) ואת כלכלת התפעול העתידית (עלות גז יחידה).
5. שילוב של EPC ומודל Turnkey של NEWTEK - לספק פתרונות אחד-ללקוחות
כאשר מתמודדים עם האתגרים המורכבים של קבלת החלטות-והנדסה שהוזכרו לעיל, בחירת ספק עם יכולות אינטגרציה נרחבות של מערכות ויכולת לספק שירותי EPC (הנדסה, רכש, בנייה) + Turnkey (מתכנון ועד הפעלה ותפעול) היא חיונית להצלחת הפרויקט. זה בדיוק המיקום של NEWTEK.
למה EPC ו-Turkey חשובים
ניהול תכנון והנדסה מאוחד: פרויקטים של ASU כוללים מדחסי אוויר, קופסאות קירור, מגדלי חלוקה, מחליפי חום, צנרת, בידוד, מערכות בקרה, מתקני בטיחות, מערכות חשמל ותשתיות. באמצעות EPC, קבלנים כלליים (כגון NEWTEK) יכולים לתאם את כל הדיסציפלינות (תהליך, מבני, חשמל, מכשור, אזרחי והתקנה), תוך הימנעות מבעיות בממשק רב- של ספקים, עלויות תקשורת/תיאום ונקודות עיוורות פוטנציאליות באחריות.
שילוב רכש ושרשרת אספקה: יכולות שילוב המשאבים של NEWTEK (הנדסת גז + רכש גלובלי) מבטיחות אספקה בזמן של ציוד (מדחסים, קופסאות קירור, מגדלי פירוקציה), חומרים (פלדה מיוחדת, חומרי בידוד) ומערכות בקרת מכשור, הימנעות מעיכובים באספקה או סיכוני תאימות הנגרמים ממספר ערוצי מקור.
בנייה, התקנה והפעלה: ההתקנה וההפעלה של ה-ASU (בידוד קופסאות קרות, הזמנת מערכת קירור, בדיקת אטימות, זרימה תרמית, הצמדת מערכת בקרה ובדיקת מערכת בטיחות) הם קריטיים. דגם ה-EPC + Turnkey מבטיח איכות התקנה, מקצר-זמני בניית האתר ומאפשר התחלה מהירה-.
ממשק ושילוב תהליכים במורד הזרם: עבור פרויקטים בקנה מידה גדול- כגון מתכות, הנדסה כימית, ייצור זכוכית וגיזוז, ה-ASU הוא רק חלק אחד ממערכת אספקת הגז הכוללת של המפעל. NEWTEK יכולה לסייע בשילוב חלק של ASU עם תהליכים במורד הזרם (תנורי בעירה, מגזים, צינורות, מיכלי אחסון ומערכות דחיסת גז) כדי להשיג הקצאה לפי דרישה, אחסון ואספקה של O₂/N₂/Ar.
אספקת פרויקטים ותמיכה תפעולית: החל מהפעלה, קבלה והדרכה תפעולית ועד תחזוקה ואחריות, המודל Turnkey מספק למשתמשים חוויה של "-עצירה אחת, ללא דאגות-ללא דאגות- המתאימה במיוחד למפעלים חדשים ללא ניסיון רב במערכות הפרדת אוויר.
לכן, עבור לקוחות המחפשים יעילות-גבוהה, מהימנות-גבוהה ואספקת גז-טוהר גבוהה, ורוצים לצמצם ניהול פרויקטים וסיכונים טכניים (כגון מפעלי פלדה, מפעלים פטרוכימיים, מפעלי זכוכית ומפעלים כימיים), אימוץ מודל EPC + Turnkey של NEWTEK יכול להפחית משמעותית את עלויות הפרויקט, ולקצר באופן משמעותי את עלויות הפרויקט.
6. כיצד לבחור ASU מתאים בפרויקט עולמי- אמיתי - המלצות שלב-אחר-שלב
1. בהתבסס על הניתוח שלעיל, להלן תהליך בחירה/השקעה/יישום של ASU מומלץ, המתאים למנהלי הנדסה, למשקיעי פרויקטים או למקבלי החלטות במפעל:-
1.1 קביעת ביקוש לגז
1.1.1 חשב את הצריכה של O₂/N₂/Ar על ידי כל יחידת תהליך בפרויקט (קיים + התרחבות צפויה) (קצב זרימה, לחץ, טוהר, חלוקת זמן)
1.1.2 אומדן שיא וביקוש ממוצע, ומרווחי יתירות/ביטחון מילואים
1.2 הבהרת דרישות איכות הגז
1.2.1 טוהר O₂ (למשל, 99.5%–99.9%), דרישות טוהר N₂/Ar
1.2.2 לחץ פלט, גזי או נוזלי (למשל, אם נדרש אחסון חמצן נוזלי/חנקן נוזלי)
1.3 הערכת מחירי חשמל מקומיים/תנאי אנרגיה
1.3.1 השג מחירי חשמל תעשייתיים (יום/לילה/שיא/מחיר משא ומתן), יציבות חשמל, זמינות של חשמל זול/בבעלות/פסולת חום
1.3.2 חשב את עלות התפעול ליחידת גז (O₂/N₂) על סמך עלויות האנרגיה
1.4 בחר קנה מידה ותצורה של ASU
1.4.1 קביעת תצורת רכבת יחידה/כפולה/משולשת (כולל שחזור ארגון) על סמך ביקוש לגז; רכבת יחידה מתאימה לשימוש בגז-בקנה מידה קטן/עזר, רכבת כפולה/משולשת מתאימה לביקוש למוצרים גדולים ובינוניים-/רב-
1.4.2 שקול הרחבה ויתירות עתידית (למשל, מספר רכבות במקביל)
1.5 בחר מודל אספקה/קבלה
1.5.1 מתן עדיפות לספקי מערכות המסוגלים לספק שירותי EPC + Turnkey (למשל, NEWTEK)
1.5.2 לדרוש מהספקים לספק שירותים אחד-, החל מתכנון הנדסי, רכש ציוד, הנדסה אזרחית/קרן, התקנה, הזמנה, תפעול ניסיון, הדרכת תפעול ועד מסירה ותפעול
1.6 ביצוע הערכה כלכלית (CAPEX + OPEX + הכנסות גז לפי-מוצר)
1.6.1 הערכת השקעה כוללת (CAPEX), עלויות תפעול שנתיות/מחזור חיים (בעיקר חשמל + תחזוקה + (משאבי אנוש)
1.6.2 הערך את ההכנסה משימוש/מכירה של גז לפי-מוצר (N₂/Ar) ואת העלות נטו בהשוואה לאפשרויות גז/אספקת עזר שנרכשו.
1.7 הערכת סיכונים וניהול פרויקטים
1.7.1 קחו בחשבון את זמן אספקת הציוד, תקופת הבנייה, מורכבות ההפעלה, יציבות תפעולית, נוחות תחזוקה, בטיחות ודרישות רגולטוריות (כלי לחץ/קירור/בטיחות).
1.7.2 אם צריכת הגז משתנה או הביקוש עולה, שקול עיצוב מודולרי/שלבי (רב-רכבות) כדי להפחית את סיכון ההשקעה-חד פעמי.
7. סיכום - איזון קיבולת, צריכת אנרגיה, השקעה ויכולת שירות
בחירת ASU מתאים היא מסחר- מקיף בין קיבולת (עמידה בביקוש), צריכת אנרגיה (כלכלה תפעולית), עלויות השקעה (CAPEX ועלויות מימון), יישום פרויקט ותמיכה בתפעול ותחזוקה.
עבור משתמשים קטנים או בינוניים בגודל-(גז עזר, שימוש מקומי, דרישה גמישה), עשויות להספיק מערכות ASU קטנות -יחידות/מודוליות או PSA/ממברנה. עם זאת, כאשר הביקוש יציב, קנה המידה גדול, והדרישות לטוהר, גיוון מוצרים ואמינות גבוהות, ASUs קריוגניים הם הבחירה הטובה ביותר.
בתוך ASUs קריוגניים, בחירה מתאימה (קיבולת / מספר עמודות / התאוששות חום) היא קריטית.
תצורת גז תוצרי לוואי ושימור אנרגיה (עיצוב מעולה של דחיסה/קירור/חילופי חום) הם המפתח להפחתת עלויות הגז ליחידה (O₂/N₂/Ar).
בעוד שההוצאות ההוניות אינן נמוכות, עם תכנון נכון, ניצול גבוה של ציוד (פעולה רציפה 24/7), וניצול מלא של ערך תוצרי הלוואי (חנקן, ארגון), קל לשלוט בעלויות הגז ליחידה בטווח תחרותי באמצעות הפחתת תפעול רב-שנתית.
לבסוף, בחירה בספק עם יכולות שירות מלאות של EPC + Turnkey (כגון NEWTEK) יכולה להפחית משמעותית את מורכבות הפרויקט, קשיי בנייה וביצוע, עלויות וסיכונים חוצי תיאום-, ולספק ללקוחות באמת "פתרון-ל-תפעול-משולב, ללא דאגות{5}.
עבור חברות שמתכננות לבנות או להרחיב פרויקטים כימיים/מתכותיים/זכוכית/גיזה/אנרגיה בקנה מידה גדול, בחירה נכונה, תכנון סביר וקבלנות EPC + Turnkey מקצועיים הם חיוניים כדי להבטיח את התפעול המוצלח, החסכוני והיעיל של פרויקטי ASU.
