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压缩空气系统KPI的测量原则

发布日期:2023-04-03   访问量:304


众所周知,空压机吸收的电能大约有15%转化为压缩空气,其余85%以热量的形式流失。尽管效率低,在许多行业中压缩空气的使用仍然非常流行。压缩空气系统用户面临的挑战是获得最佳的效率,并尽可能降低相关成本(能源、维护)。因此,监控正确的KPI是当今任何能源经理或工厂所有者必须具备的。在本文中,我们将阐明如何监控主要KPI,并将进一步研究几个关键KPI:效率、压力损失和泄漏。

压缩空气系统KPI有助于跟踪和提高系统性能

关键绩效指标(KPI)是变量或度量,通过这些变量或度量,可以测量和分析组织、机器和/或过程的绩效。例如,KPI可以是每个时间单位的特定生产数量,也可以是公司从特定产品上获得的利润数量。

KPI仪表板就像是飞机飞行员的简化驾驶舱。它及时提供正确的信息,您可以依靠这些信息来做决定。例如:如果整体系统效率是关闭的,你可以仔细查看主控制器的设置。如果消耗明显高于正常水平,或者你看到一个压力事件,此刻你就需要查看你的生产线或与工厂的操作人员交谈。如果露点是关闭的,修理/维修干燥机或检查是否大小合适。对于每个问题都有许多解决方案,KPI将很快告诉您实现的解决方案是否正确。更重要的是,KPI可以用于计算未来投资的ROI。这样,他们将有助于预测您未来压缩空气相关的能源成本。

对于压缩空气系统,一些重要的KPI是:

· 效率

· 露点

· 泄露水平

· 压力损失水平

· 每个产品/部件的生产成本

对于任何压缩空气系统来说,比功率(效率)、泄漏率和压力损失都是一个很好的起点,因此本文将进一步讨论这三个KPI:影响它们的因素是什么、如何测量它们以及如何解释它们。

KPI:空压机功率/效率

空压机比功率是指空压机输出量(产生的压缩空气量)与空压机功耗的比值。因此,KPI的计算方法是输入功率除以输出流量,用kW/m3/min表示。

具体功率在以下情况下很重要:

· 资产管理:当效率开始偏离最初的情况时,这可以看作是一个早期的警告信号(例如,需要更换离心机上的过滤器或内部热交换器)。

· 压缩空气气量:在这些合同中,效率是交易的一个重要部分。压缩机需要提供预先确定的X数量的空气和Y数量的功耗。

· 遵守:为了实现环境和二氧化碳减排目标,长期监测在世界范围内变得越来越重要。在这种情况下,政府也在立法方面发挥着关键作用,如中国的碳中和、加利福尼亚州的第24条法规和欧洲的能源效率指令。

· 验收测试:在实验室测试压缩机时(ISO1217)。

· 控制系统优化:由主控制器控制的一组给定压缩机,其效率应达到行业基准平均水平。

空压站效率与单个机器

当仪表预算有限时,您可以使用一个流量计来监控所有的空压机。这包括测量每台压缩机的功耗和测量主管道上的流量,即在干燥机和缓冲罐之后。把流量计放在主管道上的好处是,工厂的实际压缩空气消耗也被监测。这些信息可以用来确定泄漏情况,并使用直方图函数创建空气需求的“指纹”。

在这种情况下,重要的是要计算足够长的时间内的平均消耗,并将其除以平均功耗,因为加载/卸载将导致KPI中的波动。现代能源管理平台可以进一步细化这一点,将“负载”功耗划分为“卸载”功耗,并以适当的方式将其除以流量。我们建议将效率作为空气需求的函数,以查看您的系统是否处于最佳运行状态。

为了获得优化压缩机控制所需的更多见解,应该测量每个压缩机的流量。由于压缩机排出管条件恶劣,要特别注意流量计的选择和安装。


根据目标,可以监控整个空压室的效率,包括空气处理设备,或每台压缩机的效率。

 

总测量确定性,错误的传播无聊的话题?

总测量的不确定性传播的错误。对我们许多人来说,这些问题都留给数学家去解决。然而,当查看测量数据时,它们是极端重要的。特别是当涉及到空气压缩机的大型投资决策时,这一主题不应被低估,在比较效率数字时必须非常小心。

因此,在监测效率时,重要的是确定哪个精度水平是可接受的。所需的精度水平取决于应用大小。下面的示意图显示了所涉及的所有参数之间的(简化的)关系图,为了了解容积(即活塞、螺旋、涡旋)压缩机效率测量的复杂性。在ISO1217指令中,你可以阅读更多关于这个主题的内容,并找到其他指令,这些指令告诉你如何解释结果,置信区间,必须使用哪种类型的流量计,等等。

任何测量的总测量不确定度定义为被测量的统计变化。关于这个问题的进一步阅读,我们参阅“GUM”(测量数据的评估-测量不确定度表达指南,2008)

1所示. 显示如何测量容积式压缩机效率的相关流程图。图中显示了所涉及的所有参数以及它们如何影响测量效率。

 

系统性错误及其传播方式

每个被测信号都有自己的不确定度。那么系统误差对测量效率的影响是什么呢?让我们看一个简单的例子。我们要检查一台满载运行的44千瓦的机器的效率。我们使用功率计(±1%读数)和流量计(±5%读数)。效率的最大误差是多少?


最大值 

读数

常规值

读数

最小值 

读数

单位

流量

7.4

7.1

6.7

Nm3/min

功率

43.6

44

44.4

kW

效率

5.9

6.2

6.6

kW/Nm3/min

误差

-6%


6%


如表所示,将系统误差考虑到极端情况,观测到的效率可以是5.96.26.6 kW/ Nm3/min。这是+/- 6%现在假设压缩机制造商测试了250 CFM压缩机,效率的允许偏差也是6%(CAGI)。最坏的情况,你可以购买一个压缩机有一个-6%的偏差输出流量。当用插入探针(+/-5%)测量时,你应该小心不要得出压缩机是错的,或者流量计是对的,反之亦然的结论。

错误的效率数字对可感知的年度成本有什么影响?在本例中,成本为0.06美元/千瓦时和8760年运行小时,该压缩机的用电损耗容忍度为每年+/- 1400美元。这可能会对您的决策产生影响:任何基于小于+/- 1400美元节能的(重大)决策都可能基于系统错误,所以这可能是一个错误的决策。如果这是一架飞机的高度计,而你是驾驶那架飞机的飞行员……当高度计精确到+/- 140英尺时,你会怎么做?你可能希望保持在最小280英尺(2倍的误差)。这也适用于为这个压缩机做决策;如果由于效率低下而导致的预计成本超过2800美元/年,那么是时候采取行动了。

如何考虑测量误差

最重要的是要诚实和透明,总是存在误差需要考虑。你应该一直投资于最精确的测量设备吗?是的,如果你需要根据ISO1217验证输出。在这种情况下,甚至建议聘请外部专家,因为除了流量和功率之外,还有更多的参数需要考虑。当趋向效率时,系统的测量误差是可以接受的。您可以看到效率随时间的变化,并监视服务工作是否达到了预期的效果。在这些情况下,比较的是相对数字,而不是绝对数字。

始终重要的是,传感器得到适当的维护,并保持长期稳定。传感器应该在超过时间的10(经验法则)的时间内保持稳定,以便能够看到系统退化造成的效率差异。因此,当您的资产退化5%需要一年的时间时,传感器的漂移每年应该小于0.5%。当流量传感器暴露在潮湿和肮脏的空气中,可能会污染或堵塞传感器时,应格外小心。这样可以缩短传感器的维护周期。

安装效果也是需要考虑的重要因素。一些技术,如插入探针和涡仪,需要特定的管道运行才能准确。其他技术可能容易出现流体的振动和脉动。这些因素结合在一起会对测量不确定度产生巨大的影响,测量不确定度超过了规定的5%的精度,因此,在实际应用中,要满足ISO1217的要求往往具有挑战性。我们也看到过孔板流量计编程错误,导致效率值有30%的误差。这是一个简单的人为错误,对制造商和最终客户之间的关系造成了巨大的影响。

 

KPI:压力损失

另一个关键KPI是压力损失,因为低系统压力可能会导致由压缩空气驱动的机器和部件停止工作。因此,为了监测压力水平,在电站的不同位置进行测量是很重要的。特别是在压缩空气配管网络多年来不断扩大和/或管道使用过小的情况下。因此,建议在压缩空气管道系统的开始、中间和结束处安装压力/流量计。

生产停机时间总是很昂贵,这就是为什么为了安全起见,系统压力通常设置在()高的值上。但是,要记住,有了正排量空压机,每bar (14.5 psi)的压力增加,能源成本将增加7%。我们今天仍然看到,当在机器层面出现压力问题时,通常会增购空气压缩机,以提高压缩空气的容量和压力,这进一步增加了(能源)成本。然而,压力问题通常可以通过优化管径、安装储气罐和限制流量到不需要它的特定区域来解决。压力损失最严重的是过滤器。由于过滤器的阻力不断增加,如果不及时更换过滤器,将导致压降增加。

为了能够做出可靠的分析,流量测量与压力测量相结合是合适的方法。这使得精确地确定压力损失发生的位置和这些损失有多大变得容易。压力损失可能是由于管道太小(产生高流速)或过的流量消耗造成的。考虑多变量流量计,因为它们通过设计提供压力信号。

 

KPI:泄漏

泄露检测仪是发现压缩空气泄漏的好工具,但它们仍然需要一个人在工厂周围走动。确定泄漏百分比的一个最简单的方法是,在工厂不运行时,观察压缩空气的使用量和/或流量,并将其除以平均生产流量。例如,在午餐休息时间,下班时间和周末。现代能源管理软件内置了检测算法,可以自动计算,所以你可以不用看就可以午休。

泄漏=[停机总流量]/[生产总流量]*100%

这也是有意义的,例如,比较在进行维护工作之前和之后的气流,这样你可以立即看到一个维修行动的财务结果。将泄漏量乘以总运行时间和成本,以预测每年的泄漏总成本。

由于泄漏百分比是一个相对的数字,流量计的绝对精度就不那么重要了。只要你有一个稳定可靠的传感器与线性信号输出,你总是可以计算百分比。如果传感器稳定,绝对值无关紧要。如果主控制器能够保持压缩机在相同的效率水平上运行,则主管道上流量减少4%意味着能量减少4%。此外,流量计的动态范围很重要,这就是为什么涡流量计和差压式流量计不应该用于这种应用。热质量具有优越的测量范围,使其能够正确地检测泄漏。

 

结论

监测KPI时,所需的传感器和传感器精度取决于应用程序。重要的是要理解传感器精度对计算KPI的影响,并正确地解释它们。在选择传感器时,需要知道它们对总误差预算的影响,以便做出正确的选择。对于一些KPI,比如泄漏率,流量传感器的绝对准确性就不那么重要了。此外,与差压或涡街流量计相比,热质量流量计更适合于泄漏监测。当KPI开始偏离目标水平时,先进的监控系统可以帮助进行自动计算和警报。

 

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