工业实用效率

使用基线测量来改善压缩空气供应性能

作者:Tom Taranto, Data Power Services, LLC

基线测量包括流量、功率、压力、产量和其他影响压缩空气使用的相关变量。这些数据评估趋势平均值，以制定关键绩效指标(KPI)和能源绩效指标(EnPI)参数，并建立基础年绩效。本文的重点是基线测量的应用、评估和分析，以提供必要的信息，以提高压缩空气供应效率。

根据压缩空气挑战®压缩空气系统基础培训，基线包括采取措施，以确定您的压缩空气系统有效满足负荷。

根据ASME EA-4–2010§1.3.2，压缩空气系统评估中给定生产输出水平下的系统能效需要两项重要措施：

  • 用于产生所消耗压缩空气总量的一次能源总量。
  • 给定产量水平下消耗的压缩空气总量。

为压缩空气系统设定基线包括测量以确定压缩空气系统目前的运行情况。基准年绩效是在实施改善绩效和能源效率的变革之前确定的。实施后基线，通常被称为评估、测量和验证(EM&V)，评估这些变更的有效性。

减少能源的三个机会

能源消耗和系统性能的优化包括三个基本机遇:

  1. 提高压缩空气供给效率。
  2. 消除不可恢复的压力损失，降低空压机排气压力。
  3. 通过消除浪费来减少压缩空气的消耗。

对于三个机会领域中的每一个，可以使用适当的EnPI或KPI来量化操作参数并确定节约机会。

供需平衡性能指标

以下性能指标是与压缩空气供应效率相关的常用性能指标。

  • 通过改进控制策略和供需平衡，提高供应侧发电效率。
    • KPI Q（fl）=scfm–所有运行空气压缩机满负荷能力下的气流。
    • KPI Q（平均）=scfm–输送至系统的平均气流速率。
    • KPI Q（峰值）=scfm–输送至系统的峰值气流速率。
    • EnPI SP=kW/100 scfm–比功率。
    • EnPI CASE = scf/kWh - CASE指数压缩空气供应效率

评估以下运行条件下的KPI，表明改善供需平衡以实现节能的潜在机会：

  • 空压机的满负荷运行能力Q(fl)大于平均需气量Q(avg)。
  • 运行空气压缩机的满载能力Q（fl）大于峰值空气需求量Q（峰值）。
  • 满载运行空气压缩机容量Q (fl)如此之大,多个空气压缩机运行在部分负载能力,这样可以关闭一个或多个空气压缩机虽然仍在运行的单位可以供应系统供气量Q (sys)同时操作不到满载问(fl)能力。

数据挖掘每小时平均运行概况

数据挖掘和性能指标的审查可以提供洞察力和一个起点，以调查改进控制策略的机会。流量、功率和压力的基线数据测量应以频繁的数据间隔进行测量。

为了对系统事件进行动态分析，通常使用1至10秒的空气压缩机控制响应间隔。KPI和EnPI计算为基线测量的平均值。例如，图1所示的性能数据表示使用100毫秒采样率和6秒数据间隔测量的基线数据的每小时平均性能。

日常运营情况- KPI和EnPI分析

图1：每日运营概况——KPI和EnPI分析。点击在这里扩大。

通过观察系统的压缩空气供应效率在凌晨4点，比功率EnPI SP = 19.1 kW/100 scfm, EnPI CASE为314.8 scf/kWh，可以获得重要的性能洞察。相比之下，下午5:00时EnPI SP为30.0 kW/100 scfm, EnPI CASE为200.3 scf/kWh。在凌晨4点到下午5点之间，系统供应效率下降了36%。不同的是什么?调查显示，空压机的平均排气压力增加了14.7 psi。比较KPI的Q(fl)和Q(avg)显示，当效率较低时，供应/需求平衡[Q(fl)减去Q(avg)]略大。只有257 scfm的差异;上午4点有1,212个超容量SCFM，下午5点有1,469个SCFM。

进一步的动态性能研究表明，在更有效的时间内，有4台空压机运行。四台机组中有三台的产能接近100%。第四台空压机的运行能力在满负荷的65%到85%之间。在效率较低的时间内，有三台空压机在运行。一台空压机在空载状态下连续运行，消耗46kw功率，不向系统输送压缩空气。此空压机应停机。

数据挖掘每日经营概况以改善年度业绩

许多压缩空气系统评估将基线期数据作为年化平均值，而不考虑“典型运行期”之间的剖面差异。此外，对能源效率措施的分析往往是作为对平均年度运作的平均改进而不考虑正常的业绩变化。

性能分析必须具有足够的粒度，以便对实际系统操作进行适当建模。性能的变化与能效措施（EEM）的结果不成正比。例如，在上述数据中，平均总功率为488.2 kWh，平均比功率为24.3 kW/100 cfm。中午时，比功率等于24.3 kW/100 cfm的平均值，而总功率为579.2 kWh，远大于平均值。另一方面，上午5:00时，平均总功率为486.8 kWh，接近488.2 kWh的平均值；平均比功率为21.9 kW/100 cfm，远低于平均24.3 kW/100 cfm。空气压缩机容量控制的功率与流量的性能特征不是线性的。因此，性能分析的粒度对于有效的结果是必要的。

此外，在任何生产设施中，每天的操作都不太可能完全重复一年中的每一天。年度KPI和EnPI性能参数如图1所示。年度基准年结果的经营概况统计显示为每天24小时，每周7天，每年52周。该系统的实际基准年绩效可能与所描述的结果有显著不同。

识别典型营运期

为了提高基准年EnPI结果的准确性，可以使用流量和功率的每日剖面来识别典型的运行时期。对比图2所示的日运行剖面图，可以发现三个典型的运行时期:

  1. 1号生产线的小时平均功率（kW）稍低；尤其是在晚上。
  2. 相比之下，2号产品典型运行期略高。
  3. 周五-周六-周日的典型运行时段均有相似的小时平均功率(kW)。
日常操作配置文件
    图2:显示的是三个典型运行时期的日常运行概况。

    年度绩效是通过分配每个典型运营时期的年度总运营时间来预测的。例如，使用图2中确定的典型运行期，并假设每年运行50周(350天)，将周五-周六-周日的典型运行期分配为150天的运行期。如果预计第1生产比第2生产多20%的典型运行时期;1号产品分配110天，2号产品分配90天。

    数据挖掘和识别典型的经营时期，结合增加的数据分析粒度，提高了基准年业绩年度预测的准确性。当EEM的评估粒度相同，并对基准年的典型运行期进行分析时，能源和成本节约预测比只使用数据平均而不考虑实际运行条件时更现实和可靠。

    “合适尺寸”空压机选型的数据挖掘

    图2所示的系统最大空气需求为1,400个acfm。提议的设计是三台150马力(hp)的空气压缩机，每台容量750 scfm, 100 psig(最大110 psig)。全流量)和装载/卸载控制，用于基载/微调/和备用能力。这个尺寸合适吗?750 cfm的空压机尺寸是否能达到最好的供需平衡?系统所需的正常气流范围是多少?有多少空气需求?运作时间的哪一部分?数据挖掘基线流量数据，并使用直方图进行分析，将使我们了解在不同的空气需求下压缩空气需求和运行时间的正常变化。

    什么是直方图?直方图是一种条形图，用于对数字进行排序，并确定每个数字出现的次数。作为一个例子，让我们掷骰子。从999个骰子开始，滚动骰子，看看数字是1或2的频率，是3或4的频率，是5或6的频率。直方图从三个标记为“1 - 2”、“3 - 4”和“5 - 6”的箱子开始，在滚动每个骰子后，我们将把它放在箱子中，以表示滚动的数字。如果我们这样做999次，每个箱子里应该有333个骰子。直方图就是三个条形图，每个条形图代表一个箱子，每个条形图的高度等于333，箱子里骰子的数量。

    考虑一个连续13天每6秒测量一次基线流量数据的系统(187,200个流量测量数据点)。6秒间隔的数据将捕捉动态性能，包括气流的快速增加和减少。对于直方图分析，我们想要一个更平均的流量，因为将由空气压缩机提供。因此，第一步是计算6秒数据的1分钟平均值，这将得到18,720个平均流量读数，如图3所示(注:也可以计算滚动或移动的1分钟平均值)。在直方图中，每个容器以100 cfm至1400 scfm的增量分配。我们是否期望在每个100cfm的桶中有相同数量的流量测量值，就像骰子一样?当然不是，气流不像骰子那样是随机的。

    图3所示的18720个流量读数柱状图显示，最低流量在300和400 scfm之间（只有13个读数，0.1%更低），最高流量读数为300个数据点（1.6%）在1300和1400 scfm之间。

    图3

    图3：所示为基线气流测量的直方图。点击在这里扩大。

    下面三种空压机的尺寸选择，哪一种是“合适的尺寸”?

    1. 我们的三台750 scfm、150 hp空气压缩机的基本负荷/微调/储备选择从压缩空气流量基线数据的直方图中获得了什么见解？在100 psig（最大全流量110 psig）和129.9 kW封装功率下，性能为750 scfm。
    • 气流在400 - 600scfm范围内，35.0%的操作时间。使用750 scfm空压机，在35%的时间内，空气需求是满负荷能力的53%至80%。
    • 32%的操作时间，气流在700至900 scfm范围内。当单个750 scfm空压机的容量不足时，第二台750 scfm空压机将启动并在满负荷容量的0到20%之间运行。
    1. 作为一种替代方案，可以考虑一个带有3台125马力空气压缩机的系统，以100 psig(最大110 psig)的功率输出620 scfm。全流量)和107.4 kW满载(FL)机组功率。
    • 气流在400 - 600scfm范围内，35.0%的操作时间。使用620 scfm空压机，在35%的时间内，空气需求是满载能力的65%至97%。
    • 32%的操作时间，气流在700至900 scfm范围内。当单个620 scfm空压机没有足够的容量时，第二台620 scfm空压机将启动并运行满负荷能力的13%到45%。
    • 两台620 scfm空气压缩机将为系统提供93.5%的运行时间。剩下的6.5%的时间需要所有三个空压机。如果需要储备容量来覆盖100%的操作时间，则需要额外的空压机容量。
    1. 最后，考虑到未来空气需求的增加，建议使用两台200马力的空气压缩机，并使用第三台作为备用容量。性能是1,030 scfm在100 psig (110 psig max。全流量)，机组功率170.8 kW。

    这三个系统的能源消耗计算结果如图1所示。对于直方图的每个仓，能源使用是根据空气需求的中位数计算的，例如对于400 - 500平方英尺的仓，使用450平方英尺的空气需求。能量计算是基于负载/卸载能力控制，假设空压机的配平尺寸为每cfm 3加仑的存储容量。右柱计算的是每cfm存储5加仑，这与系统需要3台200hp空气压缩机的容积(3100加仑)相同。

    空气压缩机数量x容量和hp

    存储卷

    3 x 620 SCFM 125 HP

    1860(3加仑/ cfm)

    3 x 750 SCFM 150 HP

    2250(3加仑/ cfm)

    3 x 1030 SCFM 200 HP

    3090（3加仑/立方英尺）

    3 x 620 SCFM 125 HP

    3100(5加仑/ cfm)

    年度能源使用

    1328000千瓦时/年。

    1409000千瓦时/年。

    1420000千瓦时/年。

    1302000千瓦时/年。

    年成本（0.10美元/千瓦时）

    132800美元/年

    140,900美元/年

    142000美元/年

    130 200美元/年
    表1：图表是不同尺寸空气压缩机的年度能源使用和成本比较。

    通过分析系统气流直方图得出结论，与使用150马力空气压缩机相比，125马力空气压缩机系统每年将节省8100美元。较大的空压机往往是根据一些未知的“扩张”和“未来空气需求的增加”来选择的。运行200马力空气压缩机的系统每年的电费将比125马力系统多出9200美元。在5年的时间里，合适的规模可以节省4万到4万6千美元。在未来，如果实际需要额外的空压机容量，节能几乎可以支付新的空压机。

    数据挖掘–有价值的信息和见解

    如本文所述，压缩空气系统基线性能测量:

    • 确定了一种改进的控制策略，可使空压机长时间无负荷运行时停机。
    • 通过识别典型的运营周期，提供改进的基准年绩效EnPI。
    • 给定信息，以“合适尺寸”的空压机选择与最有效的供求平衡。

    数据挖掘压缩空气系统基线性能测量可以解锁大量基线数据，为压缩空气系统设计、性能和效率的其他领域提供有价值的信息和迷人的见解。动态性能分析可以识别空气存储机会。压力分布数据可以确定不可恢复的压力损失和降低空气压缩机工作压力的机会。可以识别和评估压缩空气废物，尤其是人为需求造成的损失。

    更多信息，请联系Tom Taranto, Data Power Services，电话:315-635-1895，电子邮件:tom@datapowerservices.com.

    阅读更多系统评估文章请访问//www.ghtac.com/system-assessments.

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