工业实用效率

使用基线测量来提高压缩空气供应性能

作者:Tom Taranto, Data Power Services, LLC

基线测量包括流动，电源，压力，生产输出和影响压缩空气的其他相关变量。这些数据评估趋势平均值以开发关键性能指标（KPI）和能量性能指示符（ENPI）参数并建立基本年度性能。本文的重点是基线测量的应用，评估和分析，以提供提高压缩空气供应效率所需的信息。

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。，对压缩空气系统评估的给定生产输出水平的系统能效需要两个重要措施：

  • 用于产生所消耗的压缩空气总量的主要能量资源总量。
  • 对于给定水平的生产输出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. 提高压缩空气供应效率。
  2. 消除不可恢复的压力损失，减少空气压缩机排出压力。
  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，适当的ENPI或KPI可用于量化操作参数并识别储蓄机会。

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性能的常用措施。

  • 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 - 全运行空气压缩机满载容量的气流。
    • KPI Q（AVG）= SCFM - 送到系统的平均气流速率。
    • KPI Q（峰值）= SCFM - 峰值气流速率输送到系统。
    • ENPI SP = KW / 100 SCFM特定电源。
    • EnPI CASE = scf/kWh - CASE指数压缩空气供应效率

为以下操作条件评估KPI表示提高供应/需求平衡以实现能源节约的潜在机会：

  • 运行空气压缩机Q（FL）的全负荷能力大于平均空气需求Q（AVG）。
  • 运行空气压缩机Q（FL）的全负荷能力大于峰值空气需求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。

为了允许系统事件的动态分析，通常使用1到10秒的空气压缩机控制响应间隔。KPI和ENPI的计算为基线测量的平均值。例如，图1中所示的性能数据表示使用100毫秒采样率和六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：每日操作型材 - KPI和ENPI分析。点击这里扩大。

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。

数据挖掘日常操作型材以提高年度业绩

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。

重要的是，性能分析是足够粒度的，以便适当地模拟实际系统操作。性能的变化和能效措施（EEMS）的结果不是比例的。例如，在高于平均总功率的数据中为488.2千瓦时，平均特定功率为24.3kW / 100 CFM。中午特定功率等于24.3千瓦/ 100厘米的平均值，而总功率为579.2千瓦时，大于平均值。另一方面，当平均总功率为486.8千瓦时，凌晨5点，近于平均488.2千瓦时;平均特定功率为21.9千瓦/ 100厘米，远低于24.3kW / 100cfm的平均值。电力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，有效结果是必要的性能分析的粒度。

此外，在一年中的每一天，任何制造工厂都不太可能在任何制造工厂中的每一天都重复。年化KPI和ENPI性能参数如图1所示。年度基本年结果的运营型材统计数据显示为每天24小时，每周七天，每年52周。该系统的实际基本年度表现可能与所描述的结果有显着不同。

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. 生产No.1的每小时平均功率略低（kW）;特别是在晚上。
  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。

    通过分配每个典型运营期的年度运行时间来预测年度绩效。例如，使用图2中识别的典型操作周期，并假设每年运营50周（350天），周五 - 周六 - 周日典型的运营期将被分配到150天的运营。然后，如果预计产量超过20％，而不是生产2号典型运行期;生产第1号将分配110天，生产20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中所示的系统具有1,400丙烯的最大空气需求。所提出的设计是三个，150马力（HP）空气压缩机，每个SCFM容量为100个PSIG（110 psig max。全流量）和负载/卸载控制，用于基准/装饰/和储备容量。这似乎是合理的尺寸选择吗？750 CFM空压机大小为最佳供应/需求平衡吗？系统所需的正常气流范围是多少？有多少空气需求和工作时间的部分？数据挖掘基线流量数据和使用直方图图表的分析将使我们深入了解压缩空气需求和各种空气需求的正常变化。

    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。

    考虑每六秒测量的基线流量数据的系统（187,200流量测量数据点）。六秒间隔的数据将捕获动态性能，包括快速增加和气流减少。对于直方图分析，我们想要更平均的流速，因为空气压缩机提供。因此，第一步是计算六秒数据的一分钟平均值，这导致了18,720个平均流量读数，如图3所示（注意：也可以计算滚动或移动一分钟）。对于直方图绘图，频体已以100 CFM增量分配，高达1,400 SCFM。我们是否预期平等数量的流量测量以在每100个CFM箱中降落，如骰子？当然不是，气流不是随机的，就像骰子一样。

    图3中所示的直方图排序18,720流量读数显示最低流量在300和400 scfm之间（仅13个读数，0.1％较低），并且最高的流量读数是300个数据点（1.6％）在1,300和1,400之间的SCFM之间。

    图3

    图3：所示是基线气流测量的直方图。点击这里扩大。

    下面三种空压机的尺寸选择，哪一种是“合适的尺寸”?

    1. 我们的三个750 SCFM，150-HP空气压缩机，带有Baseload / True / Reserve Selection的3750 SCFM，从压缩空气流动基线数据的直方图中选择了什么洞察力？该性能为100个PSIG（110 psig最大）和129.9千瓦封装电源。
    • 气流在400 - 600scfm范围内，35.0%的操作时间。使用750个SCFM空气压缩机，空气需求量为35％的满载能力的53％至80％。
    • 32%的操作时间，气流在700至900 scfm范围内。当单个750 SCFM空气压缩机不够容量时，第二个750 SCFM装饰空气压缩机将启动并运行在0到20％的完全负载能力。
    1. 作为替代方案，考虑一个带有三个125-HP空气压缩机的系统，在100psig（110psig最大值）和107.4 kW全负载（FL）封装电源下提供620个SCFM。
    • 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%。
    • 两个620 SCFM空气压缩机将提供93.5％的工作时间。剩下的6.5％的所有三个空气压缩机都需要。如果需要储备容量以覆盖100％的操作时间，则需要额外的空气压缩容量。
    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

    2,250（3 Gal。/ CFM）

    3 x 1030 SCFM 200 HP

    3,090（3 Gal。/ CFM）

    3 x 620 SCFM 125 HP

    3,100（5 Gal。/ CFM）

    年度能源使用

    1,328,000千瓦时/年。

    1,409,000千瓦时/年。

    1,420,000千瓦时/年。

    1,302,000千瓦时/年。

    年度成本（0.10美元/千瓦时）

    $ 132,800 /年

    $ 140,900 /年

    $ 142,000 /年

    130 200美元/年
    表1：图表是各种空气压缩机尺寸的年能使用和成本的比较。

    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 - 有价值的信息和洞察力

    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。
    • 给出了“正确尺寸”空气压缩机选择的信息，具有最有效的供应/需求平衡。

    数据挖掘压缩空气系统基线性能测量可以解锁大量的基线数据，以提供有价值的信息和在压缩空气系统设计，性能和效率的其他领域的迷人洞察。动态性能分析可以识别空气储存机会。压力简档数据可以识别可抵抗的压力损失和减少空气压缩机工作压力的机会。可以确定和评估压缩空气废物，特别是对人工需求的损失。

    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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