Cách phân tích dữ liệu khí nén tối ưu hóa hiệu quả

Các yêu cầu của một hệ thống khí nén công nghiệp hiệu quả khác nhau tùy thuộc vào quy mô cơ sở, yêu cầu chất lượng không khí, áp suất nhu cầu tối thiểu và các tiêu chí cụ thể khác của địa điểm. Khi vận hành hoặc sửa đổi các hệ thống này, nhân viên kỹ thuật cơ sở có nhiều câu hỏi khác nhau cần xem xét, bao gồm:

• Tôi có nên tạo ra khí nén chất lượng tối thiểu, chi phí thấp với số lượng lớn, sau đó lọc / sấy khô đến chất lượng cao hơn chỉ khi cần thiết?
• Tôi có đang sử dụng nhiều hệ thống máy nén theo cách tiết kiệm năng lượng không?
• Khi nhu cầu tăng lên trong một cơ sở, làm thế nào để tôi biết khi nào đường ống của tôi không còn đủ lớn?

Việc giám sát sử dụng khí nén giúp các nhà quản lý có thể đưa ra các chỉ số đánh giá hệ thống có thể trả lời những câu hỏi này và cung cấp cho chủ sở hữu và nhà quản lý cần để đảm bảo nhà máy của họ hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy. Tuy nhiên, vì mỗi ứng dụng là khác nhau, câu trả lời đúng cho một nhà máy có thể không phải là câu trả lời đúng cho một cơ sở khác.

Các loại khí nén

Yêu cầu khí nén được chia thành hai loại chính: chất lượng khí nén và áp suất. Khí nén chất lượng cao hơn đòi hỏi phải lọc và xử lý tốt hơn, cả chi phí thiết bị và chi phí năng lượng, vì không khí phải được đẩy qua các thành lọc phần bổ sung này. Khí áp suất cao hơn đòi hỏi chi phí năng lượng cao hơn vì máy nén phải làm việc nhiều hơn để tạo áp suất cho mỗi feet khối mỗi phút khí nén.

Một đánh giá cơ bản có thể ước tính hiệu quả của hệ thống về kilowatt điện năng cần thiết cho mỗi 100 cfm khí nén được cung cấp.

Một cách chính để giảm kilowatt trên 100 cfm là giảm áp suất trong hệ thống. Áp suất hệ thống được xác lập bởi áp suất cần thiết ở quy trình quan trọng nhất. Áp suất tối thiểu cần thiết tại một thiết bị thường nằm ngoài tầm kiểm soát của bạn; Nó chỉ đơn giản là một yêu cầu quá trình. Các máy nén phải tạo ra không khí ở áp suất tới hạn đó cộng với tổn thất áp suất giữa đầu ra của máy nén và quy trình đó. Giảm áp suất cho phép bạn giảm áp suất xả máy nén.

Nếu bạn có vài pound trên mỗi inch vuông áp suất giảm trong hệ thống đường ống của bạn do đường ống quá nhỏ, bạn đang lãng phí năng lượng. Hoặc, nếu bạn đang đẩy không khí qua quá trình lọc không cần thiết và các thành phần khác, bạn có thể buộc phải đặt áp suất xả cao không cần thiết. Giảm áp suất xả máy nén xuống 10 psi sẽ tiết kiệm khoảng 5% năng lượng tiêu thụ.

Đánh giá tổn thất áp suất đường ống rất đơn giản; giảm áp suất có thể được đo từ điểm A đến điểm B, cho phép bạn xác định xem sự sụt giảm có quá mức hay không và có thể hạ xuống bao nhiêu bằng cách tăng kích thước ống. Một nhà thầu có thể cung cấp một mức giá để nâng cấp phần đường ống đó; Việc thay thế đường ống sẽ có giá trị chi phí hoặc không, dựa trên lợi nhuận dự kiến trên hiệu suất.

Xác định làm thế nào để giảm thiểu tổn thất lọc ít đơn giản hơn. Để làm điều này, bạn cần biết chất lượng không khí nào được yêu cầu tại các quy trình khác nhau trong cơ sở. Nhiều người sử dụng khí nén trong nhà máy, chẳng hạn như dụng cụ khí nén và một số hình thức vận chuyển, không có yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng không khí. Các ứng dụng khác - chẳng hạn như không khí dụng cụ, chế biến thực phẩm hoặc thử nghiệm - đòi hỏi không khí chất lượng rất cao.

Mức chất lượng khí nén được xác định theo ISO 8573-1. Tiêu chuẩn này quy định các cấp độ tinh khiết của khí nén theo ba loại: hạt, nước và dầu.

Các lớp hạt có thể đạt được bằng cách lọc. Bộ lọc chất lượng cao hơn thường có áp suất giảm cao hơn. Để đẩy không khí qua quá trình lọc thêm, áp suất xả của máy nén phải tăng lên, đòi hỏi chi phí năng lượng cao hơn cho mỗi cfm.

Các loại dầu cũng có thể đạt được bằng cách lọc dầu đi vào luồng khí nén trong máy nén ngập dầu. Bộ lọc dầu yêu cầu thêm áp suất, sử dụng năng lượng bổ sung. Máy nén không dầu bao gồm dầu trong máy, nhưng nó không bao giờ tiếp xúc với luồng khí nén. Máy nén không dầu không có dầu trong máy.

Trong cả hai trường hợp, vì không có dầu đi vào luồng không khí, nó không cần phải được lọc để đạt được loại cao nhất. Nếu hàm lượng dầu là một yếu tố quan trọng trong cơ sở của bạn, bắt đầu với một máy nén đắt tiền hơn không đưa dầu vào luồng không khí sẽ tiết kiệm chi phí năng lượng để lọc nó ra sau này.

Xử lý hơi nước

Hơi nước khác với hạt hoặc dầu vì nó không được lọc ra. Nó phải được ngưng tụ hoặc hấp thụ từ luồng không khí - điều này có thể được hoàn thành bằng máy sấy không khí lạnh hoặc máy sấy khí hút ẩm.

Máy sấy lạnh loại bỏ độ ẩm bằng cách làm mát khí nén bên dưới một điểm sương nhất định. Khi không khí nguội đi, hơi ẩm ngưng tụ lại. Lượng ẩm được loại bỏ có liên quan trực tiếp đến mức độ lạnh của không khí. Điều này nhấn mạnh một hạn chế thực tế của máy sấy không khí lạnh: chúng chỉ có thể đạt được điểm sương tiếp cận điểm đóng băng của nước, tức là lớn hơn 32 ° F. Nếu máy sấy lạnh được làm lạnh dưới 32 ° F, hơi nước sẽ ngưng tụ thành chất lỏng, sau đó đóng băng rắn trong máy sấy và đường ống. Để đạt được ISO class 3 hoặc điểm sương tốt hơn, phải sử dụng máy sấy hút ẩm.

Chất hút ẩm là một chất có ái lực cao với hơi nước. (Các gói silica gel như những gói được tìm thấy trong hộp giày hoặc đóng gói với thiết bị điện tử là một ví dụ về chất hút ẩm rắn.) Chất hút ẩm sẽ hấp thụ hơi nước từ không khí xung quanh (giảm độ ẩm) cho đến khi áp suất hơi của chất hút ẩm và không khí xung quanh ở trạng thái cân bằng. Trong bao bì kín, bao bì hút ẩm có thể duy trì mức độ khô cho sản phẩm miễn là bao bì được đóng lại, vì độ ẩm mới không được thêm vào.

Tuy nhiên, trong một hệ thống khí nén, một luồng không khí ẩm liên tục chảy qua máy sấy. Chất hút ẩm cuối cùng sẽ trở nên bão hòa với độ ẩm đến mức nó không còn có thể hấp thụ hơi nước từ luồng không khí đi vào. Chất hút ẩm sau đó phải được thay thế hoặc tái sinh bằng quá trình sấy khô.

Khi đánh giá máy sấy hút ẩm, cũng xem xét rằng việc tái tạo chất hút ẩm có thể tiêu thụ năng lượng đáng kể. Sự tái sinh xảy ra bằng cách làm nóng và / hoặc làm sạch không khí qua chất hút ẩm để làm khô nó. Xem xét mức tiêu thụ điện năng của máy sấy được làm nóng bằng điện khi đánh giá tổng kilowatt hệ thống trên 100 cfm, cũng như nguồn không khí "thanh lọc" trong quá trình tái sinh. Hầu hết các máy sấy hút ẩm sử dụng khí nén để làm sạch máy sấy và những tổn thất thanh lọc này có thể là một nguồn tiêu thụ năng lượng đáng kể. Chúng không ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng về kilowatt trên 100 cfm, giống như các thành phần khác. Thay vào đó, họ trực tiếp tăng tổng cfm của hệ thống. Tùy thuộc vào ứng dụng, tổn thất thanh lọc có thể gây ra mức tiêu thụ năng lượng đáng kể nhất trong một hệ thống.

Thiết kế hoặc biện pháp khắc phục chính xác cho hệ thống khí nén không thể được xác định nếu không có dữ liệu cụ thể của cơ sở - và có một giải pháp được xác định trước trong tâm trí có thể khiến bạn mù quáng trước các khả năng khác. Đánh giá hoặc đánh giá một hệ thống hiện có là cách toàn diện và đáng tin cậy duy nhất để xác định tiềm năng tiết kiệm năng lượng có giá trị. Các nghiên cứu điển hình đi kèm minh họa các cách khác nhau mà đánh giá khí nén có thể diễn ra tại các cơ sở khác nhau.

Ví dụ điểm với cơ sở nhà máy thử nghiệm động cơ

Hệ thống khí nén công nghiệp của cơ sở ví dụ này có mức tiêu thụ khí trung bình các ngày trong tuần từ 800 đến 900 cfm với luồng khí cực đại lên đến 1.200 cfm. Hệ thống khí nén chính bao gồm 225 HP của máy nén tốc độ không đổi và máy nén biến tần 100 HP. Tất cả các máy nén đều là loại vít quay ngập dầu. Không khí được làm khô bằng máy sấy lạnh đến điểm sương khoảng 40 ° F. Lọc dầu và các hạt không được áp dụng nhất quán tại các đầu ra của tất cả các máy nén, do đó chất lượng không khí tổng thể cho các hạt và dầu không được biết chính xác.

Cơ sở này đã sử dụng khí nén trong thử nghiệm động cơ, yêu cầu khí nén chất lượng cao đáp ứng ISO cấp 2/2/1, có ít hơn 100 hạt từ 1 đến 5 micron trên một mét vuông, điểm sương tối đa -40 ° F và hàm lượng dầu tối đa là 0,01 miligam trên mét vuông. Yêu cầu chất lượng không khí cao này đã định hướng phân tích.

Loại bỏ hạt và dầu: Các bộ lọc hạt và dầu nằm ở nơi xả máy nén đáp ứng các yêu cầu chất lượng không khí chung cho các ứng dụng không thử nghiệm. Các bộ lọc điểm sử dụng bổ sung đã được lắp đặt tại mỗi ô thử nghiệm để lọc thêm chất lượng không khí cần thiết cho các hạt và dầu.

Loại bỏ nước: Hàm lượng nước cho các ứng dụng chung đã được loại bỏ bởi các máy sấy khí lạnh gần máy nén. Kiểu máy sấy này không thể cung cấp điểm sương thấp cần thiết (-40 ° F) cho các tế bào thử nghiệm, vì vậy phải sử dụng máy sấy hút ẩm để đạt được điểm sương ISO loại 2 là -40 ° F.

Máy sấy hút ẩm nhỏ, tại điểm sử dụng được lắp đặt tại mỗi ô thử nghiệm phù hợp với các bộ lọc hạt và dầu bổ sung. Chất hút ẩm cho các máy sấy từ xa này được tái sinh bằng cách thổi một phần trăm khí nén qua chất hút ẩm và xả nó ra khỏi bộ lọc. Một máy sấy hút ẩm tại điểm sử dụng điển hình có thể thanh lọc 25% luồng không khí định mức để tái tạo chất hút ẩm. Các bộ lọc và máy sấy điểm sử dụng này là điểm bảo trì, giảm áp suất cao và tổn thất không khí thanh lọc cao.

Đánh giá này nhằm xác định xem quá trình lọc và sấy khô chất lượng cao hơn tại nguồn khí nén có tốt hơn so với bộ lọc và máy sấy tại điểm sử dụng tại các tế bào thử nghiệm hay không. Để làm điều này, phải xác định những điều sau đây:

• Chi phí bổ sung để lọc và sấy khô khí nén chất lượng cao cho toàn bộ cơ sở, bao gồm các quy trình không yêu cầu không khí chất lượng cao.
• Tiết kiệm tiềm năng của việc hợp nhất tất cả các bộ lọc và máy sấy từ xa vào một vị trí nguồn duy nhất.

Máy nén khí của nhà máy sản xuất khí ở mức trung bình ước tính là 18 kilowatt / 100 cfm cộng với mức tiêu thụ điện năng của máy sấy là 0,7 kilowatt / 100 cfm.

Các bộ lọc và máy sấy từ xa tạo thành sự sụt giảm áp suất khoảng 8 psi. Loại bỏ chúng có thể cho phép áp suất cung cấp thấp hơn và tiết kiệm tới 4% công suất dành riêng cho máy nén. Điều này tương đương với khoảng 0,7 kilowatt / 100 cfm.

Một khoản tiết kiệm đáng kể hơn có thể được thực hiện bằng cách nhắm mục tiêu tổn thất thanh lọc liên quan đến máy sấy hút ẩm. Điều này sẽ không thay đổi công suất cụ thể về kilowatt / 100 cfm, thay vào đó, nó sẽ làm giảm mức tiêu thụ điện năng bằng cách giảm feet khối hệ thống mỗi phút.

Các máy sấy tại các điểm thử nghiệm đã thanh lọc khoảng 25% xếp hạng bảng tên của chúng. Bởi vì các điểm thử nghiệm là những người tiêu thụ khí nén chính tại chỗ, tổn thất thanh lọc tại mỗi điểm thử nghiệm chiếm khoảng 15% mức sử dụng khí nén của toàn bộ hệ thống.

Đối với cơ sở này, đầu tư vào máy nén khí trục vít không dầu mới với máy sấy hút ẩm nén nhiệt tích hợp mang lại lợi ích đáng kể. Máy sấy hút ẩm tích hợp không làm sạch bất kỳ không khí nào vì chúng tái tạo chất hút ẩm bằng cách sử dụng nhiệt nén "tự do".

Cung cấp chất lượng khí nén này trực tiếp tại nguồn có nghĩa là cung cấp khí nén tốt hơn, chi phí cao hơn cho các ứng dụng như công cụ khí nén. Tuy nhiên, việc cung cấp không khí không dầu ở điểm sương thấp trực tiếp từ nhà máy trung tâm cho phép loại bỏ tất cả quá trình lọc dầu ở hạ nguồn và bảo trì và tổn thất áp suất sau đó.

Các khuyến nghị của đánh giá này đã được thực hiện tại chỗ và mức tiêu thụ điện năng cụ thể của máy nén khí giảm khoảng 2 kilowatt / 100 cfm. Hơn nữa, việc loại bỏ tổn thất thanh lọc dẫn đến giảm tiêu thụ không khí khoảng 180 cfm.

Tổng mức tiêu thụ năng lượng trung bình cho hệ thống khí nén giảm từ khoảng 170 kilowatt xuống dưới 120 kilowatt, tiết kiệm khoảng 30%.

Cơ sở sản xuất với nhiều ẩn số

Trong ví dụ thứ hai, một cơ sở sản xuất rộng hơn 2 triệu foot vuông có luồng không khí trung bình khoảng 2.500 cfm. Hệ thống khí nén chính bao gồm hai máy nén tốc độ không đổi 250 HP và máy nén biến tần 300 HP. Tất cả các máy nén đều là loại vít quay ngập dầu. Không khí được làm khô bằng máy sấy lạnh đến điểm sương khoảng 40 ° F. Hệ thống khí nén cung cấp chất lượng không khí ISO 8573-1 loại 2 hoặc 3 đối với hạt, loại 4 hoặc loại 5 đối với độ ẩm và loại 2 đối với dầu. Chất lượng không khí này đủ cho sử dụng khí nén đã biết trên cơ sở.

Một đánh giá về hệ thống trung tâm đã được tiến hành với mục tiêu xác định bất kỳ thiếu sót chung nào, cải thiện hiệu quả năng lượng và xác nhận phương pháp điều chỉnh dàn máy nén hiện tại.

Để trả lời các câu hỏi chính của đánh giá này, bộ ghi dữ liệu đã được sử dụng để thu thập thông tin và thu thập xu hướng trong khoảng thời gian hai tuần. Điều này bao gồm:

• Một đồng hồ đo lưu lượng hiện có (cung cấp tổng lưu lượng không khí của hệ thống).
• Bộ ghi dữ liệu tạm thời tại mỗi máy nén để theo dõi và ghi lại mức tiêu thụ điện năng trong khoảng thời gian 30 giây.
• Giám sát áp suất tại ba vị trí trong hệ thống khí nén trong toàn bộ cở sở. Áp suất tại các vị trí này được ghi lại theo các khoảng thời gian để khớp với dữ liệu tiêu thụ điện năng được thu thập.

Dữ liệu này cho phép nhóm kỹ sư tiến hành phân tích hệ thống hiện có để xác định bất kỳ thiếu sót nào.

Đánh giá hệ thống phân phối hiện có

Như ví dụ trong cơ sở thử nghiệm động cơ, điểm đặt áp suất máy nén phải dựa trên việc duy trì áp suất đầu vào tối thiểu cần thiết ở quy trình quan trọng. Giảm áp suất cao giữa nguồn và quy trình quan trọng sẽ đòi hỏi phải tăng điểm đặt áp suất, tiêu tốn năng lượng. Các cảm biến áp suất được lắp đặt trong cơ sở này cho phép chúng tôi đánh giá sự sụt giảm áp suất tại các khu vực xa xôi của nhà máy.

Một ví dụ về dữ liệu, được đo bằng pound trên inch vuông, được thể hiện, vị trí A nằm ở đầu nguồn khí nén chính gần máy nén. Địa điểm B và C nằm ở vùng sâu vùng xa ở hai đầu đối diện của nhà máy.

Dữ liệu thu thập được cho thấy sự mất áp suất trong hệ thống đường ống ra đến cuối nhà máy, như mong đợi - giảm khoảng 1 psi đến vị trí B và giảm khoảng 2 psi đến vị trí xa hơn C.

Dữ liệu cho thấy sự thay đổi áp suất trong hệ thống khi tải thay đổi, đặc biệt là trong giờ sản xuất ca đầu tiên. Điều thú vị là áp suất giảm xuống các vùng sâu vùng xa - tức là sự khác biệt giữa A và B hoặc A và C - không thay đổi nhiều trong suốt ngày sản xuất. Sự thay đổi áp suất tương đối đồng đều trên toàn bộ hệ thống.

Điều này chỉ ra rằng người tiêu thụ chính của khí nén gây ra dao động áp suất là gần đường trục chính, do đó ảnh hưởng đến áp suất của toàn bộ hệ thống, không chỉ đơn giản là một khu vực xa xôi. Điều này cũng chỉ ra rằng tổn thất áp suất trong đường ống chính đến các vùng sâu vùng xa không phải là yếu tố hạn chế về công suất và việc tăng kích thước đường ống chính sẽ không cải thiện đáng kể hiệu suất; Ít hơn mức tăng hiệu quả 1% đã được dự đoán.

Tiêu thụ điện năng máy nén

Tiêu thụ điện năng được theo dõi trong quá trình nghiên cứu ba máy nén khí chính. Mục đích ban đầu của nghiên cứu này là đảm bảo rằng việc dàn dựng máy nén hoạt động hiệu quả nhất có thể. Một mẫu dữ liệu, được đo bằng kilowatt, được thể hiện. Trong phân tích này, máy nén 1 có tốc độ thay đổi và công suất cao hơn máy nén 2 và 3, có tốc độ cố định.

Dữ liệu cho thấy máy nén 1 hoạt động như một máy nén cắt - như dự định - và một hoặc cả hai máy nén tốc độ cố định đang hoạt động như (các) máy nén tùy chỉnh thuộc vào tải.

Đường màu xanh lam hiển thị phạm vi điều chế của máy nén 1. Các khu vực đường phẳng ở đầu phạm vi của nó cho thấy nơi nó không thể theo kịp nhu cầu. Áp suất trong tiêu đề hệ thống sẽ bắt đầu giảm trong thời gian này. Vừa vặn, khu vực phẳng này đi trước sự cho phép của máy nén tốc độ cố định thứ hai. Tương tự như vậy, các khu vực đường phẳng ở phạm vi điều chế dưới cùng cho máy nén tốc độ thay đổi cho thấy nơi nó không thể giảm thêm. Áp suất hệ thống sẽ tăng lên đến mức máy nén 2 tắt.

Trước khi ngoại tuyến, cũng có một điểm dừng ngắn trong mức tiêu thụ điện năng của máy nén 2. Điều này đại diện cho nơi một máy nén tốc độ cố định đi từ hoạt động "tải" đến "không tải". Thời gian hoạt động không tải này vẫn tiêu thụ năng lượng mà không tạo ra khí nén. Điều này làm nổi bật giá trị của một máy nén tốc độ thay đổi ở vị trí cắt thay vì chỉ đơn giản là tải và dỡ một máy nén tốc độ cố định.

Dữ liệu thu thập được cho thấy thời gian không tải cho máy nén 2 trước khi có tải là ngắn và năng lượng đáng kể không bị lãng phí do chu kỳ không hiệu quả của máy nén tốc độ cố định.

Có tiềm năng tiết kiệm năng lượng nào không?

Cho đến thời điểm này, nghiên cứu đã không cho thấy nhiều con đường mong đợi để cải thiện hiệu quả. Tổn thất phân phối là hợp lý, máy nén được dàn dựng hiệu quả và không cần thay đổi để lọc hoặc sấy khô.

Nhóm kỹ sư sau đó đề nghị tìm nơi khí nén thực sự đi. Nếu cơ sở này có thể giảm 50% luồng không khí liên quan đến phi sản xuất, nó sẽ tiết kiệm hơn 100.000 đô la hàng năm trong chi phí năng lượng.

Cải thiện hiệu quả của hệ thống khí nén có thể giúp bạn tiết kiệm một tỷ lệ nhỏ chi phí năng lượng cho mỗi cfm. Tuy nhiên, loại bỏ mức tiêu thụ khí nén không cần thiết giúp tiết kiệm 100% chi phí năng lượng cho feet khối mỗi phút tiết kiệm.

Sử dụng khí nén? Nếu vậy, hãy thực hiện các bước sau

Đánh giá này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc giám sát việc sử dụng khí nén, một nhiệm vụ mà các kỹ sư cơ sở có thể bắt đầu bằng cách hỏi các nhà quản lý bộ phận những câu hỏi sau:

• Bộ phận của bạn có sử dụng khí nén không?
• Làm thế nào để bạn điều chỉnh việc sử dụng khí nén của bạn?
• Có bất kỳ quy trình nào được kích hoạt thông qua van thủ công có thể được mở không? (Một van bi ¾’ duy nhất mở sẽ rò rỉ khoảng 1.000 cfm khí nén ở 100 psi.)

Nếu bạn nghi ngờ hệ thống của mình bị rò rỉ quá mức, hãy đi qua cơ sở khi quy trình sản xuất bị tắt và lắng nghe - rò rỉ khí nén sẽ gây ra tiếng ồn và những rò rỉ lớn có thể nghe thấy trong khi đi qua. Bạn cũng có thể sử dụng máy dò rò rỉ siêu âm để tìm nguồn rò rỉ.