KPI của hệ thống khí nén - Hiệu quả và các nguyên tắc đo lường

Một thực tế được biết là khoảng 15% năng lượng điện được hấp thụ bởi máy nén khí được chuyển thành khí nén. 85% còn lại bị mất dưới dạng nhiệt. Mặc dù hiệu suất thấp, khí nén vẫn là một tiện ích rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Người sử dụng hệ thống khí nén phải đối mặt với những thách thức để có được hiệu quả tốt nhất có thể và giảm chi phí liên quan (năng lượng, bảo trì) càng nhiều càng tốt. Do đó, việc giám sát bộ KPI phù hợp ngày nay là điều bắt buộc đối với bất kỳ nhà quản lý năng lượng hoặc chủ sở hữu nhà máy nào.

Trong bài viết này, chúng tôi làm rõ cách các KPI chính có thể được theo dõi và chúng tôi sẽ xem xét kỹ hơn một trong những KPI chính: hiệu quả. Bài viết này là một phần của loạt bài mà chúng tôi đi sâu vào các KPI quan trọng nhất một cách chi tiết.

Các chỉ số hiệu suất chính (KPI) là các biến hoặc thước đo mà hiệu suất của các tổ chức, máy móc và / hoặc quy trình có thể được đo lường và phân tích một cách có mục tiêu. Ví dụ: KPI có thể là một số sản xuất nhất định trên mỗi đơn vị thời gian, nhưng cũng là số tiền lãi mà một công ty kiếm được trên một sản phẩm cụ thể.

Bảng điều khiển KPI giống như một buồng lái đơn giản hóa cho một phi công lái máy bay. Nó cung cấp thông tin chính xác về thời gian, mà bạn có thể dựa vào khi đưa ra quyết định. Ví dụ: nếu hiệu suất hệ thống tổng thể bị tắt, bạn có thể xem xét kỹ hơn các cài đặt của bộ điều khiển chính. Nếu mức tiêu thụ cao hơn đáng kể so với bình thường hoặc bạn thấy một sự kiện áp suất bất thường, bạn cần xem xét dây chuyền sản xuất của mình hoặc nói chuyện với bộ phận sử dụng khí nén trong nhà máy. Nếu điểm sương tắt, hãy sửa chữa / bảo dưỡng máy sấy hoặc kiểm tra xem nó có đúng kích thước không. Đối với mỗi vấn đề có nhiều giải pháp và KPI sẽ sớm cho bạn biết liệu giải pháp được thực hiện có đúng hay không. Thậm chí, KPI có thể được sử dụng để tính ROI cho một khoản đầu tư trong tương lai. Bằng cách này, chúng sẽ giúp dự đoán chi phí năng lượng liên quan đến khí nén trong tương lai của bạn.

Đối với hệ thống khí nén, một số quan trọng KPI là:

• Hiệu quả/ hiệu suất
• Điểm sương
• Tỷ lệ rò rỉ
• Tổn thất áp suất
• Chi phí cho mỗi sản phẩm / bộ phận được sản xuất

Công suất cụ thể (hiệu suất), tốc độ rò rỉ và tổn thất áp suất là điểm khởi đầu cho bất kỳ hệ thống khí nén nào, vì vậy bài viết này sẽ đi sâu hơn vào một trong những KPI này, hiệu quả: điều gì ảnh hưởng đến chúng, cách bạn có thể đo lường chúng và cách diễn giải chúng.

KPI: Công suất/Hiệu suất máy nén cụ thể

Công suất cụ thể của máy nén khí là tỷ lệ giữa công suất máy nén (lượng khí nén được tạo ra) và Công suất tiêu thụ của máy nén. Vì vậy, KPI được tính bằng công suất đầu vào chia cho lưu lượng đầu ra, được biểu thị bằng kW / 100 cfm hoặc kW / m3 / phút.

Công suất cụ thể rất quan trọng trong các tình huống sau:

• Quản lý tài sản: khi hiệu quả bắt đầu đi chệch hướng, đây có thể được coi là dấu hiệu cảnh báo sớm (ví dụ: cần thay bộ lọc trên máy ly tâm hoặc đánh lừa bộ trao đổi nhiệt bên trong).
• Không khí bị lãng phí: Trong các trường hợp này, hiệu quả là một phần quan trọng của thỏa thuận. Máy nén cần cung cấp một lượng không khí X được xác định trước cho một lượng điện năng Y.
• Tuân thủ: Giám sát thường xuyên ngày càng trở nên quan trọng trên toàn thế giới để đạt được các mục tiêu giảm CO2 và môi trường. Trong bối cảnh này, các chính phủ cũng đóng một vai trò quan trọng với luật pháp như Tiêu đề 24 ở California và Chỉ thị Hiệu quả Năng lượng ở Châu Âu.
• Kiểm thử chấp nhận: khi kiểm tra máy nén trong phòng thí nghiệm (ISO1217).
• Tối ưu hóa hệ thống điều khiển: Hiệu suất của một bộ máy nén nhất định được điều khiển bởi bộ điều khiển chính, phải phù hợp với mức trung bình chuẩn của ngành.

Tổng hiệu suất trạm nén so với  từng máy riêng lẻ

Khi ngân sách cho thiết bị đo đạc có hạn, bạn có thể sử dụng một đồng hồ đo lưu lượng để giám sát tất cả các máy nén. Điều này liên quan đến việc đo mức tiêu thụ điện năng trên mỗi máy nén và đo lưu lượng trên đường ống chính, tức là sau máy sấy và bể chứa. Ưu điểm của việc đặt đồng hồ đo lưu lượng trên đường ống chính là mức tiêu thụ khí nén thực tế của nhà máy cũng được theo dõi. Thông tin này có thể được sử dụng để xác định rò rỉ và tạo ra một "xác thực" của nhu cầu khí nén bằng cách sử dụng chức năng biểu đồ.

Trong trường hợp này, điều quan trọng là phải tính toán mức tiêu thụ trung bình trong thời gian đủ và chia cho mức tiêu thụ điện năng trung bình, vì tải / dỡ tải sẽ gây ra biến động trong KPI. Các nền tảng quản lý năng lượng hiện đại có thể tinh chỉnh điều này hơn nữa, bằng cách chia nhỏ mức tiêu thụ điện năng "tải", "dỡ tải" tiêu thụ điện năng và chia cho lưu lượng một cách thích hợp. Chúng tôi khuyên bạn nên vẽ hiệu quả như một chức năng của nhu cầu khí nén, để xem liệu hệ thống của bạn có đang chạy tối ưu hay không.

Để có được cái nhìn sâu sắc chi tiết hơn cần thiết để tối ưu hóa điều khiển máy nén, lưu lượng nên được đo trên mỗi máy nén. Đặc biệt chú ý đến lựa chọn đồng hồ đo lưu lượng và lắp đặt do điều kiện khắc nghiệt trong đường xả của máy nén.

Tổng độ không đảm bảo đo. Số liệu lỗi. Chủ đề nhàm chán?

Tổng độ không đảm bảo đo. Số liệu lỗi. Đối với nhiều người trong chúng ta, đây là những môn học mà chúng ta để lại cho các nhà toán học. Tuy nhiên, chúng cực kỳ quan trọng khi xem xét dữ liệu đo lường. Đặc biệt khi nói đến các quyết định đầu tư lớn cho máy nén khí, chủ đề này không nên được đánh giá thấp, và phải hết sức cẩn thận khi so sánh các con số hiệu quả.

Do đó, khi theo dõi hiệu quả, điều quan trọng là phải xác định mức độ chính xác nào có thể chấp nhận được. Mức độ chính xác cần thiết phụ thuộc vào ứng dụng và kích thước của cài đặt. Sơ đồ dưới đây cho thấy một bản đồ quan hệ (đơn giản hóa) giữa tất cả các tham số có liên quan, chỉ để có ý tưởng về độ phức tạp của phép đo hiệu quả trong máy nén thể tích (tức là piston, trục vít, cuộn). Trong chỉ thị ISO1217, người ta có thể đọc thêm về chủ đề này và tìm các chỉ thị khác cho bạn biết cách diễn giải kết quả, khoảng tin cậy, loại đồng hồ đo lưu lượng phải được sử dụng, v.v.

Tổng độ không đảm bảo đo của bất kỳ phép đo nào được định nghĩa là biến thể thống kê của một đại lượng đo. Để đọc thêm về vấn đề này, chúng tôi tham khảo "GUM" (Đánh giá dữ liệu đo lường - hướng dẫn biểu hiện độ không chắc chắn trong đo lường, 2008).

Lỗi hệ thống và cách chúng lan truyền

Mỗi tín hiệu đo được có độ không chắc chắn riêng (sai số). Bây giờ ảnh hưởng của một lỗi hệ thống đến hiệu quả đo được là gì? Chúng ta hãy xem xét một ví dụ đơn giản. Chúng tôi muốn kiểm tra hiệu quả của máy 44 kW, chạy đầy tải. Chúng tôi đã sử dụng đồng hồ đo điện (± đọc 1%) và đồng hồ đo lưu lượng (± đọc 5%). Sai số tối đa của hiệu quả là gì?

Như bảng cho thấy, đưa các lỗi hệ thống đến mức cực đoan, hiệu suất quan sát được có thể là 16,6, 17,6 hoặc 18,7 kW / 100 SCFM. Đây là +/- 6%. Bây giờ giả sử nhà sản xuất máy nén đã thử nghiệm máy nén 250 CFM, độ lệch hiệu suất cho phép cũng là 6%. Trường hợp xấu nhất, bạn có thể đã mua một máy nén có độ lệch -6% trên lưu lượng đầu ra. Khi đo điều này bằng đầu dò chèn (+/-5%), bạn nên cẩn thận không đi đến kết luận rằng máy nén sai, hoặc đồng hồ đo lưu lượng đúng và ngược lại.

Ảnh hưởng của một con số hiệu quả sai đến chi phí hàng năm được nhận thức là gì? Trong ví dụ này, với chi phí 0,06 đô la / kWh và 8760 giờ chạy hàng năm, "dung sai tiền" là +/- 1400 USD hàng năm cho máy nén này. Điều này có thể có tác động đến việc ra quyết định của bạn: Bất kỳ quyết định (lớn) nào dựa trên mức tiết kiệm năng lượng dưới +/- 1400 USD đều có thể dựa trên các lỗi hệ thống, vì vậy đó có thể là một quyết định "sai". Nếu đây là một mét độ cao của một chiếc máy bay, và bạn là phi công lái chiếc máy bay đó... Bạn sẽ làm gì khi đồng hồ đo độ cao chính xác +/- 140 feet? Bạn có thể muốn ở mức tối thiểu 280 feet (gấp 2 lần sai số). Và điều này cũng áp dụng cho việc đưa ra quyết định cho máy nén này; nếu chi phí dự kiến do hiệu quả kém sẽ vượt quá 2800 USD / năm thì đã đến lúc phải làm gì đó.

Cách tính đến lỗi đo lường

Quan trọng nhất là phải trung thực và minh bạch rằng luôn có những sai sót cần được xem xét. Bạn có nên đầu tư vào các thiết bị đo lường chính xác nhất? Vâng, nếu bạn cần xác minh đầu ra theo ISO1217. Thậm chí nên thuê một chuyên gia bên ngoài trong trường hợp như vậy, vì có nhiều thông số hơn để xem xét hơn là chỉ có lưu lượng và áp lực. Khi xu hướng hiệu quả, một lỗi đo lường có hệ thống là chấp nhận được. Bạn có thể thấy sự thay đổi hiệu quả theo thời gian và theo dõi xem một công việc dịch vụ có hiệu quả mong muốn hay không. Trong những trường hợp này, số tương đối được so sánh, không phải số tuyệt đối.

Điều luôn luôn quan trọng là các cảm biến được bảo trì đúng cách và chúng giữ ổn định lâu dài. Các cảm biến phải ổn định trong thời gian vượt quá thời gian với hệ số mười (quy tắc ngón tay cái) để có thể thấy sự khác biệt về hiệu quả do suy thoái hệ thống. Vì vậy, khi 5% tài sản của bạn xuống cấp mất một năm, độ trôi của các cảm biến sẽ ít hơn 0,5% mỗi năm. Cần cẩn thận khi cảm biến lưu lượng tiếp xúc với không khí ẩm và bẩn, có thể làm bẩn hoặc làm tắc cảm biến. Điều này có thể rút ngắn khoảng thời gian bảo trì của cảm biến.

Hiệu ứng cài đặt cũng rất quan trọng để xem xét. Một số công nghệ, như đầu dò chèn và  đo xoáy, cần chạy đường ống cụ thể để có độ chính xác. Các công nghệ khác có thể dễ bị rung động và xung trong dòng chảy. Tất cả những điều này kết hợp có thể có tác động đáng kể đến độ chính xác phép đo, vượt quá độ chính xác đã nêu là 5% và do đó, trong lĩnh vực này, thường rất khó để đáp ứng các yêu cầu của ISO1217. Chúng tôi cũng đã thấy các trường hợp đồng hồ đo lưu lượng được lập trình sai, dẫn đến lỗi 30% về sai số hiệu quả. Đây là một lỗi đơn giản của con người tạo ra tác động đáng kể đến mối quan hệ giữa nhà sản xuất và khách hàng cuối cùng.

KPI: Tổn thất áp suất

Một KPI quan trọng khác là tổn thất áp suất vì áp suất hệ thống thấp có thể khiến máy móc và linh kiện chạy bằng khí nén dừng lại. Do đó, để theo dõi mức áp suất, điều quan trọng là phải đo tại các vị trí khác nhau trong nhà máy. Đặc biệt là khi mạng lưới đường ống phân phối khí nén đã được mở rộng qua nhiều năm và / hoặc đường ống đang được sử dụng quá nhỏ. Do đó, bạn nên lắp đặt đồng hồ đo áp suất / lưu lượng ở đầu, giữa và cuối hệ thống đường ống khí nén của bạn.

Thời gian ngừng sản xuất luôn tốn kém và đây là lý do tại sao áp suất hệ thống thường được đặt ở giá trị (quá) cao, chỉ để đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng với máy nén khí dịch chuyển dương, mỗi Bar (14,5 psi) mà áp suất tăng, chi phí năng lượng sẽ tăng 7%. Ngày nay chúng ta vẫn thấy rằng khi các vấn đề về áp suất xảy ra ở cấp độ máy, một máy nén khí thường được thêm vào để tăng công suất và áp suất khí nén, làm tăng thêm chi phí (năng lượng). Tuy nhiên, các vấn đề về áp suất thường có thể được giải quyết trong chính mạng lưới khí nén bằng cách tối ưu hóa đường kính ống, lắp đặt bể chứa và hạn chế lưu lượng đến một số khu vực không cần thiết. Điểm mất áp suất khét tiếng là các bộ lọc. Không thay thế bộ lọc đúng thời gian sẽ gây ra sự sụt giảm áp suất ngày càng tăng do mức bộ đám bụi bẩn ngày càng tăng của chúng.