工业效用效率

使用基线测量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，并建立基准年绩效。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Compressed Air Challenge®Compressed Air Systems Fundamentals（压缩空气挑战®Compressed Air Challenge®压缩空气系统基础知识）培训，基线包括进行测量，以确定压缩空气系统在有效满足负荷方面的有效性。

根据ASME EA-4-2010§1.3.2。，对给定生产水平的压缩空气系统的能源效率进行评估需要两个重要的措施:

  • 用于产生压缩空气消耗总量的一次能源的总量。
  • 在一定产量水平下消耗的压缩空气总量。

压缩空气系统基线包括确定压缩空气系统当前运行方式的测量。在实施改进绩效和能源效率的变更之前，确定基准年绩效。实施后基线（通常称为评估、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会：

  1. 提高压缩空气供应效率。
  2. 消除不可恢复的压力损失，降低空压机排气压力。
  3. 通过消除废物减少压缩空气消耗。

对于机会的三个领域中的每一个，适当的EnPI或KPI可以用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 -所有运行的空气压缩机满负荷时的气流。
    • KPI Q(avg) = scfm -输送到系统的平均气流速率。
    • KPI Q(峰值)= scfm -输送到系统的峰值气流速率。
    • EnPI SP = kW/100 scfm -比功率。
    • EnPI工况=scf/kWh–工况指数压缩空气供应效率。

对以下运行条件的KPI进行评估表明，改善供应/需求平衡以实现节能的潜在机会:

  • 运行中的空气压缩机满负荷能力Q（fl）大于平均空气需求量Q（平均值）。
  • 空压机满负荷运行能力Q(fl)大于风量峰值Q(peak)。
  • 运行中的空气压缩机的满载能力Q（fl）非常大，以至于多台空气压缩机以部分负载能力运行，因此一台或多台空气压缩机可以关闭，而保持运行的机组可以在低于满载能力Q（fl）的情况下供应系统空气需求Q（sys）。

数据挖掘小时平均运营概况

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。

为了允许对系统事件进行动态分析，空压机控制响应间隔通常为1 ~ 10秒。KPI和EnPI是作为基线测量的平均值计算的。例如，图1中显示的性能数据表示使用100毫秒的采样率和6秒的数据间隔测量的基线数据每小时的平均性能。

每日运营概况–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为凌晨4:00，比功率EnPI SP=19.1 kW/100 scfm，EnPI情况为314.8 scf/kWh，可获得对性能的重要见解。相比之下，下午5:00时，EnPI SP为30.0 kW/100 scfm，EnPI情况为200.3 scf/kWh。在上午4:00到下午5:00之间，系统供电效率下降了36%。有什么不同？调查显示，空气压缩机的平均排放压力增加了14.7 psi。比较KPI的Q（fl）和Q（avg）表明，当效率较低时，供需平衡[Q（fl）减去Q（avg）]略大。只有257scfm的差异；凌晨4:00运行1212 scfm的额外容量，下午5:00运行1469 scfm的额外容量。

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。

数据挖掘日常运营概况，以改善年度业绩

许多压缩空气系统评估将数据的基线周期表示为年平均值，而不考虑“典型运行周期”之间产生的剖面差异。此外，能源效率措施的分析通常作为平均年运行的平均改善而应用，而不考虑正常的性能变化。

性能分析必须足够细粒度，以便正确地为实际系统操作建模。能效措施(EEMs)的绩效和结果的变化不是成比例的。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。中午比功率平均为24.3 kW/ 100cfm，总功率579.2 kWh，远高于平均水平。另一方面，凌晨5点时，平均总电量为486.8 kWh，接近平均488.2 kWh;平均比功率为21.9 kW/100cfm，远低于24.3 kW/100cfm的平均值。空压机容量控制的功率与流量的性能特性不是线性的。因此，为了得到有效的结果，性能分析的粒度是必要的。

此外，不太可能在任何生产设施中每天的操作都在一年中的每一天重复。年度KPI和EnPI性能参数如图1所示。年度基准年结果的运营概况统计显示为每天24小时、每周7天和每年52周。该系统的实际基准年绩效可能与所述结果显著不同。

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图来确定典型的运行周期。当比较如图2所示的每日运行曲线图时，确定了三个典型的运行周期：

  1. 1号产品时平均功率略低(kW);尤其是在晚上。
  2. 相比之下，2号产品典型运行期略高。
  3. 星期五-星期六-星期日典型运行期，所有运行期的小时平均功率（kW）相似。
每日经营概况
    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总年运营时间，预测年化绩效。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），周五-周六-周日的典型运行期将分配给150天的运行期。然后，如果预计1号生产量比2号生产量的典型运行期多20%；1号生产将分配110天，2号生产将分配90天。

    数据挖掘和典型运营期的识别与数据分析粒度的提高相结合，提高了基准年绩效年度预测的准确性。当使用相同的粒度和基准年分析的典型运行周期对EEM进行评估时，与仅使用数据平均而不考虑实际运行条件时相比，能源和成本节约预测更现实、更可靠。

    “合适尺寸”空气压缩机选择的数据挖掘

    图2所示系统的最大空气需求量为1400 acfm。拟议设计为三台150马力（hp）的空气压缩机，每台压缩机的容量为750 scfm，每台压缩机的最大流量为100 psig（110 psig，最大满流量），并具有加载/卸载控制，用于基本加载/微调/和备用容量。这看起来是一个合理的尺寸选择吗？750 cfm的空气压缩机尺寸是否达到最佳供需平衡？系统所需的正常气流范围是多少？有多少空气需求，以及运行时间的哪一部分？数据挖掘基线流量数据，并使用直方图进行分析，将使我们了解压缩空气需求的正常变化以及各种空气需求下的运行时间。

    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。

    考虑一个基线流量数据每13秒测量一次的系统（13个流量测量数据点）。以6秒为间隔的数据将捕获动态性能，包括气流的快速增加和减少。对于直方图分析，我们需要一个更平均的流量，就像空气压缩机提供的流量一样。因此，第一步是计算六秒钟数据的一分钟平均值，这将产生18720个平均流量读数，如图3所示（注：也可以计算滚动或移动一分钟平均值）。对于柱状图，箱子以100立方英尺/分钟的增量分配至1400立方英尺/分钟。我们是否期望在每个100立方英尺的垃圾箱中进行相同数量的流量测量，就像掷骰子一样？当然不是，气流并不像骰子设计的那样是随机的。

    图3中显示的18,720个流读数的直方图显示，最低的流在300到400 scfm之间(只有13个读数，低0.1%)，最高的流读数是300个数据点(1.6%)，在1,300到1,400 scfm之间。

    图3

    图3:显示的是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. 从压缩空气流量基线数据的直方图中，我们获得了3台750 scfm、150马力的空压机，它们的基本负载/微调/备用选择是什么?性能是750 scfm在100 psig (110 psig max。全流量)，129.9 kW机组功率。
    • 在35.0%的运行时间内，气流在400–600 scfm范围内。使用750 scfm空气压缩机，在35%的时间内，空气需求量为满载容量的53%至80%。
    • 在32%的运行时间内，气流在700至900 scfm之间。当单个750 scfm空气压缩机的容量不足时，第二个750 scfm微调空气压缩机将在满负荷容量的0%至20%之间启动和运行。
    1. 作为替代方案，考虑一个具有三、125 HP空气压缩机的系统，在100 psig（110 psig最大全流量）和107.4千瓦全负荷（FL）封装功率下输送620 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%。
    • 在32%的运行时间内，气流在700至900 scfm之间。当单个620 scfm空气压缩机的容量不足时，第二个620 scfm微调空气压缩机将在满负荷容量的13%至45%之间启动和运行。
    • 两台620 scfm空气压缩机将为系统提供93.5%的工作时间。其余6.5%的时间需要全部三台空气压缩机。如果需要备用容量来覆盖100%的运行时间，则需要额外的空气压缩机容量。
    1. 最后，考虑到未来空气需求的增加，建议运行两台200马力的空气压缩机，并配备第三台机器作为备用容量。在100 psig（最大全流量110 psig）和170.8 kW封装功率下，性能为1030 scfm。

    使用表1中绘制的结果计算三个系统中每个系统的能量使用。对于柱状图中的每个料仓，能源使用根据平均空气需求量计算，例如，对于400–500 scfm料仓，使用450 scfm的空气需求量。能量计算基于使用加载/卸载容量控制，假设每cfm的微调空气压缩机尺寸有三加仑的存储容量。右栏按每立方英尺储存量5加仑计算，这与配备三台200马力空气压缩机的系统所需的容积（3100加仑）相同。

    空气压缩机数量x容量和hp

    存储量

    3 x 620 SCFM 125 HP

    1860(3加仑/ cfm)

    3 x 750 scfm 150马力

    2250（3加仑/立方英尺）

    3 x 1030 SCFM 200 HP

    3,090(3加仑/ cfm)

    3 x 620 SCFM 125 HP

    3100（5加仑/立方英尺）

    年度能源使用

    132.8万千瓦/年。

    140.9万千瓦/年。

    年142万度。

    130.2万度/年。

    年成本(0.10美元/ kWh)

    $ 132 800 /年

    140900美元/年

    $ 142,000 /年

    130 200美元/年
    表1:图表中是不同型号空压机年度能耗和成本的比较。

    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：

    • 确定了一种控制策略改进，以关闭长时间空载运行的空气压缩机。
    • 通过识别典型的运营周期，提供改进的基准年绩效EnPI。
    • 为“合适尺寸”的空气压缩机选择提供信息，以实现最有效的供需平衡。

    数据挖掘压缩空气系统基线性能测量可以解锁巨大的基线数据池，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储存机会。压力剖面数据可以识别不可恢复的压力损失和降低空压机运行压力的机会。压缩空气废物，特别是人为需求造成的损失，可以确定和评估。

    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//m.ghtac.com/system-assessments．

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