Đo lường và Giám sát KPI của hệ thống khí nén

Một thực tế đã biết là khoảng 15% năng lượng điện được máy nén khí hấp thụ được chuyển thành khí nén. 85% còn lại bị mất dưới dạng nhiệt. Mặc dù hiệu suất thấp như vậy, khí nén vẫn là một tiện ích rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.

Người sử dụng hệ thống khí nén đang phải đối mặt với những thách thức để đạt được hiệu quả tốt nhất có thể và giảm chi phí liên quan (năng lượng, bảo trì) càng nhiều càng tốt. Do đó, theo dõi 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 có thể giám sát các KPI chính và chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn một số KPI chính: hiệu suất, tổn thất áp suất và rò rỉ.

Các Chỉ số Hiệu suất Chính (KPI) là các biến số hoặc giá trị đo mà hiệu suất của tổ chức, máy móc và/ hoặc quy trình có thể được đo lường và phân tích theo cách có mục tiêu. Ví dụ: KPI có thể là một số lượng sản xuất nhất định trên một đơn vị thời gian, nhưng cũng có thể là số lợi nhuận mà một công ty tạo ra trên một sản phẩm cụ thể.

Bảng điều khiển KPI giống như một buồng lái đơn giản hóa cho phi công lái máy bay. Nó cung cấp thông tin phù hợp về thời gian mà bạn có thể dựa vào đó khi đưa ra quyết định.

Ví dụ:

  • Nếu hiệu suất tổng thể của hệ thống 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, bạn cần phải xem xét dây chuyền sản xuất của mình hoặc nói chuyện với những người vận hành trong nhà máy.
  • Nếu điểm sương tắt, hãy sửa / bảo dưỡng máy sấy hoặc kiểm tra xem nó có đúng kích cỡ không.

Đối với mỗi vấn đề, có nhiều giải pháp và KPI sẽ sớm cho bạn biết giải pháp được triển khai có đúng hay không. Thậm chí nhiều hơn, KPI có thể được sử dụng để tính toán ROI trên một khoản đầu tư trong tương lai. Bằng cách này, họ 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 KPI quan trọng là:

  1. Công suất riêng (Specific power) hoặc Hiệu suất
  2. Điểm sương
  3. Tỷ lệ rò rỉ
  4. Tổn thất áp suất
  5. Chi phí trên mỗi sản phẩm/ bộ phận được sản xuất

Trong đó: Hiệu suất, tỷ lệ rò rỉ và tổn thất áp suất là điểm khởi đầu tốt cho bất kỳ hệ thống khí nén nào, vì vậy bài viết này sẽ đi sâu hơn về ba KPI sau: Điều gì ảnh hưởng đến chúng, cách bạn có thể đo lường chúng và cách làm sáng tỏ chúng.

KPI: Công suất / Hiệu suất máy nén cụ thể

Công suất riêng (Specific power) của máy nén khí là tỷ số giữa đầu ra của máy nén khí (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, biểu thị bằng kW / 100 cfm hoặc kW / m3 / phút.

Công suất riêng rất quan trọng trong các trường hợp sau:

  • Quản lý tài sản: khi hiệu suất bắt đầu sai lệch so với tình hình ban đầu, đây có thể được coi là dấu hiệu cảnh báo sớm (ví dụ: cần thay bộ lọc trên máy ly tâm hoặc các thành phần bên trong bộ trao đổi nhiệt).
  • Mua bán khí nén: Trong các hợp đồng này, hiệu quả là một phần quan trọng của thỏa thuận. Máy nén cần cung cấp một lượng không khí X xác định trước để có công suất điện Y.
  • Tuân thủ: Giám sát thường xuyên ngày càng trở nên quan trọng trên toàn thế giới để đạt được các mục tiêu về môi trường và giảm CO2. Trong bối cảnh này, các chính phủ cũng đóng một vai trò quan trọng đối với luật pháp như Tiêu đề 24 ở California và Chỉ thị về Hiệu quả năng lượng ở Châu Âu.
  • Kiểm tra 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 của ngành.

Hiệu suất toàn bộ trạm máy nén so với các máy riêng lẻ

Khi ngân sách dành cho thiết bị đo bị hạn chế, bạn có thể sử dụng một đồng hồ đo lưu lượng để theo dõi tất cả các máy nén. Điều này liên quan đến việc đo công suất tiêu thụ trên mỗi máy nén và đo lưu lượng trên đường ống chính, tức là sau máy sấy và bồn đệm. Ưu điểm của việc đặt đồng hồ đo lưu lượng trên đường dây chính là cũng theo dõi được lượng tiêu thụ khí nén thực tế của nhà máy. Thông tin này có thể được sử dụng để xác định sự rò rỉ và tạo ra “dấu vân tay” của nhu cầu không khí bằng cách sử dụng một hàm biểu đồ.

Trong trường hợp này, điều quan trọng là phải tính toán mức tiêu thụ trung bình trong thời gian đủ và chia tỷ lệ này cho mức tiêu thụ điện năng trung bình, vì có tải/ không tải sẽ gây ra biến động trong KPI. Các nền tảng quản lý năng lượng hiện đại có thể cải thiện điều này hơn nữa, bằng cách chia nhỏ mức tiêu thụ điện năng “tải”, tiêu thụ điện năng “không tải” và chia phần này cho lưu lượng một cách thích hợp.

Chúng tôi khuyên bạn nên vẽ biểu đồ hiệu suất như một hàm số của nhu cầu không khí, để xem liệu hệ thống của bạn có đang hoạt động tối ưu hay không.

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

Tổng độ không đảm bảo đo. Sự lan truyền của các lỗi. Có phải là chủ đề nhàm chán ?

Tổng độ không đảm bảo đo. Sự lan truyền của các 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 đề cập đến các quyết định đầu tư lớn cho máy nén khí, không nên coi thường chủ đề này, và phải hết sức thận trọng khi so sánh các chỉ số hiệu suất.

Vì vậy, khi giám sát 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 lắp đặt. Sơ đồ dưới đây hiển thị một bản đồ quan hệ (đơn giản hóa) giữa tất cả các tham số có liên quan, chỉ để có được ý tưởng về độ phức tạp của phép đo hiệu suất trong máy nén thể tích (tức là, piston, trục vít).

Trong hướng dẫn ISO 1217, người ta có thể đọc thêm về chủ đề này và tìm các hướng dẫn khác cho bạn biết cách giải thích kết quả, khoảng tin cậy, loại đồng hồ đo lưu lượng nào phải được sử dụng, v.v.

Tổng độ không đảm bảo đo của bất kỳ phép đo nào được định nghĩa là sự biến thiên thống kê của một đại lượng được đo. Để đọc thêm về vấn đề này, chúng ta tham khảo “GUM” (Đánh giá dữ liệu đo lường – hướng dẫn giải thích độ không đảm bảo đo trong phép đo, 2008).

Lỗi có hệ thống và cách chúng lan truyền

Mỗi tín hiệu đo được có độ không đảm bảo đo riêng của nó. Bây giờ ảnh hưởng của sai số hệ thống đến hiệu quả đo được là gì?

Chúng ta hãy xem một ví dụ đơn giản. Chúng tôi muốn kiểm tra hiệu suất của một máy 44 kW, chạy đầy tải. Chúng tôi đã sử dụng đồng hồ đo công suất (sai số ± 1% giá trị đọc) và đồng hồ đo lưu lượng (sai số ± 5% giá trị đọc). Sai số tối đa của hiệu suất là bao nhiêu?

Như bảng cho thấy, lấy sai số hệ thống đến cực điểm, 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% (Xem trang CAGI). 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 lưu lượng chèn (+/- 5%), bạn nên cẩn thận để không kết luận rằng máy nén sai, hoặc đồng hồ đo lưu lượng là đúng và ngược lại.

Ảnh hưởng của một con số hiệu quả sai đối với chi phí hàng năm được cảm nhận là gì?

Trong ví dụ này, với chi phí $ 0,06 / kWh và 8760 giờ chạy hàng năm, “dung sai tiền” là +/- 1400 USD hàng năm cho máy nén này. Điều này có thể ảnh hưởng đến việc ra quyết định của bạn: Bất kỳ quyết định (chính) 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 lầm”.

Nếu đây là đồng hồ đo 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 (2 x 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.

Làm thế nào để tính các lỗi đo lường vào tài khoản

Quan trọng nhất là phải trung thực và minh bạch rằng luôn có những sai sót cần được xem xét. Bạn có nên luôn đầu tư vào thiết bị đo lường chính xác nhất? Vâng, có, nếu bạn cần xác minh đầu ra theo ISO 1217. Thậm chí, bạn nên thuê một chuyên gia bên ngoài trong trường hợp như vậy, vì có nhiều thông số cần xem xét hơn là chỉ lưu lượng và công suất.

Khi hiệu quả theo xu hướng, sai số đo lường có hệ thống có thể chấp nhận được. Bạn có thể thấy sự thay đổi của hiệu quả theo thời gian và theo dõi xem công việc dịch vụ có đạt được hiệu quả mong muốn hay không. Trong những trường hợp này, số tương đối được so sánh, không phải số tuyệt đối.

Điều quan trọng luôn là các cảm biến được bảo trì đúng cách và chúng giữ được sự 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 được sự khác biệt về hiệu quả do hệ thống xuống cấp gây ra. Vì vậy, khi sự suy giảm 5% của tài sản của bạn diễn ra trong một năm, thì độ lệch 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 gây hôi 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 lưu lượng chèn và lưu lượng kế xoáy (vortex flowmeter), cần các đường ống thẳng cụ thể để chính xác. Các công nghệ khác có thể dễ bị rung và xung trong dòng chảy. Tất cả những điều này kết hợp lại có thể có tác động đáng kể đến độ không đảm bảo đo, vượt quá độ chính xác đã nêu là 5% và do đó, trong thực tế, việc đáp ứng các yêu cầu của ISO 1217 thường là một thách thức. Chúng tôi cũng đã gặp trường hợp đồng hồ đo lưu lượng orifice được lập trình sai, dẫn đến sai số 30% về hiệu suất. Đây là một lỗi đơn giản của con người gây 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 các bộ phận chạy bằng khí nén dừng lại. Do đó, để theo dõi mức áp suất, điều quan trọng là phải đo ở 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 các 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 mình.

Thời gian ngừng sản xuất luôn tốn kém và đây là lý do tại sao áp suất hệ thống thường được đặt ở một giá trị (quá) cao, chỉ để ở mức an toàn. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng với máy nén khí dịch chuyển dương (positive displacement air compressors), mỗi bar (14,5 psi) mà áp suất tăng lên, 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 máy, một máy nén khí thường được thêm vào để tăng công suất và áp suất khí nén, điều này 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 bộ thu và hạn chế dòng chảy đến một số khu vực không cần thiết. Điểm nổi tiếng của sự mất áp là bộ lọc. Không thay thế các bộ lọc đúng hạn sẽ gây ra sụt áp ngày càng tăng do điện trở của chúng ngày càng tăng.

Để có thể thực hiện một phân tích đáng tin cậy, đo lưu lượng kết hợp với đo áp suất là cách thích hợp. Điều này giúp bạn dễ dàng xác định chính xác nơi xảy ra tổn thất áp suất và mức độ lớn của tổn thất này. Ví dụ, tổn thất áp suất có thể được gây ra bởi đường ống quá nhỏ (tạo ra vận tốc lớn) hoặc do tiêu thụ dòng chảy quá mức. Hãy xem xét các đồng hồ đo lưu lượng “đa biến” vì chúng cung cấp tín hiệu áp suất theo thiết kế.

KPI: Rò rỉ

Máy dò rò rỉ là công cụ tuyệt vời để tìm rò rỉ khí nén, nhưng chúng vẫn yêu cầu một người đi xung quanh nhà máy. Một trong những cách đơn giản nhất để xác định tỷ lệ phần trăm rò rỉ, đó là xem việc sử dụng khí nén và / hoặc tốc độ dòng chảy tại những thời điểm nhà máy không hoạt động và chia tỷ lệ này cho lưu lượng sử dụng sản xuất trung bình. Ví dụ, trong giờ nghỉ trưa, sau giờ làm việc và cuối tuần. Phần mềm quản lý năng lượng hiện đại có các thuật toán phát hiện tích hợp để tính toán điều này tự động, vì vậy bạn có thể nghỉ trưa mà không cần phải nhìn.

Rò rỉ = [Tổng lưu lượng trong thời gian ngừng hoạt động] / [Tổng lưu lượng trong quá trình sản xuất] * 100%

Ví dụ, nó cũng có ý nghĩa khi so sánh lưu lượng không khí trước và sau khi công việc bảo trì được thực hiện, vì vậy bạn có thể thấy ngay kết quả tài chính của một hành động sửa chữa.

Nhân lượng rò rỉ với tổng số giờ vận hành và chi phí, để tính tổng chi phí rò rỉ hàng năm.

Vì tỷ lệ phần trăm rò rỉ là một con số tương đối, nên độ chính xác tuyệt đối của lưu lượng kế ít quan trọng hơn. Miễn là bạn có một cảm biến ổn định và đáng tin cậy với đầu ra tín hiệu tuyến tính, bạn luôn có thể tính toán tỷ lệ phần trăm. Giá trị tuyệt đối không liên quan nếu cảm biến ổn định. Giảm bốn phần trăm (4%) lưu lượng trên đường ống chính có nghĩa là giảm 4% năng lượng, nếu bộ điều khiển chính có thể giữ cho máy nén hoạt động ở cùng mức hiệu suất. Ngoài ra, dải động của đồng hồ đo lưu lượng rất quan trọng, đó là lý do tại sao không nên sử dụng đồng hồ đo lưu lượng xoáy và đồng hồ đo lưu lượng theo chênh lệch áp suất cho ứng dụng này. Thermal Mass Flowmeter có khả năng phạm vi vượt trội cho phép phát hiện rò rỉ đúng cách.

Kết luận

Khi giám sát KPI, các cảm biến yêu cầu và độ chính xác của cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng. Điều quan trọng là phải hiểu tác động của độ chính xác của cảm biến đối với KPI được tính toán, để diễn giải chúng một cách chính xác. Khi lựa chọn cảm biến, bạn cần biết ảnh hưởng của chúng đến tổng ngân sách lỗi, để đưa ra lựa chọn phù hợp.

Đối với một số KPI như tỷ lệ phần trăm rò rỉ, độ chính xác tuyệt đối của cảm biến dòng chảy ít quan trọng hơn. Ngoài ra, đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt (thermal mass flowmeter) phù hợp hơn cho việc giám sát rò rỉ so với đồng hồ đo chênh lệch áp suất hoặc dòng xoáy. Hệ thống giám sát tiên tiến có thể giúp tính toán và cảnh báo tự động khi KPI bắt đầu đi chệch khỏi mức mục tiêu.

Cảm ơn bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết được dịch từ website: VPInstrument

Bài viết cùng chuyên mục:

  1. Đồng hồ đo lưu lượng khí nén giúp giảm chi phí năng lượng như thế nào?
  2. 6 điểm cần lưu ý khi áp dụng tiêu chuẩn ISO8573-1 trong cơ sở sản xuất
  3. Điểm sương (dew point) trong khí nén – Những câu hỏi thường gặp
  4. Hiệu suất khí nén là gì? Tại sao cần quan tâm đến

Thư viện bài viết:

Chia sẻ cho Bạn của Bạn!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *