Monitoreo de sistemas de aire comprimido para incrementar el rendimiento

Las métricas de referencia que se utilizan para el monitoreo de sistemas de aire comprimido incluyen el caudal, la potencia, la presión, el rendimiento de la producción y otras variables relevantes que afectan al uso del aire comprimido dentro de la planta industrial. Estos datos evalúan los promedios de las tendencias para desarrollar los parámetros del Indicador Clave de Rendimiento (KPI) y del Indicador de Rendimiento Energético (EnPI) y así establecer el rendimiento esperado del año base. A continuación veremos la aplicación, evaluación y análisis de las métricas de funcionamiento de un sistema de aire comprimido para proporcionar la información necesaria que ayude a mejorar la eficiencia del suministro de aire comprimido.

De acuerdo con los fundamentos de los sistemas de aire comprimido, la línea de base implica la realización de mediciones que determinan la eficacia del sistema de aire comprimido para satisfacer las cargas de forma eficiente. La eficiencia energética del sistema para la evaluación del sistema de aire comprimido, en un nivel determinado de producción, requiere dos medidas importantes:

• La cantidad total de recursos energéticos primarios utilizados para generar la cantidad total de aire comprimido consumido.

• La cantidad total de aire comprimido consumido para un nivel determinado de producción.

El monitoreo del sistemas de aire comprimido implica la medición para establecer el funcionamiento actual del sistema y poder realizar una auditoría del sistema de aire comprimido con éxito. El rendimiento del año base se establece antes de implementar cambios para mejorar el rendimiento y la eficiencia energética. La evaluación posterior a la implementación, comúnmente conocida como Evaluación, Medición y Verificación (EM&V), evalúa la eficacia de estos cambios.

Tres oportunidades para reducir la energía

La optimización del consumo de energía y del rendimiento del sistema incluye tres oportunidades fundamentales:

1. Mejorar la eficiencia del suministro de aire comprimido.

2. Eliminar las pérdidas de presión irrecuperables y reducir la presión de descarga del compresor de aire.

3. Reducir el consumo de aire comprimido mediante la eliminación de residuos.

Para cada una de las tres áreas de oportunidad, se pueden monitorizar los EnPI o KPI adecuados para cuantificar los parámetros de funcionamiento e identificar las oportunidades de ahorro.

Monitoreo de Indicadores de rendimiento del equilibrio entre la producción de aire comprimido y la demanda

Los indicadores de rendimiento que figuran a continuación son medidas comunes de rendimiento relacionadas con la eficiencia del suministro de aire comprimido.

• Mejorar la eficiencia de la generación del lado de los equipos de compresión con una estrategia de control mejorada y un equilibrio entre la producción y la demanda.

KPI Q(fl) = scfm – Flujo de aire a plena carga de todos los compresores de aire en funcionamiento.

KPI Q(avg) = scfm – Caudal medio de aire suministrado al sistema.

KPI Q(pico) = scfm – Caudal de aire máximo suministrado al sistema.

EnPI SP = kW/100 scfm – Potencia específica.

EnPI CASE = scf/kWh – Índice CASE de eficiencia del suministro de aire comprimido.

La evaluación de los KPI para las siguientes condiciones de funcionamiento indica una posible oportunidad de mejorar del equilibrio entre la oferta y la demanda para conseguir un ahorro de energía:

• La capacidad a plena carga de los compresores de aire en funcionamiento Q(fl) es mayor que la demanda media de aire Q(avg).

• La capacidad a plena carga de los compresores de aire en funcionamiento Q(fl) es mayor que la demanda máxima de aire Q(pico).

• La capacidad a plena carga de los compresores de aire en funcionamiento Q(fl) es tan grande que varios compresores de aire funcionan a capacidad de carga parcial, de manera que uno o más compresores de aire pueden apagarse mientras la unidad que permanece en funcionamiento puede suministrar la demanda de aire del sistema Q(sys) mientras sigue funcionando como menos de la capacidad a plena carga Q(fl).

Extracción de datos de funcionamiento medio por hora para el monitoreo de compresores de aire industriales

La extracción de datos y la revisión de los indicadores de rendimiento pueden proporcionar información y un punto de partida para investigar las oportunidades de mejorar la estrategia de control. La medición de datos de referencia de flujo, potencia y presión debe realizarse a intervalos de datos frecuentes.

Para permitir el análisis dinámico de los eventos del sistema y la respuesta del control del compresor de aire, se utilizan normalmente intervalos de 1 a 10 segundos. Los KPI y los EnPI se calculan como promedios de las mediciones de referencia. Por ejemplo, los datos de rendimiento mostrados en la siguiente figura representan el rendimiento medio por hora de los datos de referencia medidos utilizando una tasa de muestreo de 100 milisegundos y un intervalo de datos de seis segundos.

La eficiencia del sistema de suministro de aire comprimido a las 4:00 am es de 19,1 kW/100 scfm y 314,8 scf/kWh. En comparación, a las 5:00 pm, la potencia específica EnPI SP es de 30,0 kW/100 scfm y la EnPI CASE es de 200,3 scf/kWh. Esto supone un descenso del 36% en la eficiencia del suministro del sistema entre las 4:00 am y las 5:00 pm. ¿Cuál es la diferencia? La investigación muestra que la presión media de descarga del compresor de aire ha aumentado en 14,7 psi. La comparación de los KPI’s Q(fl) y Q(avg) muestra que el balance oferta/demanda [Q(fl) menos Q(avg)] es ligeramente mayor cuando la eficiencia es menor. Sólo hay 257 scfm de diferencia; 1.212 scfm de capacidad extra operando a las 4:00 am y 1.469 scfm a las 5:00 pm.

Una investigación más profunda del rendimiento dinámico mostraría que durante el tiempo más eficiente hay cuatro compresores de aire funcionando. Tres de las cuatro unidades están entregando cerca del 100% de su capacidad. El cuarto compresor de aire está funcionando entre el 65% y el 85% de su capacidad total. Durante el tiempo menos eficiente hay tres compresores de aire en funcionamiento. Un compresor de aire está funcionando continuamente sin carga y consumiendo 46 kW de potencia mientras no suministra aire comprimido al sistema. Este compresor de aire debería detenerse.

Perfiles de funcionamiento diario para mejorar los resultados anuales

Muchas evaluaciones de sistemas de aire comprimido presentan el período de referencia de los datos como una media anual sin tener en cuenta las diferencias de perfil resultantes entre los períodos de funcionamiento típicos. Además, el análisis de las medidas de eficiencia energética suele aplicarse como una mejora media del funcionamiento medio anual sin tener en cuenta las variaciones normales de rendimiento.

Es esencial que el análisis del rendimiento sea lo suficientemente granular como para modelar adecuadamente el funcionamiento real del sistema. Las variaciones de rendimiento y los resultados de las medidas de eficiencia energética no son proporcionales. Por ejemplo, en los datos anteriores la potencia total media es de 488,2 kWh y la potencia específica media es de 24,3 kW/100 cfm. A mediodía, la potencia específica es igual a la media de 24,3 kW/100 cfm, mientras que la potencia total es de 579,2 kWh, mucho mayor que la media. Por otro lado, a las 5:00 de la mañana, cuando la potencia total media es de 486,8 kWh, que se aproxima a la media de 488,2 kWh; la potencia específica media es de 21,9 kW/100 cfm, mucho menor que la media de 24,3 kW/100cfm. Las características de rendimiento de la potencia frente al caudal para los controles de capacidad de los compresores de aire no son lineales. Por lo tanto, es necesario un análisis granular del rendimiento para obtener resultados válidos.

Además, es poco probable que cada día de funcionamiento en cualquier instalación de fabricación se repita exactamente todos los días del año. Los parámetros de rendimiento KPI y EnPI anuales se muestran en la figura. Las estadísticas del perfil de funcionamiento para los resultados anuales del año base se muestran con 24 horas al día, siete días a la semana y 52 semanas al año. Es probable que el rendimiento real del año base de este sistema sea muy diferente a los resultados descritos.

Identificación de los períodos de funcionamiento

Para mejorar la precisión de los resultados del EnPI del año base, pueden utilizarse los perfiles diarios de caudal y potencia para identificar los periodos típicos de funcionamiento. Al comparar los gráficos de los perfiles de funcionamiento diarios, como se ve a continuación, se han identificado tres gráficas de períodos de funcionamiento típicos:

• La producción nº 1 tiene una potencia media horaria (kW) ligeramente inferior, sobre todo en las horas de la tarde.

• El periodo de funcionamiento típico de la producción nº 2 tiene, en comparación, unos kW ligeramente superiores.

• Los períodos de funcionamiento típicos de viernes, sábado y domingo tienen una potencia media horaria (kW) similar.

El rendimiento anual se proyecta asignando el tiempo total de funcionamiento anual de cada período de funcionamiento típico. Por ejemplo, utilizando los periodos de funcionamiento típicos identificados en la figura anterior, y suponiendo 50 semanas (350 días) al año de funcionamiento, el periodo de funcionamiento típico viernes – sábado – domingo se asignaría a 150 días de funcionamiento. Entonces, si se espera que haya un 20% más de periodos operativos típicos de la Producción nº 1 que de la Producción nº 2; a la Producción nº 1 se le asignarían 110 días y a la Producción nº 2 90 días.

La extracción de datos y la identificación de los periodos típicos de explotación, combinadas con una mayor granularidad del análisis de datos, mejoran la precisión de las proyecciones anuales del rendimiento del año base. Cuando se evalúan los EEM con la misma granularidad y los períodos de funcionamiento típicos del análisis del año base, las proyecciones de ahorro de energía y de costes son más realistas y fiables que cuando se utiliza únicamente el promedio de datos sin tener en cuenta las condiciones de funcionamiento reales.

Extracción de datos para la selección del compresor de aire del tamaño adecuado

El sistema mostrado en la Figura 2 tiene una demanda máxima de aire de 1.400 acfm. El diseño propuesto es de tres compresores de aire de 150 caballos de fuerza (hp) con una capacidad de 750 scfm cada uno a 100 psig (110 psig de flujo máximo) y control de carga/descarga, para carga base/limitación/y capacidad de reserva. ¿Parece esta una selección de tamaño razonable? ¿Es el tamaño de compresor de aire de 750 cfm para el mejor equilibrio entre oferta y demanda? ¿Cuál es el rango normal de flujo de aire requerido para el sistema? ¿Cuánta demanda de aire hay y durante qué parte de las horas de funcionamiento? La extracción de datos de flujo de referencia y el análisis mediante un gráfico de histograma nos permitirán conocer las variaciones normales de la demanda de aire comprimido y las horas de funcionamiento con distintas demandas de aire.

¿Qué es un gráfico de histograma? Un histograma es un tipo de gráfico de barras que se utiliza para ordenar los números y determinar cuántas veces aparece cada número. Como ejemplo, vamos a tirar los dados. Empezamos con 999 dados y tiramos los dados para ver con qué frecuencia el número es 1 o 2, con qué frecuencia es 3 o 4 y con qué frecuencia es 5 o 6. El histograma comienza con tres casillas etiquetadas como «1 – 2», «3 – 4» y «5 – 6» y después de lanzar cada dado lo colocaremos en la casilla correspondiente al número que salió. Si hacemos esto 999 veces, debería haber 333 dados en cada casilla. El gráfico del histograma sería simplemente tres barras, una representando cada casilla y la altura de cada barra sería igual a 333, el número de dados en la casilla.

Consideremos un sistema con datos de flujo de referencia medidos una vez cada seis segundos durante 13 días (187.200 puntos de datos de medición de flujo). Los datos en un intervalo de seis segundos capturarán el rendimiento dinámico, incluyendo los aumentos y disminuciones rápidos del flujo de aire. Para el análisis del histograma queremos un caudal más medio, como el que suministrarían los compresores de aire. Por lo tanto, el primer paso es calcular una media de un minuto de los datos de seis segundos, lo que da como resultado 18.720 lecturas de caudal medio, como se muestra en la figura siguiente. Para el diagrama del histograma, los intervalos se han asignado en incrementos de 100 cfm hasta 1.400 scfm. ¿Esperamos que un número igual de mediciones de flujo caiga en cada casilla de 100 cfm, como en el caso de los dados? Por supuesto que no, el flujo de aire no es aleatorio como lo son los dados.

El histograma que clasifica 18.720 lecturas de flujo que se muestra en la figura revela que el flujo más bajo está entre 300 y 400 scfm (sólo 13 lecturas, el 0,1% son más bajas), y las lecturas de flujo más altas son 300 puntos de datos (1,6%) están entre 1.300 y 1.400 scfm.

¿Cuál de las tres selecciones de tamaño de compresor de aire que aparecen a continuación es el «tamaño correcto»?

¿Qué información se obtiene para nuestros tres compresores de aire de 150 CV y 750 scfm con selección de carga base/limitación/reserva a partir del histograma de los datos de referencia del caudal de aire comprimido? El rendimiento es de 750 scfm a 100 psig (110 psig de caudal máximo) y 129,9 kW de potencia del paquete.

• El flujo de aire está en el rango de 400 – 600 scfm durante el 35,0% del tiempo de funcionamiento. Utilizando un compresor de aire de 750 scfm, la demanda de aire es del 53 al 80% de la capacidad de carga completa durante el 35% del tiempo.

• El flujo de aire está en el rango de 700 a 900 scfm durante el 32% del tiempo de funcionamiento. Cuando el único compresor de aire de 750 scfm no tiene suficiente capacidad, el segundo compresor de aire de ajuste de 750 scfm arrancará y funcionará entre el 0 y el 20% de la capacidad de carga completa.

Como alternativa, considere un sistema con tres compresores de aire de 125 hp que suministran 620 scfm a 100 psig (110 psig de caudal máximo) y 107,4 kW de potencia de paquete a plena carga (FL).

• El flujo de aire está en el rango de 400 – 600 scfm durante el 35,0% del tiempo de funcionamiento. Utilizando un compresor de aire de 620 scfm, la demanda de aire es del 65 al 97% de la capacidad de carga completa durante el 35% del tiempo.

• El flujo de aire está en el rango de 700 a 900 scfm durante el 32% del tiempo de funcionamiento. Cuando el único compresor de aire de 620 scfm no tiene suficiente capacidad, el segundo compresor de aire de ajuste de 620 scfm arranca y funciona entre el 13 y el 45% de la capacidad de carga completa.

• Dos compresores de aire de 620 scfm abastecerían al sistema durante el 93,5% de las horas de funcionamiento. El 6,5% restante del tiempo se necesitarían los tres compresores de aire. Si se necesita una capacidad de reserva para cubrir el 100% del tiempo de funcionamiento, se necesitaría una capacidad adicional de compresores de aire.

Finalmente, teniendo en cuenta el futuro aumento de la demanda de aire, se propone el funcionamiento de dos compresores de aire de 200 CV con una tercera máquina como capacidad de reserva. El rendimiento es de 1.030 scfm a 100 psig (110 psig de caudal máximo) y 170,8 kW de potencia del paquete.

Se ha calculado el uso de energía para cada uno de los tres sistemas y los resultados se muestran en la tabla siguiente. Para cada casilla del histograma, el uso de energía se calcula sobre la demanda de aire media, por ejemplo, para la casilla de 400 – 500 scfm se utiliza una demanda de aire de 450 scfm. Los cálculos energéticos se basan en el uso del control de la capacidad de carga/descarga asumiendo tres galones de volumen de almacenamiento por cfm del tamaño del compresor de aire de ajuste. La columna de la derecha se calcula con cinco galones por cfm de almacenamiento, que es el mismo volumen (3.100 galones) que se requiere para el sistema con tres compresores de aire de 200 hp.

Utilizando la información obtenida mediante el análisis del histograma del flujo de aire del sistema, se determina que el sistema de compresores de aire de 125 CV ahorrará 8.100 dólares al año en comparación con el sistema que utiliza compresores de aire de 150 CV. Los compresores de aire más grandes suelen seleccionarse en función de una expansión desconocida y un futuro aumento de la demanda de aire. El sistema que utiliza compresores de aire de 200 CV costará 9.200 dólares más al año en electricidad que el sistema de 125 CV. En un periodo de cinco años, el dimensionamiento correcto supone un ahorro de entre 40.000 y 46.000 dólares. En el futuro, si se necesita realmente una capacidad adicional de compresores de aire, el ahorro de energía podría prácticamente pagar un nuevo compresor de aire.

Extracción de datos: información y conocimientos valiosos

Como se ha visto, el monitoreo de sistemas de aire comprimido, arrojaron lo siguiente:

• Identificaron una mejora de la estrategia de control para apagar un compresor de aire que funcionaba sin carga durante largos períodos de tiempo.

• Se ha mejorado el rendimiento del año base mediante la identificación de los periodos de funcionamiento típicos.

• Se proporcionó información para seleccionar el compresor de aire del tamaño adecuado con el equilibrio más eficiente entre la oferta y la demanda.

La extracción de datos de las mediciones de rendimiento del sistema de aire comprimido puede desbloquear el vasto conjunto de datos de referencia para proporcionar información valiosa y conocimientos fascinantes en otras áreas del diseño, el rendimiento y la eficiencia del sistema de aire comprimido. El análisis de rendimiento dinámico puede identificar oportunidades de almacenamiento de aire. Los datos del perfil de presión pueden identificar pérdidas de presión irrecuperables y oportunidades para reducir la presión de funcionamiento del compresor de aire. El desperdicio de aire comprimido, especialmente las pérdidas por demanda artificial, puede identificarse y evaluarse.