Monitorização de sistemas de ar comprimido para aumentar o desempenho

As métricas de base utilizadas para monitorizar os sistemas de ar comprimido incluem o caudal, a potência, a pressão, o desempenho da produção e outras variáveis relevantes que afectam a utilização do ar comprimido na instalação industrial. Estes dados avaliam as médias de tendência para desenvolver parâmetros de Indicador Chave de Desempenho (KPI) e Indicador de Desempenho Energético (EnPI) para estabelecer o desempenho esperado do ano base. Iremos agora analisar a aplicação, avaliação e análise das métricas de desempenho do sistema de ar comprimido para fornecer as informações necessárias para ajudar a melhorar a eficiência do fornecimento de ar comprimido.

De acordo com os fundamentos dos sistemas de ar comprimido, a linha de base envolve medições que determinam a eficácia do sistema de ar comprimido em atender as cargas de forma eficiente. A eficiência energética do sistema para avaliação do sistema de ar comprimido, num determinado nível de produção, requer duas medições importantes:

• A quantidade total de recursos energéticos primários utilizados para gerar a quantidade total de ar comprimido consumido.

• A quantidade total de ar comprimido consumido para um determinado nível de produção.

A monitorização dos sistemas de ar comprimido envolve a medição para estabelecer o desempenho atual do sistema, a fim de poder fazer uma avaliação do desempenho. auditoria bem sucedida do sistema de ar comprimido. O desempenho do ano de referência é estabelecido antes da aplicação de alterações destinadas a melhorar o desempenho e a eficiência energética. A avaliação pós-implementação, normalmente conhecida como Avaliação, Medição e Verificação (EM&V), avalia a eficácia dessas alterações.

Três oportunidades para reduzir a energia

A otimização do consumo de energia e do desempenho do sistema inclui três oportunidades fundamentais:

1. Melhorar a eficiência do fornecimento de ar comprimido.

2. Eliminar as perdas de pressão irrecuperáveis e reduzir a pressão de descarga do compressor de ar.

3. Reduzir o consumo de ar comprimido através da eliminação de resíduos.

Para cada uma das três áreas de oportunidade, podem ser monitorizados EnPIs ou KPIs adequados para quantificar os parâmetros de desempenho e identificar oportunidades de poupança.

Indicador de desempenho Monitorização do equilíbrio entre a produção e a procura de ar comprimido

Os indicadores de desempenho listados abaixo são medidas de desempenho comuns relacionadas com a eficiência do fornecimento de ar comprimido.

• Melhorar a eficiência da produção do lado do equipamento de compressão com uma estratégia de controlo melhorada e um equilíbrio entre a produção e a procura.

KPI Q(fl) = scfm - Caudal de ar a plena carga de todos os compressores de ar em funcionamento.

KPI Q(avg) = scfm - Caudal médio de ar fornecido ao sistema.

KPI Q(pico) = scfm - Caudal máximo de ar fornecido ao sistema.

EnPI SP = kW/100 scfm - Potência específica.

EnPI CASE = scf/kWh - Índice de eficiência do fornecimento de ar comprimido CASE.

A avaliação dos KPIs para as seguintes condições de funcionamento indica uma possível oportunidade de melhorar o equilíbrio entre a oferta e a procura para obter poupanças de energia:

• A capacidade a plena carga dos compressores de ar em funcionamento Q(fl) é superior à procura média de ar Q(avg).

• A capacidade a plena carga dos compressores de ar em funcionamento Q(fl) é superior à necessidade máxima de ar Q(pico).

• A capacidade a plena carga dos compressores de ar em funcionamento Q(fl) é tão grande que vários compressores de ar funcionam a uma capacidade de carga parcial, de modo que um ou mais compressores de ar podem ser desligados enquanto a unidade que permanece em funcionamento pode suprir a procura de ar do sistema Q(sys), embora continuando a funcionar a uma capacidade inferior à de plena carga Q(fl).

Extração de dados médios horários de funcionamento para monitorização de compressores de ar industriais

A exploração de dados e a análise dos indicadores de desempenho podem fornecer informações e um ponto de partida para investigar oportunidades de melhorar a estratégia de controlo. A medição dos dados de base relativos ao caudal, à potência e à pressão deve ser efectuada a intervalos frequentes.

Para permitir uma análise dinâmica dos eventos do sistema e da resposta do controlo do compressor de ar, são normalmente utilizados intervalos de 1 a 10 segundos. Os KPIs e EnPIs são calculados como médias das medições de referência. Por exemplo, os dados de desempenho apresentados na figura abaixo representam o desempenho médio por hora dos dados de referência medidos utilizando uma taxa de amostragem de 100 milissegundos e um intervalo de dados de seis segundos.

A eficiência do sistema de fornecimento de ar comprimido às 4:00 da manhã é de 19,1 kW/100 scfm e 314,8 scf/kWh. Em comparação, às 17:00 horas, a potência específica EnPI SP é de 30,0 kW/100 scfm e EnPI CASE é de 200,3 scf/kWh. Isto representa uma diminuição de 36% na eficiência de fornecimento do sistema entre as 4:00 e as 17:00. Qual é a diferença? A pesquisa mostra que a pressão média de descarga do compressor de ar aumentou em 14,7 psi. A comparação dos KPI's Q(fl) e Q(avg) mostra que o equilíbrio entre a oferta e a procura [Q(fl) menos Q(avg)] é ligeiramente superior quando a eficiência é inferior. Existe apenas uma diferença de 257 scfm; 1.212 scfm de capacidade extra a funcionar às 4:00 da manhã e 1.469 scfm às 5:00 da tarde.

Uma investigação mais aprofundada do desempenho dinâmico mostraria que, durante o período mais eficiente, há quatro compressores de ar a funcionar. Três das quatro unidades estão a fornecer perto de 100% da sua capacidade. O quarto compressor de ar está a funcionar entre 65% e 85% da sua capacidade total. Durante o período menos eficiente, há três compressores de ar em funcionamento. Um compressor de ar está a funcionar continuamente sem carga e a consumir 46 kW de energia, sem fornecer ar comprimido ao sistema. Este compressor de ar deve ser parado.

Perfis de desempenho diários para melhorar os resultados anuais

Muitas avaliações de sistemas de ar comprimido apresentam o período de referência dos dados como uma média anual sem ter em conta as diferenças de perfil resultantes entre períodos de funcionamento típicos. Além disso, a análise das medidas de eficiência energética é frequentemente aplicada como uma melhoria média no funcionamento médio anual, sem ter em conta as variações normais de desempenho.

É essencial que a análise de desempenho seja suficientemente granular para modelar adequadamente o funcionamento efetivo do sistema. As variações no desempenho e os resultados das medidas de eficiência energética não são proporcionais. Por exemplo, nos dados acima, a potência total média é de 488,2 kWh e a potência específica média é de 24,3 kW/100 cfm. Ao meio-dia, a potência específica é igual à média de 24,3 kW/100 cfm, enquanto a potência total é de 579,2 kWh, o que é muito superior à média. Por outro lado, às 5:00 da manhã, quando a potência total média é de 486,8 kWh, que é próxima da média de 488,2 kWh; a potência específica média é de 21,9 kW/100 cfm, muito inferior à média de 24,3 kW/100 cfm. As características de desempenho da potência versus caudal para os controlos de capacidade dos compressores de ar não são lineares. Por conseguinte, é necessária uma análise granular do desempenho para obter resultados válidos.

Além disso, é improvável que todos os dias de funcionamento de qualquer unidade de produção se repitam exatamente todos os dias do ano. Os parâmetros anuais de desempenho KPI e EnPI são apresentados na figura. As estatísticas do perfil de funcionamento para os resultados anuais do ano de referência são apresentadas para 24 horas por dia, sete dias por semana e 52 semanas por ano. É provável que o desempenho real do ano de referência deste sistema seja muito diferente dos resultados descritos.

Identificação dos períodos de funcionamento

Para melhorar a precisão dos resultados do EnPI do ano de referência, podem ser utilizados perfis diários de caudal e potência para identificar períodos de funcionamento típicos. Comparando os gráficos dos perfis de funcionamento diários, como se vê abaixo, foram identificados três gráficos de períodos de funcionamento típicos:

• A produção n.º 1 tem uma potência horária média (kW) ligeiramente inferior, especialmente durante a noite.

• O período de funcionamento típico da produção n.º 2 tem, em comparação, kW ligeiramente mais elevados.

• Os períodos de funcionamento típicos de sexta-feira, sábado e domingo têm uma potência horária média (kW) semelhante.

O rendimento anual é projetado através da atribuição do tempo de funcionamento anual total para cada período de funcionamento típico. Por exemplo, utilizando os períodos de funcionamento típicos identificados na figura acima, e assumindo 50 semanas (350 dias) por ano de funcionamento, ao período de funcionamento típico de sexta-feira - sábado - domingo seriam atribuídos 150 dias de funcionamento. Assim, se forem esperados mais 20% períodos de funcionamento típicos para a Produção #1 do que para a Produção #2, à Produção #1 seriam atribuídos 110 dias e à Produção #2 seriam atribuídos 90 dias.

A extração de dados e a identificação de períodos de funcionamento típicos, combinadas com uma maior granularidade da análise de dados, melhoram a precisão das projecções anuais do desempenho do ano de referência. Quando as EEM são avaliadas com a mesma granularidade e períodos de funcionamento típicos da análise do ano de referência, as projecções de poupança de energia e de custos são mais realistas e fiáveis do que quando se utilizam apenas dados médios sem ter em conta as condições reais de funcionamento.

Extração de dados para a seleção do compressor de ar de tamanho adequado

O sistema mostrado na Figura 2 tem uma demanda máxima de ar de 1.400 acfm. O projeto proposto é de três compressores de ar de 150 cavalos de potência (hp) com uma capacidade de 750 scfm cada a 100 psig (110 psig de caudal máximo) e controlo de carga/descarga, para carga de base/limitação/e capacidade de reserva. Esta parece ser uma seleção de tamanho razoável? O tamanho do compressor de ar de 750 cfm é o melhor equilíbrio entre a oferta e a procura? Qual é a gama normal de caudal de ar necessário para o sistema? Qual é a procura de ar e durante que parte das horas de funcionamento? A extração de dados de caudal de base e a sua análise através de um gráfico de histograma permitir-nos-á conhecer as variações normais na procura de ar comprimido e nas horas de funcionamento com diferentes necessidades de ar.

O que é um gráfico de histograma? Um histograma é um tipo de gráfico de barras que é utilizado para ordenar números e determinar quantas vezes cada número aparece. Por exemplo, vamos lançar os dados. Começamos com 999 dados e lançamos os dados para ver quantas vezes o número é 1 ou 2, quantas vezes é 3 ou 4 e quantas vezes é 5 ou 6. O histograma começa com três caixas rotuladas "1 - 2", "3 - 4" e "5 - 6" e, depois de lançarmos cada dado, colocamo-lo na caixa correspondente ao número que saiu. Se fizermos isto 999 vezes, devem ficar 333 dados em cada casa. O gráfico do histograma seria simplesmente constituído por três barras, uma representando cada quadrado, e a altura de cada barra seria igual a 333, o número de dados no quadrado.

Considere um sistema com dados de caudal de base medidos uma vez a cada seis segundos durante 13 dias (187.200 pontos de dados de medição de caudal). Os dados num intervalo de seis segundos captam o desempenho dinâmico, incluindo aumentos e diminuições rápidas do caudal de ar. Para a análise do histograma, pretendemos um caudal mais médio, como o que seria fornecido pelos compressores de ar. Assim, o primeiro passo é calcular uma média de um minuto dos dados de seis segundos, resultando em 18.720 leituras de caudal médio, como se mostra na figura abaixo. Para o gráfico do histograma, os intervalos foram atribuídos em incrementos de 100 cfm até 1.400 scfm. Esperamos que um número igual de medições de caudal caia em cada caixa de 100 cfm, como no caso dos dados? Claro que não, o caudal de ar não é aleatório como os dados.

O histograma que classifica 18.720 leituras de fluxo mostrado na figura revela que o fluxo mais baixo está entre 300 e 400 scfm (apenas 13 leituras, 0,1% são inferiores), e as leituras de fluxo mais altas são 300 pontos de dados (1,6%) estão entre 1.300 e 1.400 scfm.

Qual das três selecções de tamanho de compressor de ar abaixo é o "tamanho correto"?

Que informações são obtidas para os nossos três compressores de ar de 150 hp e 750 scfm com seleção de carga base/limite/reserva a partir do histograma dos dados de referência do caudal de ar comprimido? O desempenho é de 750 scfm a 100 psig (caudal máximo de 110 psig) e potência do pacote de 129,9 kW.

• O caudal de ar está na gama de 400 - 600 scfm para 35,0% de tempo de funcionamento. Utilizando um compressor de ar de 750 scfm, a necessidade de ar é de 53 a 80% da capacidade de carga total durante 35% do tempo.

• O caudal de ar é de 700 a 900 scfm durante 32% de tempo de funcionamento. Quando o compressor de ar simples de 750 scfm não tem capacidade suficiente, o segundo compressor de ar de 750 scfm arranca e funciona entre 0 e 20% de capacidade de carga total.

Em alternativa, considere um sistema com três compressores de ar de 125 CV que fornecem 620 scfm a 100 psig (110 psig de caudal de pico) e 107,4 kW de potência do conjunto a plena carga (FL).

• O caudal de ar está na gama de 400 - 600 scfm para 35,0% de tempo de funcionamento. Utilizando um compressor de ar de 620 scfm, a necessidade de ar é de 65 a 97% da capacidade de carga total durante 35% do tempo.

• O caudal de ar é da ordem dos 700 a 900 scfm durante 32% de tempo de funcionamento. Quando o compressor de ar único de 620 scfm não tem capacidade suficiente, o segundo compressor de ar de 620 scfm arranca e funciona entre 13 e 45% de capacidade de carga total.

• Dois compressores de ar de 620 scfm abasteceriam o sistema durante 93,5% das horas de funcionamento. Os restantes 6,5% do tempo seriam necessários todos os três compressores de ar. Se for necessária uma capacidade de reserva para cobrir 100% do tempo de funcionamento, será necessária uma capacidade adicional de compressor de ar.

Por último, tendo em conta o futuro aumento da procura de ar, propõe-se o funcionamento de dois compressores de ar de 200 CV com uma terceira máquina como capacidade de reserva. O desempenho é de 1.030 scfm a 100 psig (110 psig de caudal máximo) e 170,8 kW de potência do pacote.

A utilização de energia foi calculada para cada um dos três sistemas e os resultados são apresentados na tabela abaixo. Para cada caixa no histograma, a utilização de energia é calculada com base na necessidade média de ar, por exemplo, para a caixa de 400 - 500 scfm é utilizada uma necessidade de ar de 450 scfm. Os cálculos de energia baseiam-se na utilização do controlo da capacidade de carga/descarga, assumindo três galões de volume de armazenamento por cfm de definição do tamanho do compressor de ar. A coluna da direita é calculada com cinco galões por cfm de armazenamento, que é o mesmo volume (3.100 galões) necessário para o sistema com três compressores de ar de 200 hp.

Utilizando a informação obtida através da análise do histograma do caudal de ar do sistema, determina-se que o sistema de compressores de ar de 125 CV poupará 8.100 dólares por ano em comparação com o sistema que utiliza compressores de ar de 150 CV. Os compressores de ar maiores são normalmente seleccionados com base na expansão desconhecida e no aumento futuro da procura de ar. O sistema que utiliza compressores de ar de 200 hp custará mais $9.200 por ano em eletricidade do que o sistema de 125 hp. Durante um período de cinco anos, o dimensionamento correto permitirá poupar entre $40.000 e $46.000. No futuro, se a capacidade adicional do compressor de ar for realmente necessária, a economia de energia poderia praticamente pagar por um novo compressor de ar.

Extração de dados: informações e conhecimentos valiosos

Como se viu, a monitorização dos sistemas de ar comprimido produziu os seguintes resultados:

• Identificaram uma estratégia de controlo melhorada para desligar um compressor de ar que funcionou sem carga durante longos períodos de tempo.

• O desempenho do ano de referência foi melhorado através da identificação de períodos de funcionamento típicos.

• Foram fornecidas informações para selecionar o compressor de ar de tamanho adequado com o equilíbrio mais eficiente entre a oferta e a procura.

A prospeção de dados das medições de desempenho do sistema de ar comprimido pode desbloquear o vasto conjunto de dados de referência para fornecer informações valiosas e conhecimentos fascinantes sobre outras áreas da conceção, desempenho e eficiência do sistema de ar comprimido. A análise dinâmica do desempenho pode identificar oportunidades de armazenamento de ar. Os dados do perfil de pressão podem identificar perdas de pressão irrecuperáveis e oportunidades para reduzir a pressão de funcionamento do compressor de ar. O desperdício de ar comprimido, especialmente as perdas por procura artificial, pode ser identificado e avaliado.