Messgrundlagen für KPIs in Druckluftsystemen
Kennzahlen für Druckluftsysteme helfen dabei, die Leistung Ihres Systems zu überwachen und zu verbessern.
Von Pascal van Putten, Geschäftsführer von VPInstruments.
Es ist bekannt, dass etwa 15 % der von Luftkompressoren aufgenommenen elektrischen Energie in Druckluft umgewandelt werden. Die restlichen 85 % gehen als Wärme verloren. Trotz dieses geringen Wirkungsgrads ist Druckluft in vielen Branchen nach wie vor ein sehr beliebtes Betriebsmittel. Betreiber von Druckluftsystemen stehen vor der Herausforderung, den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen und die damit verbundenen Kosten (Energie, Wartung) so weit wie möglich zu senken. Daher ist die Überwachung der richtigen Kennzahlen (KPIs) heutzutage ein Muss für jeden Energiemanager oder Anlagenbetreiber. In diesem Artikel erläutern wir, wie die wichtigsten KPIs überwacht werden können, und wir werden uns einige zentrale KPIs genauer ansehen: Wirkungsgrad, Druckverlust und Leckage.
Leistungskennzahlen (KPIs) sind Variablen oder Messgrößen, anhand derer die Leistung von Organisationen, Maschinen und/oder Prozessen gezielt gemessen und analysiert werden kann. Ein KPI kann beispielsweise eine bestimmte Produktionszahl pro Zeiteinheit sein, aber auch der Gewinn, den ein Unternehmen mit einem bestimmten Produkt erzielt.
Ein KPI-Dashboard ist wie ein vereinfachtes Cockpit für einen Flugzeugpiloten. Es liefert rechtzeitig die richtigen Informationen, auf die Sie sich bei Ihren Entscheidungen verlassen können. Ein Beispiel: Wenn die Gesamtsystemeffizienz nicht stimmt, können Sie die Einstellungen Ihres Hauptreglers genauer unter die Lupe nehmen. Wenn der Verbrauch deutlich über dem Normalwert liegt oder Sie ein Druckereignis feststellen, müssen Sie Ihre Produktionslinien überprüfen oder mit den Bedienern im Werk sprechen. Wenn der Taupunkt nicht stimmt, reparieren oder warten Sie den Trockner oder prüfen Sie, ob er richtig dimensioniert ist. Für jedes Problem gibt es viele Lösungen, und die KPIs zeigen Ihnen schnell, ob die umgesetzte Lösung richtig war. Darüber hinaus können KPIs genutzt werden, um den ROI einer zukünftigen Investition zu berechnen. Auf diese Weise helfen sie Ihnen, Ihre zukünftigen Energiekosten im Zusammenhang mit Druckluft vorherzusagen.
Für Druckluftsysteme sind einige wichtige Kennzahlen:
- Effizienz
- Taupunkt
- Leckagerate
- Druckverlust
- Kosten pro hergestelltem Produkt/Teil
Die spezifische Leistung (Wirkungsgrad), die Leckagerate und der Druckverlust sind ein guter Ausgangspunkt für jedes Druckluftsystem. Daher befasst sich dieser Artikel näher mit diesen drei Kennzahlen: Was sie beeinflusst, wie man sie misst und wie man sie interpretiert.
KPI: Spezifische Kompressorleistung/Wirkungsgrad
Die spezifische Leistung eines Luftkompressors ist das Verhältnis zwischen der Kompressorleistung (der erzeugten Druckluftmenge) und der Leistungsaufnahme des Kompressors. Dieser Leistungsindikator (KPI) wird also berechnet, indem die Leistungsaufnahme durch den Durchfluss dividiert wird, und wird in kW/100 cfm oder kW/m³/min angegeben.
Die spezifische Leistung ist in folgenden Situationen von Bedeutung:
- Anlagenmanagement: Wenn die Effizienz von der Ausgangssituation abweicht, kann dies als Frühwarnzeichen gewertet werden (z. B. Notwendigkeit eines Filterwechsels an einer Zentrifuge oder Verschmutzung der Wärmetauscher im Inneren).
- Luft über den Zaun: Bei diesen Verträgen spielt die Effizienz eine wichtige Rolle. Der Kompressor muss für eine bestimmte Menge an elektrischer Energie eine vorgegebene Luftmenge X liefern.
- Compliance: Eine kontinuierliche Überwachung gewinnt weltweit zunehmend an Bedeutung, um Umwelt- und CO₂-Reduktionsziele zu erreichen. In diesem Zusammenhang spielen auch Regierungen eine entscheidende Rolle, beispielsweise durch Rechtsvorschriften wie den „Title 24“ in Kalifornien und die Energieeffizienzrichtlinie in Europa.
- Abnahmetests: beim Testen eines Kompressors im Labor (ISO 1217).
- Optimierung des Steuerungssystems: Die Effizienz einer bestimmten Gruppe von Kompressoren, die von einer übergeordneten Steuerung gesteuert werden, sollte dem branchenüblichen Durchschnittswert entsprechen.
Gesamtwirkungsgrad der Kompressorstation im Vergleich zu einzelnen Maschinen
Wenn das Budget für die Messtechnik begrenzt ist, können Sie einen einzigen Durchflussmesser zur Überwachung aller Kompressoren einsetzen. Dabei wird die Leistungsaufnahme pro Kompressor gemessen und der Durchfluss in der Hauptleitung, d. h. hinter den Trocknern und dem Pufferspeicher. Der Vorteil der Anbringung des Durchflussmessers an der Hauptleitung besteht darin, dass auch der tatsächliche Druckluftverbrauch der Anlage überwacht wird. Diese Informationen können genutzt werden, um Leckagen zu ermitteln und mithilfe einer Histogrammfunktion einen „Fingerabdruck“ des Luftbedarfs zu erstellen.
In diesem Szenario ist es wichtig, den Durchschnittsverbrauch über einen ausreichend langen Zeitraum zu berechnen und diesen durch die durchschnittliche Leistungsaufnahme zu dividieren, da das Be- und Entladen zu Schwankungen des KPI führt. Moderne Energiemanagement-Plattformen können dies noch weiter verfeinern, indem sie die Leistungsaufnahme beim „Beladen“ und beim „Entladen“ aufschlüsseln und diese auf angemessene Weise durch den Durchfluss dividieren. Wir empfehlen, den Wirkungsgrad als Funktion des Luftbedarfs darzustellen, um zu überprüfen, ob Ihr System optimal läuft.
Um die für die Optimierung der Kompressorsteuerung erforderlichen detaillierten Erkenntnisse zu gewinnen, sollte der Durchfluss für jeden einzelnen Kompressor gemessen werden. Aufgrund der rauen Bedingungen in der Druckleitung des Kompressors ist bei der Auswahl und Installation des Durchflussmessers besondere Sorgfalt geboten.
Je nach Zielsetzung kann man entweder die Effizienz des gesamten Kompressorraums einschließlich der Luftaufbereitungsanlagen oder die Effizienz jedes einzelnen Kompressors überwachen.
Gesamtmessunsicherheit. Fehlerfortpflanzung. Ein langweiliges Thema?
Gesamtmessunsicherheit. Fehlerfortpflanzung. Für viele von uns sind das Themen, die wir den Mathematikern überlassen. Bei der Auswertung von Messdaten sind sie jedoch von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei großen Investitionsentscheidungen für Luftkompressoren sollte dieses Thema nicht unterschätzt werden, und beim Vergleich von Wirkungsgradwerten ist größte Sorgfalt geboten.
Bei der Überwachung des Wirkungsgrads ist es daher wichtig zu bestimmen, welches Genauigkeitsniveau akzeptabel ist. Das erforderliche Genauigkeitsniveau hängt von der Anwendung und der Größe der Anlage ab. Das folgende Schema zeigt eine (vereinfachte) Beziehungsübersicht zwischen allen beteiligten Parametern, um einen Eindruck von der Komplexität der Wirkungsgradmessung bei volumetrischen (d. h. Kolben-, Schrauben- und Spiral-) Kompressoren zu vermitteln. In der Norm ISO 1217 finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema sowie andere Richtlinien, die Ihnen erklären, wie Sie Ergebnisse und Konfidenzintervalle interpretieren, welche Art von Durchflussmessern verwendet werden muss und so weiter.
Die Gesamtmessunsicherheit einer Messung ist definiert als die statistische Schwankung einer gemessenen Größe. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im „GUM“ (Bewertung von Messdaten – Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit, 2008).
Abbildung 1. Relationales Flussdiagramm, das veranschaulicht, wie der Wirkungsgrad eines Verdrängerkompressors gemessen werden sollte. Das Diagramm zeigt alle beteiligten Parameter und deren Einfluss auf den gemessenen Wirkungsgrad.
Systematische Fehler und ihre Ausbreitung
Jedes gemessene Signal weist eine eigene Messunsicherheit auf. Wie wirkt sich nun ein systematischer Fehler auf den gemessenen Wirkungsgrad aus? Betrachten wir ein einfaches Beispiel. Wir wollen den Wirkungsgrad einer 44-kW-Maschine bei Volllast überprüfen. Wir haben einen Leistungsmesser (Messwertabweichung ± 1 %) und einen Durchflussmesser (Messwertabweichung ± 5 %) verwendet. Wie groß ist der maximale Fehler des Wirkungsgrads?
|
|
Maximalwert |
Nennwert |
Minimalwert |
Einheit |
| Ablauf |
262.5 |
250 |
237.5 |
SCFM |
| Leistung |
43.6 |
44 |
44.4 |
kW |
| Effizienz |
16.6 |
17.6 |
18.7 |
kW/100 SCFM |
| Fehler |
-6% |
|
6% |
Wie die Tabelle zeigt, kann der gemessene Wirkungsgrad bei extremer Ausprägung der systematischen Fehler 16,6, 17,6 oder 18,7 kW/100 SCFM betragen. Dies entspricht einer Abweichung von +/- 6 %. Nehmen wir nun an, der Kompressorhersteller hat den 250-CFM-Kompressor getestet; die zulässige Abweichung des Wirkungsgrads beträgt ebenfalls 6 % (siehe CAGI-Datenblatt). Im schlimmsten Fall hätten Sie einen Kompressor gekauft, der eine Abweichung von -6 % beim Ausgangsstrom aufweist. Wenn Sie dies mit einer Einstecksonde (+/-5 %) messen, sollten Sie vorsichtig sein und nicht voreilig zu dem Schluss kommen, dass der Kompressor falsch ist oder der Durchflussmesser richtig ist und umgekehrt.
Wie wirkt sich ein falscher Wirkungsgrad auf die geschätzten jährlichen Kosten aus? In diesem Beispiel beträgt bei Kosten von 0,06 $/kWh und 8760 Betriebsstunden pro Jahr die „Geldtoleranz“ für diesen Kompressor +/- 1400 USD jährlich. Dies kann sich auf Ihre Entscheidungsfindung auswirken: Jede (wichtige) Entscheidung, die auf Energieeinsparungen von weniger als +/- 1400 USD basiert, könnte auf systematischen Fehlern beruhen und somit eine „falsche“ Entscheidung sein. Wenn es sich um den Höhenmesser eines Flugzeugs handeln würde und Sie der Pilot wären, der dieses Flugzeug fliegt … was würden Sie tun, wenn der Höhenmesser eine Genauigkeit von +/- 140 Fuß hätte? Sie würden wahrscheinlich mindestens 280 Fuß (das Doppelte des Fehlers) über dem Boden bleiben wollen. Und das gilt auch für Entscheidungen bezüglich dieses Kompressors: Wenn die prognostizierten Kosten aufgrund des schlechten Wirkungsgrads 2800 USD/Jahr übersteigen, ist es an der Zeit, etwas zu unternehmen.
Lesen Sie mehr über drei weitere KPIs im Originalartikel auf „Compressed Air Best Practice“.
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Die permanente Überwachung Ihrer Druckluft und anderer Versorgungsmedien ist der Schlüssel zur Maximierung Ihrer Energieeinsparungen. Wie das obige Beispiel zeigt, bringt dies viele Vorteile mit sich, darunter datenbasierte Investitionsentscheidungen, Alarme, ein gesteigertes Bewusstsein und in einigen Fällen sogar eine Steigerung der Produktion. Unsere Teamexperten bieten Ihnen und Ihrem Team eine kostenlose Online-Präsentation über die Vorteile einer permanenten Überwachung an. Interessiert? Vereinbaren Sie heute noch einen Termin!
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