Principes de mesure des indicateurs clés de performance (KPI) des réseaux d'air comprimé
Les indicateurs clés de performance (KPI) du réseau d'air comprimé permettent de suivre et d'améliorer les performances de votre installation.
Par Pascal van Putten, PDG de VPInstruments.
On sait qu'environ 15 % de l'énergie électrique consommée par les compresseurs d'air est convertie en air comprimé. Les 85 % restants sont perdus sous forme de chaleur. Malgré ce faible rendement, l'air comprimé reste une ressource très prisée dans de nombreux secteurs industriels. Les utilisateurs de systèmes d'air comprimé sont confrontés au défi d'optimiser le rendement et de réduire autant que possible les coûts associés (énergie, maintenance). C'est pourquoi le suivi des bons indicateurs clés de performance (KPI) est aujourd'hui indispensable pour tout gestionnaire de l'énergie ou propriétaire d'usine. Dans cet article, nous expliquons comment les principaux KPI peuvent être surveillés, et nous examinerons de plus près quelques KPI clés : le rendement, la perte de charge et les fuites.
Les indicateurs clés de performance (KPI) sont des variables ou des mesures permettant d'évaluer et d'analyser de manière ciblée les performances des organisations, des machines et/ou des processus. Par exemple, un KPI peut correspondre à un certain volume de production par unité de temps, mais aussi au bénéfice réalisé par une entreprise sur un produit spécifique.
Un tableau de bord KPI s'apparente au poste de pilotage simplifié d'un avion. Il fournit en temps voulu les informations pertinentes sur lesquelles vous pouvez vous appuyer pour prendre des décisions. Par exemple : si le rendement global du système n'est pas au rendez-vous, vous pouvez examiner de plus près les réglages de votre contrôleur principal. Si la consommation est nettement supérieure à la normale ou si vous constatez un problème de pression, vous devez inspecter vos lignes de production ou discuter avec les opérateurs de l'usine. Si le point de rosée est anormal, réparez ou entretenez le sécheur, ou vérifiez s'il est correctement dimensionné. Pour chaque problème, il existe de nombreuses solutions et les indicateurs clés de performance (KPI) vous indiqueront rapidement si la solution mise en œuvre était la bonne. De plus, les KPI peuvent être utilisés pour calculer le retour sur investissement d'un futur investissement. Ils vous aideront ainsi à prévoir vos futurs coûts énergétiques liés à l'air comprimé.
Pour les systèmes d'air comprimé, voici quelques indicateurs clés de performance (KPI) importants :
- Efficacité
- Point de rosée
- Taux de fuite
- Perte de charge
- Coût par produit/pièce fabriquée
La puissance spécifique (rendement), le taux de fuite et la perte de charge constituent un bon point de départ pour tout système d'air comprimé ; c'est pourquoi cet article se penchera plus en détail sur ces trois indicateurs clés de performance : quels sont les facteurs qui les influencent, comment les mesurer et comment les interpréter.
Indicateur clé de performance : Puissance/rendement spécifique du compresseur
La puissance spécifique d'un compresseur d'air correspond au rapport entre le débit de sortie du compresseur (la quantité d'air comprimé produite) et sa consommation électrique. Cet indicateur clé de performance (KPI) est donc calculé en divisant la puissance absorbée par le débit de sortie, et s'exprime en kW/100 cfm ou en kW/m³/min.
La puissance spécifique est importante dans les situations suivantes :
- Gestion des actifs : lorsque le rendement commence à s'écarter de la situation initiale, cela peut être considéré comme un signe avant-coureur (par exemple, la nécessité de remplacer un filtre sur une centrifugeuse ou l'encrassement interne des échangeurs de chaleur).
- Débit d'air : dans ces contrats, le rendement constitue un élément essentiel de l'accord. Le compresseur doit fournir un débit d'air X prédéfini pour une consommation électrique Y.
- Conformité : La surveillance permanente revêt une importance croissante à l'échelle mondiale pour atteindre les objectifs environnementaux et de réduction des émissions de CO2. Dans ce contexte, les gouvernements jouent également un rôle crucial grâce à des législations telles que le Titre 24 en Californie et la directive sur l'efficacité énergétique en Europe.
- Essais de réception : lors des essais d'un compresseur en laboratoire (ISO 1217).
- Optimisation du système de contrôle : le rendement d'un ensemble donné de compresseurs pilotés par un contrôleur principal doit correspondre à la moyenne de référence du secteur.
Rendement global d'une station de compression par rapport à celui des machines individuelles
Lorsque le budget alloué à l'instrumentation est limité, il est possible d'utiliser un seul débitmètre pour surveiller l'ensemble des compresseurs. Cela implique de mesurer la consommation électrique de chaque compresseur et le débit sur la conduite principale, c'est-à-dire en aval des sécheurs et du réservoir tampon. L'avantage de placer le débitmètre sur la conduite principale est que la consommation réelle d'air comprimé de l'installation est également surveillée. Ces informations peuvent être utilisées pour détecter les fuites et pour créer une « empreinte » de la demande en air à l'aide d'une fonction histogramme.
Dans ce scénario, il est important de calculer la consommation moyenne sur une période suffisamment longue, puis de la diviser par la consommation électrique moyenne, car les phases de chargement et de déchargement entraînent des fluctuations de cet indicateur de performance clé. Les plateformes modernes de gestion de l'énergie permettent d'affiner encore davantage cette analyse, en distinguant la consommation électrique en phase de « chargement » de celle en phase de « déchargement », puis en divisant le résultat par le débit de manière appropriée. Nous vous recommandons de représenter graphiquement le rendement en fonction de la demande en air, afin de vérifier si votre système fonctionne de manière optimale.
Pour obtenir les données détaillées nécessaires à l'optimisation des commandes des compresseurs, il convient de mesurer le débit au niveau de chaque compresseur. Il faut accorder une attention particulière au choix et à l'installation des débitmètres, compte tenu des conditions difficiles qui règnent dans la conduite de refoulement du compresseur.
En fonction des objectifs, il est possible de surveiller le rendement de l'ensemble de la salle des compresseurs, y compris les équipements de traitement de l'air, ou celui de chaque compresseur pris individuellement.
Incertitude totale de mesure. Propagation des erreurs. Un sujet ennuyeux ?
Incertitude totale de mesure. Propagation des erreurs. Pour beaucoup d'entre nous, ce sont là des sujets que nous laissons aux mathématiciens. Ils revêtent pourtant une importance capitale lorsqu'il s'agit d'analyser des données de mesure. En particulier lorsqu'il s'agit de décisions d'investissement importantes concernant des compresseurs d'air, ce sujet ne doit pas être sous-estimé, et il convient d'apporter le plus grand soin à la comparaison des chiffres de rendement.
Par conséquent, lors du suivi du rendement, il est important de déterminer quel niveau de précision est acceptable. Le niveau de précision requis dépend de l'application et de la taille de l'installation. Le schéma ci-dessous présente une carte relationnelle (simplifiée) entre tous les paramètres concernés, afin de donner une idée de la complexité de la mesure du rendement dans les compresseurs volumétriques (c'est-à-dire à piston, à vis ou à spirale). La norme ISO 1217 fournit des informations supplémentaires sur ce sujet et renvoie à d'autres directives qui expliquent comment interpréter les résultats, les intervalles de confiance, le type de débitmètres à utiliser, etc.
L'incertitude totale de mesure d'une mesure quelconque est définie comme la variation statistique d'une grandeur mesurée. Pour plus d'informations à ce sujet, nous renvoyons au « GUM » (Évaluation des données de mesure – Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure, 2008).
Figure 1. Diagramme de flux relationnel illustrant comment mesurer le rendement d'un compresseur volumétrique. Ce diagramme présente tous les paramètres en jeu et explique comment ils influencent le rendement mesuré.
Les erreurs systématiques et leur propagation
Chaque signal mesuré comporte sa propre incertitude. Quel est donc l'effet d'une erreur systématique sur le rendement mesuré ? Prenons un exemple simple. Nous voulons vérifier le rendement d'une machine de 44 kW fonctionnant à pleine charge. Nous avons utilisé un wattmètre (précision de ± 1 %) et un débitmètre (précision de ± 5 %). Quelle est l'erreur maximale du rendement ?
|
|
Valeur maximale |
Valeur nominale |
Valeur minimale |
Unité |
| Flux |
262.5 |
250 |
237.5 |
SCFM |
| Puissance |
43.6 |
44 |
44.4 |
kW |
| Efficacité |
16.6 |
17.6 |
18.7 |
kW/100 SCFM |
| Erreur |
-6% |
|
6% |
Comme le montre le tableau, en poussant les erreurs systématiques à l'extrême, le rendement observé peut être de 16,6, 17,6 ou 18,7 kW/100 SCFM. Cela correspond à une variation de +/- 6 %. Supposons maintenant que le fabricant ait testé le compresseur de 250 CFM : l'écart admissible du rendement est également de 6 % (voir la fiche CAGI). Dans le pire des cas, vous auriez pu acheter un compresseur présentant un écart de -6 % sur le débit de sortie. Lorsque vous mesurez cela à l'aide d'une sonde à insertion (+/- 5 %), vous devez veiller à ne pas conclure hâtivement que le compresseur est défectueux ou que le débitmètre est correct, et vice versa.
Quel est l'impact d'un taux de rendement erroné sur les coûts annuels estimés ? Dans cet exemple, avec un coût de 0,06 $/kWh et 8 760 heures de fonctionnement annuelles, la « tolérance financière » est de +/- 1 400 USD par an pour ce compresseur. Cela peut avoir un impact sur votre prise de décision : toute décision (majeure) fondée sur des économies d'énergie inférieures à +/- 1 400 USD pourrait reposer sur des erreurs systématiques, et serait donc une « mauvaise » décision. S'il s'agissait de l'altimètre d'un avion et que vous étiez le pilote aux commandes… que feriez-vous si l'altimètre avait une précision de +/- 140 pieds ? Vous voudriez probablement rester à une altitude minimale de 280 pieds (2 fois l'erreur). Et cela s'applique également à la prise de décision concernant ce compresseur ; si les coûts prévisionnels liés à un mauvais rendement dépassent 2 800 USD/an, il est temps d'agir.
Pour en savoir plus sur trois autres indicateurs clés de performance (KPI), consultez l'article original sur les bonnes pratiques en matière d'air comprimé.
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