Un constructeur automobile économise 600 000 dollars par an en coûts énergétiques et améliore la fiabilité de son système d'air comprimé
Une usine automobile de pointe située dans l'ouest des États-Unis tient ses engagements en faveur d'un avenir plus durable, grâce à un audit approfondi de son système d'air comprimé, suivi de la mise en place d'une technologie de contrôle de pointe et de débitmètres permettant une surveillance et une mesure en continu, afin de garantir l'efficacité constante du système.
Ce projet, qui comprenait également l'ajout d'un compresseur d'air de surpression et d'un réservoir de stockage, ainsi que l'installation d'une importante vanne de régulation de pression, permet au constructeur automobile de faire fonctionner moins de compresseurs d'air centrifuges pendant les pics de production. L'usine réalise ainsi une économie de près de 6,1 millions de kWh et de plus de 600 000 dollars par an en coûts énergétiques. Le projet a également donné droit à une remise de 369 374 dollars de la part du fournisseur d'énergie local, ce qui a permis de rentabiliser le projet en six mois, tout en améliorant la fiabilité du système.
Les compresseurs d'air centrifuges assurent l'alimentation en énergie d'un constructeur automobile
L'air comprimé est au cœur des activités de production de l'usine, qui s'étend sur 46 hectares. Il alimente les systèmes pneumatiques utilisés pour contrôler les robots, ainsi que les convoyeurs et les équipements d'emballage. Il est également largement utilisé dans les opérations de peinture, d'estampage et de moulage de plastique.
Avant la modernisation du système d'air comprimé, l'usine du constructeur automobile exploitait sept compresseurs d'air centrifuges situés dans une centrale électrique. Parmi ces compresseurs figuraient six compresseurs centrifuges de 1 250 chevaux-vapeur (ch) et une machine de 700 ch. Le système d'air comprimé comprenait également huit sécheurs frigorifiques, ainsi que quatre réservoirs de stockage de 2 500 gallons et un réservoir de 5 000 gallons.
Les modèles et les caractéristiques techniques des compresseurs d'air sont les suivants :
| Modèle | Pression maximale | Capacité | Nombre d'unités | HP |
| Modèle 1 | 143 psig | 3,723 CFM | 3 | 1250 |
| Modèle 2 | 4,523 CFM | 1 | 1250 | |
| Modèle 3 | 2,612 CFM | 1 | 700 | |
| Modèle 4 | 4,546 CFM | 2 | 1250 |
Au total, sept compresseurs d'air centrifuges Ingersoll Rand sont utilisés pour alimenter la production dans l'usine de 46 hectares de ce constructeur automobile.
En 2016, le constructeur automobile a lancé une initiative interne visant à réaliser des économies d'énergie et à améliorer l'efficacité de ses systèmes d'air comprimé, dont le fonctionnement coûtait alors 1,6 million de dollars par an. La complexité des compresseurs d'air centrifuges, ainsi que leur mode de régulation, ont conduit l'entreprise à solliciter l'aide d'experts en systèmes d'air comprimé.
Un audit révèle une perte importante au niveau du compresseur d'air centrifuge
La première étape vers la réalisation des objectifs de l'usine a consisté en un audit complet du système d'air comprimé réalisé par iZ Systems en collaboration avec ALD, Inc.
Pour mener cet audit, l'équipe a exporté les données du système de surveillance SCADA de l'usine, notamment l'intensité des moteurs, la pression de refoulement, la vanne d'admission et la position de purge de chaque compresseur d'air, afin de déterminer les différents profils de fonctionnement du système. De plus, des capteurs de pression ont été installés en aval des compresseurs d'air et à différents endroits du site afin de surveiller les fluctuations de pression et d'observer la manière dont les systèmes d'air comprimé réagissaient aux variations de la demande.
L'audit a révélé que les sept compresseurs d'air de 1 250 ch fonctionnaient avec un simple système local de régulation de pression. Les commandes n'étaient pas en mesure de gérer de manière indépendante les vannes d'admission et les vannes de décharge, ce qui entraînait un balancement PID. En conséquence, les machines déchargeaient une quantité importante d'air comprimé dans toutes les conditions de fonctionnement afin de se protéger contre les pics de pression, ce qui entraînait une décharge et une perte de pression dans l'installation. L'audit a également permis de mettre en évidence deux périodes de demande particulières :
- En conditions normales : trois compresseurs d'air sont en service et fonctionnent pour maintenir la pression de production pendant environ 5 200 heures par an.
- Faible demande/week-ends : trois compresseurs d'air restent en service, bien qu'ils ne soient pas nécessaires pendant les périodes de faible demande (environ 1 688 heures par an), en plus de prendre en charge la charge de travail du week-end (1 872 heures par an).
Sur la base des données recueillies au cours d'une période d'audit de deux semaines, l'équipe a recommandé la mise en place d'un système automatisé de contrôle et de surveillance du réseau d'air comprimé, qui gère le fonctionnement des compresseurs d'air en fonction de la demande réelle.
L'audit a également révélé que le constructeur automobile pouvait réduire les pics de demande grâce à la modernisation de ses équipements, qui consistait principalement en l'installation d'un compresseur d'air d'appoint associé à un réservoir de stockage plus grand. L'équipe a également recommandé l'installation de débitmètres VPFlowScope DP VPInstrumentssur la conduite de refoulement de chaque compresseur d'air, afin d'assurer une mesure précise du débit d'air et une surveillance continue.
Améliorer la réactivité du système d'air comprimé
Un autre problème majeur identifié sur le site concernait l'incapacité du système d'air comprimé existant à gérer efficacement les pics de demande. Plus précisément, un pic de demande d'air entraînait une chute de pression, car les compresseurs d'air centrifuges mettaient trop de temps à monter en puissance. Cela s'expliquait par le fait que ces pics étaient trop courts pour que les machines puissent réagir rapidement à l'augmentation de la demande. De plus, cette situation provoquait un pic de pression suivi d'une purge des compresseurs d'air.
Afin d'améliorer le temps de réponse du système d'air comprimé, l'équipe a installé un compresseur d'appoint ainsi qu'un réservoir de stockage de 17 500 gallons capable de stocker de l'air comprimé à une pression de 250 psi. Étant donné que la pression de l'installation est d'environ 100 psi et celle du réservoir de 250 psi – et compte tenu du fait que l'air est stocké hors circuit –, ce réservoir de stockage diffère d'un réservoir classique raccordé au collecteur principal à la pression de l'installation.
En augmentant la pression dans le réservoir de stockage, la capacité du système de stockage d'air comprimé est plus que doublée. Le système modernisé intègre également une vanne de régulation de débit et de pression croisée, commandée par la plateforme d'automatisation d'iZ Systems. Cette vanne libère l'air du réservoir de stockage vers la conduite d'alimentation principale lorsque la demande atteint son pic. Ainsi, l'usine n'a besoin de faire fonctionner que deux ou trois compresseurs d'air, au lieu de quatre, pour répondre à la demande maximale en air.
Ce système amélioré élimine également pratiquement tout risque de décharge d'air des compresseurs centrifuges. En cas de panne d'un compresseur d'air, le système de stockage surpressé hors ligne assure le débit nécessaire pour répondre aux pics de demande pendant plus de 10 minutes, ce qui laisse suffisamment de temps à la plateforme d'automatisation pour mettre automatiquement en service une unité de secours sans interrompre la production de l'usine.
Les débitmètres à pression différentielle permettent de suivre le rendement des machines
Un autre aspect essentiel du système d'air comprimé modernisé réside dans sa capacité à surveiller et à ajuster en continu le système à mesure que la demande en air évolue pour diverses raisons, par exemple lorsque le personnel de maintenance répare des fuites d'air. La surveillance continue de la demande en débit d'air permet également de prendre des décisions concernant les modifications à apporter à l'algorithme de commande du compresseur d'air afin d'optimiser le système.
Sur le site, chaque compresseur d'air est équipé de débitmètres à pression différentielle VPFlowScope DP, qui mesurent le débit d'air bidirectionnel, la pression et la température. Le site, qui a apprécié la facilité d'installation de ces nouveaux débitmètres, peut désormais suivre le rendement de chaque machine. Si des problèmes sont détectés, tels que des filtres d'admission bouchés ou un reflux d'air, le personnel du site peut intervenir immédiatement et éviter ainsi le gaspillage d'énergie et les coûts associés. L'usine peut également détecter les fuites au niveau du clapet anti-retour du compresseur d'air afin d'empêcher tout reflux.
De plus, l'équipe de maintenance utilise un débitmètre à ultrasons à temps de transit à pince pour contrôler régulièrement l'alimentation en eau de refroidissement de chaque compresseur d'air. Un refroidissement inadéquat peut réduire considérablement le rendement du système d'air comprimé.
Un VPFlowScope VPInstrumentsVPFlowScope DP installé sur chaque compresseur d'air centrifuge permet à l'usine de surveiller chaque unité, ce qui permet aux décideurs d'améliorer l'efficacité du système et la maintenance.
Économies d'énergie et fiabilité : une combinaison gagnante
Le constructeur automobile a lancé son projet de modernisation du système d'air comprimé peu après l'approbation de l'audit par le fournisseur d'énergie en novembre 2018. La mise en œuvre de la plateforme d'automatisation et d'acquisition de données pour l'air comprimé, combinée aux mises à niveau du système, réduit la consommation énergétique annuelle de l'installation de 6 098 619 kWh, ce qui se traduit par des économies annuelles de 600 000 $. Grâce à la prime de 369 374 $ accordée par le service public, le projet a été amorti en six mois.
Outre la réalisation de l'objectif d'efficacité énergétique, le projet a permis d'améliorer la fiabilité du système d'air comprimé, puisque l'usine a désormais besoin d'un compresseur d'air centrifuge de moins pour répondre aux pics de demande, ce qui signifie que ce compresseur peut servir d'unité de secours. Le système de stockage surpressé hors ligne renforce encore davantage la fiabilité du système, car il est conçu pour fournir suffisamment d'air afin de répondre aux besoins de l'usine jusqu'à ce que le compresseur de secours entre en service pour remplacer un compresseur défaillant.
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