Dépannage des systèmes d'air comprimé

La plupart des installations ne donnent pas la priorité au coût d'exploitation des systèmes d'air comprimé - elles veulent juste faire le travail. Une étude de marché récente ¹ ont constaté que seulement 17 % des utilisateurs d'air comprimé considéraient l'efficacité comme un objectif de gestion du système d'air comprimé. Neuf pour cent étaient préoccupés par la maîtrise des coûts énergétiques.

Soixante et onze pour cent voulaient simplement fournir une alimentation en air constante et fiable.

Les experts en air comprimé ont remarqué que de nombreux employés de l'atelier se comportent comme si l'air comprimé était gratuit, l'utilisant pour souffler l'excès d'huile sur les pièces usinées, la sciure de bois sur les appareils à bois, la poussière du sol, etc. En réalité, fournir de l'air comprimé nécessite un équipement coûteux. qui consomme de grandes quantités d'électricité et nécessite un entretien important.

Le coût initial d'un compresseur de 100 chevaux peut aller de 30 000 $ à 50 000 $, et il peut consommer 50 000 $ d'électricité par an. Dans le même temps, les coûts de maintenance annuels peuvent représenter jusqu'à 10 % du coût initial d'un système. ² Pourtant, la même source rapporte :« De nombreuses installations n'ont aucune idée du coût annuel de leurs systèmes d'air comprimé ou de l'argent qu'elles pourraient économiser en améliorant les performances de ces systèmes. »

Pour de nombreuses installations, l'amélioration de l'efficacité de l'air comprimé est donc une opportunité en or, négligée, non seulement pour économiser de l'argent sur les coûts énergétiques, mais aussi pour obtenir une alimentation en air comprimé encore plus fiable.

Figure 1.

Tout d'abord, connaissez votre système
Pour améliorer l'efficacité d'un système d'air comprimé, il est important de considérer votre système comme cela, un système. Lorsque vous changez une chose dans le système, ce changement affecte tout le reste. Par exemple, réparer une fuite augmentera la pression dans le système, rendant d'autres fuites plus petites plus grosses. Ainsi, réparer les fuites et éliminer les autres cas de ce que l'on appelle la demande artificielle (utilisation d'air non productive) n'est pas une solution complète en soi. La réduction de la demande artificielle doit être associée à des stratégies d'amélioration de la consommation d'énergie et d'amélioration de votre système de contrôle. La première étape consiste à connaître votre système, ses exigences et comment ces exigences peuvent être ajustées pour des économies d'énergie.

Déterminer vos coûts d'exploitation
Les principaux coûts d'exploitation d'un système d'air comprimé sont l'entretien et l'électricité. Les coûts de maintenance peuvent être déterminés à partir de votre système de gestion des actifs ou en vérifiant les paiements à votre entrepreneur en service de système d'air comprimé, si vous en utilisez un.

Options pour déterminer les coûts d'électricité de votre système :

• Calculez le fonctionnement à pleine charge, à l'aide de la puissance nominale du moteur du compresseur (en chevaux-vapeur), de l'efficacité de la plaque signalétique du moteur (ou d'une estimation), des heures de fonctionnement annuelles et du coût de l'électricité par kilowattheure. Le coût annuel de l'électricité est le produit de ces quatre variables ³
• Déterminez plus précisément la consommation d'électricité à pleine charge et, par la suite, les coûts énergétiques en utilisant une pince ampèremétrique ou un multimètre pour mesurer le courant et la tension dans le compresseur à pleine charge
• Utilisez un enregistreur de puissance pour déterminer la consommation d'énergie réelle en kilowatts et tester le facteur de puissance

Déterminer les exigences de la demande
Estimez votre profil de charge d'air comprimé en fonction de l'évolution de la demande en pieds cubes par minute au fil du temps. Les installations avec des exigences de charge variables peuvent souvent bénéficier de stratégies de contrôle avancées, tandis que les installations avec des périodes relativement brèves de forte demande peuvent bénéficier d'options de stockage d'air.

Pour établir un profil de charge, mesurez le débit et la pression dans tout le système dans différentes conditions de demande. Notez l'effet de diverses charges sur les compresseurs. Des variations importantes des exigences opérationnelles peuvent nécessiter une journée ou plus de surveillance. Vous pouvez utiliser un enregistreur de données pour collecter et stocker des profils de demande et des profils de consommation d'énergie. Cela vous montrera quand et pourquoi les demandes maximales et minimales se produisent.

Enregistrer les pressions du système
Utilisez des manomètres, un manomètre/débitmètre d'air ou un module de pression relié à un multimètre numérique pour prendre des mesures à différents points du système :

• Entrées du compresseur (au niveau du filtre d'entrée)
• Sur les systèmes lubrifiés, le différentiel à travers le séparateur air/lubrifiant
• Les inter-étages sur les compresseurs multi-étages
• Différences de pression entre divers composants (par exemple, refroidisseurs d'admission, sécheurs, filtres, etc.)

Enregistrer le flux du système
Utilisez un débitmètre d'air/pression portatif ou un débitmètre massique pour mesurer le débit total à divers endroits du système et pendant différents quarts de travail.

• Déterminer la consommation d'air pendant les opérations
• Établir des références pour mesurer les améliorations par rapport à
• Estimer la charge de fuite pendant la non-production

Enregistrer les températures du système
Utilisez la température pour évaluer la santé du système. De manière générale, les équipements qui chauffent plus que prévu ne fonctionnent pas de manière optimale et nécessitent un entretien. Pour une efficacité maximale, utilisez un thermomètre infrarouge pour enregistrer les températures de surface des composants suivants :

• Températures de sortie du refroidisseur d'admission :une action corrective peut être nécessaire si l'air de sortie du refroidisseur d'admission dépasse la température d'entrée maximale de 100 degrés Fahrenheit
• Températures de l'air de sortie des compresseurs rotatifs lubrifiés. Les opérations normales nécessitent des températures inférieures à 200 degrés F
• Température de l'air d'admission aux compresseurs

Adopter une approche systémique des améliorations
Les trois stratégies de base pour améliorer les performances des systèmes d'air comprimé industriels sont de réduire la demande artificielle, d'améliorer les stratégies de contrôle et d'améliorer la consommation d'énergie. Gardez à l'esprit que les progrès dans un domaine affecteront probablement les deux autres, ce qui en fait un processus continu.

Réduire la demande artificielle signifie réparer les fuites et trouver différentes façons d'effectuer des tâches qui gaspillent de l'air comprimé. Observez les pratiques de l'atelier et recherchez, par exemple, l'utilisation de l'air du système pour nettoyer les pièces et l'équipement. Ensuite, informez le personnel que l'air comprimé n'est pas gratuit.

La première étape du contrôle des fuites consiste à estimer la charge de fuite. Des fuites (moins de 10 % de la capacité et de la puissance) sont à prévoir, mais des fuites de 20 à 30 % sont à la fois courantes et inutilement inutiles. Déterminez les charges de fuite comme référence pour comparer les améliorations.

Étant donné que les systèmes de contrôle varient, les méthodes d'estimation de la charge de fuite varient également. Si le vôtre est un système avec des commandes de démarrage/arrêt, démarrez simplement votre compresseur lorsqu'il n'y a pas de demande sur le système (entre les quarts de travail ou pendant un quart de travail si votre fonctionnement n'est pas 24h/24 et 7j/7). Effectuez plusieurs lectures pour déterminer le temps moyen pour décharger le système chargé en raison de fuites.

Fuite (%) =(T x 100) ÷ (T + t), où

T =temps de charge (minutes) et
t =temps de décharge (minutes)

Dans les systèmes avec des stratégies de contrôle plus complexes, placez un manomètre en aval du récepteur et estimez le volume du système (V, en pieds cubes), y compris tous les récepteurs secondaires, le réseau et la tuyauterie. Encore une fois, sans aucune demande à l'exception d'une fuite sur le système, amenez le système à sa pression de fonctionnement normale (P₁ , en psig). Sélectionnez une deuxième pression (P₂ , environ la moitié de la valeur de P₁ ) et mesurer le temps (T, en minutes) qu'il faut pour que le système tombe à P₂ .

Fuite (cfm air libre) =[(V x (P1 – P2) ÷ (T x 14,7)] x 1,25

Le multiplicateur de 1,25 corrige les fuites à la pression normale du système, ce qui permet de réduire les fuites avec la diminution de la pression du système.

Une fois que vous avez cette référence, vous pouvez trouver et réparer les fuites en utilisant un détecteur de fuites à ultrasons qui reconnaît le sifflement à haute fréquence associé aux fuites d'air. Cette méthode de détection est plus rapide et moins salissante que l'ancienne méthode consistant à appliquer de l'eau savonneuse avec un pinceau sur les zones suspectes.

La zone la plus courante pour les fuites est au point d'utilisation. Portez une attention particulière aux raccords, tuyaux, tubes, raccords, raccords de tuyaux filetés, raccords rapides, FRL (combinaisons filtre, régulateur, lubrificateur), purgeurs de condensats, vannes, brides et garnitures.

L'amélioration des stratégies de contrôle, y compris l'ajout de composants tels que les détendeurs de demande (contrôleurs de pression/débit), devrait se produire conjointement avec le contrôle des fuites et d'autres demandes artificielles.

L'objectif est de fournir à l'usine de l'air comprimé à la pression stable la plus basse tout en répondant à une demande inattendue avec un stockage d'air à haute pression adéquat. Le réapprovisionnement en air stocké doit utiliser une puissance de compresseur minimale.

Surveiller l'utilisation du compresseur et rechercher :

• Compresseurs fonctionnant inutilement ;
•  Compresseurs, autres que les compresseurs de compensation, fonctionnant à une charge inférieure à la pleine charge ;
• Opérations qui ne parviennent pas à maintenir une pression moyenne relativement faible ; et
• Opérations qui fournissent parfois moins que la configuration système minimale requise.

Grâce à la réparation des fuites et à des stratégies de contrôle améliorées, vous pourrez peut-être éliminer un ou plusieurs gros compresseurs (dans les systèmes à plusieurs compresseurs), réduisant considérablement la consommation d'énergie. Vous pouvez également rajouter

un petit compresseur pour maintenir le système chargé en cas de faible demande et éliminer les inefficacités des gros compresseurs fonctionnant à moins que la pleine charge. L'amélioration de l'utilisation de l'énergie implique l'amélioration de l'efficacité des équipements tant du côté de l'offre que de la demande du système. L'efficacité de l'ensemble du système dépend de la sélection appropriée, de l'installation correcte et de l'entretien rigoureux de chaque composant.

Du côté de l'offre, tenez compte des éléments suivants :

• Les moteurs de vos compresseurs
• Commandes du compresseur
• Équipement de traitement d'air
• Sécheuses
• Filtres
• Récepteurs
• Navires de stockage

De plus, il est facile de négliger la façon dont les réservoirs d'air gèrent l'accumulation de condensat. Certains laissent simplement l'eau se remplir, réduisant la capacité et risquant d'endommager le système. D'autres ont un ancien système automatisé qui ouvre une vanne de manière ponctuelle, que cela soit nécessaire ou non. Il s'agit essentiellement d'une fuite ; une meilleure solution est une vanne qui ne s'ouvre qu'en cas de besoin et se ferme dès que l'eau est retirée.

Enfin, dimensionnez et disposez l'ensemble du système de manière à ce que la chute de pression totale du compresseur aux points d'utilisation soit nettement inférieure à 10 % de la pression au refoulement du compresseur.

Du côté de la demande, faites attention aux composants suivants :

• Séparateurs de condensats/lubrifiants
• Séparateurs air/lubrifiant
• Systèmes de récupération de chaleur
• Systèmes de point d'utilisation

Lier les performances du système à la production
En fin de compte, une productivité accrue est la mesure finale du succès. À l'aide des stratégies décrites ici, associez périodiquement les résultats tels que la sortie du système (pieds cubes par minute à psig) et la consommation d'énergie (kilowattheures) aux unités de production. En général, attendez-vous à ce que les améliorations entraînent une diminution de la consommation d'énergie à moins que la production n'augmente parallèlement aux augmentations correspondantes des charges d'air comprimé. Si la production n'augmente pas à mesure que la pression augmente, ajustez les commandes au besoin.

Pour plus d'informations, visitez le site Web de Fluke Corporation à l'adresse www.fluke.com.

Remarques

¹ Voir « Annexe D » de l'amélioration des performances du système d'air comprimé :un manuel de référence pour l'industrie en ligne à l'adresse http://www.compressedairchallenge.org/library/index.html#Sourcebook. Étude commandée par le Département de l'énergie des États-Unis (DOE) avec le soutien technique du Compressed Air Challenge (CAC).

² Améliorer les performances du système d'air comprimé :un guide pour l'industrie :Section 12, « Économie du système d'air comprimé et vente de projets à la direction », p. 69.

³ Voir Ibid., Section 10, « Référence des systèmes d'air comprimé », p. 61. et également la section 11, « Détermination de vos besoins en matière d'analyse du système d'air comprimé ».

Quantification des coûts énergétiques
Dans une installation industrielle américaine typique, la production d'air comprimé consomme environ 10 % de la facture d'électricité totale. Dans certains cas, c'est plus de 30 pour cent, à un coût estimé de 18 à 30 cents par 1 000 pieds cubes d'air.

Pendant ce temps, l'efficacité d'un système d'air comprimé peut être aussi faible que 10 pour cent. Par exemple, faire fonctionner un moteur pneumatique d'une puissance à 100 psig nécessite une alimentation de 7 ou 8 chevaux au compresseur d'air.

Voici comment calculer le coût en dollars de l'air comprimé :

Coût = (bhp x 0,746 x heures de fonctionnement x $/kWh x % temps de fonctionnement x % bhp à pleine charge) , rendement moteur,

où

bhp =puissance du moteur à pleine charge, souvent supérieure à la puissance indiquée sur la plaque signalétique du moteur,

0.746 =le facteur de conversion entre la puissance et les kilowatts,

pourcentage de durée d'exécution =pourcentage de temps pendant lequel le compresseur fonctionne à son niveau de fonctionnement,

pourcentage de bhp à pleine charge =bhp en pourcentage de bhp à pleine charge au niveau de fonctionnement et

efficacité du moteur =rendement du moteur au niveau de fonctionnement

Supposons qu'une usine de fabrication dispose d'un compresseur de 200 chevaux qui nécessite 215 ch et fonctionne pendant 6 800 heures par an. S'il est à pleine charge 85 % du temps (rendement du moteur =0,95), déchargé le reste du temps (25 % de bhp à pleine charge et rendement du moteur =0,90) et que le tarif électrique global est de 0,05 $/kWh, alors

Coût à pleine charge =(215 bhp x 0,746 x 6 800 heures x 0,05 $/kWh x 0,85 x 1,0), 0,95 =48 792 $ ,

Coût à vide =215 ch x 0,746 x 6 800 h x 0,05 $/kWh x 0,15 x 0,25), 0,90 =2 272 $ et

Coût énergétique annuel =48 792 $ + 2 272 $ =51 064 $ .

Source :Fiche de conseils n° 1 sur l'air comprimé du DOE des États-Unis, « Déterminer le coût de l'air comprimé pour votre usine », août 2004.