技术学院审计发现在能源和用水方面节省了45000美元
作为一项节能努力的一部分，加拿大一所技术学院聘请了一名压缩空气审计员对他们的大校园进行泄漏审计，校园内有30多栋混合用途建筑，包括实验室、研究设施、商店和教室。审计发现泄漏很少，减少泄漏将实现最低限度的节约;然而，在研究过程中，我们注意到一些令人惊讶的有趣项目，它们显示出非常好的潜力，可以节省64%的运营成本，估计每年减少能源和水成本4.5万美元。本文讨论了一些发现，以及如何在轻负荷压缩空气系统上实现节约。
向多个建筑物提供压缩空气
正在研究的校园自20世纪60年代就存在了，现在是加拿大同类院校中规模最大的。该学院每年招收的学生超过48,000人。提供的课程是为工作场所设计的，包括学位、文凭和证书，涵盖应用和自然科学、商业和媒体、计算和信息技术、工程、健康科学和贸易，大多数科目需要使用压缩空气动力工具和机器进行实践学习。此外，校园里还有应用研究活动，以帮助将新产品推向市场，解决特定行业的问题;这个功能也需要压缩空气来运行组装和测试设备。
校园，以及学校的最初位置，从一开始就很小，几年来得到了极大的扩展。随着各个教学领域的增加，为教学活动设计的特定建筑相继建成，目前共有30多座独立建筑。在大多数建筑物中，除其他公用设施外，至少有一个100 psi的压缩空气系统。该系统由往复式、涡旋式和润滑螺杆式空气压缩机组成，这些压缩机的选择符合建筑物内压缩空气使用的预期负荷。大多数系统使用冷冻式空气干燥器，但一个主厂房系统为包含实验室和研究设施的建筑物提供由干燥剂空气干燥器处理的仪表级空气。
不像工业场所，空气压缩机提供典型的八小时轮班，以循环负荷为导向，可能每周5天，每年52周，这所学院或多或少是基于学校学期的课堂循环。这意味着，当实际的动手学习活动进行时，培训车间的需求可能会达到高峰，但大多数时候，当学生在教室里，或在晚上和周末时间，对压缩空气的需求很少。在这些停工期间，该设施的空气压缩机仍在工作，为建筑物提供压力，但只提供压缩空气操作的HVAC控制和各种分配管道、连接软管、阀门、配件和通电机器的泄漏造成的小流量。
这种轻负荷在一些已安装的空气压缩机的效率方面提出了一个问题。润滑螺杆空压机在加载/卸载模式下运行的特点之一是，在一个加载循环后，通常需要在卸载状态下运行一段时间，然后再关闭。选择这种运行时间是为了防止过度启动可能烧坏空压机电机，通常调整为单位从不启动超过6次每小时。但在空载情况下，风冷润滑螺杆式空压机在不产生空气的情况下，将消耗满负荷功率的25%至40%，这是一种非常低效的压缩空气产生方式。根据安装特性的不同，通常空压机储气罐是最关键的部件，轻型螺杆空压机甚至可能在空载状态下度过大部分寿命，浪费大量的能量，过早地磨损空压机。
使用计时显示效率低下
作为泄漏研究的一部分，压缩空气审核员要求提供校园内所有空气压缩机和干燥器的清单。从该列表中，根据空气压缩机的尺寸和类型选择了特定的系统，其中最感兴趣的是螺杆装置。由于有相当多的建筑物配备了压缩空气系统，并且计划的审计时间很短，审计员需要某种方法来确定时间支出的优先顺序。一旦确定了关键空气压缩机，审计员接下来关注空气压缩机的工作时间；现场工作人员记录加载和运行时间，这些时间用于确定哪些校园压缩空气系统消耗的空气最多，功率最大。
图1：如果润滑螺杆式空气压缩机的控制存储接收器容量有限，则根据小时计读数计算的平均功率可能不准确。简单计算使用一条直线近似线，如绿线所示。但实际功率取决于存储量和压力带设置的宽度。对于以10%容量运行的每cfm 1加仑存储量的空气压缩机，当实际功率为58%时，计算功率为满载的30%。
大多数现代空气压缩机在车载控制装置内都有内部定时器，用于跟踪机组已加载的小时数和空气压缩机已运行的总小时数。使用这些计时器读数（间隔在某些已知时间和日期之间），可以粗略计算空气压缩机的流量输出、能耗、平均功率和比功率。这就像一个小型审计，只有一个没有使用测量仪器。
以校园内指定为GA18+FF的空压机为例进行说明。该设备是一台25马力(18千瓦)润滑螺杆空压机，空压机外壳内有一个内部空气干燥器。在最初的调查中，发现该设备在其生命周期中有1672小时的加载时间和11083小时的运行时间。这是效率低下的第一个迹象。螺杆空气压缩机和loaded-to-running比率不到10%将是非常低效的,然而,一个初始时计调查不能依赖,因为这些都是一生的时间,和机器可以运行在不同的条件下,即使是在不同的位置通过之前的大部分生活。
整整一周后，再次测量工时表，确认空气压缩机运行效率低下。新读数为1685加载小时和11218运行小时。通过简单的减法，我们可以计算出，在这段时间内，空气压缩机仅加载了13个小时，但在一周内168个小时的运行时间中，它却运行了135个小时。从运行小时数中减去负载，我们可以看到，在空压机消耗功率但不产生空气的空载条件下，运行了122小时。
从这些小时，我们可以粗略估计空气压缩机的功耗和流量输出。通常，空气压缩机的满载功率可通过采用标称hp并乘以系数0.85来估算，在这种情况下，对于25 hp机组，满载功率将估算为21 kW。在空载条件下，带风扇的风冷空气压缩机将消耗约35%的满载功率，在这种情况下约为7.4 kW。螺杆式空气压缩机的流量输出可通过将标称hp乘以四倍，或者在这种情况下约为100 cfm（4 x 25 hp）来粗略估算。如需更好的估计，或需要实际测量，请咨询制造商。该空气压缩机的计算如下所示：
- 满载时的平均能量= FL kW × FL小时= 21 kW × 13小时= 273 kWh。
- 卸载平均能量= 7.4 kW × 122小时= 903 kWh，占同期总能量的77%。
- 总能量=273+903=1176 kWh或168小时内的平均7 kW。
- 流量输出= FL小时/经过小时x额定流量= 13/168 x 100 = 7.7 cfm。
- 比功率=千瓦/100立方英尺=7.0/7.7 x 100=90千瓦/100立方英尺。
注：这些只是粗略估计，没有考虑到如果空气压缩机安装了一个非常小的接收器，循环损失可能会导致效率更低的事实。图1显示了在10%负载时，计算值约为满载的30%，但在每cfm存储容量为1加仑的情况下，实际功耗为满载的58%。在解释这一粗略计算时，应考虑到这一点。
先前的计算表明，该GA18+FF空气压缩机运行效率非常低（甚至不考虑内部非循环干燥器功率）。最佳运行的典型空气压缩机具有特定的功率值，该功率值与空气压缩机的“气体里程额定值”类似，约为20至25 kW/100 cfm，具体取决于其排放压力和空气压缩机的尺寸。大多数受欢迎的压缩空气压缩机（CAGI）网站上的压缩空气功率等级通常都比较小，而压缩空气压缩机的额定功率等级通常比较高。
比功率变化很大
图2显示有关设施中选定的部分空气压缩机的调查结果。可以看到，不同系统的比功率变化很大，从VSD空压机系统的低20 kW到存储容量很小的轻负载设备的高90 kW/100 cfm。图2预测了一年内(52周)的类似作业，估算出的年成本。其中一些系统每年的电力成本不到350美元，而另一些系统每年的成本高达数千美元。可以很快看到，在一个平均流量低于4 cfm和良好的比功率的系统上花费泄漏检测时间不会有很好的效果。但解决空压机控制问题有很大的节省潜力。
图2:根据加载时间和运行时间间隔一周的简单计算，可以大致计算出单位功率(黄色)、能量(千瓦时)和运行成本(橙色)。这些计算使审计人员能够专注于成本最高的系统。
有了这些新知识，压缩空气审核员将注意力集中在流量和年成本最大的系统上。到目前为止，最大的一个是在校园中央发电厂，该系统消耗了明显的158立方英尺/分钟的流量。
检查中央发电站系统的机会
校园有一个中央发电站，在这里生产热水和冷冻水，用于各种建筑物的加热、冷却和热水。厂房地下室有主空气压缩机，为厂房系统使用的仪表空气提供动力，并用于三个相连建筑物的实验室。
两台空压机交替运行，一台50马力风冷VSD机组在冬季运行，一台更大的75马力水冷螺杆空压机在更热的夏季运行，以负载/卸载模式运行。两者都馈送到一个330 cfm额定无热干燥剂干燥机与露点相关的开关控制。露点控制旨在减少不受控制的干燥机的恒定50 cfm吹扫，使其成本降低到与干燥机较低的平均负荷成比例的水平。
购买VSD空气压缩机作为主机组，75马力机组作为备用机组运行。不幸的是，空气压缩机的地下室位置通风非常少，导致风冷VSD装置在温暖的天气下过热并跳闸，因此需要运行大型水冷空气压缩机。这台更大的机器效率低得多，并且使用计量的城市水，其成本几乎相当于空气压缩机的能耗。
发现空气干燥器露点相关开关有故障。尽管干燥器仅处理其额定流量的47%，但干燥器上的露点从未达到-40o在烘干机的额定温度下，安装的露点计上的读数显示在- 9之间oF和- 15o这个高露点意味着干燥机继续消耗50 cfm额定吹扫流量，使吹扫占总压缩空气流量的百分比占32%，而不是正常控制的干燥剂干燥机的15%到20%。为了解决这个问题，干燥剂最近被更换了。怀疑是露点探针校准问题。
对图2中的粗略计算进行分析后发现，VSD空压机具有更好的比功率，而且不需要昂贵的冷却水，因此需要持续使用。在减少泄漏方面，剩余约100 cfm的压缩空气流入三个相连的实验楼，代表了校园最大的压缩空气成本。然而，对这些建筑物进行的泄漏调查发现，泄漏量很小。人们怀疑压缩气流是被隐藏的泄漏所消耗的，可能是被腐蚀的管道，或者是通过废弃的用途，或者是压缩空气消耗在没有使用的设备上，但留下了压力。
由于这一重要但未知的用途，审核员建议进行进一步调查，并为每个建筑给水安装流量计，以便隔离压缩空气需求源。在这种情况下，最容易修复的压缩空气废物是过量的空气干燥器吹扫。
发电厂目前正在VSD空气压缩机上安装热回收系统，作为一项节能项目。空气压缩机制造商提供一种油-水热交换器，可将压缩热传递到水流。由于发电厂为校园生产所有热水，因此预热水被认为是热量的最佳用途，这将补充天然气燃料。这种热回收系统的一个副作用是，它将带走目前通风不良的空气压缩机室过热的大部分热量。
内置冷冻干燥机的高能源成本
现场的大多数螺杆式空气压缩机都有内部制冷空气干燥器（安装在空气压缩机外壳内的干燥器），以非循环模式运行。通常，冷冻空气干燥器仅消耗压缩空气系统总能量的一小部分，但对于轻负荷系统，干燥器消耗的总能量甚至可能超过空气压缩机的能量。安装在空气压缩机外壳内的干燥器的容量通常略大于普通外部干燥器，以处理外壳内部的热量。
图3显示了预估的干燥机成本与空压机运行成本的对比。这一估计确认了四个系统比相关的空气压缩机消耗更多的能量。在小型压缩空气系统每年2.2万美元的运营成本中，非循环制冷干燥机消耗了约22%的能源。
图3:对于带有内部制冷干燥器的空压机，干燥器的运行成本(棕色)有时会超过空压机的运行成本(橙色)。水冷空压机的一个重要运行成本是计量的城市水，接近运行空压机的总电气成本。
空气压缩机制造商为内部干燥器提供了循环选择，如果可以进行修改，可以降低干燥器的成本。
一项泄漏调查发现了额外的节能机会。利用超声波检漏仪在选定的楼宇进行调查，发现约25处漏水。根据每千瓦时10美分计算，如果修理这些设备(并优化空压机控制)，每年可节省约5 000美元。这将足够支付泄漏评估的费用。与改进空气压缩机和空气干燥机控制的各种系统相比，这种潜在的节省是很小的。
图4:发现了少量的泄漏，每年约为5000美元的电力成本。到目前为止，造成泄漏的最大原因是密封剂不良和配件松动。
节余约$45 000的建议
通过查看图1中的分析，我们发现一些空气压缩机具有优异的比功率，从而降低了运行成本。这是一个线索，以潜在的节省，如果系统要加以改进。
对系统的目视检查，例如在两个汽车车间，显示安装了大存储，允许螺杆式空气压缩机在启动/停止模式下几乎完全运行，大大降低了比功率水平，并降低了运营成本。在性能差的情况下增加存储是提高大多数螺杆空压机系统效率的简单解决方案。一些建议解决方案:
- 安装大型存储器以启用启动/停止操作。
- 在可能的情况下，将风干机转换为骑行模式。
- 用带有循环干燥器的启动/停止装置更换旧的空气压缩机。值得注意的是，该校区的往复式和涡旋式空气压缩机没有空载运行时间，是未来更换的良好选择。
- 不上课时关闭空压机。
- 修正干燥剂烘干机依赖露点的开关。
- 在厂房VSD上安装热回收装置或改善通风。
- 继续对发电厂房系统进行泄漏调查。
- 安装空压机流量和能量监控，确保系统效率。
据估计，该站点的系统改进可产生64%的运营成本节约，预计每年可减少45000美元的能源和水成本。
本文展示了如何通过允许有经验的压缩空气审核员评估压缩空气系统来获得意想不到的潜在节省。经常可以检测到意想不到的潜在空压机控制和空气干燥节省，这些可能的节省远远超过简单泄漏调查的小节省潜力。压缩空气系统的操作人员往往不知道他们的空压机在空载情况下是在浪费动力，但有办法改善这种情况。
有关本文的更多信息，请联系Ron Marshall, Marshall压缩空气咨询公司，电话:204-806-2085，电子邮件:ronm@mts.net．
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