1、壓縮空氣供氣系統(tǒng)節(jié)能手冊撰寫人:莊朝焮財團法人中技社節(jié)能技術發(fā)展中心目錄一、前言 (1二、壓縮空氣供給系統(tǒng)概論 (2三、壓縮空氣系統(tǒng)檢測 (13四、空氣壓縮機節(jié)能措施 (18五、空氣調質設備節(jié)能措施 (33六、壓縮空氣管線節(jié)能措施 (40七、編后語 (50八、參與文獻 (51一、前言近年來,由于自動化設備在各行各業(yè)的普及,而氣動設備的安全、潔凈、易于控制、取得容易等有利因素,因此被廣泛應用于自動化設備上。但為提供壓力、潔凈程度適合之壓縮空氣,各工廠必須安裝、配置一壓縮空氣供給系統(tǒng);然而對此系統(tǒng)的管理上,由于大部份供氣系統(tǒng)除安裝壓力表外,并無安裝其它合適的計量儀表,如流量計、電力瓦時表、溫度計等

2、,對于所使用系統(tǒng)之運轉狀況,如現場實際需求量、實際供氣量、壓縮機供氣效率、現場泄漏量等,無法充份掌握,進而適時的提出各項改善方案,降低壓縮空氣系統(tǒng)的運轉成本。財團法人中技社節(jié)能技術發(fā)展中心(以下簡稱本中心多年來協(xié)助政府及產業(yè)界推動能源節(jié)約工作,有鑒于業(yè)者對于壓縮空氣系統(tǒng)的倚重,但又無法由既有儀表之數據上,得知空氣壓縮機的日耗電量、產氣量、日負載、能源效率、空氣管線的泄漏量等更進一步信息,進而分析出系統(tǒng)上的各種問題,并尋求解決之道;為此本中心于多年前,自加拿大引進較為簡易之檢測技術,經多年來協(xié)助業(yè)者分析、診斷各種壓縮空氣系統(tǒng),前后共檢測過數十個工廠上百部各式空氣壓縮機,協(xié)助業(yè)者發(fā)掘出壓縮空氣系統(tǒng)

3、使用上的各種問題,并提出各項對策,以供其參考改善。本手冊即將過去幾年服務所得之經驗加以整理,期望能對業(yè)界在壓縮空氣系統(tǒng)的使用上,有進一步的幫助。1二、壓縮空氣供給系統(tǒng)概論壓縮空氣供給系統(tǒng)所包括之設備有空氣壓縮機、干燥設備、過濾設備、輸送管線等主要組件。而其中更以空氣壓縮機為最大能源耗用者,也因此在壓縮空氣系統(tǒng)的能源節(jié)約上,必須要求空氣壓縮機的高效率運轉。為達此一目的,除對空氣壓縮機制造銷售商所提供之各項描述機臺特性之數值有所認識外,另對可供選用之各類型空氣壓縮機及其特性亦必須有基本的認識。本章節(jié)之內容即在說明這些壓縮空氣系統(tǒng)上常見之數值,另也對常見之空氣壓縮機類型做簡要說明。2.1、壓縮空氣系

4、統(tǒng)中各種使用單位壓縮空氣系統(tǒng)中之空氣為一可壓縮流體,依其所處溫度、壓力、濕度等條件下,為方便理論分析與比較將其區(qū)分為三類,自由空氣(free air、正常狀態(tài)空氣(normal air及標準狀態(tài)空氣(standard air,自由空氣即吾人生活于地球上之空氣狀態(tài)而言,隨標高、氣壓、溫度、位置、時間而會變化,因此以自由空氣做為壓縮空氣系統(tǒng)之基準值描述較為不適當。而正常狀態(tài)空氣及標準狀態(tài)空氣則不會隨以上各環(huán)境因素而有不同,因此較適合做為壓縮空氣系統(tǒng)之基準值描述。對此二狀態(tài)之定義說明如下:1.正常狀態(tài)(代表附號N:指溫度在0,絕對壓力760mm-Hg狀況下之干燥空氣,此時之空氣密度為1.3kg/m3

5、。2.標準狀態(tài)(代表附號S:指溫度在20,絕對壓力760mm-Hg,相對濕度75%之空氣,此時之空氣密度為1.2kg/m3。壓縮空氣系統(tǒng)在體積的描述上,常用之單位有ft3及m3,對于壓2縮空氣此二數值會隨其狀態(tài)而有異,因此在使用此二數值時,必須標明其狀態(tài),即其為正常狀態(tài)下之體積(Nft3及Nm3或標準狀態(tài)下之體積(Sft3及Sm3。當其在相同狀態(tài)下,即可使用以下二換算式進行換算:1 ft3 = 0.0283 m31 m3 = 35.31 ft3壓縮空氣系統(tǒng)中對于壓力數值的描述,常見之使用單位有公制之kg/cm2,英制之psi (lb/in2,另一常用者為bar,以上各單位間之換算參見表2.1。

6、表2.1、常用壓力單位之換算表Bar kg/cm2psi Atm10.9806650.06894761.013251.0197210.07030691.0332314.503814.2233114.69590.9869230.9678390.0680461在壓力表示上另有表壓力及絕對壓力之分,其中代表表壓力之附加符號為g或G,絕對壓力之附加符號為a或A。舉例來說,10kg/cm2G 之壓力等于11.03323 kg/cm2A,即10kg/cm2G = 1.03323 kg/cm2(=1atm + 10 kg/cm2溫度常見之單位有及,兩者間之關系如下兩式所示:=(-32 5 / 9=9 / 5

7、 + 323一般濕度之表示有兩種,相對濕度與絕對濕度,其中又以相對濕度最為常見,其定義如下:相對濕度=實際水蒸汽量/該溫度下之飽和水蒸汽量100% 而絕對濕度之定義則為一單位體積之空氣中,水蒸汽重量與干燥空氣重量之比例,其如下所示:絕對濕度=水蒸汽重量/干燥空氣重量100%在一以馬達趨動之空氣壓縮機,其所用能源為電能,常用之功率單位為馬力(hp及千瓦(kw,每1hp=0.746kw。至于空氣壓縮機(使用三相馬達的實際電能耗用功率可以下式計算出。功率(kw = 1.732 電流(I 電壓(V 功率因子/1000注:電流(I之單位為安培電壓(V之單位為伏特2.2、空氣壓縮機類型空氣壓縮機依其作動原

8、理可區(qū)分為兩大類,分別為定排量式壓縮機及動力式壓縮機。定排量式機臺之基本原理是將空氣引導到一封閉空間中,再利用機件的移動,使封閉空間由大變小,直接使得其中之空氣的壓力上升。動力式機臺則是藉由輪葉的高速運動使空氣快速流動,再使其通過升壓環(huán)(diffuser,使空氣的動能轉變?yōu)閴毫ΑD2.1、空氣壓縮機分類圖活塞式空氣壓縮機的組件基本構造如圖2.2所示,其包括之零組件有活塞、氣缸、進氣閥、排氣閥、各種連桿等。機臺的運作可區(qū)分為進氣行程與排氣行程。在進氣行程時,進氣閥開啟,排氣閥關閉,閥門的啟閉利用壓差致動而非機械致動,此時活塞下移引入外界空氣。在排氣行程時,進氣閥關閉,排氣閥隨后開啟,閥門開啟的時

9、機隨設計方式而有些許不同,但在開啟后,受到壓縮而壓力提升之空氣隨即排出。圖2.2、單段往復式活塞空氣壓縮機空氣壓縮機定排量式動力式往復式迴轉式軸流式徑流式(離心式活塞式鼓膜式魯式滑動葉片式螺旋式 圖2.3、雙段往復式活塞空氣壓縮機(一 圖2.4、雙段往復式活塞空氣壓縮機(二 此類空氣壓縮機的工作原理和往復活塞式相同,但此類機臺是靠鼓膜而達到密封作用,但也由于鼓膜的存在而使活塞的行程較短,因此壓縮比也較小,其結構如圖2.5所示。鼓膜式空氣壓縮機其壓縮空氣輸出量通常小于1Nm3/min,但由于結構簡單,且不與潤滑油接觸,故可得到不含油份之壓縮空氣,極適合于需小量無油之制程,較常為食品、制藥等工業(yè)采

10、用。圖2.5、鼓膜活塞式空氣壓縮機 此類空氣壓縮機的結構如圖2.6所示,在壓縮機的外殼內,有一馬達帶動的轉子,轉子的中心與外殼內部的中心有一偏心量,此偏心量決定機臺的輸出量及壓力。而在轉子上嵌有滑動的葉片,當轉子回轉時,由于離心力的作用使其與機殼內側緊密接觸,造成一密閉空間。轉子回轉時,空氣由吸入口處之密閉空間逐漸由大變小,而產生吸入作用;而在排出口處,密閉空間由大變小,而排出壓縮空氣。滑動葉片式空氣壓縮機的每一機臺的輸出量可高達1000 Nm 3/min 以上,輸出壓力亦可高達8kg/cm 2G ,運轉時振動也小,因此不需安裝于堅固的基礎上;但一般而言能源效率較低,因此較少為國內廠商采用。圖

11、2.6、滑動葉片式空氣壓縮機 螺旋式空氣壓縮機之結構如圖2.7所示,主要是藉由一對雌雄轉子間的密封間隙縮小而達壓縮的效果,機臺由于高速運轉,且無沖程,因此噪音小,運轉平穩(wěn),一般不需堅固的基礎。此類空氣壓縮機又可分為有油及無油兩種;其中無油式的干式壓縮,為避免其轉子直接接觸,因此兩轉子的轉動,藉由同步齒輪來達成,而其單段壓縮比也無法太高,輸出壓力約只達數kg/cm 2,為此在較高壓力需求的場合中,此類機臺必須藉由兩組壓縮機的串聯(lián),方可達成所需之輸出壓力。另無油式,目前已開發(fā)出水潤滑方式,藉此方式不僅可簡化壓縮機臺的機構,亦可提高單段壓縮比值。而一般常見之有油螺旋空氣壓縮機,由于有潤滑油進行潤滑及

12、密7封,因此不需安裝精密同步齒輪,且單段壓縮比也可高達12以上,已可滿足大多數場合的需求;除此之外,目前轉子多采用高能源效率的不對稱形,其能源效率已比往復式高出許多。因此近年來此類機型受到國內廠商的大量采用。圖2.7、螺旋式空氣壓縮機 魯式鼓風機之運作方式如圖2.8所示。其機殼內有俗稱花生的兩轉子,以相反方向進行運轉;此機臺由于構造簡單,且轉子無直接接觸之磨耗,除保養(yǎng)容易外,設備購置成本低,能源效率亦不錯。但此類機臺的單段壓縮比最高約只達1.7:1,因此之故較適合于低壓、氣量大的場合中使用。除單段式魯式鼓風機外,目前已有串聯(lián)兩組魯式壓縮轉子的機臺,藉由此機構設計,可使機臺之輸出壓力高達2.0

13、kg/cm2G以上,大幅擴大其適用范圍。9圖2.8、魯式鼓風機 徑流式亦俗稱離心式,其作動原理如圖2.9所示,其機體內有一高速旋轉的葉輪,空氣由其葉片帶動,高速拋離葉片而進入升壓環(huán)。升壓環(huán)由于斷面積的逐漸擴大,導致壓縮空氣流速降低,而壓力得以升高。在葉輪轉動時,由于其中心附近將形成真空,因此而產生吸氣的功能。圖2.9、徑流式空氣壓縮機 一般徑流式空氣壓縮機單段所能產生的壓力上升較之往復式及螺旋式機種為小,因此為得到較高的壓力輸出,必須加以多段串聯(lián),其如圖2.10所示。徑流式空氣壓縮機,由于輪葉與輪殼無接觸,無直接之機械磨耗損失,能源使用效率一般而言較之往復式為高。除此之外,常用之徑流式目前只有

14、較大馬力機臺,約300HP 以上,排氣量1200CFM 以上者;另徑流式由于機構上之限制,對于使用端需求變化較大時,無法利用較有效率之方式進行降載運轉,這在選用此類機臺時不得不加以注意。徑流式空氣壓縮機臺的另一特性為無油,即其產生出之壓縮空氣可適用于需無油之制程中。圖2.10、四段徑流式空氣壓縮機10 此類型空氣壓縮機,結構如圖2.11所示,其作動原理與徑流式相類似,同樣是利用升壓器將高速流動空氣的動能轉換成靜壓力。其與徑流式之差異在于徑流式空氣流動方向是沿者輪葉流動,而軸流式則是沿者輪軸流動。無論是軸流式或徑流式由于其運轉速度極高,可高達10,000RPM 以上,運轉時有極高頻的噪音產生,為

15、進行隔離一般可加上隔音設備,即可達到效果。圖2.11、軸流式空氣壓縮機1112三、壓縮空氣系統(tǒng)檢測為了解壓縮空氣系統(tǒng)的現況,包括能源使用效率、泄漏量、壓力降等,因此對于此系統(tǒng)必須定期進行檢測作業(yè)及檢討,方可使此一系統(tǒng)在最佳能源效率下運轉。在空氣壓縮機的能源使用效率檢測上,主要之測試項目為空氣壓縮機產氣量及耗電量,常用之表示單位為CFM/HP或CMM/HP等;例如一30HP之空氣壓縮機額定產氣量為 3.6CMM,其額定效率為0.12CMM/HP或4.24CFM/HP;但在實際情況下,一般并無法運轉于此效率下,特別是一經長時間運轉或維修后之空氣壓縮機,其能源效率極有可能比額定數值小相當可觀之量,如

16、其降低至新機效率值(假設新機時之效率值為3.8CFM/HP的一半時,對一30HP之空氣壓縮機而言,全年產出相同量壓縮空氣之成本即高出一倍,對于一30HP 空氣壓縮機,全年全載運轉之時間為8000小時,假設平均電費為2元/KWH,則此機臺全年之用電成本為35.8萬元;30HP 0.746KW/HP 8000HR/年2元/KWH=358080元/年當以上述一半效率之機臺運轉時,則需兩臺方可滿足所需,其用電成本將大幅上升至71.6萬元/年,此運轉成本差距已足夠新購一臺常用之有油30HP機臺。藉由以上之說明,顯示出空氣壓縮機使用者了解運轉能源效率的重要性,但對于此效率數值的取得,一般并無法從既存之各項

17、保養(yǎng)記錄數據上直接得到,而必須加裝額外的檢測儀表方可得之。對于此效率檢測,一般而言應每一年或兩年對所使用之空氣壓縮機作一次效率測試;另在空氣壓縮機維修后,特別是壓縮機體的維修后,也應要求維修廠商提供效率數據。133.1、空氣壓縮機效率測試方法為得到以上表示空氣壓縮機效率之各項數據,在進行檢測時,必須同步取得空氣壓縮機運轉時之產氣量(進氣量,以CFM或CMM表示,及空氣壓縮機用電資料,以KW或HP表示。在空氣壓縮機產氣量的量測方面,本中心采用孔口組流量計,其量測時安裝于壓縮空氣出口上,藉由其檢測所得數據,按本中心多年來之量測經驗,其誤差值在5%以內。除以上之產氣量(進氣量量測外,對于用電量的量測

18、,可使用電力分析儀,進而計算出空氣壓縮機的運轉功率,在此必須特別強調的是電力量測工具最好具有功率因數量測者,如此方可計算出正確之實際運轉功率。以一220V,三相電流平均為300A,功率因子95%為例,其輸入功率為108.6KW(145.6HP。1.732 220V 300A 0.95 / 1000=108.6KW對于空氣壓縮機的效率測試,以下為本中心采用之孔口組流量計量測一部空氣壓縮機效率之作業(yè)步驟:1.仔細檢視及填寫欲進行檢測之空氣壓縮機規(guī)范(參見表3.1,現場使用壓縮空氣壓力等級、冷卻水出入水溫、水壓等資料。2.藉以上的數據決定出孔口組流量計之大小,并給廠方需要安裝之配管數據(參見圖3.1

19、。3.現場測試時先行關閉空氣壓縮機電源。4.關閉流通至現場之壓縮空氣管線閥門。5.打開空氣桶下方泄氣閥,排出壓縮空氣,至空氣桶壓力表降低至0kg/cm2G,再關閉空氣桶下方泄氣閥。6.安裝孔口組流量計至配管位置并確實鎖緊消音器以確保人員安14全。7.安裝鉤表及精密電力分析儀。8.孔口組流量計安裝壓力表并將所有孔口閥全開。9.啟動空氣壓縮機并改為手動操作至與設備規(guī)范壓力相同,壓力穩(wěn)定持續(xù)58分鐘以上不變,以利精確測量效率。10.調整孔口組流量計閥門于一流量值。11.記錄壓縮空氣出口前溫度、壓力、馬達功率及孔口組CFM值于檢測記錄表中(參見表3.2。12.重復10至11步驟多次,其中必須將常用之壓

20、力涵蓋在內。13.關閉空氣壓縮機之電源并拆除精密電力分析儀。14.空氣桶壓力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口組流量計。表3.1、空氣壓縮機規(guī)格表空氣壓縮機設備編號廠牌型式型號壓縮段數年份排氣量控制方式操作壓力(PSIG 最大操作壓力(PSIG 額定排氣量(SCFM 起動方式傳動方式冷卻方式空氣干燥方式空氣桶容量(M3壓縮空氣用途馬達廠 牌 型 式 電 壓 (V額定電流 (A 轉 速 (RPM功 率 (HP 馬達效率 (% 馬達安全系數圖3.1、孔口組流量計安裝位置示意圖表3.2、孔口組流量計測試數據記錄表測 試 數 據標準狀態(tài)CFM 效率標準狀態(tài)CFMHP孔口組 CFM 溫度 壓力PSI

21、G 功率KW 功率 HP注:標準狀態(tài)CFM =孔口組CFM 0.20076 (PSIG +14.7空氣壓縮機空氣桶冷凍乾燥機現場壓力錶孔口組流量計測試孔A測試孔B (備用測試位置後冷卻器15(孔口組溫度9/5 + 32 + 4600.53.2、管線泄漏測試方法壓縮空氣的產生需要相當多的能源投入,然而由于其無色無味,使得使用者對于其泄漏常常較不重視,因此而造成能源浪費,此一現象在本中心服務廠商時隨處可見。對于壓縮空氣系統(tǒng)的泄漏量,當然是愈小愈好,按本中心多年來所提供之檢測服務,泄漏量占總用氣量之比率能低于10%者為一相當優(yōu)良之系統(tǒng),一般之系統(tǒng)多高于此比率,更有甚者高達30%以上。以30%的系統(tǒng)泄

22、漏為例,一30HP之空氣壓縮機臺,年全載運轉時數為168000小時,平均電費為2元/KWH,全年因泄漏而造成的損失即為10.7萬元。30HP 0.746KW/HP 0.3 8000HR/年2元/KWH= 107424元/年對于壓縮空氣輸送管線泄漏量的測試,以下為本中心所采用方式之作業(yè)步驟:1.選定壹臺已完成效率測試之空氣壓縮機。2.打開流通至現場之壓縮空氣管線閥門,并確定現場無壓縮空氣使用且應關閉之關斷閥已正常關閉。3.打開空氣筒下方泄氣閥,排出壓縮空氣,至空氣桶壓力表降低至0kg/cm2G,再關閉空氣桶下方泄氣閥。4.安裝孔口組流量計至配管位置。5.孔口組流量計安裝壓力表并將所有孔口閥全開。

23、6.啟動空氣壓縮機電源。7.逐步關閉部份孔口組流量計排氣閥,使孔口組流量計實測壓力提升至100 PSIG。8.將此空氣壓縮機于效率測試時所量測出之100 PSIG排氣量減以上測出之排氣量,即為壓縮空氣管線泄漏量(CFM。9.關閉空氣壓縮機之電源。10.空氣桶壓力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口組流量計。17四 、空氣壓縮機節(jié)能措施空氣壓縮機 依 其作 動 原 理 可區(qū)分 為 兩 大 類 , 分 別 為 排 量 式 及動 力 式 , 在 排 量 式 中 較 為 常見 者 有 活塞 式 壓縮機與 螺旋 式 壓縮機, 而在動 力 式 中 較 為 常見 者 有 徑 流 式 (離 心 式 壓縮機。

24、 由于 其作 動 原 理之 不同 , 因此在 高 能 源使 用 效率 的 基 本 原則 下 ,各 類型 機 臺 的 采 用 便 有 其 限 制。4.1、空氣壓縮機的選擇為 能 合理 及 高 效率 的 運轉 空氣壓縮機, 首先 面 臨 之 問題即 在于 如 何 在各 式 各 樣 的空氣壓縮機 臺 中, 挑 選 出 符 合所需 且 能在安 裝 后 高 效 率運轉者 。在 決 定 空氣壓縮機的 型式 與 大 小 之 前, 必須 先 行 確 認 以下 各 點 :1. 現場 空氣 消 耗量2. 壓縮空氣質 量3. 工作 壓 力對 于 以 上各 數 值 的 估 算 可 利用 表 4.1來 達 成 ,在 現

25、場 空氣 消 耗量 上的 計 算 上, 除表 上 所使 用 之 Nm 3/hr外 , 另也可 使 用 Nm 3/min, 或 歐美 使 用 之 Nft 3/min及 Nft 3/hr表 示 。表 4.1、 現場 機 臺 壓縮空氣 耗 用 點 檢 表機 臺 編 號 機 臺 名 稱 空氣 耗 用 量(Nm3/hr空氣壓 力(kg/cm2最 低 質 量需求 水 份 油 份 雜 質 備 注另 對 于 工作時 的空氣壓 力 , 則 為 操 作 機 臺正常 運轉時 的 最 低 空氣 壓 力需求 , 除以 kg/cm2G 表 示 外 , 亦可 使 用 bar 或 psig 表 示 。 另 對 于壓縮空氣質

26、量需求 , 主要 有 水 份 含 量 、 油 份 含 量 、 雜 質 含 量 等 ; 水 份 含 量之量 化 表 示 可 以 壓 力 露 點 溫度表 示 , 油 份 含 量 及 雜 質 含 量 皆 可 以 ppm 表 示 。在 經 調 查 完 所 有用氣設備 之 后, 再 將 按 不同 壓 力需求 統(tǒng) 計出 各壓 力下之 空氣 需求量 , 其如表 4.2所 示 。表 4.2、壓縮空氣 需求量 統(tǒng) 計表壓 力 等 級 空氣 耗 用 量 (Nm3/hr 占總 量 比 率(%最 低 質 量需求 水 份 油 份 雜 質 備 注5kg/cmG 以下58kg/cmG812kg/cmG12kg/cmG 以

27、上在有 了 以 上各壓 力 等 級 之需求數據 后, 再 加 上 以下 三 項 考 慮 因 素:1. 目前壓縮空氣 之實際需求2. 未 來 擴 充時 增 加 之需求量3.10%20%的 裕 度即可決 定 出 各壓 力 等 級 之 安全 需求量 , 當 某 一壓 力 等 級 存 在有 瞬 間 用 氣 量 極 大之 機 臺 時 , 可 藉 由 提 高 此壓 力 等 級 的 裕 度 來因應。 在 完 成以 上的 評 估 之 后, 再 將 以 上各壓 力 等 級 依 以下之 原則 做 合并 , 再 參 照 空 氣壓縮機 廠 商 所提 供 之 機 臺 規(guī) 范 , 即可 大 致 決 定 出所需之 空氣壓縮

28、機 馬 力 。1. 當 大多數 機 臺 的用氣壓 力 等 級 皆 為低 壓 時 , 5kg/cm2G 以下 , 對 于 少 數 高 壓機 臺 用氣 量 亦可 同 時并 入 低 壓系統(tǒng)中,但 必須 另 購增 壓機, 提 高 壓縮供氣壓 力 供 高 壓設備 使 用。 另也可 不 并 入 低 壓系統(tǒng)中,但 使 用 獨立 之 高 壓空氣壓縮機供氣。2. 當 大多數 機 臺 的用氣壓 力 等 級 需求 皆 為 高 壓 時 , 如 皆 在 58 kg/cm2G , 約 占總 量 的 80%以 上 時 , 對 于 少 數低 壓的 需求 可 從 其 管在線 直接接 管, 再 安 裝 減 壓 閥 支 應 需求量

29、 。3. 當兩 壓 力 等 級 之 用氣 需求 相當 時 且 皆超 過 總 用氣 量 的 30%時 , 且 單 一壓 力 等 級 的空氣壓縮機 馬 力 達 100HP 以 上 時 , 可考 慮針 對 每 一壓 力 等 級 , 建 置 獨立 的供氣系統(tǒng)。除以 上 對 于氣 量 及壓 力 的 考 慮 外 , 另 由于空氣壓縮機 型式 的 不 同 , 在 操 作 上、 效率 上、 乃 至 于 未 來的 保養(yǎng) 上, 亦 有 相當 程度 的 差 異 , 以下為 型式選 用 時必須 注 意 之 事 項 :1. 以 全 負載狀 態(tài) 下 而言, 離 心 式 空氣壓縮機 效率 較高 ,因此 極 適 于 做 為

30、基 載 機 臺 或 負載 變 化 不 大之場合 。2. 在 負載 變 化 大 的 使 用 場合 , 為 達高 效率運轉 , 可 利用 多部 機 臺 調 度運轉 , 避免 空氣壓縮機 處 于 低效率之低負載運轉 。3. 空氣壓縮機的 運轉成本 極 高 , 一全年 運轉 4000小 時以 上 之 空氣 壓縮機, 所耗 用 之電力 費 用, 可 能 已足 夠新 購 一機 臺 , 為 此 購 買 空氣壓縮機 時 , 必須 特 別注 意 其運轉效率 。4. 有 油 式 空氣壓縮機 不 但 購 買 成本低 , 保養(yǎng) 費 用一 般 也較 低 。5. 具 進 氣 閥門 容 量 調節(jié)控制 之 機 臺 , 雖 能

31、 提 供 較 為 穩(wěn) 定 壓 力 的壓 縮空氣 輸 出 ,但 使 用此 類 機 臺 時 應 使其 能在 高 負載下運轉 , 即 使其實際 供氣 量 盡 量 接 近 額 定 供氣 量 。除以 上的各 項 考 慮 因素 外 ,空氣壓縮機在 加 載時 , 馬 達 之負載 高 達 100%或 以 上,因此 馬 達 效率 的 良 否 , 亦 直接 影響 到 空氣壓縮機的 效率 , 就 一 般 常見 之 馬 達 為 例 , 表 4.3所 示 為 高 效率 馬 達 與普 通馬 達之效率 比較 。表 4.3、 馬 達 效率 值比較 表馬 力數東 元 馬 達型 錄 值220V , 60HZ, 1800RPMGP

32、SA*測 試 值 460V , 60HZ, 1800RPM 一 般 型(%高 效率(%差 值 一 般 型(%高 效率(%差 值20 HP 90.5 93.0 2.5 86.5 91.0 4.5 30 HP 91.5 94.0 2.5 88.5 93.0 4.5 50 HP 92.0 95.0 3.0 90.2 93.6 3.4 75 HP 92.5 95.5 3.0 90.2 93.6 3.4 100 HP 93.5 95.5 2.0 91.7 94.5 2.8 *:GPSA 為 Gas Processors Suppliers Association之 縮寫。按 以 上 之數據 , 當 在一

33、 20HP 壓縮機上安 裝 上 高 效率 馬 達 時 , 就 整體 壓縮機 效率 而言, 即可 提 高 2.54.5%之效率; 而在 100HP 壓縮 機上, 也可 提 高 2.04.5%之 整體 效率 。 以 100HP 之 馬 達 為 例 ,全年 運轉時數 8000小 時 , 平 均 電 費 以 1.7元 /KWH計 , 全年 可 節(jié) 約之 用 電 從 2萬元 至 4.5萬元 。100HP 0.746KW/HP 8000HR/年 1.7元 /KWH 2.0% =20,291元 /年100HP 0.746KW/HP 8000HR/年 1.7元 /KWH 4.5% =45,655元 /年因此,

34、 對 于 高 負載率運轉之 空氣壓縮機而言, 選 用 高 效率 馬 達 , 在 經 濟 性 上,有 其實 質的 效 益 。4.2、空氣壓縮機效率提升為 能有 效提 升 空氣壓縮機 本 體 的 運轉效率 起 見 , 除以 上 極 為重 要 的空氣壓縮機的 選 擇 外 , 以下 將 從 理 論及 實際 上 進 行 既 設空氣壓縮機 臺 的 效率提 升 探 討 。21理 論上空氣壓縮機 運轉所需 動 力 可 由 下 式 計 算 得 知 。L=K(a+1/(K-1 P s Q s /229 (Po /Ps K-1/K(a+1-1 d/c t上 式 中 L :所需 動 力 (HPP s :吸入 空氣 絕

35、 對 壓 力 (kg/cm2P o :排 出 空氣 絕 對 壓 力 (kg/cm2Qs :單位 時 間 吸入 空氣 量 (Nft3/mina :中 間 冷卻器 數K :空氣 斷 熱 系 數c:壓縮機的全 斷 熱 效率t:傳 達 效率d :裕 度 , 往復 動 作 型 壓縮機 1.10給 油 式 螺旋 型 壓縮機 1.10無 給 油螺旋 型 壓縮機 1.15離 心 式 壓縮機 1.20將 上 式 移 項 , 以 能 源效率表 示 , 可 得 出下 式 。Q s /L= 229(K-1c t / (Po /Ps K-1/K(a+1-1K(a+1Ps d在 假 設被壓縮氣 體 為理 想 氣 體 時

36、, 斷 熱 系 數 取 1.4, 另斷 熱 效率 及 傳 達 效率 值 皆 為 1時 , 而 裕 度 也 為 1時 , 此 時 可 得 出 壓縮機的 理 論 最高 效率 , 其如 圖 4.1所 示 。圖 4.1、各 種 段 數 空氣壓縮機 輸 出 壓 力 與 理 論 效率 關 系 圖 由 以 上 理 論 計 算 可 得 知 , 以 一 般 空氣壓縮機 之 輸 出 壓 力 而言, 7kg/cm2G 時 ,一 段 壓縮 之理 論 最高 效率約 在 5.485CFM/HP, 二 段 壓 縮 約 在 6.434 CFM/HP, 三 段 壓縮 約 在 6.774CFM/HP。但在 實際 上, 空氣壓縮機

37、的 效率 應 以 圖 4.2所 示 之 各 式 空氣壓縮機 單位馬 力 壓縮空 氣 排 放 量為 一 較 為 可 行 之效率 判 斷基 準 , 在 其 上 針 對 不同 類型 之 空氣 壓縮機有 不同 之效率; 以 最 為 常見 之 單 段 式 有 油螺旋 式 空氣壓縮機 為 例 , 其 在 100PSIG(約 7kg/cm2G 之合理效率 應在 3.7CFM/HP至 4.0CFM/HP之 間 。圖 4.2、各 種類型 空氣壓縮機 效率 基 準 3.50在 100P S I G 排 放 壓 力 下 之 單 位 馬 力 壓 縮 空 氣 排 放 量 (C F M /H P 23另 對 于 輸 出

38、壓 力降低所 造 成之效率提 升 而言, 以表 4.4所 示 之理 論上 計 算 出之數據 而言。在 常見 之 7kg/cm2G 輸 出 壓 力下 , 降低 輸 出 壓 力 至 6kg/cm2G , 效率約 可 提 升 7.69.1%,此一 數據 較經驗 上 每 降 低 1kg/cm2之 輸 出 壓 力 可 提 升 效率 48%相當 。由此 可 知 空氣壓縮機 輸 出 壓 力 的 降低 的 確 有 助 于 效率 上的 提 升 與能 源 上的節(jié) 約 。表 4.4、各 種輸 出 壓 力 調 降 1kg/cm2G 對 于壓縮機 效率之提 升 比 率 壓 力降 效率提 升 比 率 (%一 段 壓縮 二

39、 段 壓縮 三 段 壓縮4-3 20.1 18.0 17.45-4 14.5 12.8 12.36-5 11.2 9.9 9.47-6 9.1 7.9 7.68-7 7.6 6.6 6.39-8 6.6 5.6 5.310-9 5.7 4.9 4.611-10 5.1 4.3 4.112-11 4.5 3.8 3.6舉例 來 說 , 當 壓縮空氣 使 用 場合 中 所需之 壓 力 只 有 3kg/cm2G 時 , 以 7kg/cm2G 減 壓 至 3kg/cm2G 所需之電力 消 耗 比 4kg/cm2G 減 壓 至 3kg/cm2G , 以 常見 之 一 段 壓縮機而言, 理 論上 效率 可

40、 提 高 約 38.9%, 不 可 不注 意 。(1+0.091(1+0.112(1+1.145-1 100% = 38.9%但 實際 上 對 于 以 上 之數據 , 本 中心 經過 多 次 驗 證 , 以下為 兩 部 單 段 式 有 油螺旋 30HP 機 臺 , 參 見 表 4.5及 圖 4.3, 在 進 氣 閥 全 開 狀 態(tài) 下 , 壓 力下降時之效率提 升 比 率 。 因此壓縮空氣的供氣壓 力 , 必須配合現 場 用氣設備的壓 力 而有 所 變 更 。 另 例 如 壓縮空氣 僅 使 用于 冷卻 或排 塵時 , 其所需 壓 力 可 能 只 有 0.5kg/cm2G ,但 如使 用 7kg

41、/cm2G 之 壓縮空 氣 則每 Nm 3/min所需之電力 消 耗 高達 78KW ; 而 當 其改 用 鼓風 機 時 , 產 生相同 氣 量所耗 用 之電力 只 有 0.4KW 左右 , 其 差 距 高達 20倍 , 不 可 不注 意 。表 4.5、 兩 部 有 油螺旋 30HP 空氣壓縮機由于壓 力降所 造 成之效率提 升壓 力降 效率提 升 比 率 (%機 臺 1機 臺 27-6 5.3 5.6 6-56.1 -另 對 只 需低 壓壓縮空氣的 場合 ,但 使 用一 般 之 鼓風 機 又無 法 達 到之 壓 力 等 級 , 13 kg/cm2G 的壓 力 范圍 內 , 為 滿足 此一 需

42、求 ,在空氣 壓縮機的 購 買 上, 必須 事 先 告 知 供 貨 商 , 進 行空氣壓縮機 輸 出 壓 力 調 降 , 而 不是 在 事 后于 出 氣管上安 裝 減 壓 閥 進 行 降低 壓 力; 另也可 在各 類型 空氣壓縮機中 選 擇 適合 于此壓 力 范圍 運轉者 , 如 魯 氏 鼓風 機, 圖 4.4所 示 為本 中心檢測 過 之 某 國 內 廠 商 制 造 的 兩 段魯 氏 鼓風 機 性 能 曲線 圖 ; 由此 圖 上 可明 顯 得 知 ,在 2kg/cm2G(28.4PSIG時之效率約為 6CFM/HP, 此 效率 值比 起 常見 空氣壓縮機 (輸 出 壓 力 7kg/cm2G

43、之 可 接 受 效率 值 , 3.54.0CFM/HP之 間 , 高 出約 50%以 上, 即 使 用前 者之 設備 會 比 后 者 節(jié) 約 1/3的 電 能 消 耗 。(1/4 -1/6 / (1/4 = 1/3圖 4.4、 某 兩 段魯 式 鼓風 機 性 能 曲 線 圖 此 時 用 電量 仍呈微 幅 上 升 ; 因此 之 故 , 此空氣壓縮機 臺 的 產 氣能 源效 率 也 開 始急 速 下降 。 這也說明 了操 作 此 類 穩(wěn) 壓機 臺 時 , 為 何 必須 盡 可 能 操 作 在 高 負載之下 , 即 進 氣 閥門 全 開 之狀 態(tài) 。圖 4.5、 某 30HP 容 量 調 整 空氣壓

44、縮機 性 能 曲 線 圖 除以 上 藉 由 進 氣 閥門 節(jié) 流方 式 進 行 穩(wěn) 壓控制 之 空氣壓縮機 臺 外 , 目前 已 有制 造 廠 商 利用 變 頻 器 開 發(fā) 出 壓 力 更加 穩(wěn) 定 , 且 不 犧牲 空氣壓 縮機 運轉效率之 機 臺 , 以下為本 中心檢測 過 之 兩變 頻 機 臺 , 圖 4.6所 示 為 一在 傳 統(tǒng) 20HP 有 油螺旋 式 機 臺 上 直接 加 上 變 頻 器 (壓縮機 額 定 轉 速 為 3000RPM 以 控制 馬 達 轉 速 ,在各 個 不同 轉 速 下所計 算 出之產 氣能 源效率 ,由 其 上 明 顯 得 知 當 轉 速 低 至 額 定 轉

45、速 的 70% (即 2100RPM 以下時 ,能 源效率 急 速 下降 , 此 現 象 主要 由于空氣壓縮機的產氣量急速減少所致。由此試驗機臺之效率數據,說明了變頻器在空氣壓縮機的應用上并不單純,可能需在空氣壓縮機的設計上(如:低轉速高效率轉子的采用或潤滑系統(tǒng)上做改變,方可使變頻器發(fā)揮出功效。圖4.6、加裝變頻器空氣壓縮機性能曲線圖(輸出壓力: 69.2PSIG而圖4.7所示之變頻空氣壓縮機則為一進口機臺,其原機臺即設計采用變頻器,而其變頻則采用增頻之方式,即將3600RPM 提高至7200RPM ,由其檢測所得之數據中顯示出,此機臺于3600RPM 處,約50%負載處可得最高供氣能源效率3

46、.8CFM/HP 以上,而其產氣能源效率在2000RPM 至7200RPM 之間皆能維持在3.6CFM/HP 以上的水平。1,5002,0002,5003,000轉速(R P M 排氣量(C F M 或耗電量(H P 3.504.00效率(C F M /H P 排氣量耗電量效率圖4.7、原機內裝變頻器空氣壓縮機性能曲線圖(輸出壓力: 85.2PSIG4.3、進氣溫度及濕度降低除以上關于空氣壓縮機的選用與如何提升既設空氣壓縮機的效率外,由于空氣中主要之成份除氮氣、氧氣及其它稀有氣體外,并含有塵埃及水蒸汽。而空氣中所能吸收水份之能力,也隨壓力的上升有所增加,但不呈線性;實際上,當壓力上升至100

47、kg/cm 2時,飽和水蒸汽量只增加約10%,而在20 kg/cm 2以內時,則只增加數%,何況一般最為常使用之壓縮空氣壓力為4 kg/cm 28 kg/cm 2,此時我們可以說空氣中飽和蒸汽量并不受壓力之影響,而只受溫度之影響。而溫度與飽和蒸汽間之關系見圖4.8,此圖為大氣壓力下之飽和蒸汽含量,但亦可適用常見之各種壓力。基于以上之原因,也說明了空氣在經過壓縮后為何會析出大量的凝結水;另外進氣之溫度愈高,不僅空氣密度低,也會使飽和蒸汽量3,0004,0005,0006,0007,0008,000轉速(RPM排氣量(C F M 或耗電量(H P 排氣量耗電量效率2829上升。因此,空氣壓縮機進氣

48、溫度及濕度必須愈低愈好。圖4.8、1立方米空氣之飽和蒸汽量4.4、進氣阻抗降低為保護壓縮機起見,在空氣壓縮機的空氣入口處皆裝有過濾器或過濾網,而這些裝置會隨著使用時間,阻抗逐漸增加,使進入壓縮機之空氣量減少,相對的使空氣壓縮機的產氣量下降,效率也因而下降。因此定期的更換或清理濾網或過濾器為改善進氣阻抗的唯一方式。4.5、多臺空氣壓縮機連鎖控制節(jié)能系統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)使用多臺空氣壓縮機并聯(lián)運轉為一相當普遍之配置,但在此種配置下,系統(tǒng)可能會有以下種種能源浪費之問題:1.機臺不作功之卸載時間增加。2.容調控制機臺,在低負載(低效率運轉。3.機臺啟停頻繁,故障率增加。一般工廠中常見之空氣壓縮機為避免馬達啟

49、停過于頻繁,因此多設有卸載運轉模式,而空氣壓縮機的卸載運轉也會耗用電力,一般而言約為全載時的2050%,視空氣壓縮機的機型及控制設計有所不4.99.417.330.451.2831311992934245981101001000020406080100溫度(飽和蒸汽量(g 30同,但無論如何,卸載時間愈長,所浪費之電力也愈大,是一不爭的事實,為此如何調度多部空氣壓縮機進行高效率運轉為目前空氣壓縮機管理之主要課題。針對多臺空氣壓縮機的并聯(lián)運轉,可在既有系統(tǒng)上做各項運轉數據搜集,其如圖4.9所示,并按所搜集之數據透過外加之控制系統(tǒng),做機臺的啟停運轉,如此不僅可降低壓縮空氣系統(tǒng)的能源耗用量,并由于監(jiān)

50、控系統(tǒng)提供更進一步之數據,如:供氣量、供氣溫度、供氣壓力等,極有利于發(fā)掘出壓縮空氣系統(tǒng),乃至于空氣壓縮機、干燥機等之問題。31圖4.9、壓縮空氣監(jiān)控系統(tǒng)簡圖供給側需求側P T FKWD壓力溫度流量功率壓力露點P T FD KWKWKW乾燥機空氣壓縮機空氣壓縮機空氣桶32五、空氣調質設備節(jié)能措施一般說來,壓縮空氣在使用時,隨著場合的不同,必須進行不同程度的調質,常見的調質設備有位于供給側的各種濾網、過濾器、冷卻器、干燥機等。而在使用側則也有三點組合、干燥機等。過濾器的使用主要在于分離空氣中的顆粒塵埃。而壓縮空氣中的冷凝水主要是藉由冷卻器、空氣桶及干燥機等設備加以分離,常見的壓縮空氣干燥設備有冷凍

51、干燥、吸附式干燥、吸收式干燥等多種。5.1、空氣清凈系統(tǒng)的選擇空氣在經過壓縮過后,將會含有大量的水份,些許油份及雜質,其將對精密儀器、氣動工具、氣動設備、儀表、管路等造成莫大的傷害,因此在空氣壓縮機后多加裝空氣清凈設備,對于各項清凈裝置的選用參見圖5.1。但在此必須特別強調,空氣清凈設備中之冷凍干燥機及吸附式干燥機也需耗用大量的能源;各種過濾器也會產生壓降,使得壓縮空氣供應端的壓力必須提高,間接的提高能源耗用;因此,在進行各項空氣清凈設備選用時必須特別注意。33圖5.1、空氣清凈設備選用 5.2、空氣桶的除水功能大多數的壓縮空氣系統(tǒng)中,在空氣壓縮機的出口端皆裝設有空氣桶,空氣桶的用途主要有三:

52、1.降低壓縮空氣供氣設備所產生脈沖傳遞至管線。2.提供瞬間空氣需求的儲存。3.利用其大面積散熱,使空氣中的水份凝結排出。 水份油份脫臭-壓力露點1000ppm -20.1ppm -0.1ppm 99.5%壓力露點- 40壓縮空氣不純物0.1ppm 99.5%34對于以上前二者,一般之使用者能了解其重要性,但對于第三者卻常被忽略;在本中心多年訪測過的廠商中,有許多案例將空氣桶不直接設置空氣壓縮機后冷卻器(after cooler之后,而是設置于冷凍式干燥機之后,以此配置方式不僅無法發(fā)揮空氣桶的冷卻排水功能,亦會增加其它干燥設備(如冷凍干燥機、吸附式干燥機等之負載,增加其能源消耗。合理之配置順序依

53、次為1.空氣壓縮機2.空氣桶3.干燥機利用空氣桶進行降溫除水,一般并無法滿足現場設備的用氣需求,因此壓縮空氣必須透過其它干燥設備的處理,方可符合需求。以下各節(jié)即在說明較常為業(yè)者采用的干燥設備。5.3、吸收式干燥吸收式干燥由于是利用壓縮空氣中的水份與干燥室中的化學物質起反應,而變?yōu)橐簯B(tài)化合物排出的方式,因此這方式亦稱之為潮解式干燥或化學干燥,干燥室中的化學物質通常為氯化鈉(鹽、氯化鈣和尿素,或為其混合物,因為這些化學物質會慢慢耗盡,故必須定期更換。吸收式干燥的優(yōu)點為構造簡單、安裝容易、不需外加能源、機械磨耗低等。但其缺點為最多只能使潮濕之壓縮空氣露點降低11,因此適用場合受到限制。35圖5.2、

54、吸收式干燥機組件示意圖 5.4、吸附式干燥此干燥方式為一種根據物理作用的干燥過程,因此有時亦稱之為再生干燥。其干燥方式如圖5.3所示。圖5.3、吸附式干燥機組件示意圖 通常吸附式干燥機有兩個并聯(lián)的干燥器,當其中一個有濕空氣通過時,另一個即進行再生程序,如此交替循環(huán)使用。此方法所使用之干燥劑有硅化膠、活性氧化鋁、活性碳等,目前已可使用分子篩使用壓力露點溫度降低至-70以下。故使用此方式可得到干燥度極高的壓縮空氣。而此一干燥方式,由于能源耗用極大,因此有多種改良型式,上圖中所示已為一改良方式;而其最原始之方式并無加熱組件及風扇,而是引入已干燥后之高壓空氣直接進行吸附材的再生,以如此之方式運作,約會

55、消耗總處理氣量中1520%的壓縮空氣,故其操作費用極為昂貴。為此而有上圖所示之方式,加上加熱組件(一般消耗之能源為電能及風扇,以此方式運作之干燥設備,只需在吸附材冷卻時消耗壓縮空氣,其再生所使用之壓縮空氣量可大幅降至約5%的總處理量。而一最為先進之方式則采用回收壓縮空氣產生時之廢熱,如此將可減少加熱組件的電能耗用。除以上不同的吸附材的再生型式外,在吸附式干燥機的運作上,控制方式的不同亦對能源消耗有不同的影響。一般最為常見者采固定時間再生周期控制,即以設定時間之方式進行吸附材再生;如每一小時進行吸附材再生一次等等。另一較為節(jié)能之方式為壓力露點溫度控制,其再生周期并不為定值,而是視被處理之壓縮空氣

56、的壓力露點溫度而決定是否進行吸附材的再生作業(yè),當然以此方式操作之吸附式干燥機較之前者較為節(jié)能,但其缺點則在于需采用一昂貴之在線壓力露點傳感器。5.5、冷凍式干燥圖5.4所示為典型之冷凍干燥機示意圖,此干燥方式是利用低溫冷媒冷卻并凝結出壓縮空氣中的水份,再由排水閘排出,被冷卻的壓縮空氣再藉由與流入的壓縮空氣進行回溫,而使冷空氣變暖,提高被處理壓縮空氣的干燥度。本干燥方式最低之露點溫度為0.5,常用之露點溫度為2,此方式的優(yōu)點為可在經長時間連續(xù)運轉后,仍具有安定的除濕能力,設備處理量大,流入壓縮空氣溫度較高等。在一般的設計上,此設備的安裝馬力約為空氣壓縮機馬力的5%以下,隨排氣溫度的上升而有些許的不同,但仍不宜超出5%;即一100HP之空氣壓縮機,其搭配之冷凍干燥機馬力數不宜超出5HP。然而就本中心人員多年的服務經驗,在許多案例中由于現場機臺操作人員返映有凝結水自其使用之管線中流出,因此懷疑冷凍干燥機能力不足,進而加裝超過5%空氣壓縮機馬力之冷凍干燥機。對于此類問題,經本中心