压缩空气供气系统节能手册_图文

1、压缩空气供气系统节能手册撰写人:庄朝焮财团法人中技社节能技术发展中心目录一、前言 (1二、压缩空气供给系统概论 (2三、压缩空气系统检测 (13四、空气压缩机节能措施 (18五、空气调质设备节能措施 (33六、压缩空气管线节能措施 (40七、编后语 (50八、参与文献 (51一、前言近年来,由于自动化设备在各行各业的普及,而气动设备的安全、洁净、易于控制、取得容易等有利因素,因此被广泛应用于自动化设备上。但为提供压力、洁净程度适合之压缩空气,各工厂必须安装、配置一压缩空气供给系统;然而对此系统的管理上,由于大部份供气系统除安装压力表外,并无安装其它合适的计量仪表,如流量计、电力瓦时表、温度计等

2、,对于所使用系统之运转状况,如现场实际需求量、实际供气量、压缩机供气效率、现场泄漏量等,无法充份掌握,进而适时的提出各项改善方案,降低压缩空气系统的运转成本。财团法人中技社节能技术发展中心(以下简称本中心多年来协助政府及产业界推动能源节约工作,有鉴于业者对于压缩空气系统的倚重,但又无法由既有仪表之数据上,得知空气压缩机的日耗电量、产气量、日负载、能源效率、空气管线的泄漏量等更进一步信息,进而分析出系统上的各种问题,并寻求解决之道;为此本中心于多年前,自加拿大引进较为简易之检测技术,经多年来协助业者分析、诊断各种压缩空气系统,前后共检测过数十个工厂上百部各式空气压缩机,协助业者发掘出压缩空气系统

3、使用上的各种问题,并提出各项对策,以供其参考改善。本手册即将过去几年服务所得之经验加以整理,期望能对业界在压缩空气系统的使用上,有进一步的帮助。1二、压缩空气供给系统概论压缩空气供给系统所包括之设备有空气压缩机、干燥设备、过滤设备、输送管线等主要组件。而其中更以空气压缩机为最大能源耗用者,也因此在压缩空气系统的能源节约上,必须要求空气压缩机的高效率运转。为达此一目的,除对空气压缩机制造销售商所提供之各项描述机台特性之数值有所认识外,另对可供选用之各类型空气压缩机及其特性亦必须有基本的认识。本章节之内容即在说明这些压缩空气系统上常见之数值,另也对常见之空气压缩机类型做简要说明。2.1、压缩空气系

4、统中各种使用单位压缩空气系统中之空气为一可压缩流体,依其所处温度、压力、湿度等条件下,为方便理论分析与比较将其区分为三类,自由空气(free air、正常状态空气(normal air及标准状态空气(standard air,自由空气即吾人生活于地球上之空气状态而言,随标高、气压、温度、位置、时间而会变化,因此以自由空气做为压缩空气系统之基准值描述较为不适当。而正常状态空气及标准状态空气则不会随以上各环境因素而有不同,因此较适合做为压缩空气系统之基准值描述。对此二状态之定义说明如下:1.正常状态(代表附号N:指温度在0,绝对压力760mm-Hg状况下之干燥空气,此时之空气密度为1.3kg/m3

5、。2.标准状态(代表附号S:指温度在20,绝对压力760mm-Hg,相对湿度75%之空气,此时之空气密度为1.2kg/m3。压缩空气系统在体积的描述上,常用之单位有ft3及m3,对于压2缩空气此二数值会随其状态而有异,因此在使用此二数值时,必须标明其状态,即其为正常状态下之体积(Nft3及Nm3或标准状态下之体积(Sft3及Sm3。当其在相同状态下,即可使用以下二换算式进行换算:1 ft3 = 0.0283 m31 m3 = 35.31 ft3压缩空气系统中对于压力数值的描述,常见之使用单位有公制之kg/cm2,英制之psi (lb/in2,另一常用者为bar,以上各单位间之换算参见表2.1。

6、表2.1、常用压力单位之换算表Bar kg/cm2psi Atm10.9806650.06894761.013251.0197210.07030691.0332314.503814.2233114.69590.9869230.9678390.0680461在压力表示上另有表压力及绝对压力之分,其中代表表压力之附加符号为g或G,绝对压力之附加符号为a或A。举例来说,10kg/cm2G 之压力等于11.03323 kg/cm2A,即10kg/cm2G = 1.03323 kg/cm2(=1atm + 10 kg/cm2温度常见之单位有及,两者间之关系如下两式所示:=(-32 5 / 9=9 / 5

7、 + 323一般湿度之表示有两种,相对湿度与绝对湿度,其中又以相对湿度最为常见,其定义如下:相对湿度=实际水蒸汽量/该温度下之饱和水蒸汽量100% 而绝对湿度之定义则为一单位体积之空气中,水蒸汽重量与干燥空气重量之比例,其如下所示:绝对湿度=水蒸汽重量/干燥空气重量100%在一以马达趋动之空气压缩机,其所用能源为电能,常用之功率单位为马力(hp及千瓦(kw,每1hp=0.746kw。至于空气压缩机(使用三相马达的实际电能耗用功率可以下式计算出。功率(kw = 1.732 电流(I 电压(V 功率因子/1000注:电流(I之单位为安培电压(V之单位为伏特2.2、空气压缩机类型空气压缩机依其作动原

8、理可区分为两大类,分别为定排量式压缩机及动力式压缩机。定排量式机台之基本原理是将空气引导到一封闭空间中,再利用机件的移动,使封闭空间由大变小,直接使得其中之空气的压力上升。动力式机台则是藉由轮叶的高速运动使空气快速流动,再使其通过升压环(diffuser,使空气的动能转变为压力。图2.1、空气压缩机分类图活塞式空气压缩机的组件基本构造如图2.2所示,其包括之零组件有活塞、气缸、进气阀、排气阀、各种连杆等。机台的运作可区分为进气行程与排气行程。在进气行程时,进气阀开启,排气阀关闭,阀门的启闭利用压差致动而非机械致动,此时活塞下移引入外界空气。在排气行程时,进气阀关闭,排气阀随后开启,阀门开启的时

9、机随设计方式而有些许不同,但在开启后,受到压缩而压力提升之空气随即排出。图2.2、单段往复式活塞空气压缩机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 图2.3、双段往复式活塞空气压缩机(一 图2.4、双段往复式活塞空气压缩机(二 此类空气压缩机的工作原理和往复活塞式相同,但此类机台是靠鼓膜而达到密封作用,但也由于鼓膜的存在而使活塞的行程较短,因此压缩比也较小,其结构如图2.5所示。鼓膜式空气压缩机其压缩空气输出量通常小于1Nm3/min,但由于结构简单,且不与润滑油接触,故可得到不含油份之压缩空气,极适合于需小量无油之制程,较常为食品、制药等工业采

10、用。图2.5、鼓膜活塞式空气压缩机 此类空气压缩机的结构如图2.6所示,在压缩机的外壳内,有一马达带动的转子,转子的中心与外壳内部的中心有一偏心量,此偏心量决定机台的输出量及压力。而在转子上嵌有滑动的叶片,当转子回转时,由于离心力的作用使其与机壳内侧紧密接触,造成一密闭空间。转子回转时,空气由吸入口处之密闭空间逐渐由大变小,而产生吸入作用;而在排出口处,密闭空间由大变小,而排出压缩空气。滑动叶片式空气压缩机的每一机台的输出量可高达1000 Nm 3/min 以上,输出压力亦可高达8kg/cm 2G ,运转时振动也小,因此不需安装于坚固的基础上;但一般而言能源效率较低,因此较少为国内厂商采用。图

11、2.6、滑动叶片式空气压缩机 螺旋式空气压缩机之结构如图2.7所示,主要是藉由一对雌雄转子间的密封间隙缩小而达压缩的效果,机台由于高速运转,且无冲程,因此噪音小,运转平稳,一般不需坚固的基础。此类空气压缩机又可分为有油及无油两种;其中无油式的干式压缩,为避免其转子直接接触,因此两转子的转动,藉由同步齿轮来达成,而其单段压缩比也无法太高,输出压力约只达数kg/cm 2,为此在较高压力需求的场合中,此类机台必须藉由两组压缩机的串联,方可达成所需之输出压力。另无油式,目前已开发出水润滑方式,藉此方式不仅可简化压缩机台的机构,亦可提高单段压缩比值。而一般常见之有油螺旋空气压缩机,由于有润滑油进行润滑及

12、密7封,因此不需安装精密同步齿轮,且单段压缩比也可高达12以上,已可满足大多数场合的需求;除此之外,目前转子多采用高能源效率的不对称形,其能源效率已比往复式高出许多。因此近年来此类机型受到国内厂商的大量采用。图2.7、螺旋式空气压缩机 鲁式鼓风机之运作方式如图2.8所示。其机壳内有俗称花生的两转子,以相反方向进行运转;此机台由于构造简单,且转子无直接接触之磨耗,除保养容易外,设备购置成本低,能源效率亦不错。但此类机台的单段压缩比最高约只达1.7:1,因此之故较适合于低压、气量大的场合中使用。除单段式鲁式鼓风机外,目前已有串联两组鲁式压缩转子的机台,藉由此机构设计,可使机台之输出压力高达2.0

13、kg/cm2G以上,大幅扩大其适用范围。9图2.8、鲁式鼓风机 径流式亦俗称离心式,其作动原理如图2.9所示,其机体内有一高速旋转的叶轮,空气由其叶片带动,高速抛离叶片而进入升压环。升压环由于断面积的逐渐扩大,导致压缩空气流速降低,而压力得以升高。在叶轮转动时,由于其中心附近将形成真空,因此而产生吸气的功能。图2.9、径流式空气压缩机 一般径流式空气压缩机单段所能产生的压力上升较之往复式及螺旋式机种为小,因此为得到较高的压力输出,必须加以多段串联,其如图2.10所示。径流式空气压缩机,由于轮叶与轮壳无接触,无直接之机械磨耗损失,能源使用效率一般而言较之往复式为高。除此之外,常用之径流式目前只有

14、较大马力机台,约300HP 以上,排气量1200CFM 以上者;另径流式由于机构上之限制,对于使用端需求变化较大时,无法利用较有效率之方式进行降载运转,这在选用此类机台时不得不加以注意。径流式空气压缩机台的另一特性为无油,即其产生出之压缩空气可适用于需无油之制程中。图2.10、四段径流式空气压缩机10 此类型空气压缩机,结构如图2.11所示,其作动原理与径流式相类似,同样是利用升压器将高速流动空气的动能转换成静压力。其与径流式之差异在于径流式空气流动方向是沿者轮叶流动,而轴流式则是沿者轮轴流动。无论是轴流式或径流式由于其运转速度极高,可高达10,000RPM 以上,运转时有极高频的噪音产生,为

15、进行隔离一般可加上隔音设备,即可达到效果。图2.11、轴流式空气压缩机1112三、压缩空气系统检测为了解压缩空气系统的现况,包括能源使用效率、泄漏量、压力降等,因此对于此系统必须定期进行检测作业及检讨,方可使此一系统在最佳能源效率下运转。在空气压缩机的能源使用效率检测上,主要之测试项目为空气压缩机产气量及耗电量,常用之表示单位为CFM/HP或CMM/HP等;例如一30HP之空气压缩机额定产气量为 3.6CMM,其额定效率为0.12CMM/HP或4.24CFM/HP;但在实际情况下,一般并无法运转于此效率下,特别是一经长时间运转或维修后之空气压缩机,其能源效率极有可能比额定数值小相当可观之量,如

16、其降低至新机效率值(假设新机时之效率值为3.8CFM/HP的一半时,对一30HP之空气压缩机而言,全年产出相同量压缩空气之成本即高出一倍,对于一30HP 空气压缩机,全年全载运转之时间为8000小时,假设平均电费为2元/KWH,则此机台全年之用电成本为35.8万元;30HP 0.746KW/HP 8000HR/年2元/KWH=358080元/年当以上述一半效率之机台运转时,则需两台方可满足所需,其用电成本将大幅上升至71.6万元/年,此运转成本差距已足够新购一台常用之有油30HP机台。藉由以上之说明,显示出空气压缩机使用者了解运转能源效率的重要性,但对于此效率数值的取得,一般并无法从既存之各项

17、保养记录数据上直接得到,而必须加装额外的检测仪表方可得之。对于此效率检测,一般而言应每一年或两年对所使用之空气压缩机作一次效率测试;另在空气压缩机维修后,特别是压缩机体的维修后,也应要求维修厂商提供效率数据。133.1、空气压缩机效率测试方法为得到以上表示空气压缩机效率之各项数据,在进行检测时,必须同步取得空气压缩机运转时之产气量(进气量,以CFM或CMM表示,及空气压缩机用电资料,以KW或HP表示。在空气压缩机产气量的量测方面,本中心采用孔口组流量计,其量测时安装于压缩空气出口上,藉由其检测所得数据,按本中心多年来之量测经验,其误差值在5%以内。除以上之产气量(进气量量测外,对于用电量的量测

18、,可使用电力分析仪,进而计算出空气压缩机的运转功率,在此必须特别强调的是电力量测工具最好具有功率因数量测者,如此方可计算出正确之实际运转功率。以一220V,三相电流平均为300A,功率因子95%为例,其输入功率为108.6KW(145.6HP。1.732 220V 300A 0.95 / 1000=108.6KW对于空气压缩机的效率测试,以下为本中心采用之孔口组流量计量测一部空气压缩机效率之作业步骤:1.仔细检视及填写欲进行检测之空气压缩机规范(参见表3.1,现场使用压缩空气压力等级、冷却水出入水温、水压等资料。2.藉以上的数据决定出孔口组流量计之大小,并给厂方需要安装之配管数据(参见图3.1

19、。3.现场测试时先行关闭空气压缩机电源。4.关闭流通至现场之压缩空气管线阀门。5.打开空气桶下方泄气阀,排出压缩空气,至空气桶压力表降低至0kg/cm2G,再关闭空气桶下方泄气阀。6.安装孔口组流量计至配管位置并确实锁紧消音器以确保人员安14全。7.安装钩表及精密电力分析仪。8.孔口组流量计安装压力表并将所有孔口阀全开。9.启动空气压缩机并改为手动操作至与设备规范压力相同,压力稳定持续58分钟以上不变,以利精确测量效率。10.调整孔口组流量计阀门于一流量值。11.记录压缩空气出口前温度、压力、马达功率及孔口组CFM值于检测记录表中(参见表3.2。12.重复10至11步骤多次,其中必须将常用之压

20、力涵盖在内。13.关闭空气压缩机之电源并拆除精密电力分析仪。14.空气桶压力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口组流量计。表3.1、空气压缩机规格表空气压缩机设备编号厂牌型式型号压缩段数年份排气量控制方式操作压力(PSIG 最大操作压力(PSIG 额定排气量(SCFM 起动方式传动方式冷却方式空气干燥方式空气桶容量(M3压缩空气用途马达厂 牌 型 式 电 压 (V额定电流 (A 转 速 (RPM功 率 (HP 马达效率 (% 马达安全系数图3.1、孔口组流量计安装位置示意图表3.2、孔口组流量计测试数据记录表测 试 数 据标准状态CFM 效率标准状态CFMHP孔口组 CFM 温度 压力PSI

21、G 功率KW 功率 HP注:标准状态CFM =孔口组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(孔口组温度9/5 + 32 + 4600.53.2、管线泄漏测试方法压缩空气的产生需要相当多的能源投入,然而由于其无色无味,使得使用者对于其泄漏常常较不重视,因此而造成能源浪费,此一现象在本中心服务厂商时随处可见。对于压缩空气系统的泄漏量,当然是愈小愈好,按本中心多年来所提供之检测服务,泄漏量占总用气量之比率能低于10%者为一相当优良之系统,一般之系统多高于此比率,更有甚者高达30%以上。以30%的系统泄

22、漏为例,一30HP之空气压缩机台,年全载运转时数为168000小时,平均电费为2元/KWH,全年因泄漏而造成的损失即为10.7万元。30HP 0.746KW/HP 0.3 8000HR/年2元/KWH= 107424元/年对于压缩空气输送管线泄漏量的测试,以下为本中心所采用方式之作业步骤:1.选定壹台已完成效率测试之空气压缩机。2.打开流通至现场之压缩空气管线阀门,并确定现场无压缩空气使用且应关闭之关断阀已正常关闭。3.打开空气筒下方泄气阀,排出压缩空气,至空气桶压力表降低至0kg/cm2G,再关闭空气桶下方泄气阀。4.安装孔口组流量计至配管位置。5.孔口组流量计安装压力表并将所有孔口阀全开。

23、6.启动空气压缩机电源。7.逐步关闭部份孔口组流量计排气阀,使孔口组流量计实测压力提升至100 PSIG。8.将此空气压缩机于效率测试时所量测出之100 PSIG排气量减以上测出之排气量,即为压缩空气管线泄漏量(CFM。9.关闭空气压缩机之电源。10.空气桶压力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口组流量计。17四 、空气压缩机节能措施空气压缩机 依 其作 动 原 理 可区分 为 两 大 类 , 分 别 为 排 量 式 及动 力 式 , 在 排 量 式 中 较 为 常见 者 有 活塞 式 压缩机与 螺旋 式 压缩机, 而在动 力 式 中 较 为 常见 者 有 径 流 式 (离 心 式 压缩机。

24、 由于 其作 动 原 理之 不同 , 因此在 高 能 源使 用 效率 的 基 本 原则 下 ,各 类型 机 台 的 采 用 便 有 其 限 制。4.1、空气压缩机的选择为 能 合理 及 高 效率 的 运转 空气压缩机, 首先 面 临 之 问题即 在于 如 何 在各 式 各 样 的空气压缩机 台 中, 挑 选 出 符 合所需 且 能在安 装 后 高 效 率运转者 。在 决 定 空气压缩机的 型式 与 大 小 之 前, 必须 先 行 确 认 以下 各 点 :1. 现场 空气 消 耗量2. 压缩空气质 量3. 工作 压 力对 于 以 上各 数 值 的 估 算 可 利用 表 4.1来 达 成 ,在 现

25、场 空气 消 耗量 上的 计 算 上, 除表 上 所使 用 之 Nm 3/hr外 , 另也可 使 用 Nm 3/min, 或 欧美 使 用 之 Nft 3/min及 Nft 3/hr表 示 。表 4.1、 现场 机 台 压缩空气 耗 用 点 检 表机 台 编 号 机 台 名 称 空气 耗 用 量(Nm3/hr空气压 力(kg/cm2最 低 质 量需求 水 份 油 份 杂 质 备 注另 对 于 工作时 的空气压 力 , 则 为 操 作 机 台正常 运转时 的 最 低 空气 压 力需求 , 除以 kg/cm2G 表 示 外 , 亦可 使 用 bar 或 psig 表 示 。 另 对 于压缩空气质

26、量需求 , 主要 有 水 份 含 量 、 油 份 含 量 、 杂 质 含 量 等 ; 水 份 含 量之量 化 表 示 可 以 压 力 露 点 温度表 示 , 油 份 含 量 及 杂 质 含 量 皆 可 以 ppm 表 示 。在 经 调 查 完 所 有用气设备 之 后, 再 将 按 不同 压 力需求 统 计出 各压 力下之 空气 需求量 , 其如表 4.2所 示 。表 4.2、压缩空气 需求量 统 计表压 力 等 级 空气 耗 用 量 (Nm3/hr 占总 量 比 率(%最 低 质 量需求 水 份 油 份 杂 质 备 注5kg/cmG 以下58kg/cmG812kg/cmG12kg/cmG 以

27、上在有 了 以 上各压 力 等 级 之需求数据 后, 再 加 上 以下 三 项 考 虑 因 素:1. 目前压缩空气 之实际需求2. 未 来 扩 充时 增 加 之需求量3.10%20%的 裕 度即可决 定 出 各压 力 等 级 之 安全 需求量 , 当 某 一压 力 等 级 存 在有 瞬 间 用 气 量 极 大之 机 台 时 , 可 藉 由 提 高 此压 力 等 级 的 裕 度 来因应。 在 完 成以 上的 评 估 之 后, 再 将 以 上各压 力 等 级 依 以下之 原则 做 合并 , 再 参 照 空 气压缩机 厂 商 所提 供 之 机 台 规 范 , 即可 大 致 决 定 出所需之 空气压缩

28、机 马 力 。1. 当 大多数 机 台 的用气压 力 等 级 皆 为低 压 时 , 5kg/cm2G 以下 , 对 于 少 数 高 压机 台 用气 量 亦可 同 时并 入 低 压系统中,但 必须 另 购增 压机, 提 高 压缩供气压 力 供 高 压设备 使 用。 另也可 不 并 入 低 压系统中,但 使 用 独立 之 高 压空气压缩机供气。2. 当 大多数 机 台 的用气压 力 等 级 需求 皆 为 高 压 时 , 如 皆 在 58 kg/cm2G , 约 占总 量 的 80%以 上 时 , 对 于 少 数低 压的 需求 可 从 其 管在线 直接接 管, 再 安 装 减 压 阀 支 应 需求量

29、 。3. 当两 压 力 等 级 之 用气 需求 相当 时 且 皆超 过 总 用气 量 的 30%时 , 且 单 一压 力 等 级 的空气压缩机 马 力 达 100HP 以 上 时 , 可考 虑针 对 每 一压 力 等 级 , 建 置 独立 的供气系统。除以 上 对 于气 量 及压 力 的 考 虑 外 , 另 由于空气压缩机 型式 的 不 同 , 在 操 作 上、 效率 上、 乃 至 于 未 来的 保养 上, 亦 有 相当 程度 的 差 异 , 以下为 型式选 用 时必须 注 意 之 事 项 :1. 以 全 负载状 态 下 而言, 离 心 式 空气压缩机 效率 较高 ,因此 极 适 于 做 为

30、基 载 机 台 或 负载 变 化 不 大之场合 。2. 在 负载 变 化 大 的 使 用 场合 , 为 达高 效率运转 , 可 利用 多部 机 台 调 度运转 , 避免 空气压缩机 处 于 低效率之低负载运转 。3. 空气压缩机的 运转成本 极 高 , 一全年 运转 4000小 时以 上 之 空气 压缩机, 所耗 用 之电力 费 用, 可 能 已足 够新 购 一机 台 , 为 此 购 买 空气压缩机 时 , 必须 特 别注 意 其运转效率 。4. 有 油 式 空气压缩机 不 但 购 买 成本低 , 保养 费 用一 般 也较 低 。5. 具 进 气 阀门 容 量 调节控制 之 机 台 , 虽 能

31、 提 供 较 为 稳 定 压 力 的压 缩空气 输 出 ,但 使 用此 类 机 台 时 应 使其 能在 高 负载下运转 , 即 使其实际 供气 量 尽 量 接 近 额 定 供气 量 。除以 上的各 项 考 虑 因素 外 ,空气压缩机在 加 载时 , 马 达 之负载 高 达 100%或 以 上,因此 马 达 效率 的 良 否 , 亦 直接 影响 到 空气压缩机的 效率 , 就 一 般 常见 之 马 达 为 例 , 表 4.3所 示 为 高 效率 马 达 与普 通马 达之效率 比较 。表 4.3、 马 达 效率 值比较 表马 力数东 元 马 达型 录 值220V , 60HZ, 1800RPMGP

32、SA*测 试 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 为 Gas Processors Suppliers Association之 缩写。按 以 上 之数据 , 当 在一

33、 20HP 压缩机上安 装 上 高 效率 马 达 时 , 就 整体 压缩机 效率 而言, 即可 提 高 2.54.5%之效率; 而在 100HP 压缩 机上, 也可 提 高 2.04.5%之 整体 效率 。 以 100HP 之 马 达 为 例 ,全年 运转时数 8000小 时 , 平 均 电 费 以 1.7元 /KWH计 , 全年 可 节 约之 用 电 从 2万元 至 4.5万元 。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、 对 于 高 负载率运转之 空气压缩机而言, 选 用 高 效率 马 达 , 在 经 济 性 上,有 其实 质的 效 益 。4.2、空气压缩机效率提升为 能有 效提 升 空气压缩机 本 体 的 运转效率 起 见 , 除以 上 极 为重 要 的空气压缩机的 选 择 外 , 以下 将 从 理 论及 实际 上 进 行 既 设空气压缩机 台 的 效率提 升 探 讨 。21理 论上空气压缩机 运转所需 动 力 可 由 下 式 计 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 动 力 (HPP s :吸入 空气 绝

35、 对 压 力 (kg/cm2P o :排 出 空气 绝 对 压 力 (kg/cm2Qs :单位 时 间 吸入 空气 量 (Nft3/mina :中 间 冷却器 数K :空气 断 热 系 数c:压缩机的全 断 热 效率t:传 达 效率d :裕 度 , 往复 动 作 型 压缩机 1.10给 油 式 螺旋 型 压缩机 1.10无 给 油螺旋 型 压缩机 1.15离 心 式 压缩机 1.20将 上 式 移 项 , 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 设被压缩气 体 为理 想 气 体 时

36、, 断 热 系 数 取 1.4, 另断 热 效率 及 传 达 效率 值 皆 为 1时 , 而 裕 度 也 为 1时 , 此 时 可 得 出 压缩机的 理 论 最高 效率 , 其如 图 4.1所 示 。图 4.1、各 种 段 数 空气压缩机 输 出 压 力 与 理 论 效率 关 系 图 由 以 上 理 论 计 算 可 得 知 , 以 一 般 空气压缩机 之 输 出 压 力 而言, 7kg/cm2G 时 ,一 段 压缩 之理 论 最高 效率约 在 5.485CFM/HP, 二 段 压 缩 约 在 6.434 CFM/HP, 三 段 压缩 约 在 6.774CFM/HP。但在 实际 上, 空气压缩机

37、的 效率 应 以 图 4.2所 示 之 各 式 空气压缩机 单位马 力 压缩空 气 排 放 量为 一 较 为 可 行 之效率 判 断基 准 , 在 其 上 针 对 不同 类型 之 空气 压缩机有 不同 之效率; 以 最 为 常见 之 单 段 式 有 油螺旋 式 空气压缩机 为 例 , 其 在 100PSIG(约 7kg/cm2G 之合理效率 应在 3.7CFM/HP至 4.0CFM/HP之 间 。图 4.2、各 种类型 空气压缩机 效率 基 准 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 对 于 输 出

38、压 力降低所 造 成之效率提 升 而言, 以表 4.4所 示 之理 论上 计 算 出之数据 而言。在 常见 之 7kg/cm2G 输 出 压 力下 , 降低 输 出 压 力 至 6kg/cm2G , 效率约 可 提 升 7.69.1%,此一 数据 较经验 上 每 降 低 1kg/cm2之 输 出 压 力 可 提 升 效率 48%相当 。由此 可 知 空气压缩机 输 出 压 力 的 降低 的 确 有 助 于 效率 上的 提 升 与能 源 上的节 约 。表 4.4、各 种输 出 压 力 调 降 1kg/cm2G 对 于压缩机 效率之提 升 比 率 压 力降 效率提 升 比 率 (%一 段 压缩 二

39、 段 压缩 三 段 压缩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举例 来 说 , 当 压缩空气 使 用 场合 中 所需之 压 力 只 有 3kg/cm2G 时 , 以 7kg/cm2G 减 压 至 3kg/cm2G 所需之电力 消 耗 比 4kg/cm2G 减 压 至 3kg/cm2G , 以 常见 之 一 段 压缩机而言, 理 论上 效率 可

40、 提 高 约 38.9%, 不 可 不注 意 。(1+0.091(1+0.112(1+1.145-1 100% = 38.9%但 实际 上 对 于 以 上 之数据 , 本 中心 经过 多 次 验 证 , 以下为 两 部 单 段 式 有 油螺旋 30HP 机 台 , 参 见 表 4.5及 图 4.3, 在 进 气 阀 全 开 状 态 下 , 压 力下降时之效率提 升 比 率 。 因此压缩空气的供气压 力 , 必须配合现 场 用气设备的压 力 而有 所 变 更 。 另 例 如 压缩空气 仅 使 用于 冷却 或排 尘时 , 其所需 压 力 可 能 只 有 0.5kg/cm2G ,但 如使 用 7kg

41、/cm2G 之 压缩空 气 则每 Nm 3/min所需之电力 消 耗 高达 78KW ; 而 当 其改 用 鼓风 机 时 , 产 生相同 气 量所耗 用 之电力 只 有 0.4KW 左右 , 其 差 距 高达 20倍 , 不 可 不注 意 。表 4.5、 两 部 有 油螺旋 30HP 空气压缩机由于压 力降所 造 成之效率提 升压 力降 效率提 升 比 率 (%机 台 1机 台 27-6 5.3 5.6 6-56.1 -另 对 只 需低 压压缩空气的 场合 ,但 使 用一 般 之 鼓风 机 又无 法 达 到之 压 力 等 级 , 13 kg/cm2G 的压 力 范围 内 , 为 满足 此一 需

42、求 ,在空气 压缩机的 购 买 上, 必须 事 先 告 知 供 货 商 , 进 行空气压缩机 输 出 压 力 调 降 , 而 不是 在 事 后于 出 气管上安 装 减 压 阀 进 行 降低 压 力; 另也可 在各 类型 空气压缩机中 选 择 适合 于此压 力 范围 运转者 , 如 鲁 氏 鼓风 机, 图 4.4所 示 为本 中心检测 过 之 某 国 内 厂 商 制 造 的 两 段鲁 氏 鼓风 机 性 能 曲线 图 ; 由此 图 上 可明 显 得 知 ,在 2kg/cm2G(28.4PSIG时之效率约为 6CFM/HP, 此 效率 值比 起 常见 空气压缩机 (输 出 压 力 7kg/cm2G

43、之 可 接 受 效率 值 , 3.54.0CFM/HP之 间 , 高 出约 50%以 上, 即 使 用前 者之 设备 会 比 后 者 节 约 1/3的 电 能 消 耗 。(1/4 -1/6 / (1/4 = 1/3图 4.4、 某 两 段鲁 式 鼓风 机 性 能 曲 线 图 此 时 用 电量 仍呈微 幅 上 升 ; 因此 之 故 , 此空气压缩机 台 的 产 气能 源效 率 也 开 始急 速 下降 。 这也说明 了操 作 此 类 稳 压机 台 时 , 为 何 必须 尽 可 能 操 作 在 高 负载之下 , 即 进 气 阀门 全 开 之状 态 。图 4.5、 某 30HP 容 量 调 整 空气压

44、缩机 性 能 曲 线 图 除以 上 藉 由 进 气 阀门 节 流方 式 进 行 稳 压控制 之 空气压缩机 台 外 , 目前 已 有制 造 厂 商 利用 变 频 器 开 发 出 压 力 更加 稳 定 , 且 不 牺牲 空气压 缩机 运转效率之 机 台 , 以下为本 中心检测 过 之 两变 频 机 台 , 图 4.6所 示 为 一在 传 统 20HP 有 油螺旋 式 机 台 上 直接 加 上 变 频 器 (压缩机 额 定 转 速 为 3000RPM 以 控制 马 达 转 速 ,在各 个 不同 转 速 下所计 算 出之产 气能 源效率 ,由 其 上 明 显 得 知 当 转 速 低 至 额 定 转

45、速 的 70% (即 2100RPM 以下时 ,能 源效率 急 速 下降 , 此 现 象 主要 由于空气压缩机的产气量急速减少所致。由此试验机台之效率数据,说明了变频器在空气压缩机的应用上并不单纯,可能需在空气压缩机的设计上(如:低转速高效率转子的采用或润滑系统上做改变,方可使变频器发挥出功效。图4.6、加装变频器空气压缩机性能曲线图(输出压力: 69.2PSIG而图4.7所示之变频空气压缩机则为一进口机台,其原机台即设计采用变频器,而其变频则采用增频之方式,即将3600RPM 提高至7200RPM ,由其检测所得之数据中显示出,此机台于3600RPM 处,约50%负载处可得最高供气能源效率3

46、.8CFM/HP 以上,而其产气能源效率在2000RPM 至7200RPM 之间皆能维持在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 排氣量耗電量效率图4.7、原机内装变频器空气压缩机性能曲线图(输出压力: 85.2PSIG4.3、进气温度及湿度降低除以上关于空气压缩机的选用与如何提升既设空气压缩机的效率外,由于空气中主要之成份除氮气、氧气及其它稀有气体外,并含有尘埃及水蒸汽。而空气中所能吸收水份之能力,也随压力的上升有所增加,但不呈线性;实际上,当压力上升至100

47、kg/cm 2时,饱和水蒸汽量只增加约10%,而在20 kg/cm 2以内时,则只增加数%,何况一般最为常使用之压缩空气压力为4 kg/cm 28 kg/cm 2,此时我们可以说空气中饱和蒸汽量并不受压力之影响,而只受温度之影响。而温度与饱和蒸汽间之关系见图4.8,此图为大气压力下之饱和蒸汽含量,但亦可适用常见之各种压力。基于以上之原因,也说明了空气在经过压缩后为何会析出大量的凝结水;另外进气之温度愈高,不仅空气密度低,也会使饱和蒸汽量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,空气压缩机进气

48、温度及湿度必须愈低愈好。图4.8、1立方米空气之饱和蒸汽量4.4、进气阻抗降低为保护压缩机起见,在空气压缩机的空气入口处皆装有过滤器或过滤网,而这些装置会随着使用时间,阻抗逐渐增加,使进入压缩机之空气量减少,相对的使空气压缩机的产气量下降,效率也因而下降。因此定期的更换或清理滤网或过滤器为改善进气阻抗的唯一方式。4.5、多台空气压缩机连锁控制节能系统压缩空气系统使用多台空气压缩机并联运转为一相当普遍之配置,但在此种配置下,系统可能会有以下种种能源浪费之问题:1.机台不作功之卸载时间增加。2.容调控制机台,在低负载(低效率运转。3.机台启停频繁,故障率增加。一般工厂中常见之空气压缩机为避免马达启

49、停过于频繁,因此多设有卸载运转模式,而空气压缩机的卸载运转也会耗用电力,一般而言约为全载时的2050%,视空气压缩机的机型及控制设计有所不4.99.417.330.451.2831311992934245981101001000020406080100溫度(飽和蒸汽量(g 30同,但无论如何,卸载时间愈长,所浪费之电力也愈大,是一不争的事实,为此如何调度多部空气压缩机进行高效率运转为目前空气压缩机管理之主要课题。针对多台空气压缩机的并联运转,可在既有系统上做各项运转数据搜集,其如图4.9所示,并按所搜集之数据透过外加之控制系统,做机台的启停运转,如此不仅可降低压缩空气系统的能源耗用量,并由于监

50、控系统提供更进一步之数据,如:供气量、供气温度、供气压力等,极有利于发掘出压缩空气系统,乃至于空气压缩机、干燥机等之问题。31图4.9、压缩空气监控系统简图供給側需求側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、空气调质设备节能措施一般说来,压缩空气在使用时,随着场合的不同,必须进行不同程度的调质,常见的调质设备有位于供给侧的各种滤网、过滤器、冷却器、干燥机等。而在使用侧则也有三点组合、干燥机等。过滤器的使用主要在于分离空气中的颗粒尘埃。而压缩空气中的冷凝水主要是藉由冷却器、空气桶及干燥机等设备加以分离,常见的压缩空气干燥设备有冷冻

51、干燥、吸附式干燥、吸收式干燥等多种。5.1、空气清净系统的选择空气在经过压缩过后,将会含有大量的水份,些许油份及杂质,其将对精密仪器、气动工具、气动设备、仪表、管路等造成莫大的伤害,因此在空气压缩机后多加装空气清净设备,对于各项清净装置的选用参见图5.1。但在此必须特别强调,空气清净设备中之冷冻干燥机及吸附式干燥机也需耗用大量的能源;各种过滤器也会产生压降,使得压缩空气供应端的压力必须提高,间接的提高能源耗用;因此,在进行各项空气清净设备选用时必须特别注意。33图5.1、空气清净设备选用 5.2、空气桶的除水功能大多数的压缩空气系统中,在空气压缩机的出口端皆装设有空气桶,空气桶的用途主要有三:

52、1.降低压缩空气供气设备所产生脉冲传递至管线。2.提供瞬间空气需求的储存。3.利用其大面积散热,使空气中的水份凝结排出。 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对于以上前二者,一般之使用者能了解其重要性,但对于第三者却常被忽略;在本中心多年访测过的厂商中,有许多案例将空气桶不直接设置空气压缩机后冷却器(after cooler之后,而是设置于冷冻式干燥机之后,以此配置方式不仅无法发挥空气桶的冷却排水功能,亦会增加其它干燥设备(如冷冻干燥机、吸附式干燥机等之负载,增加其能源消耗。合理之配置顺序依

53、次为1.空气压缩机2.空气桶3.干燥机利用空气桶进行降温除水,一般并无法满足现场设备的用气需求,因此压缩空气必须透过其它干燥设备的处理,方可符合需求。以下各节即在说明较常为业者采用的干燥设备。5.3、吸收式干燥吸收式干燥由于是利用压缩空气中的水份与干燥室中的化学物质起反应,而变为液态化合物排出的方式,因此这方式亦称之为潮解式干燥或化学干燥,干燥室中的化学物质通常为氯化钠(盐、氯化钙和尿素,或为其混合物,因为这些化学物质会慢慢耗尽,故必须定期更换。吸收式干燥的优点为构造简单、安装容易、不需外加能源、机械磨耗低等。但其缺点为最多只能使潮湿之压缩空气露点降低11,因此适用场合受到限制。35图5.2、

54、吸收式干燥机组件示意图 5.4、吸附式干燥此干燥方式为一种根据物理作用的干燥过程,因此有时亦称之为再生干燥。其干燥方式如图5.3所示。图5.3、吸附式干燥机组件示意图 通常吸附式干燥机有两个并联的干燥器,当其中一个有湿空气通过时,另一个即进行再生程序,如此交替循环使用。此方法所使用之干燥剂有硅化胶、活性氧化铝、活性碳等,目前已可使用分子筛使用压力露点温度降低至-70以下。故使用此方式可得到干燥度极高的压缩空气。而此一干燥方式,由于能源耗用极大,因此有多种改良型式,上图中所示已为一改良方式;而其最原始之方式并无加热组件及风扇,而是引入已干燥后之高压空气直接进行吸附材的再生,以如此之方式运作,约会

55、消耗总处理气量中1520%的压缩空气,故其操作费用极为昂贵。为此而有上图所示之方式,加上加热组件(一般消耗之能源为电能及风扇,以此方式运作之干燥设备,只需在吸附材冷却时消耗压缩空气,其再生所使用之压缩空气量可大幅降至约5%的总处理量。而一最为先进之方式则采用回收压缩空气产生时之废热,如此将可减少加热组件的电能耗用。除以上不同的吸附材的再生型式外,在吸附式干燥机的运作上,控制方式的不同亦对能源消耗有不同的影响。一般最为常见者采固定时间再生周期控制,即以设定时间之方式进行吸附材再生;如每一小时进行吸附材再生一次等等。另一较为节能之方式为压力露点温度控制,其再生周期并不为定值,而是视被处理之压缩空气

56、的压力露点温度而决定是否进行吸附材的再生作业,当然以此方式操作之吸附式干燥机较之前者较为节能,但其缺点则在于需采用一昂贵之在线压力露点传感器。5.5、冷冻式干燥图5.4所示为典型之冷冻干燥机示意图,此干燥方式是利用低温冷媒冷却并凝结出压缩空气中的水份,再由排水闸排出,被冷却的压缩空气再藉由与流入的压缩空气进行回温,而使冷空气变暖,提高被处理压缩空气的干燥度。本干燥方式最低之露点温度为0.5,常用之露点温度为2,此方式的优点为可在经长时间连续运转后,仍具有安定的除湿能力,设备处理量大,流入压缩空气温度较高等。在一般的设计上,此设备的安装马力约为空气压缩机马力的5%以下,随排气温度的上升而有些许的不同,但仍不宜超出5%;即一100HP之空气压缩机,其搭配之冷冻干燥机马力数不宜超出5HP。然而就本中心人员多年的服务经验,在许多案例中由于现场机台操作人员返映有凝结水自其使用之管线中流出,因此怀疑冷冻干燥机能力不足,进而加装超过5%空气压缩机马力之冷冻干燥机。对于此类问题,经本中心