壹、 前 言
貳、 空氣壓縮機簡介
參、 壓縮空氣系統介紹
肆、 壓縮空氣系統總成本分析
伍、 壓縮空氣系統節能目標與節能措施
陸、 建構一套高效率的壓縮空氣系統
柒、 結 語
 
※漢鐘精機股份有限公司 黃茂興※
 
壓縮空氣系統普遍應用於各大企業中,但在一般人所謂的正常運轉情況下,殊不知其實還存在頗大的節能改善空間。面對經濟不景氣,失業率不斷攀升,節省一分能源,就是為企業節省一分錢、增加一分的競爭力,本文將告訴大家壓縮空氣系統的節能措施有哪些及如何建構一套高效率的壓縮空氣系統。
 
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全球性的經濟嚴冬正以迅雷不及掩耳的速度降臨台灣,致使失業率頓時攀升至5%,全年經濟成長率甚至出現60年來首度負成長,企業界面臨如此嚴苛的挑戰莫不紛紛祭出各種節流措施,包括削減員工福利、節約用水用電、減少加班、降薪、以至大幅裁員等。在在皆希望能保有競爭力以求安然度過這一波不景氣寒冬,然而卻往往忽略了『提高能源運轉效率才是對抗不景氣的最佳節流措施』。本文目的,就是希望透過正確的壓縮空氣系統佈置建構與節能控制系統規劃教導,期能協助各企業提高壓縮空氣的能源使用效率,增加產業競爭力,齊心拼經濟。
 
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空壓機依其壓力產生方式,主要區分為正位移式和動力式等兩大類。其中正位移式又可分為往復式、迴轉式及魯式等三種;動力式則可區分為離心式及軸流式等兩種。

往復式,是最早發明和應用最廣的一種,有立式、臥式、單段、多段及互動式等型式,其優點為:使用壓力及馬力涵蓋範圍廣泛(由數bar到數百bar;1/4HP~1500HP),適用多樣氣體(空氣、冷媒、氫氣、氧氣、乙炔...);缺點為:餘隙空間大、耗能比值差(2.0~3.0 CFM/HP)、活塞環及閥組需經常維修與更換、噪音(80~120dBA)及震動大、佔地面積亦大。

迴轉式,基本上區分為螺旋式、輪葉式、渦捲式及魯式等四種。

螺旋式,優點為:耗能比值高(3.0~4.0 CFM/HP)、機件構造簡單、使用壽命長、噪音(60~90dBA)及震動較小、適合24小時連續運轉,近年來廣受歡迎;缺點為:製造成本相對比往復式高、壓力及馬力範圍稍窄(3~16bar;15~300HP)、適用氣體較少(空氣、氮氣、冷媒...)、容調運轉效率低、部分負載時比較耗電。

輪葉式,優點為:機件最簡、體積小、耗能比值佳(2.8~3.8 CFM/HP)、容調運轉效率較佳;缺點為:控制系統過於簡陋、噪音(80~95dBA)及震動較大、使用壽命相對螺旋式為短、目前國內後勤服務體系並不完整(螺旋式及往復式皆十分健全)。

渦捲式,發展歷史最新、應用時間最短,優點為:噪音(50~80dBA)及震動最小、體積亦小、耗能比值佳(2.7~3.7 CFM/HP);缺點為:使用壓力及馬力涵蓋範圍甚窄(5~10bar,2~20HP)、控制系統過於簡陋、適用氣體少(空氣、冷媒...)、機件結構稍多、使用壽命相對螺旋式短、目前國內後勤服務體系也不完整。

魯式,應用壓力低(0.5~3.0 bar),通常作為鼓風機,很少當空壓機使用,運轉噪音非常大。

動力式中,離心式,在國內石化廠、化纖廠及大型電子廠相當常見,優點為:耗能比值最優(3.5~4.5 CFM/HP)、排氣穩定、適合大型機組使用(500HP以上較經濟);缺點為:購置及維護費用甚高、無法進行容量調整(多餘排氣只能洩放回到大氣,白做功)、相關售後服務與技術支援通常只能仰賴國外原廠,遠水往往救不了近火,購置時應特別注意代理商的技術支援能力。

軸流式,其應用馬力很大(數千到數萬馬力),在國內十分罕見,相關資訊少,在此不多做說明。近年來,由於國內電子科技業蓬勃發展,CDA(Clean Dry Air)壓縮空氣需求大增,無油式空氣壓縮機逐漸受到注目及使用,其中以無油螺旋式與離心式空壓機應用最為廣泛。

 
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一般製造工廠中最主要的三項基礎能源為:電、水及壓縮空氣。其中壓縮空氣通常藉由吸入週遭大氣經過空氣壓縮機壓縮後產生。由於大氣中充滿不飽和水蒸氣、雜質、油分子及各種化學物質等,經壓縮後所產生的壓縮空氣中除含原有雜質外,並會有大量的凝結水出現。加上此時的壓縮空氣排氣溫度一般高達60~70℃且脈動相當大,不適合直接使用,必須經過穩壓、降溫、除水及除雜質等處理過程後,方適合使用。另外壓縮過程也會產生大量廢熱(每馬力每小時約排熱2,500BTU),因此一套完整、節能的壓縮空氣系統配置,應如圖一所示。依序說明如下:
 
 
圖一 空壓機與壓縮空氣系統介紹圖
 

配電箱(二次側):

使用者必須依照CNS9829/C1118國家標準或表一,選用適當規格之主電源線、接地線及無熔絲開關(NFB),確保電氣使用安全。輸入電源電壓應保持在額定電壓 ±10%以內,三相電壓差須在3%以內。

 
 
表一 主電源規格
 

進氣預濾網:

目前國外進口或國內較新設計的空壓機,均裝設有進氣預濾網,目的在減少外界粉塵入侵、保持機組內部清潔、延長熱交換器阻塞時間、降低冷卻油溫,可有效提高空壓機之能源效率。

 

微電腦連鎖控制器:

多機連鎖是變動性負荷和高效率能源系統的最佳解決方案,微電腦控制器(指真正具有微處理器者,非PLC或僅有PCB版)其壓力調整精度可高達0.1bar,且無機械校正問題(傳統壓力開關式控制器,其壓力調整精度>0.5bar,需經常校正),只要使用得當,良好的『微電腦多機連鎖控制系統』對於節能將有非常可觀的貢獻(10~15%);在空壓機上的應用也已經非常成熟、穩定,毋庸掛心。

 

空氣壓縮機:

使用者應根據用氣需求,包括使用壓力、耗氣量曲線(參見圖二)、用氣品質要求(參見表二)、環境條件(溫度、溼度、海拔高度)等因素,選擇空氣壓縮機的規格與型式(氣冷、水冷;微油、無油;低壓、高壓;單機、多機)。

 
 
圖二 耗氣量曲線圖
 
The ISO8573-1quality classes
Quality Dirt Water Oil
class paricle size
in um
max.concen-
tration mg/

max.pressure
dew point(℃)

max.concen-
tration g/
1 0.1 0.1 -70 0.01
2 1 1 -40 0.1
3 5 5 -20 1.0
4 15 8 +3 5.0
5 40 10 +7 25
6 - - +10 -
For example:compressed air to quality class 2.2.2.
(dirt:1 micron and mg/ ,water:-40℃ pdp,oil:0.1mg/)
 
表二 用氣品質要求
 

穩壓用空氣桶:

此處所指穩壓用空氣桶與用戶端之大型儲氣桶功能完全不同。因為由空壓機直接排出的壓縮空氣其脈動大、溫度高、飽含水分。因此,必須立即接到穩壓用空氣桶中進行穩壓、降溫及排水。儲氣桶係置於靠近用戶端作為調節突發性需求使用(形同備用電池),通常需要很大的容量(依瞬間需求量來計算)。穩壓用空氣桶所需容量,依空壓機排氣量大小決定;其購置費用十分低廉,卻往往因空壓機設備廠商缺乏相關常識,經常被忽略而未加安裝。

 

前置精密過濾器:(過濾精度3μ)

如同穩壓用空氣桶,前置精密過濾器也經常被忽略而未加安裝。前置精密過濾器主要功能在於:將進入冷凍式乾燥機的壓縮空氣中的雜質事先過濾掉,避免壓縮空氣中之雜質卡在冷凍式乾燥機內部鰭片式散熱盤管上,影響熱交換面積與效率、增加冷媒壓縮機負荷,造成無謂的能源消耗。

 

冷凍式乾燥機:

冷凍式乾燥機利用冷凍乾燥原理,來除去壓縮空氣中的水分(環溫27℃環濕70%RH時,每日每100CFM約有22加崙的水會經由空壓機吸入壓縮空氣系統中),其壓力露點為2℃~10℃。冷凍式乾燥機已是壓縮空氣系統中不可或缺的要件,選用時應考慮:入口溫度限制、處理風量、總壓降、冷媒壓縮機效率、使用冷媒、自動排水器優劣(電子式較佳)及內部管路材質(不鏽鋼較佳)等。

 

管路精密過濾器:(過濾精度1μ、0.01μ、活性碳)

管路精密過濾器用以過濾壓縮空氣中的油份、雜質及氣味等。是否需要加裝與如何加裝?完全根據用氣品質要求(參見表二)來決定。選用時應注意:入口溫度限制、處理風量、總壓降、本體防鏽處理、過濾效率及有無壓差過大指示等。

 

吸附式乾燥機:

吸附式乾燥機利用乾燥吸附筒中的分子篩與氧化鋁,將壓縮空氣中的水分子加以吸附,達到除水的功能。其壓力露點可高達-40℃到-100℃,幾近完全乾燥;至於是否需要加裝吸附式乾燥機?應根據用氣品質要求(參見表二)來決定。選用時應考慮:入口溫度限制、處理風量、總壓降、每一循環時間與洩放空氣量、自動排水器優劣(電子式較佳)及露點偵測與控制功能等(建議應備有露點控制器)。使用時,應搭配冷凍式乾燥機一併使用,方符合能源效率原則。

 

後置精密過濾器:(過濾精度3μ)

後置精密過濾器係搭配吸附式乾燥機使用,用以過濾粉狀的分子篩與氧化鋁。
選用時應注意:入口溫度限制、處理風量、總壓降、本體防鏽處理、過濾效率及有無壓差過大指示等。

 

自動洩水器:

自動洩水器是壓縮空氣系統中最不起眼,最不被重視的配件,卻是管路洩漏的最大元兇。舊型浮筒式自動洩水器,為避免雜粒子阻塞內部管路影響排水,因此必須隨時保持持續性洩氣;換句話說,就是不斷地洩漏,影響之鉅超乎想像(參見表三)。新型電子式自動洩水器,可調整洩放時間,不必持續性洩氣,是較佳的選擇。

 
 
表三 洩漏量表
 

導風管與吸排風扇:

不論氣冷或水冷式空壓機都必須安裝導風管,用以將空壓機所產生的廢熱氣(每馬力每小時約排熱2,500BTU)引導至空壓機房外,如此方能避免廢熱氣被回吸入空壓機內,造成熱氣短循環,導致空壓機的排氣溫度不斷升高,結果不但耗費能源,更經常因此而當機,影響生產甚鉅。另外,空壓機房內部環境溫度高低,也對空壓機排氣量有非常大的影響(環溫由21℃升高至38℃,空壓機排氣量將減少5.3%,參見圖三)。因此,空壓機房必須依表四選擇適當通風量之吸排風扇來改善環境溫度。

 
 
圖三 環境條件與排氣量
 
 
表四 空壓房通氣量
 

空壓機房管路配置:

單機時,依空壓機出口管徑大小,選用相同或較大管徑之空壓用管來連接;多機時,依系統總用氣量大小來選擇管徑,以減少壓降產生(參見表五)。空壓機出口最好連接一只”三通”(作為備用或偵測連接口),並加裝”關斷閥”(近空氣桶側),方便保養時隔離系統壓力。空氣桶入口通常為較低位置者,出口位置較高(穩壓及降溫效果較好)。裝設精密過濾器或乾燥機管路時,均必須考慮規劃傍路管路(Bypass Piping),方便日後保養、維修與更換。另外,實施配管時,應考量管路之撓性要求,盡量避免管路共振;空壓管路需保持至少1/100之傾斜,便利管路中水分排洩。空壓管路材質有許多種,選用時首重防鏽與防腐性,管路光滑度對壓降也有很大影響,必須慎重考慮。

 
 
表五 空氣管路壓力損失表
 
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