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压缩空气节能概论

时间：2011-08-19      阅读：3430

 
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由压缩空气系统运转总成本分析图（见图四，以5年×8000小时/年＝40000小时为分析基础）可看出：运转能源费用约占总成本70%~80%、初期购置费用占总成本10%~20%、正常保养占总成本5%~10%、异常修理占总成本2%~5%。 再由压缩空气系统能源费用分析图（图五）可得知：运转能源费用中约40%甚至50%系起因于『泄漏』与『假性需求』。
 
 
图四压缩空气系统总成本分析图
 
 
图五压缩空气系统能源费用分析图
 
『泄漏』，根据美国能源部（US Department of Energy）统计资料指出，一般工厂之压缩空气泄漏量达30%~50%，管理较佳工厂或新厂则控制在10%~30%；5% ~10%则是较可接受的范围（一支1/4”口径管泄漏量约为2.8 /min，若以每年8000小时，每度电2元计算，每年将流失40万台币，相当于300个60Watt灯炮一年的电费）。 因此『泄漏』对于压缩空气系统运转能源费用而言，是zui致命的*敌人。 『泄漏』通常发生在以下几种情形︰
（1）自动泄水器持续性泄气
（2）管线腐蚀生锈处
（3）劣等的快速接头
（4）老旧的法兰垫片
（5）破损的空压软管
（6）吸附式干燥机定时Purge Air
（7）破裂的管路阀门..等等。
『假性需求』，顾名思义就是不需要或过度膨胀且对生产毫无助益的压缩空气需求。 多半起因于规划选用不当及控制不良。 例如：（1）高压与低压需求未分离处理（100HP空压机，由7.5K过压使用至8.5K，每年需多耗NTD110,000元/年）。 （2）因无适当控制系统，导致空车运转频繁（以100HP空压机，空车3小时/天×300天/年×2元/度，每年约多耗NTD45,000元）。 （3）空压管路设计错误（见图六），导致末端压力不足，只好拼命以调高空压机排气压力来因应，唯每调高设定压力1kg/ G，约需增加5%~ 7%电费，减少8%排气量。 （4）空压机房环境温湿度未适当控制，空压机排气量因而减少，徒增电费（空压机进气温度每增加10℃，实际排气量减少2%~4%；环境温度每降20℉，压缩空气中含水量降50%）。 （5）冷冻式及吸附式干燥机选配不当，压力露点未适当监控（干燥机入气温度每增加10℃，需增加25%耗能，才能维持相同的压力露点）。
 
 
图六空压管路布置图
 
举例来说，工厂中一台100HP空压机连续运转一年（8000小时），按能源费率计算公式（表六）、参考电价为2元/kWh（表七）、马达效率为88% （表八）可得每年运转能源费用＝NTD1,355818元，其中至少有34万元浪费于泄漏，20万元根本是假性需求、无谓的支出。 以目前一台100HP国产螺旋式空压机售价不过60万元，换句话说，只要管理与控制得当，一年就可回本，年年换新机。 所以，我们必须将所有焦点放在如何建构一套省能而且稳定的压缩空气系统上，这必须靠使用者与空压机业者双方共同来努力。
 
 
表六空压机能源费率计算公式
 
各行业平均每度电价单
行业别
平均电价（元/kWh）
行业别
平均电价（元/kWh）
半导体
1.70～1.88
纺织染整
1.63～1.81
化纤业
1.40～1.54
五金加工
2.23～2.47
石化原料
1.59～1.75
钢铁
1.95～2.15
食品饮料
1.79～1.97
水泥
1.54～1.70
纸业
1.54～1.70
百货量贩
1.95～2.15
橡胶轮胎
1.87～2.07
学校
2.31～2.55
塑胶原料
1.64～1.82
医院
1.91～2.11
塑胶加工
1.99～2.19
行政机关
2.41～2.67
 
表七各行业平均参考电价
 
型式
2极
4极
6极
8极
马力（HP）
效率（%）
效率（%）
效率（%）
效率（%）
1.0
74.0
75.0
74.0
71.5
1.5
75.5
76.5
75.5
74.0
2.0
78.0
78.5
78.0
76.0
3.0
79.5
80.5
79.5
78.0
5.0
82.0
82.5
82.0
80.0
7.5
83.0
82.5
82.0
81.0
10.0
84.0
83.5
83.0
82.0
15.0
85.0
84.5
84.0
83.5
20.0
86.0
85.5
85.0
84.0
25.0
86.5
86.0
85.5
85.0
30.0
87.0
86.5
86.0
85.5
40.0
87.5
87.0
86.5
86.5
50.0
88.0
87.5
87.0
87.0
 
表八中国台湾常用马达效率
 
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美国能源部（US Department of Energy）明定全美所有工厂之压缩空气系统节能目标为50%~70%（其中35%的耗能改善是不需要多余投资的）。 其分配为：
 
系统设计部分节能目标为15%~20%
 
（1）
关闭闲置设备，减少泄漏量及假性需求。
（2）
确认尖峰及离峰用量需求（参见图七），规划以多机代替单机，减少空车及容调使用台数与时数。 并可降低备机率（如原规划一台100HP单机时，必须备机一台100HP，共200HP；若规划为50HP+50HP连锁运转，备机只需一台50HP即可，共150HP）。
（3）
减少BLOW-OFFS使用，尽量用Fan或Blower代替空压机。
（4）
高压（3.5bar以上）与低压需求分开处理（参见图八），避免将高压压缩空气用调压阀降为低压来使用。 此举形同欲搭电梯至5F，却先搭到7F，再下降到5F。
（5）
无论如何，设法降低空压机的排气压力。
（6）
选用耗能比值较优（> 3.5 CFM/HP）的空压机（参见表九），而不是排气量（FAD）较大或进口的空压机。 淘汰耗能比值较差（< 2.5 CFM/HP）的空压机（参见表十），而不是年代较久或使用时数较长的空压机。
（7）
加大用气端之储气桶，应付瞬间高用量需求。 而非如一般空压机设备厂商建议，以加大空压机马力数来因应。
（8）
减量使用无油式空压机及吸附式干燥机。
（9）
加装气冷式空压机废热气回收装置，例如制程加热、冬季空调预热；空压机94%废热气可回收（参见表十一）。
（10）
审慎决定所需压缩空气的品质（含水量、含油量及粉粒子大小（参见表二）。
 
 
图七尖峰与离峰空压用量图
 
 
图八高低压压缩空气监控系统布置图
 
 
表九耗能比值较优空压机
 
 
表十耗能比值较差空压机
 
 
表十一废热回收计算公式
 
系统设备及控制部分节能目标为15%~20%
 
（1）
使用微电脑多机连锁控制系统（参见图九）连锁后之电能耗损可节省近25%。 避免使用压力开关式的控制系统（弹簧式压力设定，空重车间压力范围大且容易失准，需定期校正）。
（2）
缩小空压机空车与重车间之压力设定范围（参见图十），亦可节能。
（3）
空压机停机时，同时关闭冷冻式干燥机。
（4）
换线、假日、夜间用风量小时，仅启动小马力空压机来使用。
（5）
搭配使用VSD型变频式空压机来应付变动性负荷。
（6）
确保空压机润滑油温不致过高（＜100℃@ 7K）或过低（>78℃@ 7K）。
（7）
架设能即时提供各空压机运转状态（重车、空车、容调、停机；运转压力、温度、电流；过滤器压差等）及空重车运转比例的控制系统，并定期收集压缩空气系统的运转数据做为改善与调整的依据。
 
操作及维护的改善部分节能目标为20%~30% （含泄漏管制）
 
（1）
如无特殊要求，干燥机的压力露点要求尽可能调高（约较使用地环境温度低10度即可）。
（2）
加装无热吸附式干燥机之露点控制器，使得当压缩空气之含水量超过需求值时，才开始进行吸附再生，以减少无热吸附式干燥机之吹泄耗气量（Cycle time约10min，每次需7~14% Purge Air）。
（3）
无论如何，设法降低空压机房之环境温度。
（4）
根据出水温度高低来控制冷却水塔风扇的开闭。
（5）
定期检视或更新冷却水塔的水喷嘴及风扇平衡。
（6）
降低精密过滤器之入口温度和初始压差值，口径尽可能加大。
（7）
监控并定时清理空压机的热交换器，避免阻塞。
（8）
监控进气滤清器、机油过滤器及油细分离器的压差值（空压机内部机油过滤器初始压差约0.5K~1.0K，建议更换压差为1.8K，油细分离器初始压差约0.1~0.2K，建议更换压差为1.0K），适时换新。
（9）
主电源三相电压保持平衡。
（10）
适时调整及更换往复式空压机的V型皮带。
（11）
使用防漏及防腐蚀性接头及阀门。
（12）
建构环状管路系统（参见图六），控制管路流速，减少压降产生。 尽量缩短空压管路长度，加大管路口径，并使用较佳的材质（不锈钢、ABS）。
（13）
定期检视及更换空压机、干燥机、过滤器及调压阀等之自动泄水器，并使用电子式自动泄水器（重车或有水时才排放），减少不当吹泄量。
（14）
适时更换旧有管线、垫片、防漏材质、气管、球阀、快速接头及气动工具等。
（15）
向售前及售后服务迅速、空压系统专业知识良好的厂商购买设备。
 
千万记得，〝You need Compressed Air , Not Air Compressors.〞
 
图九多机连锁控制原理
 
 
图十空重车压力差与节能
 
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在充分了解压缩空气相关的系统节能概念与措施后，接下来zui重要的事情就是如何来建构一套率的压缩空气系统了。 简要步骤如下：
 
（1）
表列工厂所有空压设备的用气需求表（参见表十二）及耗气量曲线（参见图二），计算出系统总风量和系统压力。
（2）
根据上述用气需求表及耗气量曲线来规划空压机、干燥机、空气桶、储气桶及精密过滤器等压缩空气系统主要元件的规格（型式、大小、数量、等级及配比）。
（3）
依照环境条件与运转状况，决定压缩空气节能控制系统、设备布置及备机计划（正确的多机连锁系统，备机率可降低50%）。
（4）
按现场用户端之位置与需求，布置工厂环状管路计划（材质、管径、流速、回路、阀门及排水等）。
（5）
结合售前及售后服务迅速、空压系统专业知识良好的厂商，共同建立一套工厂专属的压缩空气高性能维謢保养计划，定期实施压缩空气系统能源效率稽核。
 
 
表十二用气需求总表
 
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工厂用电及用水费，因每个月均有收费纪录，比较容易引起管理者注意，漏电与漏水时也因较为显性，很快就会受到注目和处理。 相对地，工厂中压缩空气系统泄漏量多少？ 能源效率如何？ 就比较乏人问津了！ 事实上，压缩空气为三种工厂基本动力源（电、水和压缩空气）中zui耗能的一种，约占工厂总耗能10%~20%（参见表十三），其中25%浪费于泄漏，15%则浪费于假性需求，真正与生产直接相关的通常不大于60%。 然而，率的压缩空气系统是一项十分专业的气压技术和工程范畴，加上一般使用者（甚至空压设备供应商）因缺乏正确的使用观念与管理数据，根本无从着手，只能坐失改善良机，极为可惜。 其实只要稍加关心并与具有整体系统知识的专家充分沟通，35%压缩空气耗能改善是不需要多余投资的；50%压缩空气耗能改善两年内就可回本。

在能源来源日益短缺及中国台湾电力供应相形吃紧的情形下，电费不断调涨是必然的趋势。 因此，用电户如何提升用电品质与规划率节能系统，已成为现阶段刻不容缓的要务。 希望本文能唤起所有参与工厂布置与规划的工务工程师及工程公司人员，重视压缩空气系统的节能改善工作，并积极投入规划与建构率的压缩空气系统，贡献己力来强化企业竞争能力，确保企业的zui大效益。
 
产品别
耗能占比
晶圆材料
空调占35%，制程占55%
晶圆代工
空调占45%，制程占28%，纯水系统、空压机及
照明约占13%，测试区占11%
导线架
空调占50%，制程占25%，空压机占8%
IC封装
空调占40%，制程占30%，空压机占13%
印刷电路板
空调占12%，制程占65%，空压机占14%
彩色映像管
空调占20%，制程占55%（其中封膏真空占30%）
变压器
空调占35%，烘干机占20%
电线电缆
依各厂商生产之产品及制程而定，变化相当大
冷气机
板金涂装及组立约占60%，空压机占25%
 
表十三空压系统耗能占比
 

 
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