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转载一篇令人感动的压缩机节能著作

2012-06-14
空压机节能探讨
一、 前言??????? 在诸多被经经使用的能源中,每一种能源都有其特定范围,在适用性上各有优缺点,不可否认的,电力是所有能源中最普及也最具方便性的能源;其次,压缩空气可说是仅次于电力的普及能源之一,虽然压缩空气的使用尚未像电力一样的深入一般家庭中,但是工业、矿业、工程业、医疗业甚至农业都有日趋广泛的用途,尤其在工业界的使用量极其可观,主要是着眼于它具有以下几种其它能源无法取代的特性:??????? 1. 无污染或低污染性,在环保意识高涨的时代,压缩空气取之于大气而回归于大气,不需要回收处理而完全不会制造污染(经过分离、过滤的含油压缩空气会有微量的油气,即使有泄漏的情形发生也没有污染环境的顾虑。??????? 2. 在生产过程中,压缩空气可以和绝大部份的产品直接接触来传送动力而不会伤害产品。??????? 3. 无自燃性,不容易造成公共意外,除了压力容器需要按照规定设置及定期检查之外,完全没有引起公害、电殛的顾虑。??????? 4. 温度不高,不容易引起灼伤、烫伤等重大伤害。??????? 5. 可藉助分离技术来生产氮气、氧气、氢氮或稀有气体来供应特殊用途。??????? 6. 提供非能源用途,例如人员呼吸、水处理、发酵及化学反应等特定用途。??????? 鉴于压缩空气己被各行各业所广泛的采用,在工厂大型化及自动化的前题下,压缩空气的使用与日剧增,而空压机在生产能源/压缩空气的同时,本身也在大量的消耗能源,以最普遍的100PSIG (7kg/cm2G)压缩空气系统为例,每生产100ICFM的压缩空气大约需要消耗20HP的能源,在目前的工业界动辄使用数千马力甚至数万马力空压机的工厂己为数众多,如何节省如此庞大的能源消耗,确实是业者值得深思的课题。??????? 绝大部份的空压机都使用马达驱动的方式,极少数的空压机会使用蒸汽涡轮机 (Steam Turbine) 或燃气涡轮机 (Gas Turbine) 来驱动,在蒸汽过?;蛴腥计ǚ掀┛勺世玫男幸凳褂梦新只辞昭够肥涤屑蟮慕谀苄Ч?。使用涡轮机驱动的案例不多,后叙中空压机的驱动方式将专指马达驱动而言。??????? 二、空压机的种类??????? 1. 空压机在压缩空气的过程中,以空气是否与润滑油的混合来分类,可以区分为有油式及无油式空压机两种,润滑油对任何机械设备都具有润滑与冷却的作用,针对有油式空压机,润滑油还具有气密的作用来提升空压机的容积效率,因此,从节能的观点来看,有油式空压机的能源效率绝对会高于无油式空压机。不可否认的,压缩空气中的油气会造成甚多使用上的困扰,即使经过精密过滤器的处理也无法达到完全无油的境界,虽然有油空压机的能源效率较高,但是,精密过滤器的购置成本以及精密过滤器所导致的压损、能源损失也相当的可观,除非气动设备可以接受含油的压缩空气或是压缩空气的使用量很少,绝大部份的用户,尤其是工业界都己扬弃有油式空压机。因此,在后叙的章节中将以无油式空压机旳分析介绍为主。??????? 2. 以压缩的方式来区分空压机可以分为定排量式空压机 (Positive Displacement Compressor) 及动能式空压机 (Dynamic Compressor) 。各类型空压机的优缺点会在后文中分别介绍。(A)定排量式空压机的共同特性是藉助空压机将密闭于一定容积内的空气施以机械功来「压缩」空气的体积,同时提升压力,此类型的空压机以往复式 (Reciprocating) 及螺旋式 (Rotory Screw) 最具代表性及普及性。(B)任何非直接「压缩」空气的体积以提升压力的方式都可归类于动能式空压机,坊间有很多的专门书刊介绍动能式空压机,在此不再赘述。以其普及性及节能的观点来介绍当推离心式空压机为主流,事实上,离心式空压机又可分为多段同轴式 (Milti-Stage In-line) 及齿轮增速式(Integral Gear) 两种为主。以多段同轴式与齿轮增速式相比较,多段同轴式无论是体积或是重量都远比齿轮增速式庞大的多,当然除了造价较高之外,其能源效率也远比不上齿轮增速式,因此,在超大风量(市场的区隔大约在100,000CFM / 170,000CMH) 压缩特殊气体(空气或氮气以外的气体)的用途上尚可见其踪迹,市场上所常见的机种当首推齿轮增速离心式空压机为动能式空压机的代表,后文中也将以此类型空压机为主要的介绍对象。??????? 三、往复式空压机的优缺点介绍??????? 在工业化的进展过程中,往复式空压机是最早问市的空压机之一,它对工业界的贡献是不可抹剎的,即使它己失去了往日的风采,逐渐的被螺旋式、离心式空压机取代了主导的地位,但是它仍然具有一定的生存空间,可见它仍然存在某些独特的优越特性是其它类型的空压机无法完全超越或取代的。??????? 其优点为:??????? 1. 进气、排气压力的涵盖范围非常广泛,其至可以满足4,000PSIG (280kg / cm2G) 以上的需求。??????? 2. 风量的涵盖范围也相当广泛,虽然在大风量的应用上己逐渐的被其它类型的空压机所取代而退出市场,但是在小风量(数马力甚至更?。┑氖褂梅段跃哂邢嗟钡挠攀?。??????? 3. 在小风量、高压的应用领域,往复式空压机可当做增压机(Booster) 来使用。??????? 4. 以100PISG (7kg / cm2 G) 为例,两段式压缩的往复式空压机在能源效率上的表现即相当优越,其多变压缩效率 (Polytropic Efficiency) 大约可达87%,此标准也是其它类型空压机追求突破的标的。??????? 5. 气密性相当良好,因此也适合压缩空气或氮气以外的特殊气体。??????? 6. 采用高强度 (Heavy Duty) 的设计时,转速低、坚固耐用、连续使用的故障率低。??????? 7. 每段多缸 (Multi – Cylincler) 双动式(Double Acting) 的设计,可以采用多阶 (Multi – Step???????? Control) 的容积控制方式,对压缩空气消耗量极不稳定的压缩空气系统可以使用0-50-100%的三阶控制式或0-25-50-75-100%的五阶控制,对节流控制的效益相当显著。??????? 其缺点为:??????? 1. 在压力及风量上与其它类型空压机有重迭的适用范围,如果采用高强度设计标的的往复式空压机,其单位风量的造价相当高。??????? 2. 直立式、V式、W式或L式的设计大部份都有不同程度的不平衡,因此,运转中会产生不同程度的振动,在安装基座的设计上,除了要考虑其静荷重外,还应考虑其动荷重才能避免不必要的后遗症。??????? 3. 类似引擎的设计,零件种类繁杂,其中需要定期更换的消耗性零件数量、项目相当多,不仅维修成本高而且维修时间长,这也是往复式空压机在某些应用范围逐渐退出市场竞争行列的主要因素。??????? 4. 往复式空压机有吸气及排气的行程,因此,排气是非连续性的间歇动作,当然会造成相当明显的压力脉动现象,管路设计工程师必须经过仔细的核算才能避免压力脉动所可能造成的损失。??????? 5. 阀片、活塞环、密合垫等消耗性零件的状况是否良好,直接影响到空压机的能源效率,在缺乏其它检测设备时,空压机的能源效率是否因为内部的泄漏而逐日下降?对一般用户而言,实在是一件相当令人困扰而难以掌控的事实。??????? 四、螺旋式空压机的优缺点介绍??????? 螺旋式空压机的问世起于有油螺旋式,它在市场上的表现确实是非常优异,无油螺旋式沿袭了市场上对有油螺旋式的良好观感,在初问世时确实在市场上造成不小的震憾力,经过实际使用的严酷考验己逐渐式微,当然有其症结所在,究其原因,从下列优缺点的比较可窥其一二。]其优点为:??????? 1. 产品规格化较容易,在一定的风量范围,转于的真径、形状的可维持不变而仅需要将螺杆转子加长、缩短来适合不同风量的需求,此特性确实可以降低制造成本来帮助市场的竞争能力。??????? 2. 与往复式空压一样具有定排量空压机的共同的特性-排气压力有相当广阔的变化范围。??????? 3. 空压机本体结构并不复杂,在连续使用的表现上也相当良好,同时较往复式空压机大幅减少了很多的消耗性零件,具有保养容易的优点。??????? 4. 螺旋式空压机的噪音度几乎可说是所有空压机中最高的,噪音度视风量大小而定,往往都超过100dbA以上,因此螺旋式空压机必须配备隔音罩,也因此给人较为美观的良好印象。??????? 5. 可以使用节流控制。??????? 其缺点为:??????? 1. 阴、阳螺杆之间必须存在的间隙,造成气密性不甚理想,是无油螺式空压机的能源效率不佳的主要原因,甚至可说是相同容积的各类型空压中最差的(在相同条件下,以两段以上压缩的各类型空压机相比较。??????? 2. 空压机本体仅有3~5年的寿命,换修空压机本体的技术又往往被原制造厂保留,因此,更换整组空压机本体的成本一般都会超过购置新机的六成,这也是使用者对此类型空压机最大的诟病。??????? 3. 在长期运转后长期?;?,空压机本体内的转子「卡住现象」履见不鲜,备用空压机变成极不可靠的备用状态。??????? 4. 在理论上,定排量的空压机属于等容变压 (Constant Volume, Variable Pressure) 的空压机,每压缩段单气缸的螺旋式空压机不具有节流作用。凡是采用节流控制的螺旋式空压机,其方式不外??????? (A)部份旁通的方式;(B)节制进气量的方式。不论采用以上任何一种设计,虽然有某些程度的节流效果,但是在节能的效益上并不如想象中的明显,其原因如下:????????? (A)部份旁通的方式:有从排气端排放或从压缩过程中间排放两种方式,纵使有0-100%的节流作用,但是空气仍然经过压缩或部份压缩,当然需要消耗能源。(B)节制进气量的方式:此种方式无非是在进气口加装节流阀,一般使用蝴蝶阀;节流阀在部份开度时当然有节流作用,同时空气在流经节流阀进入空压机前产生了某种程度的压降,使空气的密度降低而有节流的作用,但也因此而提升了整个压缩比,节流所导致的节能与压缩比提升所导致的耗能会有部份互相抵消,但仍不失为较旁通方式为佳的控制方式。因受制于进气负压有一定程度的限制,所以节流范围也会限制在大约60-100%之间。5.某些螺旋式空压机的设计泄载时仍然需要大约70~80%的全载功率,在选购前确实需要的分辨清楚,较佳的设计也往往需要25%的全载功率。注:单段往复式空压机在泄载时需要大约25%的全载功率,需双段往复式空压机则仅需要大约15%的全载功率。?????? 五、离心式空压机(齿轮增速式)的优缺点介绍自1980年离心式空压机己成功的发展到300HP以上的机型,在市场市上的良好表现己逐渐的蔚为市场主流,目前更发展到125HP的机型,在效率上仍然有不错的表现,己完全扭转了早期认为离心式空压机只适用于大风量的观念,离心式空压机也存在一些先天上的缺陷。?????? 其优点为:?????? 1. 涵盖的风量范围非常广泛,从20M3/min到数千M3/min都能以单机来承担,单台风量愈大则愈凸显单位风量的投资成本低廉。?????? 2. 坚固耐用,长期连续运转的故障率极低。?????? 3. 构造简单,仅由少数的齿轮、轴承及叶轮 (Impeller) 构成主要的压缩部份,消耗性零件极少,保养容易。?????? 4. 具有等压变容 (Constant Pressure, Variable Volume) 的特性,不仅有保持压力稳定的作用而且有某种程度的节流作用,甚至还有超过额定风量(Rated Flow) 的能力,对于评估使用风量准确度的质疑减少了不少的困扰。?????? 5. 没有像往复式空压机一样的压力脉动现象。?????? 6. 是相同风量的各类型空压机中噪音度最低者。?????? 7. 叶轮可以经过特殊设计来适合特殊的地理环境。?????? 8. 良好的动平衡设计,基础设计完全可以不必考虑空压机的动负荷。?????? 9. 必须使用多段压缩,这是效率良好的主要原因之一。?????? 10. 长期运转后的效率也不会有显著的差异(保养不良则另当别论)。?????? 其缺点:?????? 1. 环境因素的改变,例如进气温度、进气压力、湿度、水温对离心式空压机效率的冲击较大,甚至会影响离心式空压机到完全不能使用的地址,选购离心式空压机需要更周详的规划来弥补此项缺陷。?????? 2. 以目前的市场区隔,离心式空压机仍然不适合低风量 (100HP以下)、高压 (50kg / cm2以上)的用途。?????? 3. 构造虽然简单但是非常精密,维修人员的技术层次要远高于往复式空压机,因此维修人员必须经过相当的养成训练才能承担精密部份的维修工作(并非指例行的保养工作)。?????? 4. 用于高转速的轴封气密性无法达到100%,因此不适合空气或氮气以外的任何气体压缩。?????? 5. 在静止中(备用)的离心式空压机一旦遭受压缩空气系统的逆流将会反转,如果油泵也在静止中,离心式空压机会有因为共油而严重损坏的风险,因此,操作人员要养成良好的习惯,将静止中的空压机的出口阀关闭以根绝仅靠逆止阀来?;た昭够姆缦?。?????? 6. 离心式空压机与定排量式空压机有截然不同的压缩特性,操作人员最好要有离心式空压机的基本概念以防止离心式空机独具的气窒现象(Surge),连续性旳气窒很可能会造成离心式空压机严重的损坏,修复的费用相当可观。?????? 7. 不能使用变速控制。?????? 8. 电力系统频率不同的地区,离心式空压机完全不可以移地使用(即使可以更换齿轮箱内部的机件,所花费的成本也相当高,很可能不如购买新机)。同理,在电力系统频率不稳定的地区选购离心式空压机要特别的慎重。?????? 六、如何选择空压机以达到节能的效果?????? 1. 大/小型空压机的搭配选择?不可否认旳,单台大风量的空压机要比多台小风量的空压机在总体能源效率上要好的多,这是不论任何种类的空压机均具有的共同特性。因此,以能源效率为着眼点来选择空压机的最高原则是宁选大不选小,但是从各种层面来衡量,选择大型空压机也受到以下各种因素的左右:??????? (A) 电力系统的限制,首先必须考虑的是应用电压,低电压系统(常见的380~460伏特)就不太适合使用超过600HP以上的空压机。其次必须考虑大型空压机在起动时对电网的衡击承受能力是否足够。?????? (B) 随着季节、时间差或其它因素导致压缩空气的变化量超过某一范围(视机种而定),或是实际使用风量很可能远低于购置空压机前的估计值时,单台空压机将会无法避免的发生排放或泄载而造成能源的浪费。多台空压机则具有较大的弹性来接纳用量的变化。?????? (C) 异常跳机或必要的?;巧6俚那痹谘沽?,为了减低生产停顿的风险而不得不考虑设置备机,使用单台运转的备机率会高达50%,投资成本增加很可能不为业者所乐见。事实上,整个压缩空气系统是否能做到最佳能源效率,在选择空压机的容量大小时就己掌握了一半以上的成败关键,话虽如此,如何选择适当的空压机容量并不是三言两语即可涵盖的,其牵涉的层面甚为广泛,兹列举数项基本原则如下:p;??? (A) 务必要求气动设备的厂商提供耗气量及耗气变化量做为分析选择空压机容量的依据。常见业者要求空压机供货商来估计某种气动设备的耗气量,这绝对是本末倒置的做法。?????? (B) 若有季节性、时间差或其它因素会影响耗气量的变化也要详细的评估列举,必要时可征询空压机供货商或专业人士的因应对策。?????? (C) 对全厂的前瞻性做整体的考虑,分别列举近期、中期、远期投资计划的估计风量。?????? (D) 勿坚持空压机种类、型式、容量必须一致而使备用零件具有互换性的观念,在耗气量变化的范围甚大的情况下,选择大、小、容量空压机兼具的压缩空气系统可以提供更有弹性的应变范围,当然会有意想不到的节能效果。?????? (E) 坊间有人主张配置数台大容量的空压机及一半容量的小空压机,在上述的前提下确实不乏成功的案例,这种配置方式并非放诸四海而皆准的原则,若是使用3~5台以上空压机的压缩空气系统,只要慎重的选择适当的控制方式及外围配备即可不必考虑大、小容量空压机兼有的配置方式,以避免小容量空压机被闲置的可能。?????? 各行各业或各个工厂的压缩空气使用特性部份有各自不同的差异性,因此选择空压机容量具有相当程度的复杂性,如何正确的选择空压机的容量,事前委托专业人士从事详细的评估方为正途。?????? 2. 如何选择适当的空压机设计压力及压缩段数?????? 前文中曾提到定排量式空压机又称之为等容变压式(Constant Volume, Variable Pressure)空压机,顾名思义,此类型的空压机具有相当广泛的排气压力范围。对定排量式空压机而言,设计压力仅指制造空压机材料的耐压程度,只要在设计压力以下运行应可确保安全无虑,因此,选择此类型空压机的设计压力较为单纯,只要设计压力高于使用压力加上必要的管损及负载/卸载压差即可,甚至选择较高的设计压力也无妨(对制造成本可能会有影响),只要实际使用的压力相同,高/低设计压力的空压机在理论上对能源的消耗并无显著的差异。因此,在设计压力对能源的消耗无甚影响而售价又相近的情形下,业者往往会选择较高设计压力的定排量式空压机。??????? 将上述观念延用到离心式空压机就完全错误了。不同设计压力的离心式空压机所使用的叶轮大小、叶轮转速、叶轮形状或叶片的角度都不尽相同,空压机上所标示的设计压力必定是最佳效率的排气压力运转点,任何偏离设计压力的运转点都不是最佳的运转效率,偏离愈大则影响愈大,换言之,在排气压力相同的情形下,设计压力较高的效率会低于设计压力较低者。此外,一般离心式空压机的最高排气压力会高于设计压力大约10~20%即会产生气窒现象 (Surge) ,因此,要提升排气压力到超过设计压力会有一定的限制,降低排气压力到设计压力的60%左右又会碰到阻墙现象 (Stonewall) ,离心式空压机的压力变化范围确实不若定排量式空压机的广泛。在选择离心式空压机的设计压力时确实需要慎重的考虑。?????? 根据热力学原理,空压机的压缩段数影响能源效率甚巨,理论上压缩段数愈多则愈好,反之亦然,事实上整体效率尚需计算器械损失、阀损及压损等因素,因此,压缩段数愈多并不是绝对的代表整体效率会愈好;但是,压缩段数愈多绝对会代表支出成本增加。??????? 纯探对压缩段数与能源效率之间的关系,以常用的100PSIG (7kg / cm2G) 压缩空气系统为例,两段式压缩要比一段式压缩节省大约15%的能源,三段式压缩要比两段式压缩节省大约6%的能源,四段式压缩又要比三段式压缩节省大约2.5%的能源。(注:不同设计、类型的空压机,以上数字会略有出入)综合各种因素来探讨,定排量式空压机以两段式压缩为比较正确的选择,离心式空压机则以三段式压缩机为较正确的选择。从节能的观点来衡量,不妨多比较并考虑多增加一个压缩段所能获得的实际利益。?????? 3. 如何选择马达的大小?????? 在理论上,定排量式空压机在一定转速时的吸风量是恒定的,因为空 气密度随着温度的改变而显著的改变,所以相同容积流量 (Volume Flow) 的重量流量 (Weight Flow) 也随之改变,当然空压机所消耗的能源也在改变,以台湾夏季35℃、冬季15~20℃的经常性气温为例,如果不计算湿度的变化,空压机在冬季要比夏季多消耗大约7~5%的能源,为了避免马达过载,配备的马达大小要以冬季的能源消耗量为依据。?????? 离心式空压机具有变容的特性,在空气密度随着温度而改变者,可以着助进气节流阀来控制容积流量的大小而保持马达全载时稳定的负荷,但是基于以下因素,离心式空压机要比定排量式空压机更有必要选择比制动马力 (Brake Horse Power) 大10~15%的马达:?????? (A) 空压机在冬季要比夏季输送大约多7%重量流量的压缩空气(相同的容积流量),相对的空压机也要多消耗大约7%的能源。?????? (B) 既然离心式空压机具有变容的特性,厂家在设计时往往保留了大约10%的裕度,换言之,即使在夏季,只要马达有足够的裕度来承受负荷,离心式空压机有能力供应比原设计风量多10%的压缩空气;夏季如此,更遑论在冬季所能发挥的超设计流量的能力。??????? 一旦离心式空压机选择了超大10~15%的马达,在多台空压机并联运行的压缩空气系统,只要步入冬季,很可能可以停用半台(小型)或一台以上的空压机,因此而发挥的节能效果将会非常时显。不可否认的,很多人会质疑选择较大的马达会造成能源的浪费,以马达效率95%及马达超大10%为例,在空压机始终都没有过载的情况下,浪费的能源约为10%×(1-95%)=0.5%,从经验法则来判断,无论是节能与耗能的机率或比例均可以5/1为衡量的标准。极可能减少压缩空气不敷使用的困扰。附注:绝大多数的空压机所配备的马达都有1.15倍以上的超载系数 (Service Factor),但是很多的用户基于安全运行的考虑向严格的规定马达不得使用超载系数运行,在此前提下,是否要选择超大的马达要由业者做明智的决定。?????? 4. 如何选择适当的控制方式??????? 在全世界均忧虑能源匮乏的今天,极为消耗能源的空压机制造商也在极力寻求节能之道。在制造商及计算者付出了大量心血之下,以目前的科技在定排量式空压机的领域中己很难突破能源效率上的瓶颈,然而离心式空压机藉助空气动力学及制造技术的发展则还有进步的空间,但也并非一蹴可及。因此在空压机的应用领域中,制造厂在控制系统部份不断的的相互较劲,设法能帮助业主在使用上达到节能的效果,鉴于空压机的应用甚为广泛及多变化,截至目前为止仍然没有一种通用又有效的控制方式,因此,某一种控制方式是否是最适当旳选择完全得视操作人员的认知程度及应用是否得当而定,当然,先决条件还得视该空压机是否具备了该种控制方式。兹分述各种常见的控制方式的特性及用途做为正确的选择控制方式的参考:?????? (A) 泄/负载控制方式(又称两阶段式控制方式)是最基本、最传统也是最简单的控制方式。对业者来说,压缩空气都是许多不许少,换言之,空压机的容量是许大不许小,在容量大于使用量的情形下不得不让空压机适时的泄载,如果泄载时的功率消耗不大 (15%左右是较理想的设计),泄载的频率不高以及泄载的时间不长,这里简单的控制方式仍不失为一种理想的控制方式。定排量式空压机大多采用此种设计,离心式空压机也可用此种控制方式。?????? (B) 多阶段式控制是每一个压缩段使用单缸双动式或多缸设计的往复式空压机的独特设计,它可以采用0-50-100%,0-25-50-75-100%或更多阶段的控制方式,对于用气变化量甚大而且相当频繁的压缩空气系统采用此种控制方式确实是相当理想。此外,使用感应式马达的空压机还可以尽量避免空压机完全泄载时马达的功率因素 (Power Factor) 急剧下降的困扰。?????? (C) 定压式控制 (Constant Pressure Control) 又称节流式控制 (Throttle Control) 原本是离心式空压机的独特设计,一般可以达到大约75~100%之间的节流范围,在此范围内,能源消耗与风量成正比,低于此范围的压缩空气使用量,空压机会将多余的空气压缩后再排放形同能源的浪费,因此,只要用气变化量经常保持在此节流范围内或偶发生,短暂的少量排放,使用定量压控制可说是所有控制方式中最理想的,此外,采用此种控制方式可以保持压缩空气系统相当稳定的压力,一般状况都可控制在1~3%以内的压力波动范围,使用泄/负载控制或多阶段式控制方式至少要有5~10%甚至更高的压差范围,因此,在相同的压缩空气系统采用定压控制方式可以将压力设定在最低限度或略高于最低限度而达到节能效果。??????? 螺旋式空压机也发展出类似的控制方式,而节流范围更为宽广,但是在效率上会略低于离心式空压机。?????? (D) 自动双重控制是结合泄/负载控制方式与定压控制方式的综合设计,两者的优缺点兼而有之,但是有较为广泛的广用领域。?????? (E) 变速控制在早期大多使用于滑轮机驱动的空压机,而达达驱动的空压机大都使用定速控制;在变频器的研发渐趋成熟的状况下,马驱动的变速控制空压机确实是一种非常理想的流量/压力控制方式,但是目前此种变速(变频)控制方式仍然受到下列诸项限制:使用电压限定在600伏特以下。?????? 离心式空压机(齿轮增速式)不得使用变速控制。成本较高。?????? (F)多台空压机并联运转己有集中自动控制的趋势,确实有节省人力、节省能源的效益,但是各制造商的设计不尽相同,各名各异、功能上也各有其优缺点,详情以接洽厂商介绍为佳。不可否认的,每一种控制方式都有其特性及适用领域,选择正确的控制方式确实可减少很多无谓的浪费,但是如何选择正确的控制方式却没有一定的准则或公式可资运用,仍然得靠经验、观察、记录及分析比较来判断,委托富于经验的专业人士进行评定确实有其必要性。?????? 5. 如何选择适当的外围配备?????? (A) 控制阀?????? 做为最佳进气节流控制的控制阀首推进气导流叶片 (Inlet Guide Vane) ,尤其是使用在离心式空压机上的进气导流叶片要比蝴蝶阀节省大约4~9%的能源,坊间有很多进气导流叶片的专业著述介绍其优越性的原因,在此不再赘述。?????? 冷凝水排放控制阀的种类繁多,也各有其优缺点,选用的原则是要能彻底的排放出冷凝水同时压缩空气的排放量又能减到最低程度,如此简单的原则却没有任何一种冷凝水排放控制阀能臻于理想,唯有仰赖操作、保养人员经常的巡视、检查、清洁或是调整。?????? 使用在管路中的控制阀要尽可能选用高效率、低压损的控制阀,但是不论任何控制阀都有或多或少的压损而浪费能源,因此采用阀的原则是「有阀不如无阀」,也就是非必要尽可能不用阀或少用阀。?????? (B) 干燥机?????? 压缩空气中的冷凝水确实会造成很多气动设备的困扰,因此,压缩空气不得不经过干燥处理来防止冷凝水形成,压缩空气的干燥程度一般都可以合压露点 (Pressure Dew Point) 来表示,压力露点温度愈低代表压缩空气愈干燥,同时也代表了干燥过程中所消耗的能源愈高。冷冻式干燥机的最低压力露点温度可达+3℃左右,消耗的功率大约是空压机旳1.5%。吸附式 (再生式)干燥机的压力露点温度可轻易的达到-40℃,总消耗功率最高可达空压机的15%。显而易见两者的差距以十倍计算,干燥机的选择(露点温度的选择)确实需要相当慎重,以下几项原则可做为选择的参考:?????? 切勿刻意的强求过低旳压力露点温度,+3℃和+10℃的露点温度极可能在使用上并没有明显的差异。?????? ˙原使用冷冻式干燥机的压缩空气系统,如工厂内有过剩的冻冻水,不妨考虑改用冷冻水。对压缩空气的温度如无特别的要求低温,一定要使用有热回收的冷冻式干燥机。?????? ˙一定要使用吸附式干燥机时,要优先考虑使用加热式的干燥机而非无热式的干燥机。?????? (A) 冷却水系统??????? 冷却水的温度每增减5℃会影响空压机的功率大约1.5%,因此,冷却水的温度调节要尽可能的供应较低温的冷却水(并非指刻意的制造低温冷却水)。如有过剩的冷冻水不妨考虑改用冷冻水。注:定排量式空机若使用水冷式气缸则应避免使用过低温的冷却水,使用低温冷却水的气缸应在冷却水的入/出口处装置温度控制阀以避免冷凝水形成在气缸中而造成液体缩现象。?????? (B) 管路的规划及管径的选择?????? 理想的管路设计是否正确、良好可以用压损的高低做为衡量的标准,从空压机的排气压力到管路末端的压力以不超过5%或0.35kg/cm2为原则(两者中取其低者为标准),影响压损高低的管理系统组件包括冷却器、干燥机、过滤器、控制阀、弯头、管径及管长等。冷却器、干燥机、过滤器、控制阀等组件均可从供货商处获得较正确的压损标准。每个弯头的压损相当于8~10倍等径管长的压损,因此在不得己而使用弯头时应将弯头的使用量尽可能的减少。管径的大小影响压损甚巨,精确的计算管损可以从专业书籍中查得,对专业设计人员而言自然是轻而易举的事,非专业人士则会感到相当的困扰而不知如何着手审查。兹以下列简表供估算管径的大小之用(注:简表中所列的压损均为概数):空气流速÷进气风量/(压缩比×管路截面积)?????? 由以上简表可窥知压缩空气在管路中的理想流速应设计在40呎/秒(12公尺/秒)左右(还得视管长来做调整)换言之,总管损应控制在2PIS左右,经估算后的正确管径可考虑选择略大一级以上的管路以因应未来风量增加而造成压损的急剧增加或是面临更换管路系统的困扰。??????? 注:根据美国密苏里大学 (University of Missouri) E.G. Harris 教授的管损公式可窥知管损与管径的5, 31, 次方成反比,与压缩比成反比,而与流量的平方成正比,与管长成正比,因此,在扩充用气量时对既有的管路系统宜审慎的评估。?????? (C) 储气筒?????? 储气筒在大部份压缩空气系统中所扮演的节能角色往往会被忽略了它的重要性。储气筒除了可以减低压力的脉动现象以外,最主要的是它可以大幅度的灭少卸/负载或排放的频率,所以储气筒必须要有足够的容积,以经验法则来概算储气筒的容积可以用单台空压机每分钟的进气量×常数,定排量式空压机的常数为10%以上,离心式空压机的常数为20%以上。?????? 多台空压机并联运行的压缩空气系统可以用单台空压机(容量最大的单台空压机)的进气量计算即可,完全使用定压控制的空压机在理论上可以不用储气筒,为了降低排放的可能性仍以设置储气筒为宜。在用气量有经常性的波动而且周期极知的压缩空气系统,储气筒的容积更应仔细的计算后予以适度的增加以避免频繁旳卸/负载或排放,甚至有可能完全根绝卸/负载或排放的现象。在管路末端某处如有瞬间大风量的使用状况,应考虑在此末端前增设储气筒。?????? 七、操作与保养对能源时消耗的影响?????? 前文中曾介绍空压机的种类、大小、控制方式等各具特色,虽然各制造厂无不竭其所能的寻求节能之道,但是空压机在各种不同的场所是否能发挥其特性以达到能源被有效利用的目地,最终仍得视操作人员的使用、保养是否得当才能做到能源不被浪费的理想境界。前文中曾提过,选择适当的控制方式以及冷凝水排放控制阀的保养与调整是操作、保养人员有关节能的例行工作,此外,属于操作及保养人员的责任范围但是常见的疏失如下:?????? 1.风量过剩造成卸/负载或排放,有时可以借着降低基本负载空压机的马达负荷来减少送风量(离心式空压机,来改善或者借着不同的压力设定让小容量空压机做调节性卸/负载或排放,也有可能让大容量空压机做节流性控制而达到改善的目地。?????? 2.风量不足造成压力不足而不得不增加一台空压机并入运转的情况,有时可以借着提升空压机的马达负荷来增加送风量(离心式空压机),很可能可以停用一台补充用空压机或是更换一台容量较小的空压机并入使用。?????? 3.空压机的排气压力每增减1PSI会使功率增减0.45%(以相同的重量流量,100PSIG的排气压力为例),因此,排气压力的设定过高往往造成能源被无谓的浪费而不被查觉。此外,很多气动设备的空气消耗量与绝对压力或成正比,降低压力的设定还能减少空气的消耗量。?????? 4.让空压机轮流「休息」而频频的转换空压机运转己经是过时的观念。只要是高强度(Heavy Duty)设计的空压机,尤其是离心式空压机,只有在必要的保养或其它因素需要?;酝?,应尽可能保持长期连续运转,换言之,应尽可能的让高效率的空压机保持运转,让效率较低的空压机做为备用或补充用。(注:频频的起动、?;够嵊新泶锞刀缺恢鸾テ苹档暮笠胖?。)?????? 5.进气压力每增减1PSI会使功率增减的4%(离心式空压限制在13PSIA以上,否则需要特别设计),换言之1,重量流量亦随之增减约4%,因此,进气压力降低很多会造成压缩空气不敷使用的困扰,以海拔不高的地域,大气压力的变化对进气压力的影响几乎可略而不计,影响进气压力至巨的就是进气过滤器的保养、更换是否确实,其次是进气管路是否过长,弯头使用是否过多而影响进气压力。为了吸取较干净、较低温的空气而将进气过滤器设置在6公尺以上的高处是相当正确的做法,管长因而增加应适度的放大管径以减少压损。?????? 6.相同的重量流量,冷却水温度每增减10%会使功率增减约1.4%,事实上,水温只是广义的说法,狭义的说法应指中间冷却器的空气出口温度(后压缩段的空气入口温度),当然冷却水温度是影响空气温度的主要因素,但是冷却器或冷却水系统的散热效果不佳的影响空气温度却是保养者的责任。?????? 7.流量计的选用、安装有相当严格的要求及注意事项,否则流量计会出现极大的误差而引起争议,或许因此,绝大部份的压缩空气系统都没有流量计的设置,只有仰赖操作人员的经验来判断用气量或空压机出风量的多寡,其结果不言可喻。其实流量计即使不十精确,但是仍然可以用比较法来帮助记录使用量的变化做为用气量较客观的分析依据。?????? 8.压力表、温度表、压力传送器、温度传送器或压力开关、温度开关等监控配件需要定期的检查,一旦发现偏差即应校正或更新,只有如此,监控配件才能发挥其应有的效益。?????? 八、办好员工教育训练?????? 要做好节能工作绝不能疏忽每一个环节,尤其是硬件与软件的配合是否良好端赖员工的专业知识程度,专业知识程度不足并不完全是员工的错,只要业主有心改善,可以借着教育训练不断的举办,假以时日,员工的专业知识程度必可大幅提升,碍于员工的教育程度有不同的背景,更要分别准备难易不同的教材来增强整个企业的体质,节能工作才能事半功倍。?????? 针对工程人员、管理阶层应做的教育内容:?????? 1. 压缩空气的特性及相关知识。?????? 2.空压机类型反优、缺点的认知。?????? 3.如何详细的、正确的开列空压机的规范。?????? 4.如何正确的选择、设计附属配件及外围备配。?????? 5.如何评估既有的压缩空气系统是否需要改善、应如何进行改善。?????? 6.帮助操作、保养人员进行教育训练,才能正确的执行必要的工作。?????? 针对操作、保养人员应做的教育内容:?????? 1.对压缩空气的特性应有的基本常识。?????? 2.对不同类型的空压机应了解其基本的压缩特性。?????? 3.如何正确的选择控制方式。?????? 4.转换空压机运转的时机。?????? 5.正确的保养时机及方法。?????? 6.应注意的保养项目。?????? 九、能源回收/废热利用的可行性方案:?????? 热量是空气在压缩过程中所衍生的副产品,这些热量必须依赖冷却系统扩散出去,空气的出口温度视压缩段数的多寡及进气温度而定,其温度大约在80℃~220℃之间,除了少数行业需要高热空气外,绝大部份的压缩空气系统都经过后冷却器的降温处理,换言之,压缩空气所产生旳热能往往因为回收的困难度及回收量不有而被忽略了其可资利用的可能性。兹举数个可行性方案如下,希望发挥抛砖引玉的作用,集思广益也许能寻找出更多的能源回收方案:?????? 方案一:在空压机出口与后冷却器之间的管路中增设一组低水流量的热交换器,可以获得一部份的回收热做为温水系统的热源,供应洗涤、沐浴等用途可说相当理想。(视空压机的出口温度与温水温度差来设计热回收系统,应可轻易的达成总热量10%以上的回收率)。?????? 方案二:如有室内游泳池的设置,不妨结合池水与冷却水系统来规划为温游泳池,这也是一种热能的再利用。?????? 方案三:前文中曾介绍冷却水温对空压机效率的影响程度,在使用大量液态氮或其它液态气体的工厂中,液态气体在使用前必须经过蒸发处理,如果将蒸发管导入冷却水塔或蓄水池中来降低冷却水温,其效益不言可喻。?????? 十、结语?????? 承蒙中国技术服务社能源技术服务中心的邀请发表我从事空压机工作近二十年的浅见,衷心的期盼这份经验谈对工业界从事节能工作能有所帮助。?????? 事实上,节能工作是多方面的,需要有人或相关单位去推动、去传播相关的知识及技术,能够节能-节省成本又何乐而不为,相信业主都有相当高的配合意愿,其实各空压机供货商也在朝此目标努力,鉴于业务人员的水平参差不齐或者诚信度让人质疑,买卖双方总难免会存在一道鸿沟,很多好设计也因而被抹剎,因此更凸显一个立场超然的单位来推展节能工作的重要性,更期盼中国技术服务社能承担起这份重任。
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