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機械資訊 610 期

空壓系統效率改善

文/詹瑞麟
工業技術研究院機械與系統研究所 副工程師

前言

  隨著全球經濟發展帶動各國對能源的需求,能源使用已不再局限於所屬的工業大國,伴隨著生產基地的轉移,使能源使用密度逐漸分散,但總體能源需求量確不斷的上升,從IEA的調查資料顯示,電力消耗第一的區域是北美洲,其就是包含北美丹麥屬地格陵蘭在內的歐洲,亞洲已趕上歐洲成為第二用電大戶的地區,其中台灣也包括在內。

  空壓機最早從1650年Otto von Guericke開發第一個作為觀察真空燃燒現象的空氣泵開始、1829年出現第一個可以混合機體外空氣的原型、1872年出現第一個水冷汽缸式機型,發展至今,空壓機已是目前工廠主要的動力源之一,主要是因壓縮空氣已是成熟的技術,可以提供可靠且穩定的氣源,也因其絕佳的輸送儲存特性和彈性,並且是易於操作的動力源,因此廣為工業界使用。

  依據美國馬達動力系統省能方案研究,空壓機在工廠馬達耗電平均佔了17%,參考BEKO公司的Frank R. Mueller在2007年6月12日所提供的數據顯示,年度運轉7,500小時的110kW空壓系統,有86%的電力是用在購買後的使用電力,只有10%用在購置、4%用在維護,若空壓機的效率不佳,空壓系統的使用電力將會更高,可見電力的使用效率對空壓系列在生產上的運轉成本是有很大的影響的,本文即在探討空壓系統的效率要如何改善。

空壓系統使用成本

  由於壓縮空氣是由電力轉換產生,以供應系統設備驅動,相較於直接由電力驅動,壓縮空氣算是第二階的能源利用,能源轉換間即會產生損失,因此壓縮空氣相較於電力是屬於較昂貴的能源。並且很多情況下,壓縮空氣從電力進入空壓系統即開始發生能源損耗,最後用在設備上的效率只有10~15%,因此即使是使用1馬力的氣動工具也常需要10馬力以上的空壓機,如前所述,空壓系統平均耗用工廠17%的馬達動力用電,事實上壓縮空氣耗用工廠的範圍是從10~30%之譜,而節能最簡單的方法,就是減少不當使用壓縮空氣,將其作為改善的優先策略。空壓系統的使用成本如下:

使用成本=(馬力 x 0.746 x 運轉時數 x 每度電電費 x 使用時間及負載比) / 馬達效率

  一般空壓系統的使用成本有以下幾種計算方式,資料越詳細,計算就能越準確。

1.空壓機全負載用馬力來計算用電成本

  年度電力成本=馬達全載馬力(hp) x 0.746kW/hp x (1/馬達效率) x 全年運轉時數 x 每度電電費

  舉例來說,馬達全載馬力100hp,全年無休運轉8,760小時,每度電2元,馬達效率0.9

  年度電力成本=100hp x 0.746kW/hp x (1/0.9) x 8,760小時 x 2元 / kW小時 ≒ 1,452,213元

2.空壓機全負載用電源來計算用電成本

  年度電力成本={[全載電流(A) x 電壓 (V) x 1.732 x 功率因素] / 1,000} x 年度運轉時數 x 每度電電費

  舉例來說,全載電流為115A,電壓為380V,全載功率因素0.85,全年無休運轉8,760小時,每度電2元

  年度電力成本={[115A x 380V x 1.732 x 0.85] / 1,000} x 8,760小時 x 2元/kW小時 ≒ 1,560,071元

3.空壓機部份負載使用馬力來計算用電成本

  年度電力成本={[馬達全載馬力(hp) x 0.746kW/hp x (1/馬達效率) x 全年運轉時數 x 每度電電費} x [全載運轉時間比例+馬達空載相對全載耗電比例 x 空載運轉時間比例]

  舉例來說空壓機馬達的全載馬力為100hp,馬達效率為90%,全年無休運轉8,760小時,有65%的運轉時間在全載,35%的運轉時間在空載,空載時間耗電為全載耗電的30%,每度電2元

  年度運轉成本等於

  年度電力成本=[(100 hp) x 0.746 kW/hp x (1/0.9) x 8,760小時 x 2元/kW小時] x [0.65+(0.30) x (0.35)] ≒ 1,059,063元

空壓系統一般效率指標

  常見空壓機應用空氣壓力為7公斤(100 psig),每馬力每分鐘約輸出125公升(4~5 cfm/hp)的壓縮空氣量,空壓系統的壓力升高1公斤約需要多耗損10%的動力,進氣溫度每降低5℃約可提昇系統效率1%,據美國馬達動力系統省能方案研究發現,一般空壓系統洩漏量範圍在20~30%,正常情況應該要低於15%,穩壓控制儲氣桶的容積約為空壓機每分鐘排氣量的1/5,供氣儲氣桶的容積約為空壓機的每分鐘排氣量的1/2,空壓系統大約耗費80~90%的電力於無用的空氣溫升,其中90%可以回收利用。

空壓系統可改善空間

  依據歐盟推動經驗顯示,約有1/3的廠商有改善的空間,可改善措施的有4成是改善洩漏,製程、驅動系統和熱回收各有1成的改善空間,壓降則有近半成,另外則是其他各種個別改善措施。

系統改善的七個步驟

  目前已知空壓系統可進行系統效率改善常用的主要七個主要步驟:1.製作空壓系統圖和系統特性描述。2.建立使用壓縮空氣的基本數據(負荷功率、耗能、空氣需求量、壓力和洩漏量)。3.和諮詢專家討論適當的空壓機控制策略。4.依照新的控制策略重新量取系統的基本數據。5.巡視系統檢討潛在的節能機會和預防保養的需求。6.檢查修復洩漏,消除不當使用,再修訂控制策略。7.研擬並執行持續改善計畫。

空壓系統效率分析的內容

  在系統進行改善之前,必須對要改善的系統進行分析,以便在分析後了解系統是否在最佳效率狀態下使用,若未能在最佳狀況,則需對症下藥,解決系統效率不佳的問題點。空壓系統效率分析的內容主要可分成3個部分:壓縮空氣系統、壓縮空氣使用和壓縮空氣產生。

  壓縮空氣系統可分析的是空氣處理的程度、洩漏、壓力程度、控制和熱回收。壓縮空氣使用可分析的是壓縮空氣供應系統、負載曲線及使用壓縮空氣的設備。壓縮空氣產生則可分析整套空壓機、過濾器、乾燥機、自動排水器和空氣桶。

步驟1 製作空壓系統圖和系統特性描述

  為了讓效率改善相關人員了解空壓系統的狀況,必須就系統特性進行說明,說明內容包含系統設備配置:

  1.空壓機和元件的型式規格。
  2.使用壓縮空氣的設備和用法。
  3.系統和各別空壓機控制。
  4.各點的使用壓力需求範圍。
  5.空壓機輸出壓力。
  6.系統和設備運轉的時數/年數。
  7.設備使用狀況:每天/每周的負荷。
  8.各點使用需求空氣的品質。
  9.每個儲氣桶的位置用途和容量。
  10.是否有關掉不使用的設備或系統。

  最後則是將上述元件以圖示的方式表示出來,圖示有兩種方式,一種是系統配置圖,方便了解系統是否處於最佳化配置,另一種則是樹狀圖,將改善前、模擬改善結果和實際改善後的樹狀圖列出來,了解前後關係(改善前後)和模擬落差(模擬改善結果和改善後實際表現),以作為事前方案選擇(改善前及模擬比較)和措施採取成效之用。

步驟2 建立使用壓縮空氣的基本數據

  在改善前也必須了解空壓系統基本數據如何建立,基本數據主要分為四項:功率、壓力、流量和溫度。功率計算方式如下:

  功率(kW)=[1.73 x 電壓(V) x 電流(A) x 功率因素] / 1,000

  壓力包含:空壓機各級進口、油氣分離器和系統附件的壓差以及負載在全載和空載時的壓差。流量則有各製程班次、系統改善前後以及休息或停工時的洩漏。另外則是包括環境和系統各段的溫度。值得一提的是洩漏可以下式來估算。

洩漏比率(%)

  =[T/(T+t)] x 100%Leakage (cfm free air)....(式1) 
  =(V x (P1-P2)/T x 14.7) x 1.25.............(式2)

  其中上式表示用系統開啟和關閉的時間來計算洩漏,T為系統運轉時間,t為系統暫停時間,下式為利用壓力變化來計算洩漏,V為原空氣體積,P1為變化後的壓力,P2為變化前的壓力,T為環境溫度。

  在量測基本數據必須要藉助以下工具:

  1.紅外線溫度槍-量測物件表面溫度。
  2.壓力計-校正好的合適壓力錶或差壓計。
  3.量錶-電流/電壓(或功率)。
  4.數據紀錄器-降低人為紀錄誤差及人員等待時間。
  5.超音波洩漏偵測器-攜帶型具備定向麥克風、放大器、音波過濾器和指示器或耳機。
  6.空氣流量計-考慮安裝和量測方式有線上和插入式兩種。

步驟3 和諮詢專家討論適當的空壓系統控制策略

  在基本的數據建立後,可找空壓系列的專家來提供系統控制策略的建議,這些建議不外乎兩方面,一個是有效率的生產壓縮空氣,另一個則是正確控制系統的壓力。在有效率的生產壓縮空氣的策略有:

  1.空壓機運用最佳化-調整系統壓力和控制。
  2.進氣口置於陰涼處(過濾要良好)。
  3.選用壓降小的線上過濾器。
  4.依設備需求適度的過濾和乾燥壓縮空氣。
  5.回收利用廢熱。
  6.適度增加/空裝儲氣桶。
  7.不同壓力使用分區迴路或使用局部昇壓器。
  8.使用高效率動力源。
  9.使用符合系統需求的高效率空壓機。

  而正確控制系統的壓力策略則是就整個系統配置的能源經濟性為主考量:

  1.降低系統壓力衍生出整體性的效能提昇。
  2.昇高空壓系統的壓力1公斤約需要多耗損10%的動力。
  3.修改高空壓機的控制方式。
  4.濾水器、調壓器和軟管的壓差約0.5kgf/cm2(7psig)。
  5.系統壓降應小於10%空壓機的出口壓力。
  6.管線元件的累積壓力降應低於1kgf/cm2(15psi)。
  7.壓降隨流量和溫度的昇高而增加。
  8.安裝變速控制裝置以降低耗能。
  9.變速控制裝置成本每馬力約150美金。

  值得注意的是節流調壓器(P/FCs)置於儲氣桶之後,目的在維持管線較低的穩定壓力,供後端設備使用,使空壓機容易控制在最有效率的運轉狀況。

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