空壓機節能系統應用自動排水器分析

空壓機(compressor)節能系統應用自動排水器分析

　　 
　前言 


　　能源日益枯竭，人類已意識到若不改善當前狀況，地球村的滅絕似乎指日可待，故而國際間節能減排正如火如荼地展開。至2015年10月底，已有155個國家提交了對抑制地球變暖做出貢獻的減排承諾。 


　　溫室氣體中的二氧化碳是地球暖化的元兇之一，發電過程會產生二氧化碳的排放，所以減少用電即有助于溫室氣體的減量。 


　　空壓機(air compressor)系統運用于產業界非常普遍，幾乎與水、電一樣不可或缺，但其為高耗能、低效率的生財設備，卻鮮少受到關注。昆山空壓機保養在空壓機的進、排氣口安裝消聲器或設置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機的機械噪聲和電機噪聲仍然很高，因此還應在空壓機的機組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風空壓機站，高大空曠的廠房混響很重。由于工廠電費成本內包含許多機械(machinery)設備及照明燈具的費用，致使能源成本高占其總運轉成本約80%的空壓機系統，被大部份用戶忽略了。 
提高空壓機系統(system)能源效率(efficiency)，不只攸關產業本身的生產成本與競爭力，減少溫室氣體的排放，對于人類生存環境的改善，亦有實質的貢獻。 


　　不只是冷凝水 


　　空壓機吸取環境空氣加以壓縮，制造壓縮空氣以供工廠之用。環境空氣中含有許多水蒸汽，經空壓機壓縮之后，空氣體積變小、密度增加，經過冷卻之后，其溫度降低，水蒸汽呈過飽和狀態，若干水汽凝結成為液態水。 


　　環境空氣含有許多不明、甚或有毒物質。工業區附近的環境空氣中，這些雜質的濃度更高，經過壓縮之后，其密度亦隨之增高。由于壓縮過程的高溫作用，部份有害物質會融解于冷凝水中，使其PH值偏低，成為具有腐蝕性的液體。 


　　冷凝水芳蹤何處 


　　工場內空壓機(compressor)的流程，一般為：空壓機-汽水分離器-儲氣罐-初級過濾(filter)器-冷干機-精密過濾器。


　　空壓機(compressor)壓縮過程(guò chéng)中一般不會產生冷凝水，(設計不當或溫控閥失效時除外)，但經冷卻后，只要壓縮空氣溫度低于壓力露點，本來以氣體狀態存在的水蒸汽即凝結為液態水。圖1乃空壓系統在一般運轉工態下的冷凝水分布。 


　　為何儲氣罐化身為儲水桶？ 


　　若空壓機之冷卻器功能正常，壓縮空氣中之水蒸汽，于冷卻器出口端大部份已凝結成液態水，此處若安裝一個高效能氣水分離器及自動排水器，空壓機吸入的水分，約有80%可以去除。但空壓機制造廠，為了成本(cost)考慮，只有少部份廠商安裝上述設備，有些則使用簡易的裝置(Apparatus)，而多數空壓機制造商(又名：生產廠商）均無此設計。所以大部分冷凝水就往下游（比喻落后的地位)移動(mobile)，空壓機系統(system)的儲氣罐因而累積了大量的冷凝水。 


　　工廠內實際使用時，使用者常自行于儲氣罐(gas container)下方裝設一個自動排水器，但因濕度高，儲氣罐極易生銹(Rusty)，故常見儲氣罐下方的自動排水器堵塞，整個儲氣罐變成儲水桶。又或者使用者不信任自動排水器，干脆打開儲氣罐下方球閥，以微開的方式排水，但實際上，排掉的卻是昂貴的能源——壓縮(compression)空氣。


　　產品不良、設備故障的主因——冷凝水（condensate water） 


　　空壓系統未安裝或安裝功能不佳的自動排水器，使用者可以花費較低的初購成本。但使用時，壓縮(compression)空氣含水分太高，容易使儲氣罐、氣動設備(shèbèi)生銹、故障，電磁閥線圈燒毀、涂料無法被覆、粉體結塊無法輸送、濾芯堵塞、冷干機效能不佳、離心(Centrifugal)機葉片損壞等?？梢哉f，氣動設備的故障原因，90%以上是因壓縮空氣中的水份所引起。為了節省極低的自動排水器費用(expense)，卻付出更多的維護修理成本，甚至產品不良、延期交貨、商譽損害等慘痛的損失，可謂因小失大！ 


　　漏氣，漏掉的是企業的競爭力 


　　現代化的工廠幾乎均使用空壓機，其運用于產業界非常普遍，空壓機停擺幾乎與停水、停電一樣，將使生產線癱瘓。但由于空氣無所不在，取之不盡、用之不竭，且工廠電費內包含許多機械設備(組成：驅動裝置、變速裝置等)及照明燈具的費用(expense)，致使能源成本非常昂貴的壓縮空氣，被大部份使用者忽略了。 


　　壓縮空氣的能源轉換率非常低，大約只有25%而已，所以壓縮空氣是工廠內最昂貴的能源。根據美國能源部數據顯示，未經能源查核并實施節能改善的空壓機系統，大約有20%~30%的泄漏量。 


　　2014年中國全社會用電量達55,233億千瓦時，工業用電量占全社會用電量的70%（中國標準局2005研究）。一般馬達用電量約占工業用電之70%，而空壓機用電約占馬達用電之18%，故約略可計算空壓機系統(system)一年的用電量為： 


　　55,233億kWh×70%×70%×18%= 4,871億kWh 


　　若以美國能源部的泄漏估算數據計算，全中國空壓機系統之泄漏損失將達121,7億kWh（4,871億kWh×25%） 


　　若1kWh電費以人民幣0.8元計，則泄漏損失將約達1,000億人民幣，至為可觀!(如圖2) 
　　明顯與不明顯的泄漏 


　　密封環、快速接頭、法蘭片墊片、氣壓缸膠環、控制閥內漏屬于不明顯的泄漏?？捎梅试砼莼虺舨y漏儀，探知其泄漏并加以維修。 


　　離心式空壓機(compressor)各級冷卻器排水、無熱式吸干機、渦流制冷器、手動泄水閥、自動排水器的泄漏均屬明顯的泄漏。使用者明知其泄漏嚴重，卻礙于既有設備、技術或經費限制，或對壓縮空氣價值的錯誤認知，任由昂貴的壓縮空氣消失于無形。 


傳統排水器的限制 


　　理論上，空壓系統內之冷凝水（condensate water），以自動排水器即可將此水分排除。但傳統之自動排水器，不論機械式或電子式（定時器+電磁閥）或電子液位控制之自動排水器，均有許多結構上缺陷。例如：電磁閥式的排水通道直徑小且通道彎彎曲曲，容易堵塞。電磁閥膜片容易破裂。機械式則有許多零件泡于冷凝水中、單次排水量小，動作(action)頻繁、短時間內就可能堵塞等，導致傳統自動排水器可靠度低、故障頻仍，使用者信賴度極低。 


　　空壓機系統泄漏點極多，其中自動排水(drain)器是空壓系統最小卻影響深遠的附屬設備，使用者明知有漏氣之虞，長期以來卻又無適當的設備得以解決痛點。 


　　空壓自動排水器應具備的性能 


　　空壓系統對于工業的重要性與日俱增，自動排水器是聯結空壓系統各設備間不可或缺的環節。昆山空壓機維修在啟動前，首先啟動油泵控制系統，油泵控制系統啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時油泵控制系統可通過內置的溫控閥來調節內部油壓和油溫，以滿足系統需要。是故，空壓系統之自動排水器必需具備下列功能： 


　　1.節能 
　　只排水，不排氣。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。 
　　壓縮空氣是工廠內最昂貴的能源，只排水，不排氣，是自動排水器最基本的要求。 


　　2.效率 
　　單次排水量大，動作頻率低，使用壽命才能延長。 


　　3.可靠 
　　儲水槽內最好不要有活動零件，因冷凝水極臟并具腐蝕性，水槽內無活動組件，可降低故障（fault）率，提升可靠度。 


　　4.安全
　　自動排水器是空壓系統中，最微小的配件，但影響整體空壓系統的運轉與應用質量。故其是否正常運作應具遠程監視功能，保障(起保障作用的事物)空壓系統之安全運轉 


　　球閥型液位控制自動排水器的原理 


　　由于空壓系統之冷凝水多寡，隨環境因素而改變，唯有以液位感測的方式決定排放時機，方可達到只排水，不排氣的節能(Energy saving)要求。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。而以球閥作為排水主體，其孔徑大、直線形排水通道最不易堵塞。但其旋轉角度定位及轉速控制技術難度較高，是目前市場上最新的冷凝水排放技術。 


　　球閥型無耗氣自動排水器，以液位傳感器偵測水位，決定排水時機，其動作原理如下:　 



　　(1)當冷凝水滴入儲水槽內而達高水位時，液位傳感器發出訊號，電動球閥打開排水。 


　　(2)當冷凝水被排出，水位漸降而至傳感器低水位時，傳感器再次發出訊號，電動球閥關閉。 


　　(3)冷凝水并未完全排干，留下些許冷凝水形成水封，壓縮空氣不會隨冷凝水排放，達到只排水，不排氣的節能效果（如圖3）。 


　　如何選用無耗氣自動排水器 


　　一般機械性浮球排水(drain)器或計時型排水器，大部分均只有一個型號，長久以來養成使用者誤以為：「一個自動排水器可以適用所有大小不同空壓系統」的誤認。 


液位控制之無耗氣自動排水器，以液位感應決定是否排放，故除了前述之節能、效率、可靠、安全必需具備外，排水器的選擇需考慮: 


　　1.環境溫度 
　　2.環境(environment)濕度(shī dù) 
　　3.空壓機(compressor)的流量 
　　4.壓縮(compression)空氣壓力 
　　5.壓縮空氣冷卻后的溫度 


　　由于上述五個變素會改變冷凝水的多寡，影響排水器的選型。一般使用者常為了節省費用，選用較小的排水器。但選用過小之排水器，除了排水器動作頻率提高，使用的時長將縮短外，亦有可能過載而無法使用，導致冷凝水往下游移動的現象。所以購置任何排水器前，必需計算自動排水器裝置點的冷凝水量，選用大小適當的自動排水器。 


　　潤滑油空壓機系統因冷凝水中含有少量潤滑油，故其冷凝水ph值約為中性，自動排水器一般為鋁合金，已符所需。但無油式空壓機，冷凝水沒有機油的中和，環境中的二氧化碳、有害物質，均可能溶解于冷凝水中。故使用于無油式空壓機系統之自動排水器，應選用不銹鋼(不銹耐酸鋼)制品(Products)，以免自動排水器組件的腐蝕物，堵住排水口或銹蝕損壞而影響排水功能(gōng néng)。 


如何安裝(installation)無耗氣自動排水器? 


　　計時型自動排水器依設定之時間(time)，決定是否開啟排水器排水。當其開啟時，系統壓力高于環境之大氣壓力，故無論其裝置點高于排水口，或排水管路彎曲、遠近，均不致影響其排放，因為高壓往低壓作用是不變的物理現象。 


　　而任何型式的無耗氣自動排水(drain)器，裝置于空壓系統時，除了剛安裝完成后，第一次開啟排水閥門時，空壓系統對無耗氣排水器有高壓對低壓的現象外，其余時間排水器與空壓設備連成一體，其間并無壓差現象。故若排水器入口高于空壓系統排水口，即產生「氣鎖」現象（圖4），冷凝水就無法流入排水器。當此狀況發生時，液位傳感器即無法偵測到高水位，自動排水器即無法作動，用戶常以為產品瑕疵所致(如圖4)。 


　　無耗氣自動排水器的節能案例 


　　案例：單臺螺桿式空壓機之變頻及排水器改善 


　　本案為系統改善之先期可行性評估測試（TestMeasure)。業主為一著名螺絲廠。廠內分為十個生產工廠。螺旋式空壓機(compressor)有100HP及50HP，共22臺，為測試空壓機節能改善之效益，先選一臺100HP傳統螺旋式空壓機為先期試驗，測試其效果，以做為廠內全面推廣依據。 


　　1.量測紀錄 
　　(a) 由施工單位記錄改善前狀態，并測量該空壓機之單機效率及運轉耗能（如表2）。 
　　(b) 該廠為訂單生產，因螺絲產品數量大，業主為確認改善效益，特選一產品規格統一，空壓機耗能狀態(status)幾乎全年不變之工廠，自行記錄一年該機之耗電狀態。 


　　2.節能(Energy saving)潛力計算 
　　(a)單機耗能比 
　　由施工單位測量該空壓機之單機耗能比紀錄如表
　　3: 
　　(b)運轉耗能量測（如圖5） 
　　(c)量測數據計算： 
　　需求流量：13.1×67%=8.78m3/min 
　　耗能比：75kW-hr/(60×8.78)=0.142 
　　改善潛力預估 


　　預估改善后耗能： 
　　(a)變頻改善后耗能=(8.78/13.1)×87.5 kW=58.65kW 
　　(b)預估運轉壓力調降1bar可省能6%= 58.65kW×6%=3.5kW 
　　預估改善后總耗能：58.65kW-3.5Kw =55.15kW 
　　預估節能比率：(75-55.15)/75=26% 


　　預估一年節能: 
　　8,000h×(75-55.15)=158,800 (kWh) 
　　預估一年節電成本=：158,800kWh×2.5=NT＄397,000 


　　3.成果報告（如表4） 
　　上述節能改善案中，球閥型無耗氣自動排水器的節能分析（如表5）。 


　　由以上案例的呈現，可以發現，一般人認為些微的漏氣無關緊要，但24小時經年累月的泄漏，其累積的損失卻極為驚人。 


　　用戶因傳統排水器的價格印象，較高價的無耗氣自動排水器尚無法普及。昆山空壓機維修工作時，空氣經過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經過進口導葉自動調節后進入一級壓縮，經一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統但其價格成本相對于昂貴的壓縮空氣成本，其實只是九牛一毛而已! 


　　提高空壓機系統能源效率，不只攸關產業本身的生產成本與競爭力。當企業競爭日趨嚴峻、營收微利化后，產業除了必需不斷創新、降低成本以提升競爭力爭取市場外，更需以符合環保要求之綠色生產方式，提高能源效率、降低溫室氣體排放量，減少產業因經濟活動對地球環境(environment)的污染，善盡地球公民的義務。