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1压缩空气节能手册
压缩空气供气系统节能手册
一、前言
近年来,由于自动化设备在各行各业的普及,而气动设备的安全、洁净、易于控制、取得容易等有利因素,因此被广泛应用于自动化设备上。
但为提供压力、洁净程度适合的压缩空气,各工厂必须安装、配置压缩空气供给系统;然而对此系统的管理上,由于大部份供气系统除安装压力表外,并无安装其它合适的计量仪表,如流量计、功率表、温度计等,对于所使用系统的运转状况,如现场实际需求量、实际供气量、压缩机供气效率、现场泄漏量等,无法充份掌握,进而适时的提出各项改善方案,降低空压系统的运转成本。
财团法人中技社节能技术发展中心(以下简称本中心)多年来协助政府及产企业推动能源节约工作,有鉴于使用者对于空压系统的倚重,但又无法由既有仪表的数据上,得知空压机的日耗电量、产气量、日负载、能源效率、空气管线的泄漏量等更进一步信息,进而判断出系统上的各种问题,寻求解决的办法;为此本中心于多年前,自加拿大引进较为简易的检测技术,经多年来协助使用者分析、诊断各种空压系统,前后共检测过数十个工厂上百部各式空压机,协助使用者发掘出空压系统使用上的各种问题,并提出各项对策,以供其参考改善。
本手册即将过去几年服务所得的经验加以整理,期望能对企业在空压系统的使用上,有进一步的帮助。
二、压缩空气供给系统概论
压缩空气供给系统所包括的设备有空压机、干燥设备、过滤设备、输送管线等主要组件。
而其中更以空压机为最大能源耗用者,也因此在空压系统的能源节约上,必须要求空压机的高效率运转。
为达此目的,除对空压机制造销售商所提供的各项描述机台特点的数值有所认识外,另对可供选用的各类型空压机及其特点亦必须有基本的认识。
本章节的内容即在说明这些空压系统上常见的数值,另也对常见的空压机类型做简要说明。
2.1、空压系统中各种使用单位
空压系统中的空气为一可压缩流体,依其所处温度、压力、湿度等条件下,为方便理论分析与比较将其区分为三类,自由空气(freeair)、正常状态空气(normalair)及标准状态空气(standardair),自由空气即吾人生活于地球上的空气状态而言,随标高、气压、温度、位置、时间而会变化,因此以自由空气做为空压系统的基准值描述较为不适当。
而正常状态空气及标准状态空气则不会随以上各环境因素而有不同,因此较适合做为空压系统的基准值描述。
对此二状态的定义说明如下:
1.正常状态(代表附号N):
指温度在0℃,绝对压力760mmHg状况下的干燥空气,此时的空气密度为1.3kg/m3。
2.标准状态(代表附号S):
指温度在20℃,绝对压力760mmHg,相对湿度75%的空气,此时的空气密度为1.2kg/m3。
2.1.1、体积单位
空压系统在体积的描述上,常用的单位有ft3及m3,对于压缩空气此二数值会随其状态而有异,因此在使用此二数值时,必须标明其状态,即其为正常状态下的体积(Nft3及Nm3)或标准状态下的体积(Sft3及Sm3)。
当其在相同状态下,即可使用以下换算式进行换算:
1ft3=0.0283m3
1m3=35.31ft3
2.1.2、压力单位
空压系统中对于压力数值的描述,常见的使用单位有公制的kg/cm2,英制的psi(lb/in2),另一常用者为bar,以上各单位间的换算参见表2.1。
表2.1、常用压力单位的换算表
Bar
kg/cm2
psi
Atm
1
0.980665
0.0689476
1.01325
1.01972
1
0.0703069
1.03323
14.5038
14.2233
1
14.6959
0.986923
0.967839
0.068046
1
在压力表示上另有表压力及绝对压力的分,其中代表表压力的附加符号为g或G,绝对压力的附加符号为a或A。
举例来说,10kg/cm2G的压力等于11.03323kg/cm2A,即
10kg/cm2G=1.03323kg/cm2(=1atm)+10kg/cm2
2.1.3、温度单位
温度常见的单位有℃及℉,两者间的关系如下两式所示:
℃=(℉-32)×5/9
℉=℃×9/5+32
2.1.4、湿度单位
一般湿度的表示有两种,相对湿度与绝对湿度,其中又以相对湿度最为常见,其定义如下:
相对湿度=实际水蒸汽量/该温度下的饱和水蒸汽量×100%
而绝对湿度的定义则为一单位体积的空气中,水蒸汽重量与干燥空气重量的比例,其如下所示:
绝对湿度=水蒸汽重量/干燥空气重量×100%
2.1.5、功率单位
以马达趋动的空压机,其所用能源为电能,常用的功率单位为马力(hp)及千瓦(kw),每1hp=0.746kw。
至于空压机(使用三相马达)的实际电能耗用功率可以下式计算出。
功率(kw)=1.732×电流(I)×电压(V)×功率因子/1000
注:
电流(I)的单位为安培
电压(V)的单位为伏特
2.2、空压机类型
空压机依其作动原理可区分为两大类,分别为定排量式压缩机及动力式压缩机。
定排量式机台的基本原理是将空气引导到一封闭空间中,再利用机件的移动,使封闭空间由大变小,直接使得其中的空气的压力上升。
动力式机台则是通过轮叶的高速运动使空气快速流动,再使其通过升压环(diffuser),使空气的动能转变为压力。
图2.1、空压机分类图
2.2.1、往复活塞式空压机
活塞式空压机的组件基本构造如图2.2所示,其包括的零组件有活塞、气缸、进气阀、排气阀、各种连杆等。
机台的运作可区分为进气行程与排气行程。
在进气行程时,进气阀开启,排气阀关闭,阀门的启闭利用压差致动而非机械致动,此时活塞下移引入外界空气。
在排气行程时,进气阀关闭,排气阀随后开启,阀门开启的时机随设计方式而有些许不同,但在开启后,受到压缩而压力提高的空气随即排出。
图2.2、单级往复式活塞空压机
活塞式空压机的输出压力由其压缩比决定,一般单级式压缩比最高可达12:
1,即排气压力为进气压力的12倍。
在需要更高压力的场合时,可利用串联的方式达成,即将经第一段压缩出的气体再送入另一气缸中再行压缩,其机械结构如图2.3及图2.4所示,如此而得到更高的压力。
但为提高压缩机效率起见,在进第二段压缩的前的压缩空气,需经过中间冷却器,其所使用的中间冷却器亦区分成气冷及水冷两种。
图2.3、双段往复式活塞空压机
(一)
图2.4、双段往复式活塞空压机
(二)
2.2.2、鼓膜活塞式空压机
此类空压机的工作原理和往复活塞式相同,但此类机台是靠鼓膜而达到密封作用,但也由于鼓膜的存在而使活塞的行程较短,因此压缩比也较小,其结构如图2.5所示。
鼓膜式空压机其压缩空气输出量通常小于1Nm3/min,但由于结构简单,且不与润滑油接触,故可得到不含油份的压缩空气,极适合于需小量无油的制造过程,较常为食品、制药等工业采用。
图2.5、鼓膜活塞式空压机
2.2.3、滑动叶片式空压机
此类空压机的结构如图2.6所示,在压缩机的外壳内,有一马达带动的转子,转子的中心与外壳内部的中心有一偏心量,此偏心量决定机台的输出量及压力。
而在转子上嵌有滑动的叶片,当转子回转时,由于离心力的作用使其与机壳内侧紧密接触,造成一密闭空间。
转子回转时,空气由吸入口处的密闭空间逐渐由大变小,而产生吸入作用;而在排出口处,密闭空间由大变小,而排出压缩空气。
滑动叶片式空压机的每一机台的输出量可高达1000Nm3/min以上,输出压力亦可高达8kg/cm2G,运转时振动也小,因此不需安装于坚固的基础上;但一般而言能源效率较低,因此较少为国内厂商采用。
图2.6、滑动叶片式空压机
2.2.4、螺杆式空压机
螺杆式空压机的结构如图2.7所示,主要是通过一对雌雄转子间的密封间隙缩小而达压缩的效果,机台由于高速运转,且无冲程,因此噪音小,运转平稳,一般不需坚固的基础。
此类空压机又可分为有油及无油两种;其中无油式的干式压缩,为避免其转子直接接触,因此两转子的转动,通过同步齿轮来达成,而其单级压缩比也无法太高,输出压力约只达数kg/cm2,为此在较高压力需求的场合中,此类机台必须通过两组压缩机的串联,方可达成所需的输出压力。
另无油式,目前已开发出水润滑方式,藉此方式不仅可简化压缩机台的机构,亦可提高单级压缩比值。
而一般常见的有油螺旋空压机,由于有润滑油进行润滑及密封,因此不需安装精密同步齿轮,且单级压缩比也可高达12以上,已可满足大多数场合的需求;除此的外,目前转子多采用高能源效率的不对称形,其能源效率已比往复式高出许多。
因此近年来此类机型受到国内厂商的大量采用。
图2.7、螺杆式空压机
2.2.5、罗茨鼓风机
罗茨鼓风机的运作方式如图2.8所示。
其机壳内有俗称「花生」的两转子,以相反方向进行运转;此机台由于构造简单,且转子无直接接触的磨耗,除保养容易外,设备购置成本低,能源效率亦不错。
但此类机台的单级压缩比最高约只达1.7:
1,因此的故较适合于低压、气量大的场合中使用。
除单级式罗茨鼓风机外,目前已有串联两组罗茨压缩转子的机台,通过此机构设计,可使机台的输出压力高达2.0kg/cm2G以上,大幅扩大其适用范围。
图2.8、罗茨鼓风机
2.2.6、径流式(离心式)空压机
径流式亦俗称离心式,其作动原理如图2.9所示,其机体内有一高速旋转的叶轮,空气由其叶片带动,高速拋离叶片而进入升压环。
升压环由于断面积的逐渐扩大,导致压缩空气流速降低,而压力得以升高。
在叶轮转动时,由于其中心附近将形成真空,因此而产生吸气的功能。
图2.9、径流式空压机
一般径流式空压机单级所能产生的压力上升较的往复式及螺杆式机种为小,因此为得到较高的压力输出,必须加以多段串联,其如图2.10所示。
径流式空压机,由于轮叶与轮壳无接触,无直接的机械磨耗损失,能源使用效率一般而言较的往复式为高。
除此的外,常用的径流式目前只有较大马力机台,约300HP以上,排气量1200CFM以上者;另径流式由于机构上的限制,对于使用端需求变化较大时,无法利用较有效率的方式进行降载运转,这在选用此类机台时不得不加以注意。
径流式空压机台的另一特点为无油,所以产出的压缩空气适用于无油的制程中。
图2.10、四段径流式空压机
2.2.7、轴流式空压机
此类型空压机,结构如图2.11所示,其作动原理与径流式相类似,同样是利用升压器将高速流动空气的动能转换成静压力。
其与径流式的差异在于径流式空气流动方向是沿者轮叶流动,而轴流式则是沿者轮轴流动。
无论是轴流式或径流式由于其运转速度极高,可高达10,000RPM以上,运转时有极高频的噪音产生,为进行隔离一般可加上隔音设备,即可达到效果。
图2.11、轴流式空压机
三、空压系统检测
为了解空压系统的现况,包括能源使用效率、泄漏量、压力降等,因此对于此系统必须定期进行检测作业及检讨,方可使此系统在最佳能源效率下运转。
在空压机的能源使用效率检测上,主要的测试项目为空压机产气量及耗电量,常用的表示单位为CFM/HP或CMM/HP等;例如一台30HP的空压机额定产气量为3.6CMM,其额定效率为0.12CMM/HP或4.24CFM/HP;但在实际情况下,一般并无法运转于此效率下,特别是经长时间运转或维修后的空压机,其能源效率极有可能比额定数值小相当可观的量,如其降低至新机效率值(假设新机时的效率值为3.8CFM/HP)的一半时,对30HP的空压机而言,全年产出相同量压缩空气的成本即高出一倍,例如30HP空压机,全年全载运转的时间为8000小时,假设平均电费为2元/KWH,则此机台全年的用电成本为35.8万元;
30HP×0.746KW/HP×8000HR/年×2元/KWH=358080元/年
当以上述一半效率的机台运转时,则需两台方可满足所需,其用电成本将大幅上升至71.6万元/年,此运转成本差距已足够新购一台常用的有油30HP机台。
通过以上的说明,显示出空压机使用者了解运转能源效率的重要性,但对于此效率数值的取得,一般并无法从既存的各项保养记录资料上直接得到,而必须加装额外的检测仪表方可得的。
对于此效率检测,一般而言应每一年或两年对所使用的空压机作一次效率测试;另在空压机维修后,特别是压缩机体的维修后,也应要求维修厂商提供效率数据。
3.1、空压机效率测试方法
为得到以上表示空压机效率的各项数据,在进行检测时,必须同步取得空压机运转时的产气量(进气量),以CFM或CMM表示,及空压机用电资料,以KW或HP表示。
在空压机产气量的量测方面,本中心采用孔口组流量计,其量测时安装于压缩空气出口上,通过其检测所得数据,按本中心多年来的量测经验,其误差值在5%以内。
除以上的产气量(进气量)量测外,对于用电量的量测,可使用电力分析仪,进而计算出空压机的运转功率,在此必须特别强调的是电力量测工具最好具有功率因数量测者,如此方可计算出正确的实际运转功率。
以220V,三相电流平均为300A,功率因子95%为例,其输入功率为108.6KW(145.6HP)。
1.732×220V×300A×0.95/1000=108.6KW
对于空压机的效率测试,以下为本中心采用的孔口组流量计量测一部空压机效率的作业步骤:
1.仔细检视及填写欲进行检测的空压机规范(参见表3.1),现场使用压缩空气压力等级、冷却水出入水温、水压等资料。
2.藉以上的资料决定出孔口组流量计的大小,并给厂方需要安装的配管资料(参见图3.1)。
3.现场测试时先行关闭空压机电源。
4.关闭流通至现场的压缩空气管线阀门。
5.打开储气罐下方泄气阀,排出压缩空气,至储气罐压力表降低至0kg/cm2G,再关闭储气罐下方泄气阀。
6.安装孔口组流量计至配管位置并确实锁紧消音器以确保人员安全。
7.安装钩表及精密电力分析仪。
8.孔口组流量计安装压力表并将所有孔口阀全开。
9.激活空压机并改为手动操作至与设备规范压力相同,压力稳定持续5~8分钟以上不变,以利精确测量效率。
10.调整孔口组流量计阀门于一流量值。
11.记录压缩空气出口前温度、压力、马达功率及孔口组CFM值于检测记录表中(参见表3.2)。
12.重复10至11步骤多次,其中必须将常用的压力涵盖在内。
13.关闭空压机的电源并拆除精密电力分析仪。
14.储气罐压力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口组流量计。
表3.1、空压机规格表
空
气
压
缩
机
设备编号
厂牌
型式
型号
压缩段数
年份
排气量控制方式
操作压力(PSIG)
最大操作压力(PSIG)
额定排气量(SCFM)
起动方式
传动方式
冷却方式
空气干燥方式
储气罐容量(M3)
压缩空气用途
马
达
厂牌
型式
电压(V)
额定电流(A)
转速(RPM)
功率(HP)
马达效率(%)
马达安全系数
图3.1、孔口组流量计安装位置示意图
表3.2、孔口组流量计测试数据记录表
测试数据
标准状态
CFM
效率
标准状态CFM
HP
孔口组
CFM
温度
℃
压力PSIG
功率
KW
功率
HP
注:
标准状态CFM=
孔口组CFM×0.20076×(PSIG+14.7)÷[(孔口组温度℃×9/5)+32+460]0.5
3.2、管线泄漏测试方法
压缩空气的产生需要相当多的能源投入,然而由于其无色无味,使得使用者对于其泄漏常常较不重视,因此而造成能源浪费,此现象在本中心服务厂商时随处可见。
对于空压系统的泄漏量,当然是愈小愈好,按本中心多年来所提供的检测服务,泄漏量占总用气量的比率能低于10%者为一相当优良的系统,一般的系统多高于此比率,更有甚者高达30%以上。
以30%的系统泄漏为例,30HP的空压机台,年全载运转时数为8000小时,平均电费为2元/KWH,全年因泄漏而造成的损失即为10.7万元。
30HP×0.746KW/HP×0.3×8000HR/年×2元/KWH=107424元/年
对于压缩空气输送管线泄漏量的测试,以下为本中心所采用方式的作业步骤:
1.选定壹台已完成效率测试的空压机。
2.打开流通至现场的压缩空气管线阀门,并确定现场无压缩空气使用且应关闭的关断阀已正常关闭。
3.打开空气筒下方泄气阀,排出压缩空气,至储气罐压力表降低至0kg/cm2G,再关闭储气罐下方泄气阀。
4.安装孔口组流量计至配管位置。
5.孔口组流量计安装压力表并将所有孔口阀全开。
6.激活空压机电源。
7.逐步关闭部份孔口组流量计排气阀,使孔口组流量计实测压力提高至100PSIG。
8.将此空压机于效率测试时所量测出的100PSIG排气量减以上测出的排气量,即为压缩空气管线泄漏量(CFM)。
9.关闭空压机的电源。
10.储气罐压力表降低至0kg/cm2G,再行拆除孔口组流量计。
四、空压机节能措施
空压机依其作动原理可区分为两大类,分别为排量式及动力式,在排量式中较为常见者有活塞式压缩机与螺杆式压缩机,而在动力式中较为常见者有径流式(离心式)压缩机。
由于其作动原理的不同,因此在高能源使用效率的基本原则下,各类型机台的采用便有其限制。
4.1、空压机的选择
为能合理及高效率的运转空压机,首先面临的问题即在于如何在各式各样的空压机台中,挑选出符合所需且能在安装后高效率运转者。
在决定空压机的形式与大小的前,必须先行确认以下各点:
1.现场空气消耗量
2.压缩空气品质
3.工作压力
对于以上各数值的估算可利用表4.1来达成,在现场空气消耗量上的计算上,除表上所使用的Nm3/hr外,另也可使用Nm3/min,或欧美使用的Nft3/min及Nft3/hr表示。
表4.1、现场机台压缩空气耗用点检表
机台
编号
机台名称
空气耗用量
(Nm3/hr)
空气压力
(kg/cm2G)
最低品质需求
水份
油份
杂质
备注
另对于工作时的空气压力,则为操作机台正常运转时的最低空气压力需求,除以kg/cm2G表示外,亦可使用bar或Psig表示。
另对于压缩空气品质需求,主要有水份含量、油份含量、杂质含量等;水份含量的量化表示可以压力露点温度表示,油份含量及杂质含量皆可以ppm表示。
在经调查完所有用气设备的后,再将按不同压力需求统计出各压力下的空气需求量,其如表4.2所示。
表4.2、压缩空气需求量统计表
压力等级
空气耗用量
(Nm3/hr)
占总量比率
(%)
最低品质需求
水份
油份
杂质
备注
5kg/cm2G以下
5~8kg/cm2G
8~12kg/cm2G
12kg/cm2G以上
在有了以上各压力等级的需求数据后,再加上以下三项考虑因素:
1.目前压缩空气的实际需求
2.未来扩充时增加的需求量
3.10%~20%的裕度
即可决定出各压力等级的安全需求量,当某一压力等级存在有瞬间用气量极大的机台时,可通过提高此压力等级的裕度来因应。
在完成以上的评估的后,再将以上各压力等级依以下的原则做合并,再参照空压机厂商所提供的机台规范,即可大致决定出所需的空压机马力。
1.当大多数机台的用气压力等级皆为低压时,5kg/cm2G以下,对于少数高压机台用气量亦可同时并入
低压系统中,但必须另购增压机,提高压缩供气压力供高压设备使用。
另也可不并入低压系统中,但使用独立的高压空压机供气。
2.当大多数机台的用气压力等级需求皆为高压时,如均在5~8kg/cm2G,约占总量的80%以上时,于
少数低压的需求可从其管线上直接接管,再安装减压阀支应需求量。
3.当两压力等级的用气需求相当时且皆超过总用气量的30%时,且单一压力等级的空压机马力达100HP以上时,可考虑针对每一压力等级,建置独立的供气系统。
除以上对于气量及压力的考虑外,另由于空压机形式的不同,在操作上、效率上、乃至于未来的保养上,亦有相当程度的差异,以下为形式选用时必须注意的事项:
1.全负载状态下,离心式空压机效率较高,因此极适于做为基载机台或负载变化不大的场合。
2.在负载变化大的使用场合,为达高效率运转,可利用多部机台调度运转,避免空压机处于低效率的低负载运转。
3.空压机的运转成本极高,全年运转4000小时以上的空压机,所耗用的电力费用,可能已足够购置一台空压机,为此购买空压机时,必须特别注意其运转效率。
4.有油式空压机不但购买成本低,保养费用一般也较低。
5.具进气阀门容量调节控制的机台,虽能提供较为稳定压力的压缩空气输出,但使用此类机台时应使其能在高负载下运转,即使其实际供气量尽量接近额定供气量。
除以上的各项考虑因素外,空压机在加载时,马达的负载高达100%或以上,因此马达效率的高低,亦直接影响到空压机的效率,就一般常见的马达为例,表4.3所示为高效率马达与普通马达的效率比较。
表4.3、马达效率值比较表
马力数
东元马达型录值
220V,60HZ,1800RPM
GPSA*测试值
460V,60HZ,1800RPM
一般型
(%)
高效率
(%)
差值
一般型
(%)
高效率
(%)
差值
20HP
90.5
93.0
2.5
86.5
91.0
4.5
30HP
91.5
94.0
2.5
88.5
93.0
4.5
50HP
92.0
95.0
3.0
90.2
93.6
3.4
75HP
92.5
95.5
3.0
90.2
93.6
3.4
100HP
93.5
95.5
2.0
91.7
94.5
2.8
*:
GPSA为GasProcessorsSuppliersAssociation的缩写。
按以上的资料,当在一台20HP压缩机上安装上高效率马达时,就整体压缩机效率而言,即可提高2.5~4.5%的效率;而在100HP压缩机上,也可提高2.0~4.5%的整体效率。
以100HP的马达为例,全年运转时数8000小时,平均电费以1.7元/KWH计,全年可节约的用电从2万元至4.5万元。
100HP×0.746KW/HP×8000HR/年×1.7元/KWH×2.0%
=20291元/年
100HP×0.746KW/HP×8000HR/年×1.7元/KWH×4.5%
=45655元/年
因
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