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1、压缩空气供气系统节能手册撰写人：庄朝焮财团法人中技社节能技术发展中心目录 一、 前言 1二、 压缩空气供给系统概论 2三、 压缩空气系统检测 13四、 空气压缩机节能措施 18五、 空气调质设备节能措施 33六、 压缩空气管线节能措施 40七、 编后语 . 50八、 参与文献 51一、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、洁净程度适合之压缩空气，各工厂必须安装、配置一压缩空气供给系统；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、电力瓦时表、温
2、度计等，对于所使用系统之运转状况，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，降低压缩空气系统的运转成本。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业界推动能源节约工作，有鉴于业者对于压缩空气系统的倚重，但又无法由既有仪表之数据上，得知空气压缩机的日耗电量、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，进而分析出系统上的各种问题，并寻求解决之道；为此本中心于多年前，自加拿大引进较为简易之检测技术，经多年来协助业者分析、诊断各种压缩空气系统，前后共检测过数十个工厂上百部各式空气压缩机，协助业者发掘出压缩
3、空气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之经验加以整理，期望能对业界在压缩空气系统的使用上，有进一步的帮助。1二、压缩空气供给系统概论压缩空气供给系统所包括之设备有空气压缩机、干燥设备、过滤设备、输送管线等主要组件。而其中更以空气压缩机为最大能源耗用者，也因此在压缩空气系统的能源节约上，必须要求空气压缩机的高效率运转。为达此一目的，除对空气压缩机制造销售商所提供之各项描述机台特性之数值有所认识外，另对可供选用之各类型空气压缩机及其特性亦必须有基本的认识。本章节之内容即在说明这些压缩空气系统上常见之数值，另也对常见之空气压缩机类型做简要说明。2.1、压
4、缩空气系统中各种使用单位压缩空气系统中之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(free air)、正常状态空气(normal air)及标准状态空气(standard air)，自由空气即吾人生活于地球上之空气状态而言，随标高、气压、温度、位置、时间而会变化，因此以自由空气做为压缩空气系统之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，因此较适合做为压缩空气系统之基准值描述。对此二状态之定义说明如下：1. 正常状态(代表附号N)：指温度在0，绝对压力760mm-Hg状况下之干燥空气，此时之空气密度
5、为1.3kg/m3。2. 标准状态(代表附号S)：指温度在20，绝对压力760mm-Hg，相对湿度75%之空气，此时之空气密度为1.2kg/m3。2.1.1、体积单位2压缩空气系统在体积的描述上，常用之单位有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，即其为正常状态下之体积(Nft3及Nm3)或标准状态下之体积(Sft3及Sm3)。当其在相同状态下，即可使用以下二换算式进行换算：1 ft3 = 0.0283 m31 m3 = 35.31 ft32.1.2、压力单位压缩空气系统中对于压力数值的描述，常见之使用单位有公制之kg/cm2，英制之psi (
6、lb/in2)，另一常用者为bar，以上各单位间之换算参见表2.1。表2.1、常用压力单位之换算表Barkg/cm2psiAtm10.9806650.06894761.013251.0197210.07030691.0332314.503814.2233114.69590.9869230.9678390.0680461在压力表示上另有表压力及绝对压力之分，其中代表表压力之附加符号为g或G，绝对压力之附加符号为a或A。举例来说，10kg/cm2G之压力等于11.03323 kg/cm2A，即10kg/cm2G = 1.03323 kg/cm2(=1atm) + 10 kg/cm22.1.3、温度
7、单位温度常见之单位有及，两者间之关系如下两式所示：=(32) 5 / 9= 9 / 5 + 3232.1.4、湿度单位一般湿度之表示有两种，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之饱和水蒸汽量 100%而绝对湿度之定义则为一单位体积之空气中，水蒸汽重量与干燥空气重量之比例，其如下所示：绝对湿度水蒸汽重量干燥空气重量 100%2.1.5、功率单位在一以马达趋动之空气压缩机，其所用能源为电能，常用之功率单位为马力(hp)及千瓦(kw)，每1hp=0.746kw。至于空气压缩机(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) = 1.73
8、2 电流(I) 电压(V) 功率因子/1000注：电流(I)之单位为安培电压(V)之单位为伏特2.2、空气压缩机类型空气压缩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。定排量式机台之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，直接使得其中之空气的压力上升。动力式机台则是藉由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。4图2.1、空气压缩机分类图2.2.1、往复活塞式空气压缩机活塞式空气压缩机的组件基本构造如图2.2所示，其包括之零组件有活塞、气缸、进气阀、排气阀、各种连杆等。机台的运作可区分为进
9、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，受到压缩而压力提升之空气随即排出。5图2.2、单段往复式活塞空气压缩机活塞式空气压缩机的输出压力由其压缩比决定，一般单段式压缩比最高可达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，可利用串联之方式达成，即将经第一段压缩出之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，在进第二段压缩之前的压缩空气，需经过
10、一中间冷却器，其所使用之中间冷却器亦区分成气冷及水冷两种。图2.3、双段往复式活塞空气压缩机(一)图2.4、双段往复式活塞空气压缩机(二)62.2.2、鼓膜活塞式空气压缩机此类空气压缩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。鼓膜式空气压缩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，故可得到不含油份之压缩空气，极适合于需小量无油之制程，较常为食品、制药等工业采用。图2.5、鼓膜活塞式空气压缩机2.2.3、滑动叶片式空气压缩机此类空气压缩机的结构如图2.6所示，在
11、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，空气由吸入口处之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。7滑动叶片式空气压缩机的每一机台的输出量可高达1000 Nm3/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、滑动叶片式空气压缩机2.2.4、螺旋式空气压缩机螺旋式空气压缩机之结构如
12、图2.7所示，主要是藉由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。此类空气压缩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，藉由同步齿轮来达成，而其单段压缩比也无法太高，输出压力约只达数kg/cm2，为此在较高压力需求的场合中，此类机台必须藉由两组压缩机的串联，方可达成所需之输出压力。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，亦可提高单段压缩比值。8而一般常见之有油螺旋空气压缩机，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，且单段压缩比也可高达1
13、2以上，已可满足大多数场合的需求；除此之外，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、螺旋式空气压缩机2.2.5、鲁式鼓风机鲁式鼓风机之运作方式如图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，且转子无直接接触之磨耗，除保养容易外，设备购置成本低，能源效率亦不错。但此类机台的单段压缩比最高约只达1.7:1，因此之故较适合于低压、气量大的场合中使用。9除单段式鲁式鼓风机外，目前已有串联两组鲁式压缩转子的机台，藉由此机构设计，可使机台之输出压力高达2.0 kg/cm2G以上，大幅扩大其适用
14、范围。图2.8、鲁式鼓风机2.2.6、径流式(离心式)空气压缩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，高速抛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、径流式空气压缩机10一般径流式空气压缩机单段所能产生的压力上升较之往复式及螺旋式机种为小，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。径流式空气压缩机，由于轮叶与轮壳无接触，无直接之机械磨耗损失，能源使用效率一般而言较之往复式为高。除此之外，常用之径流式目前只
15、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之限制，对于使用端需求变化较大时，无法利用较有效率之方式进行降载运转，这在选用此类机台时不得不加以注意。径流式空气压缩机台的另一特性为无油，即其产生出之压缩空气可适用于需无油之制程中。图2.10、四段径流式空气压缩机112.2.7、轴流式空气压缩机此类型空气压缩机，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。其与径流式之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
16、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、轴流式空气压缩机12三、压缩空气系统检测为了解压缩空气系统的现况，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，方可使此一系统在最佳能源效率下运转。在空气压缩机的能源使用效率检测上，主要之测试项目为空气压缩机产气量及耗电量，常用之表示单位为CFM/HP或CMM/HP等；例如一30HP之空气压缩机额定产气量为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，特别是一经长时间运转或维修后之空气压缩机，其能源效率极有可能比额定数值小
17、相当可观之量，如其降低至新机效率值(假设新机时之效率值为3.8CFM/HP)的一半时，对一30HP之空气压缩机而言，全年产出相同量压缩空气之成本即高出一倍，对于一30HP空气压缩机，全年全载运转之时间为8000小时，假设平均电费为2元/KWH，则此机台全年之用电成本为35.8万元；30HP 0.746KW/HP 8000HR/年 2元/KWH=358080元/年当以上述一半效率之机台运转时，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之有油30HP机台。13藉由以上之说明，显示出空气压缩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，
18、一般并无法从既存之各项保养记录数据上直接得到，而必须加装额外的检测仪表方可得之。对于此效率检测，一般而言应每一年或两年对所使用之空气压缩机作一次效率测试；另在空气压缩机维修后，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、空气压缩机效率测试方法为得到以上表示空气压缩机效率之各项数据，在进行检测时，必须同步取得空气压缩机运转时之产气量(进气量)，以CFM或CMM表示，及空气压缩机用电资料，以KW或HP表示。在空气压缩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，藉由其检测所得数据，按本中心多年来之量测经验，其误差值在5%以内。除以上之产气量(进气量)量
19、测外，对于用电量的量测，可使用电力分析仪，进而计算出空气压缩机的运转功率，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之实际运转功率。以一220V，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对于空气压缩机的效率测试，以下为本中心采用之孔口组流量计量测一部空气压缩机效率之作业步骤：1.仔细检视及填写欲进行检测之空气压缩机规范(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.藉以上的数据决定出孔口组流量计之大小，并给厂方需要安
20、装之配管数据(参见图3.1)。3.现场测试时先行关闭空气压缩机电源。4.关闭流通至现场之压缩空气管线阀门。5.打开空气桶下方泄气阀，排出压缩空气，至空气桶压力表降低至0kg/cm2G，再关闭空气桶下方泄气阀。146.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.启动空气压缩机并改为手动操作至与设备规范压力相同，压力稳定持续58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1
21、1步骤多次，其中必须将常用之压力涵盖在内。13.关闭空气压缩机之电源并拆除精密电力分析仪。14.空气桶压力表降低至0kg/cm2G，再行拆除孔口组流量计。表3.1、空气压缩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空气桶容量 (M3)压缩空气用途15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
22、准状态CFMHP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 + 4600.53.2、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，此一现象在本中心服务厂商时随处可见。16对于压缩空气系统的泄漏量，当然是愈小愈好，按本中心多年来所提供之检测服务，泄漏量占总用气量之比率能低于10%者为一相当优良之系统，一般之系统多高于此比率，更有甚者高达30%以上。以30%的系统泄漏为例，一30HP之空气压缩机台，年全载运转时数为
23、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之作业步骤：1.选定壹台已完成效率测试之空气压缩机。2.打开流通至现场之压缩空气管线阀门，并确定现场无压缩空气使用且应关闭之关断阀已正常关闭。3.打开空气筒下方泄气阀，排出压缩空气，至空气桶压力表降低至0kg/cm2G，再关闭空气桶下方泄气阀。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.启动空气压缩机电源。7.逐步关闭部份孔口组流量计
24、排气阀，使孔口组流量计实测压力提升至100 PSIG。8.将此空气压缩机于效率测试时所量测出之100 PSIG排气量减以上测出之排气量，即为压缩空气管线泄漏量(CFM)。9.关闭空气压缩机之电源。10.空气桶压力表降低至0kg/cm2G，再行拆除孔口组流量计。17四、空气压缩机节能措施空气压缩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旋式压缩机，而在动力式中较为常见者有径流式(离心式)压缩机。由于其作动原理之不同，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、空气压缩机的选择为能合理及高效率的运转空气压缩机，首先面临之问题
25、即在于如何在各式各样的空气压缩机台中，挑选出符合所需且能在安装后高效率运转者。在决定空气压缩机的型式与大小之前，必须先行确认以下各点：1. 现场空气消耗量2. 压缩空气质量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，除表上所使用之Nm3/hr外，另也可使用Nm3/min，或欧美使用之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)最低质量需求水份油份杂质备注18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b
26、ar或psig表示。另对于压缩空气质量需求，主要有水份含量、油份含量、杂质含量等；水份含量之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之后，再将按不同压力需求统计出各压力下之空气需求量，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(%)最低质量需求水份油份杂质备注5kg/cm2G以下58kg/cm2G812kg/cm2G12kg/cm2G以上在有了以上各压力等级之需求数据后，再加上以下三项考虑因素：1.目前压缩空气之实际需求2.未来扩充时增加之需求量3.10%20%的裕度即可决定出各压力等级之安全需求
27、量，当某一压力等级存在有瞬间用气量极大之机台时，可藉由提高此压力等级的裕度来因应。在完成以上的评估之后，再将以上各压力等级依以下之原则做合并，再参照空气压缩机厂商所提供之机台规范，即可大致决定出所需之空气压缩机马力。191. 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，但使用独立之高压空气压缩机供气。2. 当大多数机台的用气压力等级需求皆为高压时，如皆在58 kg/cm2G，约占总量的80%以上时，对于少数低压的需求可从其管在线直接接管，再安装减压阀支应需求量
28、。3. 当两压力等级之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气压缩机马力达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，另由于空气压缩机型式的不同，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，以下为型式选用时必须注意之事项：1. 以全负载状态下而言，离心式空气压缩机效率较高，因此极适于做为基载机台或负载变化不大之场合。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，避免空气压缩机处于低效率之低负载运转。3. 空气压缩机的运转成本极高，一全年运转4000小时以上之空气压缩机，所耗用之电力费用，
29、可能已足够新购一机台，为此购买空气压缩机时，必须特别注意其运转效率。4. 有油式空气压缩机不但购买成本低，保养费用一般也较低。5. 具进气阀门容量调节控制之机台，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。20除以上的各项考虑因素外，空气压缩机在加载时，马达之负载高达100%或以上，因此马达效率的良否，亦直接影响到空气压缩机的效率，就一般常见之马达为例，表4.3所示为高效率马达与普通马达之效率比较。表4.3、马达效率值比较表马力数东元马达型录值220V, 60HZ, 1800RPMGPSA*测试值460V, 60HZ, 180
30、0RPM一般型(%)高效率(%)差值一般型(%)高效率(%)差值20 HP90.593.02.586.591.04.530 HP91.594.02.588.593.04.550 HP92.095.03.090.293.63.475 HP92.595.53.090.293.63.4100 HP93.595.52.091.794.52.8*：GPSA为Gas Processors Suppliers Association之缩写。按以上之数据，当在一20HP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2.54.5%之效率；而在100HP压缩机上，也可提高2.04.5%之整体效率。以1
31、00HP之马达为例，全年运转时数8000小时，平均电费以1.7元/KWH计，全年可节约之用电从2万元至4.5万元。100HP 0.746KW/HP 8000HR/年 1.7元/KWH 2.0%=20,291元/年100HP 0.746KW/HP 8000HR/年 1.7元/KWH 4.5%=45,655元/年因此，对于高负载率运转之空气压缩机而言，选用高效率马达，在经济性上，有其实质的效益。4.2、空气压缩机效率提升为能有效提升空气压缩机本体的运转效率起见，除以上极为重要的空气压缩机的选择外，以下将从理论及实际上进行既设空气压缩机台的效率提升探讨。214.2.1、空气压缩机型式与效率关系理论上
32、空气压缩机运转所需动力可由下式计算得知。L=K(a+1)/(K-1) PsQs/229 (Po/Ps)K-1/K(a+1)-1 d/hcht上式中L：所需动力(HP)Ps：吸入空气绝对压力(kg/cm2)Po：排出空气绝对压力(kg/cm2)Qs：单位时间吸入空气量(Nft3/min)a：中间冷却器数K：空气断热系数hc：压缩机的全断热效率ht：传达效率d：裕度，往复动作型压缩机1.10给油式螺旋型压缩机1.10无给油螺旋型压缩机1.15离心式压缩机1.20将上式移项，以能源效率表示，可得出下式。Qs/L= 229(K-1)hcht / (Po/Ps)K-1/K(a+1)-1K(a+1)Psd
33、在假设被压缩气体为理想气体时，断热系数取1.4，另断热效率及传达效率值皆为1时，而裕度也为1时，此时可得出压缩机的理论最高效率，其如图4.1所示。22图4.1、各种段数空气压缩机输出压力与理论效率关系图由以上理论计算可得知，以一般空气压缩机之输出压力而言，7kg/cm2G时，一段压缩之理论最高效率约在5.485CFM/HP，二段压缩约在6.434 CFM/HP，三段压缩约在6.774CFM/HP。但在实际上，空气压缩机的效率应以图4.2所示之各式空气压缩机单位马力压缩空气排放量为一较为可行之效率判断基准，在其上针对不同类型之空气压缩机有不同之效率；以最为常见之单段式有油螺旋式空气压缩机为例，其
34、在100PSIG(约7kg/cm2G)之合理效率应在3.7CFM/HP至4.0CFM/HP之间。图4.2、各种类型空气压缩机效率基准234.2.2、空气压缩机输出压力与效率关系另对于输出压力降低所造成之效率提升而言，以表4.4所示之理论上计算出之数据而言。在常见之7kg/cm2G输出压力下，降低输出压力至6kg/cm2G，效率约可提升7.69.1%，此一数据较经验上每降低1kg/cm2之输出压力可提升效率48%相当。由此可知空气压缩机输出压力的降低的确有助于效率上的提升与能源上的节约。表4.4、各种输出压力调降1kg/cm2G对于压缩机效率之提升比率压力降效率提升比率(%)一段压缩二段压缩三段
35、压缩4-320.118.017.45-414.512.812.36-511.29.99.47-69.17.97.68-77.66.66.39-86.65.65.310-95.74.94.611-105.14.34.112-114.53.83.6举例来说，当压缩空气使用场合中所需之压力只有3kg/cm2G时，以7kg/cm2G减压至3kg/cm2G所需之电力消耗比4kg/cm2G减压至3kg/cm2G，以常见之一段压缩机而言，理论上效率可提高约38.9%，不可不注意。(1+0.091)(1+0.112)(1+1.145)1 100% = 38.9%24但实际上对于以上之数据，本中心经过多次验证，
36、以下为两部单段式有油螺旋30HP机台，参见表4.5及图4.3，在进气阀全开状态下，压力下降时之效率提升比率。因此压缩空气的供气压力，必须配合现场用气设备的压力而有所变更。另例如压缩空气仅使用于冷却或排尘时，其所需压力可能只有0.5kg/cm2G，但如使用7kg/cm2G之压缩空气则每Nm3/min所需之电力消耗高达78KW；而当其改用鼓风机时，产生相同气量所耗用之电力只有0.4KW左右，其差距高达20倍，不可不注意。表4.5、两部有油螺旋30HP空气压缩机由于压力降所造成之效率提升压力降效率提升比率(%)机台1机台27-65.35.66-56.1-25另对只需低压压缩空气的场合，但使用一般之鼓
37、风机又无法达到之压力等级，13 kg/cm2G的压力范围内，为满足此一需求，在空气压缩机的购买上，必须事先告知供货商，进行空气压缩机输出压力调降，而不是在事后于出气管上安装减压阀进行降低压力；另也可在各类型空气压缩机中选择适合于此压力范围运转者，如鲁氏鼓风机，图4.4所示为本中心检测过之某国内厂商制造的两段鲁氏鼓风机性能曲线图；由此图上可明显得知，在2kg/cm2G(28.4PSIG)时之效率约为6CFM/HP，此效率值比起常见空气压缩机(输出压力7kg/cm2G)之可接受效率值，3.54.0CFM/HP之间，高出约50%以上，即使用前者之设备会比后者节约1/3的电能消耗。(1/4 1/6)
38、/ (1/4) = 1/3图4.4、某两段鲁式鼓风机性能曲线图4.2.3、容量调节(稳压)机台之效率26为求空气压缩机的供气压力稳定，目前大多数空气压缩机制造商皆提供有稳压机台，其控制方式常见者有进气阀门节流方式及较为先进之变频控制两种，无论那一种控制方式皆能达到稳压的需求，但在机台的能源使用效率上则有相当的差距，图4.5所示为一30HP单段有油螺旋式空气压缩机在不同输出压力下之性能曲线图，此空气压缩机之容调设定压力约为97PSIG，即排气量呈明显下降之位置，而在此时用电量仍呈微幅上升；因此之故，此空气压缩机台的产气能源效率也开始急速下降。这也说明了操作此类稳压机台时，为何必须尽可能操作在高负
39、载之下，即进气阀门全开之状态。图4.5、某30HP容量调整空气压缩机性能曲线图4.2.4、变频(稳压)机台之效率27除以上藉由进气阀门节流方式进行稳压控制之空气压缩机台外，目前已有制造厂商利用变频器开发出压力更加稳定，且不牺牲空气压缩机运转效率之机台，以下为本中心检测过之两变频机台，图4.6所示为一在传统20HP有油螺旋式机台上直接加上变频器(压缩机额定转速为3000RPM)以控制马达转速，在各个不同转速下所计算出之产气能源效率，由其上明显得知当转速低至额定转速的70% (即2100RPM) 以下时，能源效率急速下降，此现象主要由于空气压缩机的产气量急速减少所致。由此试验机台之效率数据，说明了
40、变频器在空气压缩机的应用上并不单纯，可能需在空气压缩机的设计上(如:低转速高效率转子的采用或润滑系统上)做改变，方可使变频器发挥出功效。图4.6、加装变频器空气压缩机性能曲线图(输出压力: 69.2PSIG)而图4.7所示之变频空气压缩机则为一进口机台，其原机台即设计采用变频器，而其变频则采用增频之方式，即将3600RPM提高至7200RPM，由其检测所得之数据中显示出，此机台于3600RPM处，约50%负载处可得最高供气能源效率3.8CFM/HP以上，而其产气能源效率在2000RPM至7200RPM之间皆能维持在3.6CFM/HP以上的水平。28图4.7、原机内装变频器空气压缩机性能曲线图(
41、输出压力: 85.2PSIG)4.3、进气温度及湿度降低除以上关于空气压缩机的选用与如何提升既设空气压缩机的效率外，由于空气中主要之成份除氮气、氧气及其它稀有气体外，并含有尘埃及水蒸汽。而空气中所能吸收水份之能力，也随压力的上升有所增加，但不呈线性；实际上，当压力上升至100 kg/cm2时，饱和水蒸汽量只增加约10%，而在20 kg/cm2以内时，则只增加数%，何况一般最为常使用之压缩空气压力为4 kg/cm28 kg/cm2，此时我们可以说空气中饱和蒸汽量并不受压力之影响，而只受温度之影响。而温度与饱和蒸汽间之关系见图4.8，此图为大气压力下之饱和蒸汽含量，但亦可适用常见之各种压力。29基
42、于以上之原因，也说明了空气在经过压缩后为何会析出大量的凝结水；另外进气之温度愈高，不仅空气密度低，也会使饱和蒸汽量上升。因此，空气压缩机进气温度及湿度必须愈低愈好。图4.8、1立方米空气之饱和蒸汽量4.4、进气阻抗降低为保护压缩机起见，在空气压缩机的空气入口处皆装有过滤器或过滤网，而这些装置会随着使用时间，阻抗逐渐增加，使进入压缩机之空气量减少，相对的使空气压缩机的产气量下降，效率也因而下降。因此定期的更换或清理滤网或过滤器为改善进气阻抗的唯一方式。4.5、多台空气压缩机连锁控制节能系统压缩空气系统使用多台空气压缩机并联运转为一相当普遍之配置，但在此种配置下，系统可能会有以下种种能源浪费之问题
43、：1.机台不作功之卸载时间增加。2.容调控制机台，在低负载(低效率)运转。3.机台启停频繁，故障率增加。30一般工厂中常见之空气压缩机为避免马达启停过于频繁，因此多设有卸载运转模式，而空气压缩机的卸载运转也会耗用电力，一般而言约为全载时的2050%，视空气压缩机的机型及控制设计有所不同，但无论如何，卸载时间愈长，所浪费之电力也愈大，是一不争的事实，为此如何调度多部空气压缩机进行高效率运转为目前空气压缩机管理之主要课题。31针对多台空气压缩机的并联运转，可在既有系统上做各项运转数据搜集，其如图4.9所示，并按所搜集之数据透过外加之控制系统，做机台的启停运转，如此不仅可降低压缩空气系统的能源耗用量，并由于监控系统提供更进一步之数据，如：供气量、供气温度、供气压力等，极有利于发掘出压缩空气系统，乃至于空气压缩机、干燥机等之问题。32图4.9、压缩空气监控系统简图五、空气调质设备节能措施一般说来，压缩空气在使用时，随着场合的不同，必须进行不同程度的调质，常见的调质设备有位于供给侧的各种
