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壓縮空氣節(jié)能概論

更新時間：2011-08-19 點擊次數(shù)：3700

壹、	前言
貳、	空氣壓縮機(jī)簡介
參、	壓縮空氣系統(tǒng)介紹
肆、	壓縮空氣系統(tǒng)總成本分析
伍、	壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)與節(jié)能措施
陸、	建構(gòu)一套率的壓縮空氣系統(tǒng)
柒、	結(jié)語

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由壓縮空氣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)總成本分析圖（見圖四，以5年×8000小時/年＝40000小時為分析基礎(chǔ)）可看出：運轉(zhuǎn)能源費用約占總成本70%~80%、初期購置費用占總成本10%~20%、正常保養(yǎng)占總成本5%~10%、異常修理占總成本2%~5%。再由壓縮空氣系統(tǒng)能源費用分析圖（圖五）可得知：運轉(zhuǎn)能源費用中約40%甚至50%系起因于『泄漏』與『假性需求』。

圖四壓縮空氣系統(tǒng)總成本分析圖

圖五壓縮空氣系統(tǒng)能源費用分析圖

『泄漏』，根據(jù)美國能源部（US Department of Energy）統(tǒng)計資料指出，一般工廠之壓縮空氣泄漏量達(dá)30%~50%，管理較佳工廠或新廠則控制在10%~30%；5% ~10%則是較可接受的范圍（一支1/4”口徑管泄漏量約為2.8 /min，若以每年8000小時，每度電2元計算，每年將流失40萬臺幣，相當(dāng)于300個60Watt燈炮一年的電費）。因此『泄漏』對于壓縮空氣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)能源費用而言，是zui致命的*敵人。『泄漏』通常發(fā)生在以下幾種情形︰

（1）自動泄水器持續(xù)性泄氣
（2）管線腐蝕生銹處
（3）劣等的快速接頭
（4）老舊的法蘭墊片
（5）破損的空壓軟管
（6）吸附式干燥機(jī)定時Purge Air
（7）破裂的管路閥門..等等。

『假性需求』，顧名思義就是不需要或過度膨脹且對生產(chǎn)毫無助益的壓縮空氣需求。多半起因于規(guī)劃選用不當(dāng)及控制不良。例如：（1）高壓與低壓需求未分離處理（100HP空壓機(jī)，由7.5K過壓使用至8.5K，每年需多耗NTD110,000元/年）。（2）因無適當(dāng)控制系統(tǒng)，導(dǎo)致空車運轉(zhuǎn)頻繁（以100HP空壓機(jī)，空車3小時/天×300天/年×2元/度，每年約多耗NTD45,000元）。（3）空壓管路設(shè)計錯誤（見圖六），導(dǎo)致末端壓力不足，只好拼命以調(diào)高空壓機(jī)排氣壓力來因應(yīng)，唯每調(diào)高設(shè)定壓力1kg/ G，約需增加5%~ 7%電費，減少8%排氣量。（4）空壓機(jī)房環(huán)境溫濕度未適當(dāng)控制，空壓機(jī)排氣量因而減少，徒增電費（空壓機(jī)進(jìn)氣溫度每增加10℃，實際排氣量減少2%~4%；環(huán)境溫度每降20℉，壓縮空氣中含水量降50%）。（5）冷凍式及吸附式干燥機(jī)選配不當(dāng)，壓力露點未適當(dāng)監(jiān)控（干燥機(jī)入氣溫度每增加10℃，需增加25%耗能，才能維持相同的壓力露點）。

圖六空壓管路布置圖

舉例來說，工廠中一臺100HP空壓機(jī)連續(xù)運轉(zhuǎn)一年（8000小時），按能源費率計算公式（表六）、參考電價為2元/kWh（表七）、馬達(dá)效率為88% （表八）可得每年運轉(zhuǎn)能源費用＝NTD1,355818元，其中至少有34萬元浪費于泄漏，20萬元根本是假性需求、無謂的支出。以目前一臺100HP國產(chǎn)螺旋式空壓機(jī)售價不過60萬元，換句話說，只要管理與控制得當(dāng)，一年就可回本，年年換新機(jī)。所以，我們必須將所有焦點放在如何建構(gòu)一套省能而且穩(wěn)定的壓縮空氣系統(tǒng)上，這必須靠使用者與空壓機(jī)業(yè)者雙方共同來努力。

表六空壓機(jī)能源費率計算公式

各行業(yè)平均每度電價單
行業(yè)別	平均電價（元/kWh）	行業(yè)別	平均電價（元/kWh）
半導(dǎo)體	1.70～1.88	紡織染整	1.63～1.81
化纖業(yè)	1.40～1.54	五金加工	2.23～2.47
石化原料	1.59～1.75	鋼鐵	1.95～2.15
食品飲料	1.79～1.97	水泥	1.54～1.70
紙業(yè)	1.54～1.70	百貨量販	1.95～2.15
橡膠輪胎	1.87～2.07	學(xué)校	2.31～2.55
塑膠原料	1.64～1.82	醫(yī)院	1.91～2.11
塑膠加工	1.99～2.19	行政機(jī)關(guān)	2.41～2.67

表七各行業(yè)平均參考電價

型式	2極	4極	6極	8極
馬力（HP）	效率（%）	效率（%）	效率（%）	效率（%）
1.0	74.0	75.0	74.0	71.5
1.5	75.5	76.5	75.5	74.0
2.0	78.0	78.5	78.0	76.0
3.0	79.5	80.5	79.5	78.0
5.0	82.0	82.5	82.0	80.0
7.5	83.0	82.5	82.0	81.0
10.0	84.0	83.5	83.0	82.0
15.0	85.0	84.5	84.0	83.5
20.0	86.0	85.5	85.0	84.0
25.0	86.5	86.0	85.5	85.0
30.0	87.0	86.5	86.0	85.5
40.0	87.5	87.0	86.5	86.5
50.0	88.0	87.5	87.0	87.0

表八中國臺灣常用馬達(dá)效率

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美國能源部（US Department of Energy）明定全美所有工廠之壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)為50%~70%（其中35%的耗能改善是不需要多余投資的）。其分配為：

系統(tǒng)設(shè)計部分節(jié)能目標(biāo)為15%~20%

（1）	關(guān)閉閑置設(shè)備，減少泄漏量及假性需求。
（2）	確認(rèn)尖峰及離峰用量需求（參見圖七），規(guī)劃以多機(jī)代替單機(jī)，減少空車及容調(diào)使用臺數(shù)與時數(shù)。并可降低備機(jī)率（如原規(guī)劃一臺100HP單機(jī)時，必須備機(jī)一臺100HP，共200HP；若規(guī)劃為50HP+50HP連鎖運轉(zhuǎn)，備機(jī)只需一臺50HP即可，共150HP）。
（3）	減少BLOW-OFFS使用，盡量用Fan或Blower代替空壓機(jī)。
（4）	高壓（3.5bar以上）與低壓需求分開處理（參見圖八），避免將高壓壓縮空氣用調(diào)壓閥降為低壓來使用。此舉形同欲搭電梯至5F，卻先搭到7F，再下降到5F。
（5）	無論如何，設(shè)法降低空壓機(jī)的排氣壓力。
（6）	選用耗能比值較優(yōu)（> 3.5 CFM/HP）的空壓機(jī)（參見表九），而不是排氣量（FAD）較大或進(jìn)口的空壓機(jī)。淘汰耗能比值較差（< 2.5 CFM/HP）的空壓機(jī)（參見表十），而不是年代較久或使用時數(shù)較長的空壓機(jī)。
（7）	加大用氣端之儲氣桶，應(yīng)付瞬間高用量需求。而非如一般空壓機(jī)設(shè)備廠商建議，以加大空壓機(jī)馬力數(shù)來因應(yīng)。
（8）	減量使用無油式空壓機(jī)及吸附式干燥機(jī)。
（9）	加裝氣冷式空壓機(jī)廢熱氣回收裝置，例如制程加熱、冬季空調(diào)預(yù)熱；空壓機(jī)94%廢熱氣可回收（參見表十一）。
（10）	審慎決定所需壓縮空氣的品質(zhì)（含水量、含油量及粉粒子大小（參見表二）。

圖七尖峰與離峰空壓用量圖

圖八高低壓壓縮空氣監(jiān)控系統(tǒng)布置圖

表九耗能比值較優(yōu)空壓機(jī)

表十耗能比值較差空壓機(jī)

表十一廢熱回收計算公式

系統(tǒng)設(shè)備及控制部分節(jié)能目標(biāo)為15%~20%

（1）	使用微電腦多機(jī)連鎖控制系統(tǒng)（參見圖九）連鎖后之電能耗損可節(jié)省近25%。避免使用壓力開關(guān)式的控制系統(tǒng)（彈簧式壓力設(shè)定，空重車間壓力范圍大且容易失準(zhǔn)，需定期校正）。
（2）	縮小空壓機(jī)空車與重車間之壓力設(shè)定范圍（參見圖十），亦可節(jié)能。
（3）	空壓機(jī)停機(jī)時，同時關(guān)閉冷凍式干燥機(jī)。
（4）	換線、假日、夜間用風(fēng)量小時，僅啟動小馬力空壓機(jī)來使用。
（5）	搭配使用VSD型變頻式空壓機(jī)來應(yīng)付變動性負(fù)荷。
（6）	確保空壓機(jī)潤滑油溫不致過高（＜100℃@ 7K）或過低（>78℃@ 7K）。
（7）	架設(shè)能即時提供各空壓機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)（重車、空車、容調(diào)、停機(jī)；運轉(zhuǎn)壓力、溫度、電流；過濾器壓差等）及空重車運轉(zhuǎn)比例的控制系統(tǒng)，并定期收集壓縮空氣系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)做為改善與調(diào)整的依據(jù)。

操作及維護(hù)的改善部分節(jié)能目標(biāo)為20%~30% （含泄漏管制）

（1）	如無特殊要求，干燥機(jī)的壓力露點要求盡可能調(diào)高（約較使用地環(huán)境溫度低10度即可）。
（2）	加裝無熱吸附式干燥機(jī)之露點控制器，使得當(dāng)壓縮空氣之含水量超過需求值時，才開始進(jìn)行吸附再生，以減少無熱吸附式干燥機(jī)之吹泄耗氣量（Cycle time約10min，每次需7~14% Purge Air）。
（3）	無論如何，設(shè)法降低空壓機(jī)房之環(huán)境溫度。
（4）	根據(jù)出水溫度高低來控制冷卻水塔風(fēng)扇的開閉。
（5）	定期檢視或更新冷卻水塔的水噴嘴及風(fēng)扇平衡。
（6）	降低精密過濾器之入口溫度和初始壓差值，口徑盡可能加大。
（7）	監(jiān)控并定時清理空壓機(jī)的熱交換器，避免阻塞。
（8）	監(jiān)控進(jìn)氣濾清器、機(jī)油過濾器及油細(xì)分離器的壓差值（空壓機(jī)內(nèi)部機(jī)油過濾器初始壓差約0.5K~1.0K，建議更換壓差為1.8K，油細(xì)分離器初始壓差約0.1~0.2K，建議更換壓差為1.0K），適時換新。
（9）	主電源三相電壓保持平衡。
（10）	適時調(diào)整及更換往復(fù)式空壓機(jī)的V型皮帶。
（11）	使用防漏及防腐蝕性接頭及閥門。
（12）	建構(gòu)環(huán)狀管路系統(tǒng)（參見圖六），控制管路流速，減少壓降產(chǎn)生。盡量縮短空壓管路長度，加大管路口徑，并使用較佳的材質(zhì)（不銹鋼、ABS）。
（13）	定期檢視及更換空壓機(jī)、干燥機(jī)、過濾器及調(diào)壓閥等之自動泄水器，并使用電子式自動泄水器（重車或有水時才排放），減少不當(dāng)吹泄量。
（14）	適時更換舊有管線、墊片、防漏材質(zhì)、氣管、球閥、快速接頭及氣動工具等。
（15）	向售前及售后服務(wù)迅速、空壓系統(tǒng)專業(yè)知識良好的廠商購買設(shè)備。

千萬記得，〝You need Compressed Air , Not Air Compressors.〞

圖九多機(jī)連鎖控制原理

圖十空重車壓力差與節(jié)能

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在充分了解壓縮空氣相關(guān)的系統(tǒng)節(jié)能概念與措施后，接下來zui重要的事情就是如何來建構(gòu)一套率的壓縮空氣系統(tǒng)了。簡要步驟如下：

（1）	表列工廠所有空壓設(shè)備的用氣需求表（參見表十二）及耗氣量曲線（參見圖二），計算出系統(tǒng)總風(fēng)量和系統(tǒng)壓力。
（2）	根據(jù)上述用氣需求表及耗氣量曲線來規(guī)劃空壓機(jī)、干燥機(jī)、空氣桶、儲氣桶及精密過濾器等壓縮空氣系統(tǒng)主要元件的規(guī)格（型式、大小、數(shù)量、等級及配比）。
（3）	依照環(huán)境條件與運轉(zhuǎn)狀況，決定壓縮空氣節(jié)能控制系統(tǒng)、設(shè)備布置及備機(jī)計劃（正確的多機(jī)連鎖系統(tǒng)，備機(jī)率可降低50%）。
（4）	按現(xiàn)場用戶端之位置與需求，布置工廠環(huán)狀管路計劃（材質(zhì)、管徑、流速、回路、閥門及排水等）。
（5）	結(jié)合售前及售后服務(wù)迅速、空壓系統(tǒng)專業(yè)知識良好的廠商，共同建立一套工廠專屬的壓縮空氣高性能維謢保養(yǎng)計劃，定期實施壓縮空氣系統(tǒng)能源效率稽核。

表十二用氣需求總表

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工廠用電及用水費，因每個月均有收費紀(jì)錄，比較容易引起管理者注意，漏電與漏水時也因較為顯性，很快就會受到注目和處理。相對地，工廠中壓縮空氣系統(tǒng)泄漏量多少？能源效率如何？就比較乏人問津了！事實上，壓縮空氣為三種工廠基本動力源（電、水和壓縮空氣）中zui耗能的一種，約占工廠總耗能10%~20%（參見表十三），其中25%浪費于泄漏，15%則浪費于假性需求，真正與生產(chǎn)直接相關(guān)的通常不大于60%。然而，率的壓縮空氣系統(tǒng)是一項十分專業(yè)的氣壓技術(shù)和工程范疇，加上一般使用者（甚至空壓設(shè)備供應(yīng)商）因缺乏正確的使用觀念與管理數(shù)據(jù)，根本無從著手，只能坐失改善良機(jī)，極為可惜。其實只要稍加關(guān)心并與具有整體系統(tǒng)知識的專家充分溝通，35%壓縮空氣耗能改善是不需要多余投資的；50%壓縮空氣耗能改善兩年內(nèi)就可回本。

在能源來源日益短缺及中國臺灣電力供應(yīng)相形吃緊的情形下，電費不斷調(diào)漲是必然的趨勢。因此，用電戶如何提升用電品質(zhì)與規(guī)劃率節(jié)能系統(tǒng)，已成為現(xiàn)階段刻不容緩的要務(wù)。希望本文能喚起所有參與工廠布置與規(guī)劃的工務(wù)工程師及工程公司人員，重視壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能改善工作，并積極投入規(guī)劃與建構(gòu)率的壓縮空氣系統(tǒng)，貢獻(xiàn)己力來強(qiáng)化企業(yè)競爭能力，確保企業(yè)的zui大效益。

產(chǎn)品別	耗能占比
晶圓材料	空調(diào)占35%，制程占55%
晶圓代工	空調(diào)占45%，制程占28%，純水系統(tǒng)、空壓機(jī)及照明約占13%，測試區(qū)占11%
導(dǎo)線架	空調(diào)占50%，制程占25%，空壓機(jī)占8%
IC封裝	空調(diào)占40%，制程占30%，空壓機(jī)占13%
印刷電路板	空調(diào)占12%，制程占65%，空壓機(jī)占14%
彩色映像管	空調(diào)占20%，制程占55%（其中封膏真空占30%）
變壓器	空調(diào)占35%，烘干機(jī)占20%
電線電纜	依各廠商生產(chǎn)之產(chǎn)品及制程而定，變化相當(dāng)大
冷氣機(jī)	板金涂裝及組立約占60%，空壓機(jī)占25%

表十三空壓系統(tǒng)耗能占比

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壓縮空氣節(jié)能概論