空壓機(jī)節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)排水器分析

空壓機(jī)(compressor)節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)排水器分析

　　 
　前言 


　　能源日益枯竭，人類已意識(shí)到若不改善當(dāng)前狀況，地球村的滅絕似乎指日可待，故而國(guó)際間節(jié)能減排正如火如荼地展開。至2015年10月底，已有155個(gè)國(guó)家提交了對(duì)抑制地球變暖做出貢獻(xiàn)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(fā)電過(guò)程會(huì)產(chǎn)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(jī)(air compressor)系統(tǒng)運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)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(cái)設(shè)備，卻鮮少受到關(guān)注。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)在空壓機(jī)的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設(shè)置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機(jī)的機(jī)械噪聲和電機(jī)噪聲仍然很高，因此還應(yīng)在空壓機(jī)的機(jī)組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風(fēng)空壓機(jī)站，高大空曠的廠房混響很重。由于工廠電費(fèi)成本內(nèi)包含許多機(jī)械(machinery)設(shè)備及照明燈具的費(fèi)用，致使能源成本高占其總運(yùn)轉(zhuǎn)成本約80%的空壓機(jī)系統(tǒng)，被大部份用戶忽略了。 
提高空壓機(jī)系統(tǒng)(system)能源效率(efficiency)，不只攸關(guān)產(chǎn)業(yè)本身的生產(chǎn)成本與競(jìng)爭(zhēng)力，減少溫室氣體的排放，對(duì)于人類生存環(huán)境的改善，亦有實(shí)質(zhì)的貢獻(xiàn)。 


　　不只是冷凝水 


　　空壓機(jī)吸取環(huán)境空氣加以壓縮，制造壓縮空氣以供工廠之用。環(huán)境空氣中含有許多水蒸汽，經(jīng)空壓機(jī)壓縮之后，空氣體積變小、密度增加，經(jīng)過(guò)冷卻之后，其溫度降低，水蒸汽呈過(guò)飽和狀態(tài)，若干水汽凝結(jié)成為液態(tài)水。 


　　環(huán)境空氣含有許多不明、甚或有毒物質(zhì)。工業(yè)區(qū)附近的環(huán)境空氣中，這些雜質(zhì)的濃度更高，經(jīng)過(guò)壓縮之后，其密度亦隨之增高。由于壓縮過(guò)程的高溫作用，部份有害物質(zhì)會(huì)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(chǎng)內(nèi)空壓機(jī)(compressor)的流程，一般為：空壓機(jī)-汽水分離器-儲(chǔ)氣罐-初級(jí)過(guò)濾(filter)器-冷干機(jī)-精密過(guò)濾器。


　　空壓機(jī)(compressor)壓縮過(guò)程(guò chéng)中一般不會(huì)產(chǎn)生冷凝水，(設(shè)計(jì)不當(dāng)或溫控閥失效時(shí)除外)，但經(jīng)冷卻后，只要壓縮空氣溫度低于壓力露點(diǎn)，本來(lái)以氣體狀態(tài)存在的水蒸汽即凝結(jié)為液態(tài)水。圖1乃空壓系統(tǒng)在一般運(yùn)轉(zhuǎn)工態(tài)下的冷凝水分布。 


　　為何儲(chǔ)氣罐化身為儲(chǔ)水桶？ 


　　若空壓機(jī)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(jié)成液態(tài)水，此處若安裝一個(gè)高效能氣水分離器及自動(dòng)排水器，空壓機(jī)吸入的水分，約有80%可以去除。但空壓機(jī)制造廠，為了成本(cost)考慮，只有少部份廠商安裝上述設(shè)備，有些則使用簡(jiǎn)易的裝置(Apparatus)，而多數(shù)空壓機(jī)制造商(又名：生產(chǎn)廠商）均無(wú)此設(shè)計(jì)。所以大部分冷凝水就往下游（比喻落后的地位)移動(dòng)(mobile)，空壓機(jī)系統(tǒng)(system)的儲(chǔ)氣罐因而累積了大量的冷凝水。 


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


　　產(chǎn)品不良、設(shè)備故障的主因——冷凝水（condensate water） 


　　空壓系統(tǒng)未安裝或安裝功能不佳的自動(dòng)排水器，使用者可以花費(fèi)較低的初購(gòu)成本。但使用時(shí)，壓縮(compression)空氣含水分太高，容易使儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)設(shè)備(shèbèi)生銹、故障，電磁閥線圈燒毀、涂料無(wú)法被覆、粉體結(jié)塊無(wú)法輸送、濾芯堵塞、冷干機(jī)效能不佳、離心(Centrifugal)機(jī)葉片損壞等。可以說(shuō)，氣動(dòng)設(shè)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(jié)省極低的自動(dòng)排水器費(fèi)用(expense)，卻付出更多的維護(hù)修理成本，甚至產(chǎn)品不良、延期交貨、商譽(yù)損害等慘痛的損失，可謂因小失大！ 


　　漏氣，漏掉的是企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力 


　　現(xiàn)代化的工廠幾乎均使用空壓機(jī)，其運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)界非常普遍，空壓機(jī)停擺幾乎與停水、停電一樣，將使生產(chǎn)線癱瘓。但由于空氣無(wú)所不在，取之不盡、用之不竭，且工廠電費(fèi)內(nèi)包含許多機(jī)械設(shè)備(組成：驅(qū)動(dòng)裝置、變速裝置等)及照明燈具的費(fèi)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(zhuǎn)換率非常低，大約只有25%而已，所以壓縮空氣是工廠內(nèi)最昂貴的能源。根據(jù)美國(guó)能源部數(shù)據(jù)顯示，未經(jīng)能源查核并實(shí)施節(jié)能改善的空壓機(jī)系統(tǒng)，大約有20%~30%的泄漏量。 


　　2014年中國(guó)全社會(huì)用電量達(dá)55,233億千瓦時(shí)，工業(yè)用電量占全社會(huì)用電量的70%（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局2005研究）。一般馬達(dá)用電量約占工業(yè)用電之70%，而空壓機(jī)用電約占馬達(dá)用電之18%，故約略可計(jì)算空壓機(jī)系統(tǒng)(system)一年的用電量為： 


　　55,233億kWh×70%×70%×18%= 4,871億kWh 


　　若以美國(guó)能源部的泄漏估算數(shù)據(jù)計(jì)算，全中國(guó)空壓機(jī)系統(tǒng)之泄漏損失將達(dá)121,7億kWh（4,871億kWh×25%） 


　　若1kWh電費(fèi)以人民幣0.8元計(jì)，則泄漏損失將約達(dá)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(huán)、快速接頭、法蘭片墊片、氣壓缸膠環(huán)、控制閥內(nèi)漏屬于不明顯的泄漏。可用肥皂泡或超音波測(cè)漏儀，探知其泄漏并加以維修。 


　　離心式空壓機(jī)(compressor)各級(jí)冷卻器排水、無(wú)熱式吸干機(jī)、渦流制冷器、手動(dòng)泄水閥、自動(dòng)排水器的泄漏均屬明顯的泄漏。使用者明知其泄漏嚴(yán)重，卻礙于既有設(shè)備、技術(shù)或經(jīng)費(fèi)限制，或?qū)嚎s空氣價(jià)值的錯(cuò)誤認(rèn)知，任由昂貴的壓縮空氣消失于無(wú)形。 


傳統(tǒng)排水器的限制 


　　理論上，空壓系統(tǒng)內(nèi)之冷凝水（condensate water），以自動(dòng)排水器即可將此水分排除。但傳統(tǒng)之自動(dòng)排水器，不論機(jī)械式或電子式（定時(shí)器+電磁閥）或電子液位控制之自動(dòng)排水器，均有許多結(jié)構(gòu)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(jī)械式則有許多零件泡于冷凝水中、單次排水量小，動(dòng)作(action)頻繁、短時(shí)間內(nèi)就可能堵塞等，導(dǎo)致傳統(tǒng)自動(dòng)排水器可靠度低、故障頻仍，使用者信賴度極低。 


　　空壓機(jī)系統(tǒng)泄漏點(diǎn)極多，其中自動(dòng)排水(drain)器是空壓系統(tǒng)最小卻影響深遠(yuǎn)的附屬設(shè)備，使用者明知有漏氣之虞，長(zhǎng)期以來(lái)卻又無(wú)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備得以解決痛點(diǎn)。 


　　空壓自動(dòng)排水器應(yīng)具備的性能 


　　空壓系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)的重要性與日俱增，自動(dòng)排水器是聯(lián)結(jié)空壓系統(tǒng)各設(shè)備間不可或缺的環(huán)節(jié)。昆山空壓機(jī)維修在啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)油泵控制系統(tǒng)，油泵控制系統(tǒng)啟動(dòng)后保證空壓機(jī)各潤(rùn)滑部件潤(rùn)滑良好，同時(shí)油泵控制系統(tǒng)可通過(guò)內(nèi)置的溫控閥來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫，以滿足系統(tǒng)需要。是故，空壓系統(tǒng)之自動(dòng)排水器必需具備下列功能： 


　　1.節(jié)能 
　　只排水，不排氣。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。 
　　壓縮空氣是工廠內(nèi)最昂貴的能源，只排水，不排氣，是自動(dòng)排水器最基本的要求。 


　　2.效率 
　　單次排水量大，動(dòng)作頻率低，使用壽命才能延長(zhǎng)。 


　　3.可靠 
　　儲(chǔ)水槽內(nèi)最好不要有活動(dòng)零件，因冷凝水極臟并具腐蝕性，水槽內(nèi)無(wú)活動(dòng)組件，可降低故障（fault）率，提升可靠度。 


　　4.安全
　　自動(dòng)排水器是空壓系統(tǒng)中，最微小的配件，但影響整體空壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)與應(yīng)用質(zhì)量。故其是否正常運(yùn)作應(yīng)具遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，保障(起保障作用的事物)空壓系統(tǒng)之安全運(yùn)轉(zhuǎn) 


　　球閥型液位控制自動(dòng)排水器的原理 


　　由于空壓系統(tǒng)之冷凝水多寡，隨環(huán)境因素而改變，唯有以液位感測(cè)的方式?jīng)Q定排放時(shí)機(jī)，方可達(dá)到只排水，不排氣的節(jié)能(Energy saving)要求。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)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(zhuǎn)角度定位及轉(zhuǎn)速控制技術(shù)難度較高，是目前市場(chǎng)上最新的冷凝水排放技術(shù)。 


　　球閥型無(wú)耗氣自動(dòng)排水器，以液位傳感器偵測(cè)水位，決定排水時(shí)機(jī)，其動(dòng)作原理如下:　 



　　(1)當(dāng)冷凝水滴入儲(chǔ)水槽內(nèi)而達(dá)高水位時(shí)，液位傳感器發(fā)出訊號(hào)，電動(dòng)球閥打開排水。 


　　(2)當(dāng)冷凝水被排出，水位漸降而至傳感器低水位時(shí)，傳感器再次發(fā)出訊號(hào)，電動(dòng)球閥關(guān)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(huì)隨冷凝水排放，達(dá)到只排水，不排氣的節(jié)能效果（如圖3）。 


　　如何選用無(wú)耗氣自動(dòng)排水器 


　　一般機(jī)械性浮球排水(drain)器或計(jì)時(shí)型排水器，大部分均只有一個(gè)型號(hào)，長(zhǎng)久以來(lái)養(yǎng)成使用者誤以為：「一個(gè)自動(dòng)排水器可以適用所有大小不同空壓系統(tǒng)」的誤認(rèn)。 


液位控制之無(wú)耗氣自動(dòng)排水器，以液位感應(yīng)決定是否排放，故除了前述之節(jié)能、效率、可靠、安全必需具備外，排水器的選擇需考慮: 


　　1.環(huán)境溫度 
　　2.環(huán)境(environment)濕度(shī dù) 
　　3.空壓機(jī)(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(gè)變素會(huì)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(jié)省費(fèi)用，選用較小的排水器。但選用過(guò)小之排水器，除了排水器動(dòng)作頻率提高，使用的時(shí)長(zhǎng)將縮短外，亦有可能過(guò)載而無(wú)法使用，導(dǎo)致冷凝水往下游移動(dòng)的現(xiàn)象。所以購(gòu)置任何排水器前，必需計(jì)算自動(dòng)排水器裝置點(diǎn)的冷凝水量，選用大小適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)排水器。 


　　潤(rùn)滑油空壓機(jī)系統(tǒng)因冷凝水中含有少量潤(rùn)滑油，故其冷凝水ph值約為中性，自動(dòng)排水器一般為鋁合金，已符所需。但無(wú)油式空壓機(jī)，冷凝水沒(méi)有機(jī)油的中和，環(huán)境中的二氧化碳、有害物質(zhì)，均可能溶解于冷凝水中。故使用于無(wú)油式空壓機(jī)系統(tǒng)之自動(dòng)排水器，應(yīng)選用不銹鋼(不銹耐酸鋼)制品(Products)，以免自動(dòng)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(wú)耗氣自動(dòng)排水器? 


　　計(jì)時(shí)型自動(dòng)排水器依設(shè)定之時(shí)間(time)，決定是否開啟排水器排水。當(dāng)其開啟時(shí)，系統(tǒng)壓力高于環(huán)境之大氣壓力，故無(wú)論其裝置點(diǎn)高于排水口，或排水管路彎曲、遠(yuǎn)近，均不致影響其排放，因?yàn)楦邏和蛪鹤饔檬遣蛔兊奈锢憩F(xiàn)象。 


　　而任何型式的無(wú)耗氣自動(dòng)排水(drain)器，裝置于空壓系統(tǒng)時(shí)，除了剛安裝完成后，第一次開啟排水閥門時(shí)，空壓系統(tǒng)對(duì)無(wú)耗氣排水器有高壓對(duì)低壓的現(xiàn)象外，其余時(shí)間排水器與空壓設(shè)備連成一體，其間并無(wú)壓差現(xiàn)象。故若排水器入口高于空壓系統(tǒng)排水口，即產(chǎn)生「氣鎖」現(xiàn)象（圖4），冷凝水就無(wú)法流入排水器。當(dāng)此狀況發(fā)生時(shí)，液位傳感器即無(wú)法偵測(cè)到高水位，自動(dòng)排水器即無(wú)法作動(dòng)，用戶常以為產(chǎn)品瑕疵所致(如圖4)。 


　　無(wú)耗氣自動(dòng)排水器的節(jié)能案例 


　　案例：?jiǎn)闻_(tái)螺桿式空壓機(jī)之變頻及排水器改善 


　　本案為系統(tǒng)改善之先期可行性評(píng)估測(cè)試（TestMeasure)。業(yè)主為一著名螺絲廠。廠內(nèi)分為十個(gè)生產(chǎn)工廠。螺旋式空壓機(jī)(compressor)有100HP及50HP，共22臺(tái)，為測(cè)試空壓機(jī)節(jié)能改善之效益，先選一臺(tái)100HP傳統(tǒng)螺旋式空壓機(jī)為先期試驗(yàn)，測(cè)試其效果，以做為廠內(nèi)全面推廣依據(jù)。 


　　1.量測(cè)紀(jì)錄 
　　(a) 由施工單位記錄改善前狀態(tài)，并測(cè)量該空壓機(jī)之單機(jī)效率及運(yùn)轉(zhuǎn)耗能（如表2）。 
　　(b) 該廠為訂單生產(chǎn)，因螺絲產(chǎn)品數(shù)量大，業(yè)主為確認(rèn)改善效益，特選一產(chǎn)品規(guī)格統(tǒng)一，空壓機(jī)耗能狀態(tài)(status)幾乎全年不變之工廠，自行記錄一年該機(jī)之耗電狀態(tài)。 


　　2.節(jié)能(Energy saving)潛力計(jì)算 
　　(a)單機(jī)耗能比 
　　由施工單位測(cè)量該空壓機(jī)之單機(jī)耗能比紀(jì)錄如表
　　3: 
　　(b)運(yùn)轉(zhuǎn)耗能量測(cè)（如圖5） 
　　(c)量測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(yù)估 


　　預(yù)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(yù)估運(yùn)轉(zhuǎn)壓力調(diào)降1bar可省能6%= 58.65kW×6%=3.5kW 
　　預(yù)估改善后總耗能：58.65kW-3.5Kw =55.15kW 
　　預(yù)估節(jié)能比率：(75-55.15)/75=26% 


　　預(yù)估一年節(jié)能: 
　　8,000h×(75-55.15)=158,800 (kWh) 
　　預(yù)估一年節(jié)電成本=：158,800kWh×2.5=NT＄397,000 


　　3.成果報(bào)告（如表4） 
　　上述節(jié)能改善案中，球閥型無(wú)耗氣自動(dòng)排水器的節(jié)能分析（如表5）。 


　　由以上案例的呈現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，一般人認(rèn)為些微的漏氣無(wú)關(guān)緊要，但24小時(shí)經(jīng)年累月的泄漏，其累積的損失卻極為驚人。 


　　用戶因傳統(tǒng)排水器的價(jià)格印象，較高價(jià)的無(wú)耗氣自動(dòng)排水器尚無(wú)法普及。昆山空壓機(jī)維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級(jí)壓縮系統(tǒng)但其價(jià)格成本相對(duì)于昂貴的壓縮空氣成本，其實(shí)只是九牛一毛而已! 


　　提高空壓機(jī)系統(tǒng)能源效率，不只攸關(guān)產(chǎn)業(yè)本身的生產(chǎn)成本與競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨嚴(yán)峻、營(yíng)收微利化后，產(chǎn)業(yè)除了必需不斷創(chuàng)新、降低成本以提升競(jìng)爭(zhēng)力爭(zhēng)取市場(chǎng)外，更需以符合環(huán)保要求之綠色生產(chǎn)方式，提高能源效率、降低溫室氣體排放量，減少產(chǎn)業(yè)因經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境(environment)的污染，善盡地球公民的義務(wù)。