空压机节能系统应用自动排水器分析

空压机(compressor)节能系统应用自动排水器分析

　　 
　前言 


　　能源日益枯竭，人类已意识到若不改善当前状况，地球村的灭绝似乎指日可待，故而国际间节能减排正如火如荼地展开。至2015年10月底，已有155个国家提交了对抑制地球变暖做出贡献的减排承诺。 


　　温室气体中的二氧化碳是地球暖化的元凶之一，发电过程会产生二氧化碳的排放，所以减少用电即有助于温室气体的减量。 


　　空压机(air compressor)系统运用于产业界非常普遍，几乎与水、电一样不可或缺，但其为高耗能、低效率的生财设备，却鲜少受到关注。昆山空压机保养在空压机的进、排气口安装消声器或设置消声坑道以后，气流噪声可以降到80db(a)以下，但空压机的机械噪声和电机噪声仍然很高，因此还应在空压机的机组上安装隔声罩。4、悬挂空间吸声体：在佛山凌格风空压机站，高大空旷的厂房混响很重。由于工厂电费成本内包含许多机械(machinery)设备及照明灯具的费用，致使能源成本高占其总运转成本约80%的空压机系统，被大部份用户忽略了。 
提高空压机系统(system)能源效率(efficiency)，不只攸关产业本身的生产成本与竞争力，减少温室气体的排放，对于人类生存环境的改善，亦有实质的贡献。 


　　不只是冷凝水 


　　空压机吸取环境空气加以压缩，制造压缩空气以供工厂之用。环境空气中含有许多水蒸汽，经空压机压缩之后，空气体积变小、密度增加，经过冷却之后，其温度降低，水蒸汽呈过饱和状态，若干水汽凝结成为液态水。 


　　环境空气含有许多不明、甚或有毒物质。工业区附近的环境空气中，这些杂质的浓度更高，经过压缩之后，其密度亦随之增高。由于压缩过程的高温作用，部份有害物质会融解于冷凝水中，使其PH值偏低，成为具有腐蚀性的液体。 


　　冷凝水芳踪何处 


　　工场内空压机(compressor)的流程，一般为：空压机-汽水分离器-储气罐-初级过滤(filter)器-冷干机-精密过滤器。


　　空压机(compressor)压缩过程(guò chéng)中一般不会产生冷凝水，(设计不当或温控阀失效时除外)，但经冷却后，只要压缩空气温度低于压力露点，本来以气体状态存在的水蒸汽即凝结为液态水。图1乃空压系统在一般运转工态下的冷凝水分布。 


　　为何储气罐化身为储水桶？ 


　　若空压机之冷却器功能正常，压缩空气中之水蒸汽，于冷却器出口端大部份已凝结成液态水，此处若安装一个高效能气水分离器及自动排水器，空压机吸入的水分，约有80%可以去除。但空压机制造厂，为了成本(cost)考虑，只有少部份厂商安装上述设备，有些则使用简易的装置(Apparatus)，而多数空压机制造商(又名：生产厂商）均无此设计。所以大部分冷凝水就往下游（比喻落后的地位)移动(mobile)，空压机系统(system)的储气罐因而累积了大量的冷凝水。 


　　工厂内实际使用时，使用者常自行于储气罐(gas container)下方装设一个自动排水器，但因湿度高，储气罐极易生锈(Rusty)，故常见储气罐下方的自动排水器堵塞，整个储气罐变成储水桶。又或者使用者不信任自动排水器，干脆打开储气罐下方球阀，以微开的方式排水，但实际上，排掉的却是昂贵的能源——压缩(compression)空气。


　　产品不良、设备故障的主因——冷凝水（condensate water） 


　　空压系统未安装或安装功能不佳的自动排水器，使用者可以花费较低的初购成本。但使用时，压缩(compression)空气含水分太高，容易使储气罐、气动设备(shèbèi)生锈、故障，电磁阀线圈烧毁、涂料无法被覆、粉体结块无法输送、滤芯堵塞、冷干机效能不佳、离心(Centrifugal)机叶片损坏等。可以说，气动设备的故障原因，90%以上是因压缩空气中的水份所引起。为了节省极低的自动排水器费用(expense)，却付出更多的维护修理成本，甚至产品不良、延期交货、商誉损害等惨痛的损失，可谓因小失大！ 


　　漏气，漏掉的是企业的竞争力 


　　现代化的工厂几乎均使用空压机，其运用于产业界非常普遍，空压机停摆几乎与停水、停电一样，将使生产线瘫痪。但由于空气无所不在，取之不尽、用之不竭，且工厂电费内包含许多机械设备(组成：驱动装置、变速装置等)及照明灯具的费用(expense)，致使能源成本非常昂贵的压缩空气，被大部份使用者忽略了。 


　　压缩空气的能源转换率非常低，大约只有25%而已，所以压缩空气是工厂内最昂贵的能源。根据美国能源部数据显示，未经能源查核并实施节能改善的空压机系统，大约有20%~30%的泄漏量。 


　　2014年中国全社会用电量达55,233亿千瓦时，工业用电量占全社会用电量的70%（中国标准局2005研究）。一般马达用电量约占工业用电之70%，而空压机用电约占马达用电之18%，故约略可计算空压机系统(system)一年的用电量为： 


　　55,233亿kWh×70%×70%×18%= 4,871亿kWh 


　　若以美国能源部的泄漏估算数据计算，全中国空压机系统之泄漏损失将达121,7亿kWh（4,871亿kWh×25%） 


　　若1kWh电费以人民币0.8元计，则泄漏损失将约达1,000亿人民币，至为可观!(如图2) 
　　明显与不明显的泄漏 


　　密封环、快速接头、法兰片垫片、气压缸胶环、控制阀内漏属于不明显的泄漏。可用肥皂泡或超音波测漏仪，探知其泄漏并加以维修。 


　　离心式空压机(compressor)各级冷却器排水、无热式吸干机、涡流制冷器、手动泄水阀、自动排水器的泄漏均属明显的泄漏。使用者明知其泄漏严重，却碍于既有设备、技术或经费限制，或对压缩空气价值的错误认知，任由昂贵的压缩空气消失于无形。 


传统排水器的限制 


　　理论上，空压系统内之冷凝水（condensate water），以自动排水器即可将此水分排除。但传统之自动排水器，不论机械式或电子式（定时器+电磁阀）或电子液位控制之自动排水器，均有许多结构上缺陷。例如：电磁阀式的排水通道直径小且通道弯弯曲曲，容易堵塞。电磁阀膜片容易破裂。机械式则有许多零件泡于冷凝水中、单次排水量小，动作(action)频繁、短时间内就可能堵塞等，导致传统自动排水器可靠度低、故障频仍，使用者信赖度极低。 


　　空压机系统泄漏点极多，其中自动排水(drain)器是空压系统最小却影响深远的附属设备，使用者明知有漏气之虞，长期以来却又无适当的设备得以解决痛点。 


　　空压自动排水器应具备的性能 


　　空压系统对于工业的重要性与日俱增，自动排水器是联结空压系统各设备间不可或缺的环节。昆山空压机维修在启动前，首先启动油泵控制系统，油泵控制系统启动后保证空压机各润滑部件润滑良好，同时油泵控制系统可通过内置的温控阀来调节内部油压和油温，以满足系统需要。是故，空压系统之自动排水器必需具备下列功能： 


　　1.节能 
　　只排水，不排气。昆山空压机是一种用以压缩气体的设备。空气压缩机与水泵构造类似。大多数空气压缩机是往复活塞式，旋转叶片或旋转螺杆。离心式压缩机是非常大的应用程序。 
　　压缩空气是工厂内最昂贵的能源，只排水，不排气，是自动排水器最基本的要求。 


　　2.效率 
　　单次排水量大，动作频率低，使用寿命才能延长。 


　　3.可靠 
　　储水槽内最好不要有活动零件，因冷凝水极脏并具腐蚀性，水槽内无活动组件，可降低故障（fault）率，提升可靠度。 


　　4.安全
　　自动排水器是空压系统中，最微小的配件，但影响整体空压系统的运转与应用质量。故其是否正常运作应具远程监视功能，保障(起保障作用的事物)空压系统之安全运转 


　　球阀型液位控制自动排水器的原理 


　　由于空压系统之冷凝水多寡，随环境因素而改变，唯有以液位感测的方式决定排放时机，方可达到只排水，不排气的节能(Energy saving)要求。昆山空压机是一种用以压缩气体的设备。空气压缩机与水泵构造类似。大多数空气压缩机是往复活塞式，旋转叶片或旋转螺杆。离心式压缩机是非常大的应用程序。而以球阀作为排水主体，其孔径大、直线形排水通道最不易堵塞。但其旋转角度定位及转速控制技术难度较高，是目前市场上最新的冷凝水排放技术。 


　　球阀型无耗气自动排水器，以液位传感器侦测水位，决定排水时机，其动作原理如下:　 



　　(1)当冷凝水滴入储水槽内而达高水位时，液位传感器发出讯号，电动球阀打开排水。 


　　(2)当冷凝水被排出，水位渐降而至传感器低水位时，传感器再次发出讯号，电动球阀关闭。 


　　(3)冷凝水并未完全排干，留下些许冷凝水形成水封，压缩空气不会随冷凝水排放，达到只排水，不排气的节能效果（如图3）。 


　　如何选用无耗气自动排水器 


　　一般机械性浮球排水(drain)器或计时型排水器，大部分均只有一个型号，长久以来养成使用者误以为：「一个自动排水器可以适用所有大小不同空压系统」的误认。 


液位控制之无耗气自动排水器，以液位感应决定是否排放，故除了前述之节能、效率、可靠、安全必需具备外，排水器的选择需考虑: 


　　1.环境温度 
　　2.环境(environment)湿度(shī dù) 
　　3.空压机(compressor)的流量 
　　4.压缩(compression)空气压力 
　　5.压缩空气冷却后的温度 


　　由于上述五个变素会改变冷凝水的多寡，影响排水器的选型。一般使用者常为了节省费用，选用较小的排水器。但选用过小之排水器，除了排水器动作频率提高，使用的时长将缩短外，亦有可能过载而无法使用，导致冷凝水往下游移动的现象。所以购置任何排水器前，必需计算自动排水器装置点的冷凝水量，选用大小适当的自动排水器。 


　　润滑油空压机系统因冷凝水中含有少量润滑油，故其冷凝水ph值约为中性，自动排水器一般为铝合金，已符所需。但无油式空压机，冷凝水没有机油的中和，环境中的二氧化碳、有害物质，均可能溶解于冷凝水中。故使用于无油式空压机系统之自动排水器，应选用不锈钢(不锈耐酸钢)制品(Products)，以免自动排水器组件的腐蚀物，堵住排水口或锈蚀损坏而影响排水功能(gōng néng)。 


如何安装(installation)无耗气自动排水器? 


　　计时型自动排水器依设定之时间(time)，决定是否开启排水器排水。当其开启时，系统压力高于环境之大气压力，故无论其装置点高于排水口，或排水管路弯曲、远近，均不致影响其排放，因为高压往低压作用是不变的物理现象。 


　　而任何型式的无耗气自动排水(drain)器，装置于空压系统时，除了刚安装完成后，第一次开启排水阀门时，空压系统对无耗气排水器有高压对低压的现象外，其余时间排水器与空压设备连成一体，其间并无压差现象。故若排水器入口高于空压系统排水口，即产生「气锁」现象（图4），冷凝水就无法流入排水器。当此状况发生时，液位传感器即无法侦测到高水位，自动排水器即无法作动，用户常以为产品瑕疵所致(如图4)。 


　　无耗气自动排水器的节能案例 


　　案例：单台螺杆式空压机之变频及排水器改善 


　　本案为系统改善之先期可行性评估测试（TestMeasure)。业主为一著名螺丝厂。厂内分为十个生产工厂。螺旋式空压机(compressor)有100HP及50HP，共22台，为测试空压机节能改善之效益，先选一台100HP传统螺旋式空压机为先期试验，测试其效果，以做为厂内全面推广依据。 


　　1.量测纪录 
　　(a) 由施工单位记录改善前状态，并测量该空压机之单机效率及运转耗能（如表2）。 
　　(b) 该厂为订单生产，因螺丝产品数量大，业主为确认改善效益，特选一产品规格统一，空压机耗能状态(status)几乎全年不变之工厂，自行记录一年该机之耗电状态。 


　　2.节能(Energy saving)潜力计算 
　　(a)单机耗能比 
　　由施工单位测量该空压机之单机耗能比纪录如表
　　3: 
　　(b)运转耗能量测（如图5） 
　　(c)量测数据计算： 
　　需求流量：13.1×67%=8.78m3/min 
　　耗能比：75kW-hr/(60×8.78)=0.142 
　　改善潜力预估 


　　预估改善后耗能： 
　　(a)变频改善后耗能=(8.78/13.1)×87.5 kW=58.65kW 
　　(b)预估运转压力调降1bar可省能6%= 58.65kW×6%=3.5kW 
　　预估改善后总耗能：58.65kW-3.5Kw =55.15kW 
　　预估节能比率：(75-55.15)/75=26% 


　　预估一年节能: 
　　8,000h×(75-55.15)=158,800 (kWh) 
　　预估一年节电成本=：158,800kWh×2.5=NT＄397,000 


　　3.成果报告（如表4） 
　　上述节能改善案中，球阀型无耗气自动排水器的节能分析（如表5）。 


　　由以上案例的呈现，可以发现，一般人认为些微的漏气无关紧要，但24小时经年累月的泄漏，其累积的损失却极为惊人。 


　　用户因传统排水器的价格印象，较高价的无耗气自动排水器尚无法普及。昆山空压机维修工作时，空气经过自洁式空气过滤器被吸入，通过PLC自动清洗过滤器，空气在经过进口导叶自动调节后进入一级压缩，经一级压缩后的气体温度较高，然后进入中间冷却器进行冷却(水走管内，气走管外，中冷器的水流量要求为110m/h)之后进入二级压缩系统但其价格成本相对于昂贵的压缩空气成本，其实只是九牛一毛而已! 


　　提高空压机系统能源效率，不只攸关产业本身的生产成本与竞争力。当企业竞争日趋严峻、营收微利化后，产业除了必需不断创新、降低成本以提升竞争力争取市场外，更需以符合环保要求之绿色生产方式，提高能源效率、降低温室气体排放量，减少产业因经济活动对地球环境(environment)的污染，善尽地球公民的义务。