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壓縮空氣供氣系統節能手冊撰寫人：莊朝焮財團法人中技社節能技術發展中心目錄一、前言…………………………………………………………1二、壓縮空氣供給系統概論……………………………………2三、壓縮空氣系統檢測…………………………………………13四、空氣壓縮機節能措施………………………………………18五、空氣調質設備節能措施……………………………………33六、壓縮空氣管線節能措施……………………………………40七、編後語..……………………………………………………..50八、參與文獻……………………………………………………51一、前言近年來，由於自動化設備在各行各業的普及，而氣動設備的安全、潔淨、易於控制、取得容易等有利因素，因此被廣泛應用於自動化設備上。但為提供壓力、潔淨程度適合之壓縮空氣，各工廠必頇安裝、配置一壓縮空氣供給系統；然而對此系統的管理上，由於大部份供氣系統除安裝壓力錶外，並無安裝其他合適的計量儀錶，如流量計、電力瓦時錶、溫度計等，對於所使用系統之運轉狀況，如現場實際需求量、實際供氣量、壓縮機供氣效率、現場洩漏量等，無法充份掌握，進而適時的提出各項改善方案，降低壓縮空氣系統的運轉成本。財團法人中技社節能技術發展中心(以下簡稱本中心)多年來協助政府及產業界推動能源節約工作，有鑒於業者對於壓縮空氣系統的倚重，但又無法由既有儀錶之數據上，得知空氣壓縮機的日耗電量、產氣量、日負載、能源效率、空氣管線的洩漏量等更進一步資訊，進而研判出系統上的各種問題，並尋求解決之道；為此本中心於多年前，自加拿大引進較為簡易之檢測技術，經多年來協助業者分析、診斷各種壓縮空氣系統，前後共檢測過數十個工廠上百部各式空氣壓縮機，協助業者發掘出壓縮空氣系統使用上的各種問題，並提出各項對策，以供其參考改善。本手冊即將過去幾年服務所得之經驗加以整理，期望能對業界在壓縮空氣系統的使用上，有進一步的助益。1二、壓縮空氣供給系統概論壓縮空氣供給系統所包括之設備有空氣壓縮機、乾燥設備、過濾設備、輸送管線等主要元件。而其中更以空氣壓縮機為最大能源耗用者，也因此在壓縮空氣系統的能源節約上，必頇要求空氣壓縮機的高效率運轉。為達此一目的，除對空氣壓縮機製造銷售商所提供之各項描述機台特性之數值有所認識外，另對可供選用之各類型空氣壓縮機及其特性亦必頇有基本的認識。本章節之內容即在說明這些壓縮空氣系統上常見之數值，另也對常見之空氣壓縮機類型做簡要說明。2.1、壓縮空氣系統中各種使用單位壓縮空氣系統中之空氣為一可壓縮流體，依其所處溫度、壓力、濕度等條件下，為方便理論分析與比較將其區分為三類，自由空氣(freeair)、正常狀態空氣(normalair)及標準狀態空氣(standardair)，自由空氣即吾人生活於地球上之空氣狀態而言，隨標高、氣壓、溫度、位置、時間而會變化，因此以自由空氣做為壓縮空氣系統之基準值描述較為不適當。而正常狀態空氣及標準狀態空氣則不會隨以上各環境因素而有不同，因此較適合做為壓縮空氣系統之基準值描述。對此二狀態之定義說明如下：1.正常狀態(代表附號N)：指溫度在0℃，絕對壓力760mm-Hg狀況下之乾燥空氣，此時之空氣密度為1.3kg/m3。2.標準狀態(代表附號S)：指溫度在20℃，絕對壓力760mm-Hg，相對濕度75%之空氣，此時之空氣密度為1.2kg/m3。2.1.1、體積單位壓縮空氣系統在體積的描述上，常用之單位有ft3及m3，對於壓2縮空氣此二數值會隨其狀態而有異，因此在使用此二數值時，必頇標明其狀態，即其為正常狀態下之體積(Nft3及Nm3)或標準狀態下之體積(Sft3及Sm3)。當其在相同狀態下，即可使用以下二換算式進行換算：1ft3=0.0283m31m3=35.31ft32.1.2、壓力單位壓縮空氣系統中對於壓力數值的描述，常見之使用單位有公制之kg/cm2，英制之psi(lb/in2)，另一常用者為bar，以上各單位間之換算參見表2.1。表2.1、常用壓力單位之換算表Barkg/cm2psiAtm10.9806650.06894761.013251.0197210.07030691.0332314.503814.2233114.69590.9869230.9678390.0680461在壓力表示上另有錶壓力及絕對壓力之分，其中代表錶壓力之附加符號為g或G，絕對壓力之附加符號為a或A。舉例來說，10kg/cm2G之壓力等於11.03323kg/cm2A，即10kg/cm2G=1.03323kg/cm2(=1atm)+10kg/cm22.1.3、溫度單位溫度常見之單位有℃及℉，兩者間之關係如下兩式所示：℃=(℉－32)×5/9℉=℃×9/5+3232.1.4、濕度單位一般濕度之表示有兩種，相對濕度與絕對濕度，其中又以相對濕度最為常見，其定義如下：相對濕度＝實際水蒸汽量／該溫度下之飽和水蒸汽量×100%而絕對濕度之定義則為一單位體積之空氣中，水蒸汽重量與乾燥空氣重量之比例，其如下所示：絕對濕度＝水蒸汽重量／乾燥空氣重量×100%2.1.5、功率單位在一以馬達趨動之空氣壓縮機，其所用能源為電能，常用之功率單位為馬力(hp)及千瓦(kw)，每1hp=0.746kw。至於空氣壓縮機(使用三相馬達)的實際電能耗用功率可以下式計算出。功率(kw)=1.732×電流(I)×電壓(V)×功率因數/1000註：電流(I)之單位為安培電壓(V)之單位為伏特2.2、空氣壓縮機類型空氣壓縮機依其作動原理可區分為兩大類，分別為定排量式壓縮機及動力式壓縮機。定排量式機台之基本原理是將空氣引導到一封閉空間中，再利用機件的移動，使封閉空間由大變小，直接使得其中之空氣的壓力上昇。動力式機台則是藉由輪葉的高速運動使空氣快速流動，再使其通過升壓環(diffuser)，使空氣的動能轉變為壓力。4圖2.1、空氣壓縮機分類圖2.2.1、往復活塞式空氣壓縮機活塞式空氣壓縮機的組件基本構造如圖2.2所示，其包括之零組件有活塞、氣缸、進氣閥、排氣閥、各種連桿等。機台的運作可區分為進氣行程與排氣行程。在進氣行程時，進氣閥開啟，排氣閥關閉，閥門的啟閉利用壓差致動而非機械致動，此時活塞下移引入外界空氣。在排氣行程時，進氣閥關閉，排氣閥隨後開啟，閥門開啟的時機隨設計方式而有些許不同，但在開啟後，受到壓縮而壓力提昇之空氣隨即排出。圖2.2、單段往復式活塞空氣壓縮機空氣壓縮機定排量式動力式往復式迴轉式軸流式徑流式(離心式)活塞式鼓膜式魯式滑動葉片式螺旋式5活塞式空氣壓縮機的輸出壓力由其壓縮比決定，一般單段式壓縮比最高可達12:1，即排氣壓力為進氣壓力的12倍。在需要更高壓力的場合時，可利用串聯之方式達成，即將經第一段壓縮出之氣體再送入另一氣缸中再行壓縮，其機械結構如圖2.3及圖2.4所示，如此而得到更高的壓力。但為提高壓縮機效率起見，在進第二段壓縮之前的壓縮空氣，需經過一中間冷卻器，其所使用之中間冷卻器亦區分成氣冷及水冷兩種。圖2.3、雙段往復式活塞空氣壓縮機(一)圖2.4、雙段往復式活塞空氣壓縮機(二)62.2.2、鼓膜活塞式空氣壓縮機此類空氣壓縮機的工作原理和往復活塞式相同，但此類機台是靠鼓膜而達到密封作用，但也由於鼓膜的存在而使活塞的行程較短，因此壓縮比也較小，其結構如圖2.5所示。鼓膜式空氣壓縮機其壓縮空氣輸出量通常小於1Nm3/min，但由於結構簡單，且不與潤滑油接觸，故可得到不含油份之壓縮空氣，極適合於需小量無油之製程，較常為食品、製藥等工業採用。圖2.5、鼓膜活塞式空氣壓縮機2.2.3、滑動葉片式空氣壓縮機此類空氣壓縮機的結構如圖2.6所示，在壓縮機的外殼內，有一馬達帶動的轉子，轉子的中心與外殼內部的中心有一偏心量，此偏心量決定機台的輸出量及壓力。而在轉子上嵌有滑動的葉片，當轉子迴轉時，由於離心力的作用使其與機殼內側緊密接觸，造成一密閉空間。轉子迴轉時，空氣由吸入口處之密閉空間逐漸由大變小，而產生吸入作用；而在排出口處，密閉空間由大變小，而排出壓縮空氣。滑動葉片式空氣壓縮機的每一機台的輸出量可高達10007Nm3/min以上，輸出壓力亦可高達8kg/cm2G，運轉時振動也小，因此不需安裝於堅固的基礎上；但一般而言能源效率較低，因此較少為國內廠商採用。圖2.6、滑動葉片式空氣壓縮機2.2.4、螺旋式空氣壓縮機螺旋式空氣壓縮機之結構如圖2.7所示，主要是藉由一對雌雄轉子間的密封間隙縮小而達壓縮的效果，機台由於高速運轉，且無衝程，因此噪音小，運轉平穩，一般不需堅固的基礎。此類空氣壓縮機又可分為有油及無油兩種；其中無油式的乾式壓縮，為避免其轉子直接接觸，因此兩轉子的轉動，藉由同步齒輪來達成，而其單段壓縮比也無法太高，輸出壓力約只達數kg/cm2，為此在較高壓力需求的場合中，此類機台必頇藉由兩組壓縮機的串聯，方可達成所需之輸出壓力。另無油式，目前已開發出水潤滑方式，藉此方式不僅可簡化壓縮機台的機構，亦可提高單段壓縮比值。而一般常見之有油螺旋空氣壓縮機，由於有潤滑油進行潤滑及密封，因此不需安裝精密同步齒輪，且單段壓縮比也可高達12以上，8已可滿足大多數場合的需求；除此之外，目前轉子多採用高能源效率的不對稱形，其能源效率已比往復式高出許多。因此近年來此類機型受到國內廠商的大量採用。圖2.7、螺旋式空氣壓縮機2.2.5、魯式鼓風機魯式鼓風機之運作方式如圖2.8所示。其機殼內有俗稱「花生」的兩轉子，以相反方向進行運轉；此機台由於構造簡單，且轉子無直接接觸之磨耗，除保養容易外，設備購置成本低，能源效率亦不錯。但此類機台的單段壓縮比最高約只達1.7:1，因此之故較適合於低壓、氣量大的場合中使用。除單段式魯式鼓風機外，目前已有串聯兩組魯式壓縮轉子的機台，藉由此機構設計，可使機台之輸出壓力高達2.0kg/cm2G以上，大幅擴大其適用範圍。9圖2.8、魯式鼓風機2.2.6、徑流式(離心式)空氣壓縮機徑流式亦俗稱離心式，其作動原理如圖2.9所示，其機體內有一高速旋轉的葉輪，空氣由其葉片帶動，高速拋離葉片而進入升壓環。升壓環由於斷面積的逐漸擴大，導致壓縮空氣流速降低，而壓力得以升高。在葉輪轉動時，由於其中心附近將形成真空，因此而產生吸氣的功能。圖2.9、徑流式空氣壓縮機10一般徑流式空氣壓縮機單段所能產生的壓力上昇較之往復式及螺旋式機種為小，因此為得到較高的壓力輸出，必頇加以多段串聯，其如圖2.10所示。徑流式空氣壓縮機，由於輪葉與輪殼無接觸，無直接之機械磨耗損失，能源使用效率一般而言較之往復式為高。除此之外，常用之徑流式目前只有較大馬力機台，約300HP以上，排氣量1200CFM以上者；另徑流式由於機構上之限制，對於使用端需求變化較大時，無法利用較有效率之方式進行降載運轉，這在選用此類機台時不得不加以注意。徑流式空氣壓縮機台的另一特性為無油，即其產生出之壓縮空氣可適用於需無油之製程中。圖2.10、四段徑流式空氣壓縮機112.2.7、軸流式空氣壓縮機此類型空氣壓縮機，結構如圖2.11所示，其作動原理與徑流式相類似，同樣是利用升壓器將高速流動空氣的動能轉換成靜壓力。其與徑流式之差異在於徑流式空氣流動方向是沿者輪葉流動，而軸流式則是沿者輪軸流動。無論是軸流式或徑流式由於其運轉速度極高，可高達10,000RPM以上，運轉時有極高頻的噪音產生，為進行隔離一般可加上隔音設備，即可達到效果。圖2.11、軸流式空氣壓縮機12三、壓縮空氣系統檢測為瞭解壓縮空氣系統的現況，包括能源使用效率、洩漏量、壓力降等，因此對於此系統必頇定期進行檢測作業及檢討，方可使此一系統在最佳能源效率下運轉。在空氣壓縮機的能源使用效率檢測上，主要之測試項目為空氣壓縮機產氣量及耗電量，常用之表示單位為CFM/HP或CMM/HP等；例如一30HP之空氣壓縮機額定產氣量為3.6CMM，其額定效率為0.12CMM/HP或4.24CFM/HP；但在實際情況下，一般並無法運轉於此效率下，特別是一經長時間運轉或維修後之空氣壓縮機，其能源效率極有可能比額定數值小相當可觀之量，如其降低至新機效率值(假設新機時之效率值為3.8CFM/HP)的一半時，對一30HP之空