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壓縮空氣節能概論

更新時間：2011-08-19 點擊次數：3518

壹、	前言
貳、	空氣壓縮機簡介
參、	壓縮空氣系統介紹
肆、	壓縮空氣系統總成本分析
伍、	壓縮空氣系統節能目標與節能措施
陸、	建構一套率的壓縮空氣系統
柒、	結語

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

圖四壓縮空氣系統總成本分析圖

圖五壓縮空氣系統能源費用分析圖

『泄漏』，根據美國能源部（US Department of Energy）統計資料指出，一般工廠之壓縮空氣泄漏量達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，相當于300個60Watt燈炮一年的電費）。因此『泄漏』對于壓縮空氣系統運轉能源費用而言，是zui致命的*敵人。『泄漏』通常發生在以下幾種情形︰

（1）自動泄水器持續性泄氣
（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毫無助益的壓縮空氣需求。多半起因于規劃選用不當及控制不良。例如：（1）高壓與低壓需求未分離處理（100HP空壓機，由7.5K過壓使用至8.5K，每年需多耗NTD110,000元/年）。（2）因無適當控制系統，導致空車運轉頻繁（以100HP空壓機，空車3小時/天×300天/年×2元/度，每年約多耗NTD45,000元）。（3）空壓管路設計錯誤（見圖六），導致末端壓力不足，只好拼命以調高空壓機排氣壓力來因應，唯每調高設定壓力1kg/ G，約需增加5%~ 7%電費，減少8%排氣量。（4）空壓機房環境溫濕度未適當控制，空壓機排氣量因而減少，徒增電費（空壓機進氣溫度每增加10℃，實際排氣量減少2%~4%；環境溫度每降20℉，壓縮空氣中含水量降50%）。（5）冷凍式及吸附式干燥機選配不當，壓力露點未適當監控（干燥機入氣溫度每增加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空壓機連續運轉一年（8000小時），按能源費率計算公式（表六）、參考電價為2元/kWh（表七）、馬達效率為88% （表八）可得每年運轉能源費用＝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國產螺旋式空壓機售價不過60萬元，換句話說，只要管理與控制得當，一年就可回本，年年換新機。所以，我們必須將所有焦點放在如何建構一套省能而且穩定的壓縮空氣系統上，這必須靠使用者與空壓機業者雙方共同來努力。

表六空壓機能源費率計算公式

各行業平均每度電價單
行業別	平均電價（元/kWh）	行業別	平均電價（元/kWh）
半導體	1.70～1.88	紡織染整	1.63～1.81
化纖業	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	1.54～1.70	百貨量販	1.95～2.15
橡膠輪胎	1.87～2.07	學校	2.31～2.55
塑膠原料	1.64～1.82	醫院	1.91～2.11
塑膠加工	1.99～2.19	行政機關	2.41～2.67

表七各行業平均參考電價

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節能目標為50%~70%（其中35%的耗能改善是不需要多余投資的）。其分配為：

系統設計部分節能目標為15%~20%

（1）	關閉閑置設備，減少泄漏量及假性需求。
（2）	確認尖峰及離峰用量需求（參見圖七），規劃以多機代替單機，減少空車及容調使用臺數與時數。并可降低備機率（如原規劃一臺100HP單機時，必須備機一臺100HP，共200HP；若規劃為50HP+50HP連鎖運轉，備機只需一臺50HP即可，共150HP）。
（3）	減少BLOW-OFFS使用，盡量用Fan或Blower代替空壓機。
（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，設法降低空壓機的排氣壓力。
（6）	選用耗能比值較優（> 3.5 CFM/HP）的空壓機（參見表九），而不是排氣量（FAD）較大或進口的空壓機。淘汰耗能比值較差（< 2.5 CFM/HP）的空壓機（參見表十），而不是年代較久或使用時數較長的空壓機。
（7）	加大用氣端之儲氣桶，應付瞬間高用量需求。而非如一般空壓機設備廠商建議，以加大空壓機馬力數來因應。
（8）	減量使用無油式空壓機及吸附式干燥機。
（9）	加裝氣冷式空壓機廢熱氣回收裝置，例如制程加熱、冬季空調預熱；空壓機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（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控系統布置圖

表九耗能比值較優空壓機

表十耗能比值較差空壓機

表十一廢熱回收計算公式

系統設備及控制部分節能目標為15%~20%

（1）	使用微電腦多機連鎖控制系統（參見圖九）連鎖后之電能耗損可節省近25%。避免使用壓力開關式的控制系統（彈簧式壓力設定，空重車間壓力范圍大且容易失準，需定期校正）。
（2）	縮小空壓機空車與重車間之壓力設定范圍（參見圖十），亦可節能。
（3）	空壓機停機時，同時關閉冷凍式干燥機。
（4）	換線、假日、夜間用風量小時，僅啟動小馬力空壓機來使用。
（5）	搭配使用VSD型變頻式空壓機來應付變動性負荷。
（6）	確?？諌簷C潤滑油溫不致過高（＜100℃@ 7K）或過低（>78℃@ 7K）。
（7）	架設能即時提供各空壓機運轉狀態（重車、空車、容調、停機；運轉壓力、溫度、電流；過濾器壓差等）及空重車運轉比例的控制系統，并定期收集壓縮空氣系統的運轉數據做為改善與調整的依據。

操作及維護的改善部分節能目標為20%~30% （含泄漏管制）

（1）	如無特殊要求，干燥機的壓力露點要求盡可能調高（約較使用地環境溫度低10度即可）。
（2）	加裝無熱吸附式干燥機之露點控制器，使得當壓縮空氣之含水量超過需求值時，才開始進行吸附再生，以減少無熱吸附式干燥機之吹泄耗氣量（Cycle time約10min，每次需7~14% Purge Air）。
（3）	無論如何，設法降低空壓機房之環境溫度。
（4）	根據出水溫度高低來控制冷卻水塔風扇的開閉。
（5）	定期檢視或更新冷卻水塔的水噴嘴及風扇平衡。
（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）	監控并定時清理空壓機的熱交換器，避免阻塞。
（8）	監控進氣濾清器、機油過濾器及油細分離器的壓差值（空壓機內部機油過濾器初始壓差約0.5K~1.0K，建議更換壓差為1.8K，油細分離器初始壓差約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）	適時調整及更換往復式空壓機的V型皮帶。
（11）	使用防漏及防腐蝕性接頭及閥門。
（12）	建構環狀管路系統（參見圖六），控制管路流速，減少壓降產生。盡量縮短空壓管路長度，加大管路口徑，并使用較佳的材質（不銹鋼、ABS）。
（13）	定期檢視及更換空壓機、干燥機、過濾器及調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），減少不當吹泄量。
（14）	適時更換舊有管線、墊片、防漏材質、氣管、球閥、快速接頭及氣動工具等。
（15）	向售前及售后服務迅速、空壓系統專業知識良好的廠商購買設備。

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

圖九多機連鎖控制原理

圖十空重車壓力差與節能

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在充分了解壓縮空氣相關的系統節能概念與措施后，接下來zui重要的事情就是如何來建構一套率的壓縮空氣系統了。簡要步驟如下：

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

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，真正與生產直接相關的通常不大于60%。然而，率的壓縮空氣系統是一項十分專業的氣壓技術和工程范疇，加上一般使用者（甚至空壓設備供應商）因缺乏正確的使用觀念與管理數據，根本無從著手，只能坐失改善良機，極為可惜。其實只要稍加關心并與具有整體系統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就可回本。

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

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

表十三空壓系統耗能占比

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壓縮空氣節能概論