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空压机节能探讨6
[ 人气:4285 日期:2015-10-15 ]

<DIV><FONT size=3><STRONG>六、如何选择空压机以达到节能的效果</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>1.&nbsp; 大/小型空压机的搭配选择</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>不可否认旳,单台大风量的空压机要比多台小风量的空压机在总体能源效率上要好的多,这是不论任何种类的空压机均具有的共同特性。因此,以能源效率为着眼点来选择空压机的最高原则是宁选大不选小,但是从各种<A href="http://www.yahao66.com/" target=_blank>c9外挂</A>层面来衡量,选择大型空压机也受到以下各种因素的左右:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(A) 电力系统的限制,首先必须考虑的是应用电压,低电压系统(常见的380~460伏特)就不太适合使用超过600HP以上的空压机。其次必须考虑大型空压机在起动时对电网的衡击承受能力是否足够。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(B) 随着季节、时间差或其它因素导致压缩空气的变化量超过某一范围(视机种而定),或是实际使用风量很可能远低于购置空压机前的估计值时,单台空压机将会无法避免的发生排放或泄载而造成能源的浪费。多台空压机则具有较大的弹性来接纳用量的变化。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(C) 异常跳机或必要的停机是生产停顿的潜在压力,为了减低生产停顿的风险而不得不考虑设置备机,使用单台运转的备机率会高达50%,投资成本增加很可能不为业者所乐见。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>事实上,整个压缩空气系统是否能做到最佳能源效率,在选择空压机的容量大小时就己掌握了一半以上的成败关键,话虽如此,如何选择适当的空压机容量并不是三言两语即可涵盖的,其牵涉的层面甚为广泛,兹列举数项基本原则如下:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(A)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 务必要求气动设备的厂商提供耗气量及耗气变化量做为分析选择空压机容量的依据。常见业者要求空压机供货商来估计某种气动设备的耗气量,这绝对是本末倒置的做法。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(B)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 若有季节性、时间差或其它因素会影响耗气量的变化也要详细的评估列举,必要时可征询空压机供货商或专业人士的因应对策。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(C)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对全厂的前瞻性做整体的考量,分别列举近期、中期、远期投资计划的估计风量。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>勿坚持空压机种类、型式、容量必须一致而使备用零件具有互换性的观念,在耗气量变化的范围甚大的情况下,选择大、小、容量空压机兼具的压缩空气系统可以提供更有弹性的应变范围,当然会有</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(D)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 意想不到的节能效果。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(E)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 坊间有人主张配置数台大容量的空压机及一半容量的小空压机,在上述的前提下确实不乏成功的案例,这种配置方式并非放诸四海而皆准的原则,若是使用3~5台以上空压机的压缩空气系统,只要慎重的选择适当的控制方式及外围配备即可不必考虑大、小容量空压机兼有的配置方式,以避免小容量空压机被闲置的可能。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>各行各业或各个工厂的压缩空气使用特性部份有各自不同的差异性,因此选择空压机容量具有相当程度的复杂性,如何正确的选择空压机的容量,事前委托专业人士从事详细的评估方为正途。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>2.&nbsp; 如何选择适当的空压机设计压力及压缩段数</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>前文中曾提到定排量式空压机又称之为等容变压式(Constant Volume, Variable Pressure)空压机,顾名思义,此类型的空压机具有相当广泛的排气压力范围。对定排量式空压机而言,设计压力仅指制造空压机材料的耐压程度,只要在设计压力以下运行应可确保安全无虑,因此,选择此类型空压机的设计压力较为单纯,只要设计压力高于使用压力加上必要的管损及负载/卸载压差即可,甚至选择较高的设计压力也无妨(对制造成本可能会有影响),只要实际使用的压力相同,高/低设计压力的空压机在理论上对能源的消耗并无显著的差异。因此,在设计压力对能源的消耗无甚影响而售价又相近的情形下,业者往往会选择较高设计压力的定排量式空压机。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>将上述观念延用到离心式空压机就完全错误了。不同设计压力的离心式空压机所使用的叶轮大小、叶轮转速、叶轮形状或叶片的角度都不尽相同,空压机上所标示的设计压力必定是最佳效率的排气压力运转点,任何偏离设计压力的运转点都不是最佳的运转效率,偏离愈大则影响愈大,换言之,在排气压力相同的情形下,设计压力较高的效率会低于设计压力较低者。此外,一般离心式空压机的最高排气压力会高于设计压力大约10~20%即会产生气窒现象 (Surge) ,因此,要提升排气压力到超过设计压力会有一定的限制,降低排气压力到设计压力的60%左右又会碰到阻墙现象 (Stonewall) ,离心式空压机的压力变化范围确实不若定排量式空压机的广泛。在选择离心式空压机的设计压力时确实需要慎重的考虑。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>根据热力学原理,空压机的压缩段数影响能源效率甚巨,理论上压缩段数愈多则愈好,反之亦然,事实上整体效率尚需计算器械损失、阀损及压损等因素,因此,压缩段数愈多并不是绝对的代表整体效率会愈好;但是,压缩段数愈多绝对会代表支出成本增加。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>纯探对压缩段数与能源效率之间的关系,以常用的100PSIG (7kg / cm<SUP>2</SUP>G) 压缩空气系统为例,两段式压缩要比一段式压缩节省大约15%的能源,三段式压缩要比两段式压缩节省大约6%的能源,四段式压缩又要比三段式压缩节省大约2.5%的能源。(注:不同设计、类型的空压机,以上数字会略有出入)</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>综合各种因素来探讨,定排量式空压机以两段式压缩为比较正确的选择,离心式空压机则以三段式压缩机为较正确的选择。从节能的观点来衡量,不妨多比较并考虑多增加一个压缩段所能获得的实际利益。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>3.&nbsp; 如何选择马达的大小</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>在理论上,定排量式空压机在一定转速时的吸风量是恒定的,因为空 气密度随着温度的改变而显著的改变,所以相同容积流量 (Volume Flow) 的重量流量 (Weight Flow) 也随之改变,当然空压机所消耗的能源也在改变,以台湾夏季35℃、冬季15~20℃的经常性气温为例,如果不计算湿度的变化,空压机在冬季要比夏季多消耗大约7~5%的能源,为了避免马达过载,配备的马达大小要以冬季的能源消耗量为依据。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>离心式空压机具有变容的特性,在空气密度随着温度而改变者,可以着助进气节流阀来控制容积流量的大小而保持马达全载时稳定的负荷,但是基于以下因素,离心式空压机要比定排量式空压机更有必要选择比制动马力 (Brake Horse Power) 大10~15%的马达:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(A)&nbsp; 空压机在冬季要比夏季输送大约多7%重量流量的压缩空气(相同的容积流量),相对的空压机也要多消耗大约7%的能源。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(B)&nbsp; 既然离心式空压机具有变容的特性,厂家在设计时往往保留了大约10%的裕度,换言之,即使在夏季,只要马达有足够的裕度来承受负荷,离心式空压机有能力供应比原设计风量多10%的压缩空气;夏季如此,更遑论在冬季所能发挥的超设计流量的能力。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>一旦离心式空压机选择了超大10~15%的马达,在多台空压机并联运行的压缩空气系统,只要步入冬季,很可能可以停用半台(小型)或一台以上的空压机,因此而发挥的节能效果将会非常时显。不可否认的,很多人会质疑选择较大的马达会造成能源的浪费,以马达效率95%及马达超大10%为例,在空压机始终都没有过载的情况下,浪费的能源约为10%×(1-95%)=0.5%,从经验法则来判断,无论是节能与耗能的机率或比例均可以5/1为衡量的标准。极可能减少压缩空气不敷使用的困扰。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>附注:绝大多数的空压机所配备的马达都有1.15倍以上的超载系数 (Service&nbsp; Factor),但是很多的用户基于安全运行的考量向严格的规定马达不得使用超载系数运行,在此前提下,是否要选择超大的马达要由业者做明智的决定。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>4.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如何选择适当的控制方式</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>在全世界均忧虑能源匮乏的今天,极为消耗能源的空压机制造商也在极力寻求节能之道。在制造商及计算者付出了大量心血之下,以目前的科技在定排量式空压机的领域中己很难突破能源效率上的瓶颈,然而离心式空压机藉助空气动力学及制造技术的发展则还有进步的空间,但也并非一蹴可及。因此在空压机的应用领域中,制造厂在控制系统部份不断的的相互较劲,设法能帮助业主在使用上达到节能的效果,鉴于空压机的应用甚为广泛及多变化,截至目前为止仍然没有一种通用又有效的控制方式,因此,某一种控制方式是否是最适当旳选择完全得视操作人员的认知程度及应用是否得当而定,当然,先决条件还得视该空压机是否具备了该种控制方式。兹分述各种常见的控制方式的特性及用途做为正确的选择控制方式的参考:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(A)&nbsp;&nbsp; 泄/负载控制方式(又称两阶段式控制方式)是最基本、最传统也是最简单的控制方式。对业者来说,压缩空气都是许多不许少,换言之,空压机的容量是许大不许小,在容量大于使用量的情形下不得不让空压机适时的泄载,如果泄载时的功率消耗不大 (15%左右是较理想的设计),泄载的频率不高以及泄载的时间不长,这里简单的控制方式仍不失为一种理想的控制方式。定排量式空压机大多采用此种设计,离心式空压机也可用此种控制方式。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(B)多阶段式控制是每一个压缩段使用单缸双动式或多缸设计的往复式空压机的独特设计,它可以采用0-50-100%,0-25-50-75-100%或更多阶段的控制方式,对于用气变化量甚大而且相当频繁的压缩空气系统采用此种控制方式确实是相当理想。此外,使用感应式马达的空压机还可以尽量避免空压机完全泄载时马达的功率因素 (Power Factor) 急剧下降的困扰。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(C) 定压式控制 (Constant Pressure Control) 又称节流式控制 (Throttle Control) 原本是离心式空压机的独特设计,一般可以达到大约75~100%之间的节流范围,在此范围内,能源消耗与风量成正比,低于此范围的压缩空气使用量,空压机会将多余的空气压缩后再排放形同能源的浪费,因此,只要用气变化量经常保持在此节流范围内或偶发生,短暂的少量排放,使用定量压控制可说是所有控制方式中最理想的,此外,采用此种控制方式可以保持压缩空气系统相当稳定的压力,一般状况都可控制在1~3%以内的压力波动范围,使用泄/负载控制或多阶段式控制方式至少要有5~10%甚至更高的压差范围,因此,在相同的压缩空气系统采用定压控制方式可以将压力设定在最低限度或略高于最低限度而达到节能效果。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>螺旋式空压机也发展出类似的控制方式,而节流范围更为宽广,但是在效率上会略低于离心式空压机。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(D)&nbsp;&nbsp; 自动双重控制是结合泄/负载控制方式与定压控制方式的综合设计,两者的优缺点兼而有之,但是有较为广泛的广用领域。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(E)&nbsp; 变速控制在早期大多使用于滑轮机驱动的空压机,而达达驱动的空压机大都使用定速控制;在变频器的研发渐趋成熟的状况下,马驱动的变速控制空压机确实是一种非常理想的流量/压力控制方式,但是目前此种变速(变频)控制方式仍然受到下列诸项限制:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙使用电压限定在600伏特以下。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙离心式空压机(齿轮增速式)不得使用变速控制。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙成本较高。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>    (F)多台空压机并联运转己有集中自动控制的趋势,确实有节省人力、节省能源的效益,但是各制造商的设计不尽相同,各名各异、功能上也各有其优缺点,详情以接洽厂商介绍为佳。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>不可否认的,每一种控制方式都有其特性及适用领域,选择正确的控制方式确实可减少很多无谓的浪费,但是如何选择正确的控制方式却没有一定的准则或公式可资运用,仍然得靠经验、观察、记录及分析比较来判断,委托富于经验的专业人士进行评定确实有其必要性。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>5.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如何选择适当的外围配备</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(A)&nbsp; 控制阀</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>做为最佳进气节流控制的控制阀首推进气导流叶片 (Inlet Guide Vane) ,尤其是使用在离心式空压机上的进气导流叶片要比蝴蝶阀节省大约4~9%的能源,坊间有很多进气导流叶片的专业著述介绍其优越性的原因,在此不再赘述。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>冷凝水排放控制阀的种类繁多,也各有其优缺点,选用的原则是要能彻底的排放出冷凝水同时压缩空气的排放量又能减到最低程度,如此简单的原则却没有任何一种冷凝水排放控制阀能臻于理想,唯有仰赖操作、保养人员经常的巡视、检查、清洁或是调整。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>使用在管路中的控制阀要尽可能选用高效率、低压损的控制阀,但是不论任何控制阀都有或多或少的压损而浪费能源,因此采用阀的原则是「有阀不如无阀」,也就是非必要尽可能不用阀或少用阀。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(B)&nbsp;&nbsp; 干燥机</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>压缩空气中的冷凝水确实会造成很多气动设备的困扰,因此,压缩空气不得不经过干燥处理来防止冷凝水形成,压缩空气的干燥程度一般都可以合压露点 (Pressure Dew Point) 来表示,压力露点温度愈低代表压缩空气愈干燥,同时也代表了干燥过程中所消耗的能源愈高。冷冻式干燥机的最低压力露点温度可达+3℃左右,消耗的功率大约是空压机旳1.5%。吸附式 (再生式)干燥机的压力露点温度可轻易的达到-40℃,总消耗功率最高可达空压机的15%。显而易见两者的差距以十倍计算,干燥机的选择(露点温度的选择)确实需要相当慎重,以下几项原则可做为选择的参考:</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙切勿刻意的强求过低旳压力露点温度,+3℃和+10℃的露点温度极可能在使用上并没有明显的差异。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙原使用冷冻式干燥机的压缩空气系统,如工厂内有过剩的冻冻水,不妨考虑改用冷冻水。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙对压缩空气的温度如无特别的要求低温,一定要使用有热回收的冷冻式干燥机。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>˙一定要使用吸附式干燥机时,要优先考虑使用加热式的干燥机而非无热式的干燥机。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(C)&nbsp; 冷却水系统</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>冷却水的温度每增减5℃会影响空压机的功率大约1.5%,因此,冷却水的温度调节要尽可能的供应较低温的冷却水(并非指刻意的制造低温冷却水)。如有过剩的冷冻水不妨考虑改用冷冻水。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>注:定排量式空机若使用水冷式气缸则应避免使用过低温的冷却水,使用低温冷却水的气缸应在冷却水的入/出口处装置温度控制阀以避免冷凝水形成在气缸中而造成液体缩现象。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(D)&nbsp; 管路的规划及管径的选择</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>理想的管路设计是否正确、良好可以用压损的高低做为衡量的标准,从空压机的排气压力到管路末端的压力以不超过5%或0.35kg/cm<SUP>2</SUP>为原则(两者中取其低者为标准),影响压损高低的管理系统组件包括冷却器、干燥机、过滤器、控制阀、弯头、管径及管长等。冷却器、干燥机、过滤器、控制阀等组件均可从供货商处获得较正确的压损标准。每个弯头的压损相当于8~10倍等径管长的压损,因此在不得己而使用弯头时应将弯头的使用量尽可能的减少。管径的大小影响压损甚巨,精确的计算管损可以从专业书籍中查得,对专业设计人员而言自然是轻而易举的事,非专业人士则会感到相当的困扰而不知如何着手审查。兹以下列简表供估算管径的大小之用(注:简表中所列的压损均为概数):</STRONG></FONT></DIV> <TABLE border=1 cellSpacing=0 cellPadding=0> <TBODY> <TR> <TD vAlign=top width=251> <DIV><FONT size=3><STRONG>空气流速(ft/sec)</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>50</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>40</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>30</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>20</STRONG></FONT></DIV></TD></TR> <TR> <TD vAlign=top width=251> <DIV><FONT size=3><STRONG>压损(PSI/1000ft管长)</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>4.5</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>2</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>1.5</STRONG></FONT></DIV></TD> <TD vAlign=top width=64> <DIV><FONT size=3><STRONG>0.5</STRONG></FONT></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE> <DIV><FONT size=3><STRONG>空气流速÷进气风量/(压缩比×管路截面积)</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>由以上简表可窥知压缩空气在管路中的理想流速应设计在40呎/秒(12公尺/秒)左右(还得视管长来做调整)换言之,总管损应控制在2PIS左右,经估算后的正确管径可考虑选择略大一级以上的管路以因应未来风量增加而造成压损的急剧增加或是面临更换管路系统的困扰。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>注:根据美国密苏里大学 (University of Missouri) E.G. Harris 教授的管损公式可窥知管损与管径的5, 31, 次方成反比,与压缩比成反比,而与流量的平方成正比,与管长成正比,因此,在扩充用气量时对既有的管路系统宜审慎的评估。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>(E)&nbsp;&nbsp; 储气筒</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>储气筒在大部份压缩空气系统中所扮演的节能角色往往会被忽略了它的重要性。储气筒除了可以减低压力的脉动现象以外,最主要的是它可以大幅度的灭少卸/负载或排放的频率,所以储气筒必须要有足够的容积,以经验法则来概算储气筒的容积可以用单台空压机每分钟的进气量×常数,定排量式空压机的常数为10%以上,离心式空压机的常数为20%以上。</STRONG></FONT></DIV> <DIV><FONT size=3><STRONG>多台空压机并联运行的压缩空气系统可以用单台空压机(容量最大的单台空压机)的进气量计算即可,完全使用定压控制的空压机在理论上可以不用储气筒,为了降低排放的可能性仍以设置储气筒为宜。在用气量有经常性的波动而且周期极知的压缩空气系统,储气筒的容积更应仔细的计算后予以适度的增加以避免频繁旳卸/负载或排放,甚至有可能完全根绝卸/负载或排放的现象。在管路末端某处如有瞬间大风量的使用状况,应考虑在此末端前增设储气筒。</STRONG></FONT></DIV>
 
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