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空压机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。由于工厂电费成本内包含许多机械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。

空压机节能系统应用自动排水器分析

  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,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?

  工场内空压机的流程,一般为:空压机-汽水分离器-储气罐-初级过滤器-冷干机-精密过滤器。(如图1)

  空压机压缩过程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,而多数空压机制造商均无此设计。所以大部分冷凝水就往下游移动,空压机系统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下方装设一个自动排水器,但因湿度高,储气罐极易生锈,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——压缩空气。

  产品不良、设备故障的主因——冷凝水

  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,压缩空气含水分太高,容易使储气罐、气动设备生锈、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,却付出更多的维修成本,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及照明灯具的费用,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。

空压机节能系统应用自动排水器分析

  其中又以储气罐下方排水阀及离心式空压机中间段冷却器之错误排水方式最严重。一般均会加大球阀开度排放冷凝水,以换取离心式空压机安全运转或较高质量之压缩空气。但以此方式排放冷凝水时,大量昂贵之压缩空气也随着冷凝水排出。空压机不断的耗能制造压缩空气,又不断的从手动泄水阀消失于大气之中,错误的操作模式,使空压机耗能比过高,压缩空气的单位成本增加。

  显见压缩空气中的冷凝水,不仅使气动设备无法顺利运作,影响生产作业、交期延宕,并垫高企业成本,减低竞争力。

空压机节能系统应用自动排水器分析

  传统排水器的限制

  理论上,空压系统内之冷凝水,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。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。

  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,保障空压系统之安全运转。(如表1)

  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,不排气的节能要求。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:

空压机节能系统应用自动排水器分析

  (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。

空压机节能系统应用自动排水器分析
 

  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.环境湿度

  3.空压机的流量

  4.压缩空气压力

  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,使用寿命将缩短外,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。

  油润滑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,应选用不锈钢制品,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。

空压机节能系统应用自动排水器分析
 

空压机节能系统应用自动排水器分析

空压机节能系统应用自动排水器分析

  如何安装无耗气自动排水器?

  计时型自动排水器依设定之时间,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。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%=8.78/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。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的污染,善尽地球公民的义务。
 

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