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予明韶
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空壓系統節能技術系統節能技術介紹與其效益評估機械所能源機械系統工程部賴慶峰 2009 年 02 月 27 日 1 空壓系統耗能狀況 2007 年台灣工業用電約 1282 億度, 其中馬達系統耗能約佔其 70%, 計 897 億度馬達系統耗能中, 空壓系統約佔 18%, 計 162 億度電每 m 3 空氣成本新台幣 0.2~0.

1 空壓系統節能技術系統節能技術介紹與其效益評估機械所能源機械系統工程部賴慶峰 2009 年 02 月 27 日 1 空壓系統耗能狀況 2007 年台灣工業用電約 1282 億度, 其中馬達系統耗能約佔其 70%, 計 897 億度馬達系統耗能中, 空壓系統約佔 18%, 計 162 億度電每 m 3 空氣成本新台幣 0.2~0.4 元壓縮空氣是廠內最貴的能量來源之一典型的空壓系統之整個系統效率僅 10%~15% 例如運轉 1hp 的氣動工具 ( 在吐出壓力 7kg/cm 2 時 ), 約需要供應空壓機 7~8 hp 的電力全國工業用電 ( 億度 ) 年 1999 年 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年輸送 1% 冷凍空調 7% 其他馬達 36% 馬達系統用電比例空壓機 18% 泵浦 22% 風機 16% 2 1

工廠壓縮空氣成本與節省估算成本 =( 額定馬力 0.746 馬達效率 ) 負載比例運轉時數電費費率運轉效率 = 耗功排氣量範例一 200hp 空壓機 ( 實際 bhp=215hp), 排氣量 28cmm, 每年運轉 8600 小時, 重車時, 馬達效率 =0.95 空車時, 馬達效率 =0.90, 空車 bhp 為重車時之 25%, 電費費率 =2.

1005 kwh/m 3 50% 重車時之運轉成本 = 3,629,879*50%=1,814,939 元 50% 空車運轉成本 = (215*25%*0.746/0.95)*50%*8600*2.5=453,735 元 50% 負載比例之運轉成本 = 1,814,939+453,735=2,268674 元 50% 負載比例時之運轉效率 = ((215*0.

2 工廠壓縮空氣成本與節省估算成本 =( 額定馬力馬達效率 ) 負載比例運轉時數電費費率運轉效率 = 耗功排氣量範例一 200hp 空壓機 ( 實際 bhp=215hp), 排氣量 28cmm, 每年運轉 8600 小時, 重車時, 馬達效率 =0.95 空車時, 馬達效率 =0.90, 空車 bhp 為重車時之 25%, 電費費率 =2.5 元 /kwh, 試算 100% 重車時之運轉成本 =(215*0.746/0.95)*100%*8600*2.5=3,629,879 元 100% 負載比例時之運轉效率 = (215*0.746/0.95) / (28*60) = kwh/m 3 50% 重車時之運轉成本 = 3,629,879*50%=1,814,939 元 50% 空車運轉成本 = (215*25%*0.746/0.95)*50%*8600*2.5=453,735 元 50% 負載比例之運轉成本 = 1,814, ,735=2, 元 50% 負載比例時之運轉效率 = ((215*0.746*(50%+12.5%)/0.95) / (28*50%*60) = kwh/m 3 空壓機維護 12% 空壓機購置空壓機生命週期 12% 成本比例運轉電費 76% 3 空壓系統 Layout 壓縮機封裝機櫃進氣濾清器乾燥機空氣濾清器空氣儲氣桶壓力 / 流量控制器管路系統氣動工具後冷卻器及潤滑油冷卻器馬達控制面板壓縮機空氣端油細分離器資料來源 U.S. DOE Improving Compressed Air System Performance 濾清器調壓閥潤滑器 4 2

3 常見之空壓機類型及其效率比較根據壓縮機型式來分類空壓機正排量型動力型往復式迴轉式離心式軸流式單動式螺旋式液封式渦卷式輪葉式凸輪式雙動式 5 空壓系統節能機會維持設備最佳的狀況水份控制及空氣處理空氣桶的大小空氣洩漏壓力水準壓力 / 流量控制器回收熱的利用控制系統的種類系統全面性的問題控制系統的種類末端使用系統的基線量測生命週期成本操作人員遭遇壓力過低資料來源 U.S. DOE Improving Compressed Air System Performance 需要多少空氣什麼樣的品質和壓力? 6 3

4 壓縮空氣的用途以及品質需求工業部門的壓縮空氣應用壓縮空氣的品質需求 7 空壓系統常見之節能改善措施與節能效果 8 4

消除不當的壓縮空氣使用以減少用氣需求檢視清單範例 9 改善洩漏以減少用氣需求洩漏量估測方法一在具有 on/off 或加載 / 卸載控制的壓縮機系統中, 可以使用以下方法估測系統中的洩漏量 (1) 關閉所有系統需求時 ( 即所有使用壓縮空氣的末端使用設備都關閉 ) (2) 起動壓縮機,

維護不良的系統損失則可能高達空氣產氣量及功率的產氣量及功率的 20 20 到 30% 30% 同樣的同樣的, 大於大於 10% 10% 的洩漏表示系統有改善的空間這些測試應定期進行做為洩漏偵測及修復計畫的一部份洩漏量估測方法二在採用其他控制策略的系統中, 如果在儲氣桶下游設置有一個壓力錶, 也可以估測洩漏

25 其中 V 總體系統容積, 包括任何下游的第二空氣儲氣桶以及空氣主管線與管路等單位 m 3 P 1 P 2 單位 kg/cm 2 -G T 單位 min 洩漏成本估算 ( 假設每年系統運轉 6000hrs) Total Compressor Capacity (cmm) 7.1 14.2 28.

5 消除不當的壓縮空氣使用以減少用氣需求檢視清單範例 9 改善洩漏以減少用氣需求洩漏量估測方法一在具有 on/off 或加載 / 卸載控制的壓縮機系統中, 可以使用以下方法估測系統中的洩漏量 (1) 關閉所有系統需求時 ( 即所有使用壓縮空氣的末端使用設備都關閉 ) (2) 起動壓縮機, 並測量壓縮機加載及卸載所需的平均時間總洩漏率可以根據下式計算得到洩漏率 (%) = [(T 100)/(T+t)] 其中 T = 加載時間 (sec) t = 洩載時間 (sec) 洩漏程度一般以壓縮機產氣量損失的百分比來表示一個有良好維護的系統, 洩漏損失的百分比應小於 10% 10% 維護不良的系統損失則可能高達空氣產氣量及功率的產氣量及功率的到 30% 30% 同樣的同樣的, 大於大於 10% 10% 的洩漏表示系統有改善的空間這些測試應定期進行做為洩漏偵測及修復計畫的一部份洩漏量估測方法二在採用其他控制策略的系統中, 如果在儲氣桶下游設置有一個壓力錶, 也可以估測洩漏方法如下 (1) 將系統起動並加壓到正常工作壓力 (P 1 ) 時關閉壓縮機 (2) 測量當系統下降到一個較低壓力 (P 2 ) 時所需的時間 (T) - 這個較低的壓力應是相當於工作壓力一半的點洩漏量可以根據下列等式來計算洩漏量 (cmm) = (V (P 1 -P 2 )/T) 1.25 其中 V 總體系統容積, 包括任何下游的第二空氣儲氣桶以及空氣主管線與管路等單位 m 3 P 1 P 2 單位 kg/cm 2 -G T 單位 min 洩漏成本估算 ( 假設每年系統運轉 6000hrs) Total Compressor Capacity (cmm) Wasted 30% Wasted HP Wasted kw Wasted NT$2.5/kWh $209,700 $418,500 $838,500 $2,517,000 $8,392,

洩漏偵測與修復如何修復洩漏洩漏最常發生在接頭和連接處, 用氣機台卻水器無熱吸附式乾燥機也可能是系統洩漏的來源防止洩漏可能簡單到只需要重新鎖緊一個接頭即可, 也可能複雜到必須更換有問題的設備, 例如連接件管配件管段軟管接頭卻水器吸附式乾燥機等在許多情況下, 洩漏都是由於螺紋不清潔或者由於螺紋密封劑塗敷不良或不當所造成的應選擇高品質的管配件開關軟管

6 洩漏偵測與修復如何修復洩漏洩漏最常發生在接頭和連接處, 用氣機台卻水器無熱吸附式乾燥機也可能是系統洩漏的來源防止洩漏可能簡單到只需要重新鎖緊一個接頭即可, 也可能複雜到必須更換有問題的設備, 例如連接件管配件管段軟管接頭卻水器吸附式乾燥機等在許多情況下, 洩漏都是由於螺紋不清潔或者由於螺紋密封劑塗敷不良或不當所造成的應選擇高品質的管配件開關軟管管件並使用適當的螺紋密封劑來正確的安裝沒有使用的設備很可能是另一個洩漏來源不再使用的設備應在供配管路系統中以一個栓閥隔離另一個減少洩漏的方法是降低系統的空氣壓力通過一個孔或洩漏處的壓力差越小, 流出的速度也越低, 因此減低系統壓力也會減緩洩漏速度將系統幹管壓力穩定的保持在最低實用範圍可以將系統的洩漏速度減到最低一旦洩漏修復後, 必須重新評估壓縮機控制系統來瞭解整體的節約可能性洩漏量 (cfm) 壓力與孔徑對洩漏的影響 1/64 1/32 1/16 1/8 1/4 3/8 孔徑 ( 吋 ) 壓力 (psig) 空壓系統洩漏偵測設備 - 超音波洩漏偵測儀洩漏孔徑大小每年成本 19,152 76, ,262 假設每年系統運轉 6000hrs; 電費費率 NT$2.5/kWh 11 訂定一個洩漏預防計畫一個良好的空壓系統洩漏修復計畫對於維持任何空壓系統的效率可靠性穩定性以及成本效益是非常重要的洩漏修復計畫有兩個基本型態即洩漏標示計畫和尋找及修復計畫尋找和修復是最簡單的部份您只需要根據狀況找出洩漏並立即將它修復即可而洩漏標示計畫則是必須以標籤標明洩漏, 並將它登記下來以便日後進行修復一個成功的洩漏預防計畫都必須包括一些重要的元素充分瞭解壓縮空氣的使用情形確認洩漏損失確定空氣洩漏的成本找出洩漏記錄洩漏排定洩漏修復優先順序調整控制修護記錄基準比較及發表成果永續執行 12 6

7 提昇空壓機效率空壓機性能衰退影響因素使用環境條件空壓機特性維護狀況運轉年份 & 時數範例範例兩部兩部 200hp 200hp 無油螺旋式空壓機做為基載使用, 每年運轉每年運轉小時小時, 因機器老舊因機器老舊, 經量測其耗能比值分別為 0.135kWh/m 0.135kWh/m 3 以及 3 以及 0.132kWh/m 0.132kWh/m 3, 3 若更新為一若更新為一 400hp 400hp 離心式空壓機心式空壓機 ( 耗能比值 ( 耗能比值 =0.098kWh/m =0.098kWh/m 3 ), 3 ), 每年可節省每年可節省? 節省比例節省比例 =( ) =( ) // =26.6% =26.6% 節省值節省值 = (400*0.746/0.95)*8600*26.6% =718,547 =718,547 kwh/yr kwh/yr 節省成本節省成本 = 718,547*2.5=1,796,368 元 13 空壓系統節能效益評估 - 單機性能測試方法測試設備高壓氣體洩放流量計電力分析儀測試結果安裝位置 14 7

螺旋式壓縮機加卸載控制往復式壓縮機 On-Off 控制變頻控制 10 0 0 10

8 將螺旋式空壓機改為變頻變速控制被認為是一個非常有效率的迴轉式壓縮機產氣量控制, 它利用整合的變頻 AC 或切換磁阻 DC 驅動裝置來控制壓縮機的輸出壓力可以在極廣的產氣量範圍內維持在 ±0.1 kg/cm 2 以內, 來為系統提供額外的能源節約對變頻螺旋式壓縮機而言, 排氣量與空壓機輸入軸的轉速成正比實施方式舊機升級為新變頻機舊機加裝變頻控制 P 優點 1. 空壓系統壓力最佳化 2. 空壓系統洩漏最小化 3. 機組運轉效率最佳化 Hz V/f Air 容調控制耗電比例 (%) 節能空間螺旋式壓縮機加卸載控制往復式壓縮機 On-Off 控制變頻控制流量比例 (%) 15 系統使用多機聯鎖方式控制多壓縮機系統會採用更複雜的控制來協調壓縮機的操作, 以及對系統的空氣供應量網路控制採用連結在一起的各個機上壓縮機控制微處理器來構成一個通信連鎖以進行 on/off 加載 / 卸載調變改變排量及改變速度的決策通常, 會有一部壓縮機做為其他從屬壓縮機的主機, 並使它們服從來自這部壓縮機的指令系統主機控制器會協調最佳化壓縮空氣供應所需的所有功能系統主機控制器具有許多功能上的能力, 包括監測及控制系統中所有元件以及預測趨勢資料, 來強化維護功能及減少營運成本的能力一個有效的自動系統控制策略的目的在於配合系統的需求, 讓壓縮機在它們最大效率水準下或接近這個水準操作依據需求的波動情況可用的儲氣容積以及壓縮空氣供應和處理設備的特性等不同的條件組合下, 來進行有效的系統控制 Controller 資料來源 Energy-Air 公司源能空壓 16 8

空壓系統節能效益評估 - 系統性能用氣量消耗電力供氣壓力壓縮機運轉狀態空壓系統性能量測設備與分析軟體空重車成本比例空重車耗電比例輸入電力輸出風量電流 sensors 裝設位置壓力 sensors 裝設位置系統性能分析彙整壓力系統使用比例個別壓縮機運轉狀態 NT 0.

量測與分析其耗能比值為經空壓系統性能量測設備量測與分析其耗能比值為 0.138kWh/m 0.138kWh/m 3, 3 年用年用氣量氣量 34,559,616m 34,559,616m 3 3 ( 其中洩漏佔 ( 其中洩漏佔 20%) 20%), 系統操作壓力範圍系統操作壓力範圍 6.0~7.5kg/cm 6.0~7.5kg/cm 2, 2 平均操作壓力平均操作壓力 7.01kg/cm 7.

2kg/cm 2 ) 2 ) (2) (2) 將容調控制之空壓機改為加卸載控制將容調控制之空壓機改為加卸載控制 (3) (3) 於系統裝設多機連鎖控制於系統裝設多機連鎖控制再以空壓系統性能量測設備量測其耗能比值為再以空壓系統性能量測設備量測其耗能比值為 0.107kWh/m 0.107kWh/m 3, 3 試算其節能效益試算其節能效益?

9 空壓系統節能效益評估 - 系統性能用氣量消耗電力供氣壓力壓縮機運轉狀態空壓系統性能量測設備與分析軟體空重車成本比例空重車耗電比例輸入電力輸出風量電流 sensors 裝設位置壓力 sensors 裝設位置系統性能分析彙整壓力系統使用比例個別壓縮機運轉狀態 NT / m 3 NT 221, 空壓系統最佳控制的效益範例範例一系統原具有一系統原具有 3 3 部 200hp( 200hp( 其中有其中有 2 2 部採容調控制部採容調控制 ) ) 2 2 部 100hp 100hp 空壓機空壓機, 以壓力階梯方式決定開關機順以壓力階梯方式決定開關機順序, 每年運轉每年運轉小時小時, 經空壓系統性能量測設備量測與分析其耗能比值為經空壓系統性能量測設備量測與分析其耗能比值為 0.138kWh/m 0.138kWh/m 3, 3 年用年用氣量氣量 34,559,616m 34,559,616m 3 3 ( 其中洩漏佔 ( 其中洩漏佔 20%) 20%), 系統操作壓力範圍系統操作壓力範圍 6.0~7.5kg/cm 6.0~7.5kg/cm 2, 2 平均操作壓力平均操作壓力 7.01kg/cm 7.01kg/cm 2, 2 年耗電耗電 4,769,227kWh, 4,769,227kWh, 年運轉成本年運轉成本 11,923,068 11,923,068 元經節能措施元經節能措施 (1) (1) 更新一更新一 200hp 200hp 舊空壓機為變頻機舊空壓機為變頻機 ( 壓力控制水準設為 ( 壓力控制水準設為 6.2kg/cm 6.2kg/cm 2 ) 2 ) (2) (2) 將容調控制之空壓機改為加卸載控制將容調控制之空壓機改為加卸載控制 (3) (3) 於系統裝設多機連鎖控制於系統裝設多機連鎖控制再以空壓系統性能量測設備量測其耗能比值為再以空壓系統性能量測設備量測其耗能比值為 0.107kWh/m 0.107kWh/m 3, 3 試算其節能效益試算其節能效益? 分析分析 (a) (a) 因機組運轉效率最佳化空壓系統壓力最佳化消除了空車與容調耗能因機組運轉效率最佳化空壓系統壓力最佳化消除了空車與容調耗能, 及降低了空壓機單機耗及降低了空壓機單機耗能, 使空壓系統耗能比值降為使空壓系統耗能比值降為 0.107kWh/m 0.107kWh/m 3 3 (b) (b) 因為系統操作壓力降低因為系統操作壓力降低, 使空壓系統洩漏最小化使空壓系統洩漏最小化, 洩漏量減少約洩漏量減少約 20%, 20%, 使得改善後年用氣量減為使得改善後年用氣量減為 33,177,231m 33,177,231m 3 3 (c) (c) 節能效益計算節能效益計算改善後年耗電改善後年耗電 = 33,177,231m 33,177,231m 3 * 3 * 0.107kWh/m 0.107kWh/m 3 =3,549,964 3 =3,549,964 kwh kwh 改善後年運轉成本改善後年運轉成本 =8,874,909 =8,874,909 元節能值節能值 = 4,769,227kWh 4,769,227kWh -3,549,964kWh=1,219,263-3,549,964kWh=1,219,263 kwh kwh 節能比例節能比例 = 1,219,263kWh 1,219,263kWh 4,769,227kWh=25.6% 4,769,227kWh=25.6% 資料來源 Energy-Air 公司源能空壓節省成本節省成本 = 11,923,068 11,923,068 元 -8,874,909-8,874,909 元 =3,048,159 =3,048,159 元 18 9

熱回收一般工業用空壓機所使用的電能有高達 80 到 93% 會轉換為熱能在許多情況下, 一個適當設計的熱回收裝置可以從這些可用的熱能中回收約 50 到 90%, 並將它用於有用的工作上, 例如加熱空氣或水熱回收系統可用於氣冷及水冷式壓縮機回收熱的典型用途包括暖氣補充加熱工業製程加熱水加熱補充空氣加熱及鍋爐補充水預熱不過,

係將熱回收與目前用於係將熱回收與目前用於產生熱能所需的能源產生熱能所需的能源 ( 可能是廉價的石化燃料可能是廉價的石化燃料 ) 進行比較以下案例進行比較以下案例說明回收氣冷螺旋式壓縮機的廢熱用於空間加熱說明回收氣冷螺旋式壓縮機的廢熱用於空間加熱, 每年所能節省的能每年所能節省的能源及成本在現有暖氣的效率低於源及成本在現有暖氣的效率低於

6kcal/bhp-hr 操作時數操作時數範例範例一部一部 150-hp 150-hp 的壓縮機每年運轉的壓縮機每年運轉 6000 6000 小時小時, 回收其熱空氣供柴油鍋爐燃燒回收其熱空氣供柴油鍋爐燃燒使用使用, 機組輸出的回收熱百分比機組輸出的回收熱百分比 =0.80, =0.

10 熱回收一般工業用空壓機所使用的電能有高達 80 到 93% 會轉換為熱能在許多情況下, 一個適當設計的熱回收裝置可以從這些可用的熱能中回收約 50 到 90%, 並將它用於有用的工作上, 例如加熱空氣或水熱回收系統可用於氣冷及水冷式壓縮機回收熱的典型用途包括暖氣補充加熱工業製程加熱水加熱補充空氣加熱及鍋爐補充水預熱不過, 來自壓縮空氣系統空壓系統的回收熱通常並不足以直接產生蒸氣雖然經濟性非常高, 且通常所增加的成本可以在不到一年的時間內回收, 但大部分的系統都沒有進行熱回收熱回收系統的風扇或泵浦需要用電, 但可以減少那些通常用來進行加熱的燃料需求在計算節能及熱回收裝置的投資回收時間時在計算節能及熱回收裝置的投資回收時間時, 係將熱回收與目前用於係將熱回收與目前用於產生熱能所需的能源產生熱能所需的能源 ( 可能是廉價的石化燃料可能是廉價的石化燃料 ) 進行比較以下案例進行比較以下案例說明回收氣冷螺旋式壓縮機的廢熱用於空間加熱說明回收氣冷螺旋式壓縮機的廢熱用於空間加熱, 每年所能節省的能每年所能節省的能源及成本在現有暖氣的效率低於源及成本在現有暖氣的效率低於 85% 85% 的應用中的應用中, 將可以看到更高的節將可以看到更高的節約效果約效果節能值節能值 (Btu/yr) (Btu/yr) = 回收熱百分比回收熱百分比壓縮機壓縮機 bhp bhp 641.6kcal/bhp-hr 641.6kcal/bhp-hr 操作時數操作時數範例範例一部一部 150-hp 150-hp 的壓縮機每年運轉的壓縮機每年運轉小時小時, 回收其熱空氣供柴油鍋爐燃燒回收其熱空氣供柴油鍋爐燃燒使用使用, 機組輸出的回收熱百分比機組輸出的回收熱百分比 =0.80, =0.80, 試算每年熱回收之能源與節省試算每年熱回收之能源與節省的成本的成本 ( 假設柴油熱值假設柴油熱值 6612kcal/L 6612kcal/L 價格價格元 /L) /L) 節能值節能值 = 0.80*100bhp*641.6kcal/bhp-hr*6000hrs 0.80*100bhp*641.6kcal/bhp-hr*6000hrs = = 307,968, ,968,000 kcal/yr kcal/yr 節省成本節省成本 = (307,968,000 (307,968,000 kcal/yr kcal/yr 6612kcal/L) 6612kcal/L) 元 /L=1,071,274 /L=1,071,274 元 / 年 / 註不包括運轉一個額外的風管導風扇所需的用電成本不包括運轉一個額外的風管導風扇所需的用電成本 19 結論許多關於空壓系統的管理決策都只根據最低的初始設置成本或是保持著如果沒壞就不要修理的心態然而, 要獲得空壓系統最佳的經濟性, 空壓系統使用者應根據生命週期的經濟性來選擇設備使用適當大小的元件以最低可行的壓力來操作設備關掉不必要的壓縮機採用適當的控制和儲存策略維持設備的最佳性能並以最佳性能來操作, 才能獲致最佳經濟性的目的工研院機械所賴慶峰 George_Lai@itri.org.tw TEL (03)

壓縮空氣監控系統節能簡介

壓縮空氣監控系統節能簡介壓縮空氣系統節能簡介財團法人中技社林文祥中華民國九十年十一月一日知己知彼, 百戰百勝切莫頭痛醫頭, 腳痛醫腳安裝適當的儀錶, 取得相關資訊分析系統改善前, 先了解系統的問題所在壓縮空氣系統常見問題壓力不足及變動過大空壓機老舊效率差壓縮空氣洩漏空壓機長時間卸載壓縮空氣管路任意延伸儀錶不足與不準壓縮空氣系統長時間在低效率下運轉壓縮空氣系統診斷空壓機的排氣量耗電量及效率檢測