空气压缩机选择及节能方法

空气压缩机选择及节能方法（3）

六、如何选择空压机以达到节能的效果

4. 如何选择适当的控制方式

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作为正确的选择控制方式的参考：

(一) 卸／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卸载，如果卸载时的功率消耗不大(15%左右是较理想的设计)，卸载的频率不高以及卸载的时间不长，这种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。

(二) 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％，0-25-50-75-10 0％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卸载时马达的功率因素(Po wer Factor)急剧下降的困扰。

(三) 定压式控制(Constant Pressure Control)又称节流式控制(Thr ottle 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，使用卸／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。

螺杆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。

(四) 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。

(五) 变速控制在早期大多使用于滑轮机驱动的空压机，而马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，马达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：

使用电压限定在600伏特以下。

离心式空压机（齿轮增速式）不得使用变速控制。

成本较高。

(六)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。

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。

5. 如何选择适当的外围配备

(一) 控制阀

作为最佳进气节流控制的控制阀首推进气导流叶片(Inlet Guide Va ne)，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。

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。

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。

(二) 干燥机

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用压力露点(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，以下几项原则可作为选择的参考：

˙切勿刻意的强求过低的压力露点温度，＋３℃和＋１０℃的露点温度极可能在使用上并没有明显的差异。

˙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。

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。

˙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。

(一) 冷却水系统

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。

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。

(二) 管路的规划及管径的选择

理想的管路设计是否正确、良好可以用压损的高低作为衡量的标准,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/cm2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）：

空气流速÷进气风量／（压缩比×管路截面积）

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。

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。

(三) 储气筒

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。

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。

七、操作与保养对能源时消耗的影响

前文中曾介绍空压机的种类、大小、控制方式等各具特色，虽然各制造厂无不竭其所能的寻求节能之道，但是空压机在各种不同的场所是否能发挥其特性以达到能源被有效利用的目地，最终仍得视操作人员的使用、保养是否得当才能做到能源不被浪费的理想境界。前文中曾

提过，选择适当的控制方式以及冷凝水排放控制阀的保养与调整是操作、保养人员有关节能的例行工作，此外，属于操作及保养人员的责任范围但是常见的疏失如下：

1.风量过剩造成卸／负载或排放，有时可以借着降低基本负载空压机的马达负荷来减少送风量（离心式空压机），来改善或者借着不同的压力设定让小容量空压机做调节性卸／负载或排放，也有可能让大容量空压机做节流性控制而达到改善的目地。

2.风量不足造成压力不足而不得不增加一台空压机并入运转的情况，有时可以借着提升空压机的马达负荷来增加送风量（离心式空压机），很可能可以停用一台补充用空压机或是更换一台容量较小的空压机

并入使用。

3.空压机的排气压力每增减１PSI会使功率增减0.45％（以相同的重量流量，100PSIG的排气压力为例），因此，排气压力的设定过高往往造成能源被无谓的浪费而不被察觉。此外，很多气动设备的空气消耗量与绝对压力成正比，降低压力的设定还能减少空气的消耗量。

4.让空压机轮流「休息」而频频的转换空压机运转己经是过时的观念。只要是高强度（Heavy Duty）设计的空压机，尤其是离心式空压机，只有在必要的保养或其它因素需要停机以外，应尽可能保持长期连续

运转，换言之，应尽可能的让高效率的空压机保持运转，让效率较低的空压机作为备用或补充用。（注：频频的起动、停机还会有马达绝缘度被逐渐破坏的后遗症。）

5.进气压力每增减1PSI会使功率增减的４％（离心式空压限制在13 PSIA以上，否则需要特别设计），换言之，重量流量亦随之增减约４％，因此，进气压力降低很多会造成压缩空气不敷使用的困扰，以海拔不高的地域，大气压力的变化对进气压力的影响几乎可略而不计，影响进气压力至巨的就是进气过滤器的保养、更换是否确实，其次是进气管路是否过长，弯头使用是否过多而影响进气压力。为了吸取较干净、较低温的空气而将进气过滤器设置在６公尺以上的高处是相当正确的做法，管长因而增加应适度的放大管径以减少压损。

6.相同的重量流量，冷却水温度每增减10％会使功率增减约1.4％，事实上，水温只是广义的说法，狭义的说法应指中间冷却器的空气出口温度（后压缩段的空气入口温度），当然冷却水温度是影响空气温度的主要因素，但是冷却器或冷却水系统的散热效果不佳的影响空气温度却是保养者的责任。

7.流量计的选用、安装有相当严格的要求及注意事项，否则流量计会出现极大的误差而引起争议，或许因此，绝大部份的压缩空气系统都没有流量计的设置，只有仰赖操作人员的经验来判断用气量或空压机

出风量的多寡，其结果不言可喻。其实流量计即使不十精确，但是仍然可以用比较法来帮助记录使用量的变化作为用气量较客观的分析依据。

8.压力表、温度表、压力传送器、温度传送器或压力开关、温度开关等监控配件需要定期的检查，一旦发现偏差即应校正或更新，只有如此，监控配件才能发挥其应有的效益。