空气压缩机选择及节能方法.docx
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空气压缩机选择及节能方法
空气压缩机选择及节能方法
（1）
一、概述
在诸多被经常使用的能源中，压缩空气可说是仅次于电力的普及能源之一，虽然压缩空气的使用尚未像电力一样的深入一般家庭中，但是工业、矿业、工程业、医疗业甚至农业都有日趋广泛的用途，尤其在工业界的使用量极其可观，主要是它具有以下几种其它能源无法取代的特性：
1.无污染或低污染性，在环保意识高涨的时代，压缩空气取之于大气而回归于大气，不需要回收处理而完全不会制造污染（经过分离、过滤的含油压缩空气会有微量的油气，即使有泄漏的情形发生也没有污染环境的顾虑）。
2.在生产过程中，压缩空气可以和绝大部份的产品直接接触来传送动力而不会伤害产品。
3.无自燃性，不容易造成公共意外，除了压力容器需要按照规定设置及定期检查之外，完全没有引起公害、电击的顾虑。
4.温度不高，不容易引起灼伤、烫伤等重大伤害。
5.可借助分离技术来生产氮气、氧气、氢氮或稀有气体来供应特殊用途。
6.提供非能源用途，例如人员呼吸、水处理、发酵及化学反应等特定用途。
鉴于压缩空气己被各行各业所广泛的采用，在工厂大型化及自动化的前提下，压缩空气的使用与日剧增，而空压机在生产能源／压缩空气的同时，本身也在大量的消耗能源，以最普遍的100PSIG（7kg/cm2G）压缩空气系统为例，每生产100ICFM的压缩空气大约需要消耗20HP的能源，在目前的工业界动辄使用数千马力甚至数万马力空压机的工厂己为数众多，如何节省如此庞大的能源消耗，确实是业者值得深思的课题。
绝大部份的空压机都使用马达驱动的方式，极少数的空压机会使用蒸汽涡轮机（SteamTurbine）或燃气涡轮机（GasTurbine）来驱动，在蒸汽过剩或有燃气（废气）可资利用的行业使用涡轮机来驱动空压机确实有极大的节能效果。
使用涡轮机驱动的案例不多，后叙中空压机的驱动方式将专指马达驱动而言。
二、空压机的种类
1.空压机在压缩空气的过程中，以空气是否与润滑油的混合来分类，可以区分为有油式及无油式空压机两种，润滑油对任何机械设备都具有润滑与冷却的作用，针对有油式空压机，润滑油还具有气密的作用来提升空压机的容积效率，因此，从节能的观点来看，有油式空压机的能源效率绝对会高于无油式空压机。
不可否认的，压缩空气中的油气会造成甚多使用上的困扰，即使经过精密过滤器的处理也无法达到完全无油的境界，虽然有油空压机的能源效率较高，但是，精密过滤器的购置成本以及精密过滤器所导致的压损、能源损失也相当的可观，除非气动设备可以接受含油的压缩空气或是压缩空气的使用量很少，绝大部份的用户，尤其是工业界都己扬弃有油式空压机。
因此，在后叙的章节中将以无油式空压机旳分析介绍为主。
2.以压缩的方式来区分空压机可以分为定排量式空压机（PositiveDisplacementCompressor）及动能式空压机（DynamicCompressor）。
各类型空压机的优缺点会在后文中分别介绍。
（A）定排量式空压机的共同特性是藉助空压机将密闭于一定容积内的空气施以机械功来「压缩」空气的体积，同时提升压力，此类型的空压机以往复式（Reciprocating）及螺杆式（RotoryScrew）最具代表性及普及性。
（B）任何非直接「压缩」空气的体积以提升压力的方式都可归类于动能式空压机，坊间有很多的专门书刊介绍动能式空压机，在此不再赘述。
以其普及性及节能的观点来介绍当推离心式空压机为主流，事实上，离心式空压机又可分为多段同轴式（Milti-StageIn-line）及齿轮增速式（IntegralGear）两种为主。
以多段同轴式与齿轮增速式相比较，多段同轴式无论是体积或是重量都远比齿轮增速式庞大的多，当然除了造价较高之外，其能源效率也远比不上齿轮增速式，因此，在超大风量（市场的区隔大约在100,000CFM/170,000CMH）压缩特殊气体（空气或氮气以外的气体）的用途上尚可见其踪迹，市场上所常见的机种当首推齿轮增速离心式空压机为动能式空压机的代表，后文中也将以此类型空压机为主要的介绍对象。
三、往复式空压机的优缺点介绍
在工业化的进展过程中，往复式空压机是最早问市的空压机之一，它对工业界的贡献是不可抹剎的，即使它己失去了往日的风采，逐渐的被螺杆式、离心式空压机取代了主导的地位，但是它仍然具有一定的生存空间，可见它仍然存在某些独特的优越特性是其它类型的空压机无法完全超越或取代的。
其优点为：
1.进气、排气压力的涵盖范围非常广泛，其至可以满足4,000PSIG（280kg/cm2G）以上的需求。
2.风量的涵盖范围也相当广泛，虽然在大风量的应用上己逐渐的被其它类型的空压机所取代而退出市场，但是在小风量（数马力甚至更小）的使用范围仍具有相当的优势。
3.在小风量、高压的应用领域，往复式空压机可当做增压机（Booster）来使用。
4.以100PISG（7kg/cm2G）为例，两段式压缩的往复式空压机在能源效率上的表现即相当优越，其多变压缩效率（PolytropicEfficiency）大约可达87％，此标准也是其它类型空压机追求突破的标的。
5.气密性相当良好，因此也适合压缩空气或氮气以外的特殊气体。
6.采用高强度（HeavyDuty）的设计时，转速低、坚固耐用、连续使用的故障率低。
7.每段多缸（Multi–Cylincler）双动式（DoubleActing）的设计，可以采用多阶（Multi–StepControl）的容积控制方式，对压缩空气消耗量极不稳定的压缩空气系统可以使用0-50-100％的三阶控制式或0-25-50-75-100％的五阶控制，对节流控制的效益相当显著。
其缺点为：
1.在压力及风量上与其它类型空压机有重迭的适用范围，如果采用高强度设计标的的往复式空压机，其单位风量的造价相当高。
2.立式、Ｖ式、Ｗ式或Ｌ式的设计大部份都有不同程度的不平衡，因此，运转中会产生不同程度的振动，在安装基座的设计上，除了要考虑其静荷重外，还应考虑其动荷重才能避免不必要的后遗症。
3.类似引擎的设计，零件种类繁杂，其中需要定期更换的消耗性零件数量、项目相当多，不仅维修成本高而且维修时间长，这也是往复式空压机在某些应用范围逐渐退出市场竞争行列的主要因素。
4.往复式空压机有吸气及排气的行程，因此，排气是非连续性的间歇动作，当然会造成相当明显的压力脉动现象，管路设计工程师必须经过仔细的核算才能避免压力脉动所可能造成的损失。
5.阀片、活塞环、密合垫等消耗性零件的状况是否良好，直接影响到空压机的能源效率，在缺乏其它检测设备时，空压机的能源效率是否因为内部的泄漏而逐日下降？
对一般用户而言，实在是一件相当令人困扰而难以掌控的事实。
空气压缩机选择及节能方法
（2）
四、螺杆式空压机的优缺点介绍
螺杆式空压机的问世起于有油螺杆式，它在市场上的表现确实是非常优异，无油螺旋式沿袭了市场上对有油螺杆式的良好观感，在初问世时确实在市场上造成不小的震撼力，经过实际使用的严酷考验己逐渐式微，当然有其症结所在，究其原因，从下列优缺点的比较可窥其一二。
其优点为：
1.产品规格化较容易，在一定的风量范围，转子的直径、形状的可维持不变而仅需要将螺杆转子加长、缩短来适合不同风量的需求，此特性确实可以降低制造成本来帮助市场的竞争能力。
2.与往复式空压一样具有定排量空压机的共同的特性－排气压力有相当广阔的变化范围。
3.空压机本体结构并不复杂，在连续使用的表现上也相当良好，同时较往复式空压机大幅减少了很多的消耗性零件，具有保养容易的优点。
4.螺杆式空压机的噪音度几乎可说是所有空压机中最高的，噪音度视风量大小而定，往往都超过100dbA以上，因此螺旋式空压机必须配备隔音罩，也因此给人较为美观的良好印象。
5.可以使用节流控制。
其缺点为：
1.阴、阳螺杆之间必须存在的间隙，造成气密性不甚理想，是无油螺杆式空压机的能源效率不佳的主要原因，甚至可说是相同容积的各类型空压机中最差的（在相同条件下，以两段以上压缩的各类型空压机相比较）。
2.空压机本体仅有３～５年的寿命，换修空压机本体的技术又往往被原制造厂保留，因此，更换整组空压机本体的成本一般都会超过购置新机的六成，这也是使用者对此类型空压机最大的诟病。
3.在长期运转后长期停机，空压机本体内的转子「卡住现象」屡见不鲜，备用空压机变成极不可靠的备用状态。
4.在理论上，定排量的空压机属于等容变压（ConstantVolume,VariablePressure）的空压机，每压缩段单气缸的螺旋式空压机不具有节流作用。
凡是采用节流控制的螺旋式空压机，其方式不外（A）部份旁通的方式；（B）节制进气量的方式。
不论采用以上任何一种设计，虽然有某些程度的节流效果，但是在节能的效益上并不如想象中的明显，其原因如下：
（A）部份旁通的方式：
有从排气端排放或从压缩过程中间排放两种方式，纵使有0-100％的节流作用，但是空气仍然经过压缩或部份压缩，当然需要消耗能源。
（B）节制进气量的方式：
此种方式无非是在进气口加装节流阀，一般使用蝴蝶阀；节流阀在部份开度时当然有节流作用，同时空气在流经节流阀进入空压机前产生了某种程度的压降，使空气的密度降低而有节流的作用，但也因此而提升了整个压缩比，节流所导致的节能与压缩比提升所导致的耗能会有部份互相抵消，但仍不失为较旁通方式为佳的控制方式。
因受制于进气负压有一定程度的限制，所以节流范围也会限制在大约60-100%之间。
5.某些螺杆式空压机的设计卸载时仍然需要大约70~80％的全载功率，在选购前确实需要分辨清楚，较佳的设计也往往需要25％的全载功率。
注：
单段往复式空压机在卸载时需要大约25％的全载功率，需双段往复式空压机则仅需要大约15％的全载功率。
五、离心式空压机（齿轮增速式）的优缺点介绍
自1980年离心式空压机己成功的发展到300HP以上的机型，在市场市上的良好表现己逐渐蔚为市场主流，目前更发展到125HP的机型，在效率上仍然有不错的表现，己完全扭转了早期认为离心式空压机只适用于大风量的观念，离心式空压机也存在一些先天上的缺陷。
其优点为：
1.涵盖的风量范围非常广泛，从20M3/min到数千M3/min都能以单机来承担，单台风量愈大则愈凸显单位风量的投资成本低廉。
2.坚固耐用，长期连续运转的故障率极低。
3.构造简单，仅由少数的齿轮、轴承及叶轮（Impeller）构成主要的压缩部份，消耗性零件极少，保养容易。
4.具有等压变容（ConstantPressure,VariableVolume）的特性，不仅有保持压力稳定的作用而且有某种程度的节流作用，甚至还有超过额定风量（RatedFlow）的能力，对于评估使用风量准确度的质疑减少了不少的困扰。
5.没有像往复式空压机一样的压力脉动现象。
6.是相同风量的各类型空压机中噪音度最低者。
7.叶轮可以经过特殊设计来适合特殊的地理环境。
8.良好的动平衡设计，基础设计完全可以不必考虑空压机的动负荷。
9.必须使用多段压缩，这是效率良好的主要原因之一。
10.长期运转后的效率也不会有显著的差异（保养不良则另当别论）。
其缺点：
1.环境因素的改变，例如进气温度、进气压力、湿度、水温对离心式空压机效率的冲击较大，甚至会影响离心式空压机到完全不能使用的地步，选购离心式空压机需要更周详的规划来弥补此项缺陷。
2.以目前的市场区隔，离心式空压机仍然不适合低风量（100HP以下）、高压（50kg/cm2以上）的用途。
3.构造虽然简单但是非常精密，维修人员的技术层次要远高于往复式空压机，因此维修人员必须经过相当的养成训练才能承担精密部份的维修工作（并非指例行的保养工作）。
4.用于高转速的轴封气密性无法达到100％，因此不适合空气或氮气以外的任何气体压缩。
5.在静止中（备用）的离心式空压机一旦遭受压缩空气系统的逆流将会反转，如果油泵也在静止中，离心式空压机会有因为供油而严重损坏的风险，因此，操作人员要养成良好的习惯，将静止中的空压机的出口阀关闭以根绝仅靠逆止阀来保护空压机的风险。
6.离心式空压机与定排量式空压机有截然不同的压缩特性，操作人员最好要有离心式空压机的基本概念以防止离心式空机独具的气窒现象（Surge），连续性旳气窒很可能会造成离心式空压机严重的损坏，修复的费用相当可观。
7.不能使用变速控制。
8.电力系统频率不同的地区，离心式空压机完全不可以移地使用（即使可以更换齿轮箱内部的机件，所花费的成本也相当高，很可能不如购买新机）。
同理，在电力系统频率不稳定的地区选购离心式空压机要特别的慎重。
六、如何选择空压机以达到节能的效果
1.大／小型空压机的搭配选择
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，但是从各种层面来衡量，选择大型空压机也受到以下各种因素的左右：
（一）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冲击承受能力是否足够。
（二）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卸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。
（三）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。
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：
（一）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。
（二）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。
（三）对全厂的前瞻性做整体的考虑，分别列举近期、中期、远期投资计划的估计风量。
（四）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，当然会有意想不到的节能效果。
（五）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。
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。
2.如何选择适当的空压机设计压力及压缩段数
前文中曾提到定排量式空压机又称之为等容变压式（ConstantVolume,VariablePressure）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。
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。
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。
纯探对压缩段数与能源效率之间的关系，以常用的100PSIG（7kg/cm2G）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）
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。
3.如何选择马达的大小
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（VolumeFlow）的重量流量（WeightFlow）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。
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，可以借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（BrakeHorsePower）大10~15％的马达：
（一）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。
（二）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。
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。
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（ServiceFactor），但是很多的用户基于安全运行的考虑而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。
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％，0-25-50-75-100％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卸载时马达的功率因素（PowerFactor）急剧下降的困扰。
（三）定压式控制（ConstantPressureControl）又称节流式控制（ThrottleControl） 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（InletGuide
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