空气压缩机节能技术大全

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1、空气压缩机节能技术大全一、 前言在诸多被经经使用的能源中，每一种能源都有其特定范围，在适用性上各有优缺 点，不可否认的，电力是所有能源中最普及也最具方便性的能源；其次，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，主要是着眼于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

2、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、电殛的顾虑。4. 温度不高，不容易引起灼伤、烫伤等重大伤害。5. 可藉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题下，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

3、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 (Steam Turbine) 或燃气涡轮机 (Gas Turbine) 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

4、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

5、式来区分空压机可以分为定排量式空压机 （Positive Displacement Compressor） 及动能式空压机 (Dynamic Compressor) 。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) 及螺旋式 (Rotory Screw) 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

6、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-Stage In-line) 及齿 轮增速式(Integral Gear) 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

7、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，逐渐的被螺旋式、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（Boo

8、ster） 来使用。 4. 具有等压变容 (Constant Pressure, Variable Volume) 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(Rated Flow) 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

9、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址，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

10、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共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

11、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： (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 380460 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。 (B) 随着季节

12、、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。 (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。 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

13、如下： (A) 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。 (B) 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。 (C) 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。 (D) 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。 (E) 坊间有人

14、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（Constant Volume, Variable Pr

15、essure ） 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

16、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 1020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