空压机节能探讨

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 （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) 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-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（Booster） 来使用。
        4. 以100PISG (7kg / cm2 G) 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 (Polytropic Efficiency)　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 (Heavy Duty) 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（Double Acting） 的设计，可以采用多阶 (Multi – Step         Control) 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. 直立式、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。
       

四、螺旋式空压机的优缺点介绍
        螺旋式空压机的问世起于有油螺旋式，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旋式的良好观感，在初问世时确实在市场上造成不小的震憾力，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，转于的真径、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. 螺旋式空压机的噪音度几乎可说是所有空压机中的，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」履见不鲜，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 (Constant Volume, Variable Pressure) 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.某些螺旋式空压机的设计泄载时仍然需要大约70~80％的全载功率，在选购前确实需要的分辨清楚，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泄载时需要大约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的蔚为市场主流，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 (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