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歐日系空壓機大廠 力拚節能效益最大化
[作者 陳念舜]   2020年01月07日 星期二 瀏覽人次: [2517]

在2019年底召開的第25屆世界氣候變遷大會(COP25)期間,台灣因為非巴黎氣候協定締約國,只能比照往年一樣在場外賣力宣傳。但同時由環保團體德國看守(German watch)在議場邊發布的「2020年氣候變遷績效指標(Climate Change Performance Index,CCPI 2020)」報告中,除了前三名從缺,以瑞典排名第四最佳;且格外諷刺的是,台灣不僅在過去幾年來排名每況愈下,於去年61個評比國家中名列59,倒數第三名更是歷屆最差,只贏過沙烏地阿拉伯和美國,甚至落後中國大陸、印度。



圖1 : 瑞典環保少女桑伯格(Greta Thunberg)在2019年COP25世界氣候變遷大會上,呼籲各國政府與產業應負起節能減碳責任,來避免災難性的全球暖化。(source: reneweconomy.com.au)
圖1 : 瑞典環保少女桑伯格(Greta Thunberg)在2019年COP25世界氣候變遷大會上,呼籲各國政府與產業應負起節能減碳責任,來避免災難性的全球暖化。(source: reneweconomy.com.au)

雖然事後因為該報告中的前三項評比資料:溫室氣體排放、再生能源發展、能源使用,均引用2017年統計數據而受爭議。但依照曾參與CCPI評比的環境品質文教基金會董事長謝英士表示,這幾年來因為台灣為了強推「2025非核家園」政策,而無視於太陽能、風力、水力等電力來源的不穩定特性,必須仰賴近80%大量燒煤及天然氣等石化燃料為主的火力發電維持備轉基載;並且因此占用濕地、林地空間,反而破壞生態等,皆導致台灣人均排碳量居高不下。


對於台灣產業而言,除了應持續利用可再生能源,以減少碳排放之外,還須不斷尋求創新解決方案和技術,以加強管理、節省使用能源,才是減少碳足跡最重要的方法。如根據統計現今典型工業設施中約可減少耗能15~20%,而壓縮空氣系統又占全球工業耗能約10%,包含在生產過程中,唯恐受到馬達或其他產生動力的設備效能不佳,所以必須從生產、管路配置與消耗等能源鏈各環節都盡可能提高效率。



圖2 : 「2020年氣候變遷績效指標(CCPI 2020)」報告發布,除了以瑞典排名第四最佳,台灣排名倒數第三位更是歷屆最差。(source:news.cgtn.com)
圖2 : 「2020年氣候變遷績效指標(CCPI 2020)」報告發布,除了以瑞典排名第四最佳,台灣排名倒數第三位更是歷屆最差。(source:news.cgtn.com)

空壓機地位舉足輕重 串聯整廠網路節能減碳

估計目前由工廠造成的總能源消耗中,壓縮空氣裝置約占5%~40%,而在空壓機5~10年生命週期成本中,就有70%與能耗相關;另有約20%壓縮空氣會自供應空氣配管中洩漏,距離越遠就越容易浪費能量;即使停機狀態下,也會消耗額定功率20%,造成空氣需求波動。


因此,使用者必須同時納入壓縮空氣網路的供應端(supply)、配置端(distribution)、需求端(demand;user)三大環節,預防配置端洩漏,避免造成壓縮空氣系統最大浪費來源;以及進入生產過程後,容易因為製程設備或生產線轉換而形成的洩漏點,更難以評估和修復,成本同樣高昂;進而將廢棄物管理觀念用於壓縮空氣裝置,透過適當維護服務及時預防或回收,即可降低約5%以上耗能,促使能效最大化。


瑞典空壓機大廠Atlas Copco公司逾百年來持續提供創新空壓機、真空解決方案、空氣處理系統和動力技術,並專注於開發具備可持續生產力、能源效率、安全性和人體工程學相關的產品和服務;進而達成最佳化配置,同時提供需求端使用者許多現場解決方案,建議最佳產氣量,避免不必要的浪費。


於供應端則為了協助顧客預防浪費,使能效最大化,而建議採用較佳產品提高壓縮空氣網路每度發電效率。例如推出VSD+系列變頻空壓機貼近客戶實際用氣量需求,通常可降低能耗約50%左右。並陸續推出與空壓技術相關產品,包含無油/微油/高壓/離心空氣壓縮機、渦輪增壓設備和乾燥空氣後處理系統等,囊括5~15,000HP範圍,並以10HP~3,000HP為主流,應用廣及電子、汽車、塑化、鋼鐵、食品、化工等產業。


除了近年來已售予台灣TFT-LCD產業1,000HP以上空壓機;並符合半導體產業對於輸出高品質空氣、高可靠度與安靜無聲要求的無油式空壓機,成功切入供應鏈。同時可搭配自行研發的智能控制器和ES系列多機聯控系統,選擇最有效的空壓機組合及運行模式,得以較低起動電流減少高峰狀態、穩定調節壓縮功率,省下可觀使用和售後服務成本;還有極少機會卸載或放空,在如此龐大的空壓系統內,仍有餘裕加入多部壓縮機,從而達到最低能源需求,加快回收投資報酬。


隨著如今各家國內外空壓機大廠都競相推出節能解決方案cost down,並配合政策爭取補貼,Atlas Copco也透過旗下永磁式變頻空壓機種所提供的全方位增效節能解決方案,已獲得Siemens認證其採用的變頻馬達效能更佳,可不必像傳統定頻、感應式馬達受到IE等級規範限制,在相同馬力、能源使用率前提下的抽/排氣效率較高。


也就是說在相同75HP運轉前提下,Atlas Copco變頻空壓機運轉頻率可依負載於25~98Hz區間調節,而非僅憑藉定頻馬達+變頻器協助剎車或調整轉速快慢,而分別達到50~60Hz、40~60Hz頻率,滿足終端需求用氣量不浪費;進而省下後續維護保養費用,避免磨耗增加而縮短使用壽命。


最新推出的微油變頻螺旋式空壓機係採取內建垂直式永磁IPM馬達+變頻器直接傳動,加上整合內建冷乾機,得以更大程度節約占地面積與工作空間,最多可增加12%風量;即使在用氣需求20%~100%劇烈變化時,仍可維持平均節能50%。無油變頻螺旋式鼓風機則採用第五代智慧控制操作面板,具備RS-485輸出、MART LINK無線遠端監控發報功能,並通過ISO-8573-1 Class Zero無油認證,比起傳統魯式鼓風機節能效益30%。


Atlas Copco空壓技術部門總經理John Demers表示:「即使未來面對更成熟的市場環境,該公司仍將繼續努力成為在品質、節能、效益、環保、服務和符合人體工程學設計的佼佼者,以確保客戶可持續生產力。」目前Atlas Copco在台灣從原來空壓機、真空泵、動力設備和低壓產品線等部門外,今年再增添24/7可靠租賃解決方案,以協助使用者減少停機時間,並實現生產最大化,進而爭取離岸風電產業商機。


引進高效空壓機種 更強調潔淨比節能更重要

另一家日系空壓機大廠日立公司(Hitachi)則自1911年開始製造壓縮機以來,也有超過百年歷史,至今已是日本市占率約達32%的第一大品牌,近年來更完成整併旗下所有空壓機製造工廠,並訴求將持續致力於乾淨壓縮空氣的生產效能,為地球環境貢獻節能。


維恩實業從1997年開始成為Hitachi在台灣地區的空壓機總代理商之後,除了不斷引進原廠最新優質設備,客戶群已涵蓋3C電子、高科技、食品產業等多家上市櫃公司及各大醫院,還提供全方位技術服務及諮詢,以節能技術促進產業革新。2016年更獲得Hitachi技術核可,在維恩桃園總公司成立「日立空壓機學校在台教育中心」,與日本原廠技術同步。


目前便針對半導體及光電產業客戶,特地引進Hitachi無塵式專用的DSP/SDS兩大系列無油螺旋空壓機,全系列機種均依據ISO8573-1標準,符合在壓縮機設置場所的大氣中,均能提供所含油份及有機溶劑成份等濃度,皆達到潔淨度Class 0等級的壓縮空氣。


其中DSP系列無油變頻式空壓機的節能模式,可依使用端的用氣量需求變化分為三階段控制,確實為客戶達成了最佳省電節能要求;而更大型的SDS系列無油螺旋式空壓機吐出的最大壓縮空氣量,更可高達80m3/min以上,滿足光電業者對大用氣量的需求。同時搭配更具人性化的NEXT II彩色觸控式操作面板,除了提升性能外,也大幅加強了監視空壓機使用狀態的功能。



圖3 : 在日立(Hitachi)螺旋式壓縮機的本體結構內,利用獨家三次元補正技術且施以鏡面加工,保持最適當間隙值,即使在嚴苛環境下還能保持其性能。(攝影/陳念舜)
圖3 : 在日立(Hitachi)螺旋式壓縮機的本體結構內,利用獨家三次元補正技術且施以鏡面加工,保持最適當間隙值,即使在嚴苛環境下還能保持其性能。(攝影/陳念舜)

然而,因為目前台灣依IE等級分類的節能補助計畫,僅針對傳統200kW以下感應式馬達+變頻器效率高者補助,該公司30~1,500HP等大馬力無油及微油變頻式空壓機,雖然均可通過更加精確的壓力控制,提供最適合現場使用壓縮空氣的需求之壓力及風量;並採用比起IE4等級更高效率的DCBL(永磁/DC無刷)馬達,卻因為輔導單位缺乏檢測能力而被排除在外,導致客戶採購卻無法獲得補助。


維恩實業公司技術部黃仁和表示,由於現今空壓機所有輸出能量都會轉移成熱而不作功,而成為台灣推動節能補貼政策下的首波開刀對象。但他坦言:「目前產業想談真正節能並不容易,包含市面上大部份空壓機均屬容積式,其主要透過機械力量壓縮空氣,所以當空壓機維持滿載時的效率最高,只要降低輸出空氣量,變頻空壓機就會自然減少所需轉速和軸功率。」客戶也因此,或為滿足最終買主要求而不得不節能,並創造變頻器需求。


惟若受到各家馬達功率因素及搭配變頻器後的效率均不相同,加上政府輔導單位也僅擷取部份使用數據,來證明節能效果的可信度其實不高。反而依ISO已開始針對馬達、變頻器等整體變頻系統總效率規範更有用,所以他建議使用者或輔導單位,未來仍應長期監控實際用氣量狀況才可能精準。


但即使在工業4.0問世後,要想藉此反饋使用資訊、輸出報表,也須要在公司生產前先投資更新設備蒐集資料,再通過Modbus上傳雲端監控,大部份客戶卻寧願等到空壓機真正故障毀損後才叫修。黃仁和認為:「使用者評估空壓機品質最重要的標準,還是耐用!」


使用空氣做為動力來源的好處是潔淨、容易控制和便宜,但要真正節能仍是靠管理,即須業主下定決心,在設廠規劃前精算以長遠規劃;至於管路配置或生產過程中洩漏,仍應經由使用者設法解決。若是採購的空壓機性能夠好、偵測能力更強,業主就能自行操作,即使在生產過程中也能免停機測漏,並配合現場員工解決。


Hitachi不僅在螺旋式壓縮機的本體結構內,皆採用耐蝕及耐久性佳的不鏽鋼精密轉子,並考量到預防運轉中的熱膨脹增加內部洩漏量,所以會先利用Hitachi獨家3次元補正技術,並施以鏡面加工,以保持最適當間隙值;且在轉子表面塗裝有固體潤滑被膜,即使在超過300℃嚴苛環境下,還能保持其性能。


同時專為無油螺旋式壓縮機設計的螺紋式軸封加上空氣軸封,可透過內部螺紋溝槽將漏油阻擋回去,防止進入壓縮室;且在軸承使用專屬滾珠和滾柱軸承,並使用噴射給油潤滑;以及透過精密加工的正時齒輪,確保轉子間有適當間隙。


黃仁和指出,目前空壓機本體平均壽命約10年,即使常被置於嚴苛環境亦無妨;加上變頻器設計都會納入滿載需求,甚至高出客戶用氣量110~120%,或採取多機操控、調配,不怕損及變頻空壓機壽命;且已有許多感應式馬達採用「軟起動」裝置,不必擔心起動電流過大,就能因應滿載、部份負載或空?情況,反而是變頻器更容易受到外在環境影響。


因此他建議輔導單位,由於使用端很難有一模一樣的使用狀況,不能只計算使用或電力成本,而應該長期大規模追蹤IE2、IE3馬達以比較維運成本;另將有無變頻器節能的成本說清楚,以免因故障導致設備停產或更高維修成本。否則依目前節能補助只適用於感應馬達,而排除節能效率更佳的DCBL驅動馬達,造成大部份業者都為了節能補助而採購變頻新機,卻非汰舊換新,仍難免使用定頻舊機,而非真正省電。


**刊頭圖(source:fluidflow.com/)


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