經濟暨綠能發展處

面對國內溫室氣體減量及管理法修法與國際溫室氣體排放管制趨勢，推動製造部門溫室氣體減量刻不容緩。由於製程技術或設備導入須考量之因素眾多，為協助工廠順利進行低碳生產新技術或設備導入之前期規劃，經濟部產業發展署辦理「低碳生產技術彙編」，藉由各產業專家所建議低碳生產技術設備之技術介紹及實務案例，以協助企業排除技術篩選之困擾與障礙，順利導入低碳生產製程技術。 
 
本系列內容將介紹六種不同製程動力系統節能技術，本篇說明「壓縮機葉輪改善技術」，重點如下： 
 
製程動力系統節能技術：#5壓縮機葉輪改善技術 
 
🎬 技術原理 
近年設計分析軟體與製造加工技術不斷精進提升，壓縮機葉輪優化改善為提升壓縮機效率的有效手段之一，葉輪改善可由以下兩大面向來著手： 
(1) 優化葉輪加工方式如五軸精密加工，預估可提升約1%~3%效率； 
(2) 重新設計高性能葉輪，並且以五軸精密加工方式製作，依專業廠商經驗約可提3%~10%效率；若既有設備因製程操作條件改變或葉輪已受磨損等因素導致其壓縮機能效較低，經葉輪優化改善後壓縮機效率可提升約至10%以上。 
 
以離心式空氣壓縮機能效提升為例，因壓縮機產生流體壓力的重點核心為葉輪，若將其進行改善即有相當大之節能效益。葉輪改善優化流程說明如下： 
(1) 將葉輪重新分析設計優化氣流之速度壓力，經分析後若有節能效益者可評估執行葉輪汰換，市面上可應用之流體模擬軟體如Ansys； 
(2) 改善前先依據工廠既有設備轉子、製程操作條件及流體相關原理如材料力學、流體力學、熱流等進行分析，並以葉輪前端的入口角度與出口角度的相對關係進行高性能葉輪設計； 
(3) 葉輪製作過程以鍛造素材進行五軸精密加工，並將完成後之葉輪以平衡機及相關檢測設備進行測試及量測，依據ISO 1940-1:2003機械振動—剛性轉子平衡品質要求進行葉輪動平衡測試； 
(4) 完成葉輪製作後，可於工廠歲修時進行葉輪汰換。 
 
🎬 技術特點 
壓縮機葉輪改善技術有下特點： 
1. 因大型壓縮機建置經費達上億元，若僅改善重點核心之葉輪可大幅降低改善成本； 
2. 相較一般葉輪材質為不鏽鋼，若汰換為鈦合金材料或依流體性質進行表面防蝕塗覆，可改善葉輪強度、提高抗衝蝕與腐蝕性，以延長設備使用壽命； 
3. 以壓縮機葉輪進行流場優化改善可提升設備效率，達節能減碳效益，並降低能源成本； 
4. 若有產能擴充需求且現場無法增設產線，可於既有設備及能源耗用情況下提高壓縮機產出效率，達到產能效率提升效益。 
 
🎬 注意事項 
技術規劃設計應考慮因素包括： 
1. 依流體條件進行設計，並考量流體腐蝕情形選擇葉輪材質，如葉輪本體材質選用不鏽鋼或鈦合金、表面是否進行防蝕塗覆； 
2. 改善前建議評估壓縮機系統相關元件如軸承、軸封、轉子等強度及使用壽命，若有需求可一併進行改善。 
 
🎬 建議應用場域 
具有葉輪或葉片之動力設備如泵浦、真空機、壓縮機等均可評估改善，建議應用產業包含石化業、鋼鐵業、紡織業等。 
 
🎬 應用案例 
1. 國內某家面板顯示器製造廠商，原設有7 台額定功率800 hp之三段離心式空氣壓縮機，設備主要供應製程使用，其額定出口壓力為10kg，而目前現場需求壓力為7kg，經規劃評估後，將其中1台空氣壓縮機葉輪進行葉形重新設計，使三段葉輪各級的出入口達最佳壓縮比至出口壓力7kg，預估之軸功率合計為340kW，相較改善前433kW可提升約21%效率。透過改善壓縮機葉輪，投資金額約為250萬(含改善為鈦合金葉輪並優化設計、製作等項目)，節能效率可達10%以上，每年可節省105萬電費，減碳量可達185噸CO2e，預估僅需.43年即可回本。 
2. 國內某家化學品製造廠商，原採用1台規格為3,000 hp壓力為8kg之多段離心式空氣壓縮機，改善前流量運轉狀態質量流率為26T/h。經規劃評估後，透過葉輪之葉型改善以提升機組最大流量，最大質量流率可由26T/h 提升至29T/h，約可提升12%的空氣流量。透過葉輪之葉型改善，投資金額約為1,000萬(含葉輪優化設計、製作、安裝工程等項目)，節能效率可達12%以上，每年可節省645萬電費，減碳量可達1,148噸CO2e，預估僅需1.5年即可回本。