塑膠產業製程與公用系統節能要點

2021專欄 2021-05-03

作者:()塑膠工業技術發展中心  品質環境安全部     胡皪元 顧問       

 

一、塑膠產業發展概述

1.         塑膠製品業發展及產品範圍

依據中華民國職業標準分類,塑膠製品業可細分為塑膠皮板管材業、塑膠膜袋業、塑膠日用品業、塑膠鞋業、塑膠皮製品業、工業用塑膠製品業及其他塑膠製品業等,如圖1所示。若以加工層次區分可分為一次加工、二次加工和多次加工。加工層次越高,附加價值也越高。一般加工法有射出、擠壓、壓縮、吹塑、積層、發泡、塗敷、強化等,用途涵蓋日用品、傢俱、建材、電器零件、機械零件、包裝材料和各種工業用品等。二次加工則如膠合、熱封、高週波加工、壓紋、電鍍、染色、植毛等。塑膠製品以加工製程的不同大致可區分為塑膠射出業、塑膠押出業、塑膠吹出業等。

 

1 塑膠製品加工業產品分類圖(圖片來源:經濟部工業局 )

 

二、塑膠業節能技術介紹

()電力系統

1.功率因數改善

  用電功率因數過高或過皆會影響供電品質,用戶可安裝自動功因調整器,調整功率因數至80%以上。功率因數不及80%時,每不足1%增加電費0.1%;超過80%時,每超過1%,則該月電費減少0.1%,惟功率因數超過95%部分不予扣減。

 

 

2 功因改善電容器組(參考例)(圖片來源:巧力工業()公司)

 

3 自動功因調整器(參考例)(圖片來源:巧力工業()公司 )

 

2.契約容量最適化

  經常契約容量設定太高時,多繳付基本電費,而當經常契約設定太低時,將多繳付超約附加費,因此應視用電需求訂定最適契約容量及時間電價,以減少電費支出。

4 契約容量改善前(參考例)

5 契約容量改善後(參考例)

 

3.導入需量控制

  合理使用電力,降低基本電費的支出。所謂需量是指某一特定時段內,有效電力的平均值,目前台灣電力公司規定是15分鐘。契約需量是電力公司為保障電力系統安全,要求用電戶必須依據需量的定義,計算負載所需的需量,並訂定合約;電力公司據此契約需量準備電力,同時為保證用戶履行合約而訂定超約用電處理原則,超約部份每千瓦計收 23 倍基本電費;因此需量控制對電力公司而言是系統安全的問題,對用戶而言是電費成本的問題。

  在未增加設備容量下超約,一般起因於:(1)負載使用參齊率增大、(2)大負載同時起動、(3)非計劃性製程或製程速度改變。由於需量是短時間的電力平均值,超約的發生並不意味增加使用電量(kWh)的結果,對用電戶而言,並不一定是產能或產量的增加,無論如何,超約是一種無效的電力成本支出,因此需量控制的定義與目的是建立電力需量控制系統,合理管控使用電力,降低基本電費或超約罰款的支出。

 

圖6 工廠需量控制系統(圖片來源:台科電科技)

 

4.使用非晶質變壓器

 

  在高次諧波時,非晶質鐵心變壓器的節能表現更為優異︰在正常系統使用下,非晶質鐵心變壓器鐵損值只有傳統高效率鐵心變壓器之 1/3 1/4,是一種特高效率節能變壓器,但近來因產業的需求,廣泛使用變頻設備、不斷電系統(UPS)、大眾捷運系統、電弧爐、整流設備等諧波源,使電源系統產生高次諧波,影響電力設備之正常運轉,但是非晶材料的物理及磁化性只有傳統鐵新的 1/10 損耗,將增加電力設備之能源效率,降低電力設備之能源損耗,使他在高次諧波時之表現非常優異,同時更節省電費。

7 非晶質變壓器(圖片來源:華城電機)

(照明系統

1. 採用高效率光源

  在維持或優於原照度下以高效率燈具取代傳統燈具。

 

8 室內照明-平板式LED(參考例)

 

9 高空照明-無極燈(參考例)

10 高空照明-陶瓷複金屬燈(參考例)

 

2.導入自然採光

  適度引入自然光,減少日間照明用電。

 

11 無自然採光日間點燈(參考例)

12 廠房自然採光(參考例)

3.採用燈具自動點滅控制裝置

  導入感測控制器自動點滅以減少照明用電。

(空壓系統

1. 空氣管路洩漏改善

  依據美國能源部調查資料顯示,整個空壓系統之能源使用情形,洩漏約佔25%,因此防止或降低空壓洩漏確實相當重要。空壓洩漏常發生在機組、却水器、管路接管與生銹處、空壓軟管、法蘭墊片及閥件等,透過巡檢作業,定期檢視空壓機組、管路閥件及相關週邊設備,若發現洩漏源則馬上進行維修,以降低壓縮空氣洩漏浪費。

 

13 空壓系統能耗圖(圖片來源:美國能源部)

2. 使用環狀管路,並調降設定壓力

  管路管徑過小或佈置不當,造成假性壓力降,使得提高空壓機壓力,經設定管路壓降目標並架構環狀管路系統,降低壓損,以降低空壓機出口壓力。

  一般用戶會提升使用壓力求氣源供應穩定以達設備穩定使用,例如用氣端僅需使用5 kg/cm2壓力,空壓機則提供7 kg/cm2壓力,此昇壓後再降壓過程不但造成能源浪費,若高壓勉強使用則易加速設備損壞及增加洩漏量。依實際需求設定適宜排氣壓力,每調降1 kg/cm2,可減少用電6%

 

14 環狀管路供氣(參考例)

 

3. 採用高低壓分流

  了解廠區各用氣端使用壓力,決定空壓機的額定排氣壓力,若使用壓力差達3kg/cm2以上時,則必須考慮使用高低壓分流,以降低部分空壓機排氣壓力,以達節約能源效果。

4. 空壓機房通風改善

  注意空壓機房環境應避免高溫、潮濕、塵染及通風不良的情形發生,前述情形皆不利於空壓機運轉且影響出氣量與出氣效率。在空壓機房中同時有多台空壓機時,配置方式為進氣口應在同一方向,並且裝設導風管將空壓機產生廢熱氣導引至機房外,以避免空壓機所排出的廢熱氣,又被吸回空壓機入風口,造成熱氣短循環,導致空壓機排氣溫度不斷升高,進而影響到空壓機運轉效率。進氣溫度降低10℃可提高2%排氣量,進氣溫度每下降3℃,減少1%功率消耗。

 

15 氣冷式空壓機安裝廢熱導風管(參考例)

5.採用無耗氣袪水器,並選有適當精密過濾器

  傳統採用點放式排水器,排水時不斷有壓縮空氣隨之排放。建議更換為無耗氣型自動排水器,以避免排放損失。選用適當精密過濾器,避免造成過大壓降,以調降空壓機出口壓力,造成能源浪費。

 

16 無耗氣型自動排水器(圖片來源:能揚興業)

6. 定期清洗濾網,降低入口阻抗

  空壓機入口皆有安裝過濾網,隨著使用時間增加,濾網阻抗會增加,使進入空壓機空氣量減少,相對產氣量下降,影響產氣效率。

7. 導入熱回收型吸附式乾燥機

  吸附式乾燥機作用為透過分子篩、活性氧化鋁與矽膠等吸附劑吸收壓縮空氣之水份以達到乾燥空氣之目的。傳統無熱式吸附型乾燥機含有兩個吸附槽,分別為吸附槽和再生槽,當吸附槽吸水飽和後切換由再生槽進行吸附,而充滿水份之吸附槽則進行再生將吸附劑內水份排出,在此過程中需消耗15~20%壓縮空氣進行吹洩,屬高能耗過程。熱回收型吸附式乾燥機特點為第一再生階段使用空壓機高壓段壓縮熱作為熱源,過程中不會浪費任何壓縮空氣,而第二再生階段則透過風車及加熱器來到再生目的,故可節省前述15~20%再生吹洩用之壓縮空氣量。

17 熱回收型吸附式乾燥機(圖片來源:復盛()公司)

8. 空壓系統連鎖/變頻控制

  廠區使用多台空壓機時,常見現象為空壓機根據自身所設定的壓力範圍進行運轉,而空壓機組間並未連鎖控制,易造成多台空壓機在同一時間內產生空車現象,造成能源浪費。依照廠內實際用氣狀況選擇適當控制方式,單一機組採用變頻控制,而多機組則可採多機連鎖控制加變頻控制,使空壓機組依實際負載需求調節,以降低機組空車運轉所造成的能源浪費。

18 空壓系統多機連鎖控制(參考例)

 

9. 採用高效率(變頻)主機

  廠區人員應定期檢測或透過監控系統掌握主機運轉效率,適時汰換低效率主機,導入高效率(變頻)主機,以提升空壓系統產氣能效。

19 變頻控制能耗比(參考例)(圖片來源:興祐實業)

20 導入永磁馬達(參考例)(圖片來源:興祐實業)

 

(空調系統

1. 採用高效率冰水主機或變頻主機

  定期檢測冰水主機運轉效率,汰換低效率主機為高效(變頻)冰水主機,以降低空調系統耗電。

2. 最佳化主機群組運轉

  廠房設置多台冰水主機同時運轉,以滿足空調負荷。在低負荷時,停用部分主機使其他主機在最佳負載下運作,或各主機以不同負載率運作,於滿足空調負荷條件下,使系統總耗電量最低。

3. 空調風扇/附屬泵變頻

  流體機械(風扇/水泵)隨空調負荷調整,依回授之物理訊號(如溫度/壓力)進行變頻控制以達最適化操作,耗電量與其風量/水量成三次方比,可有效節省耗電量。

4. 調升冰水出水溫度

  在不影響製程要求或人員舒適度情形下,適時提升冰水出水溫度,每提高1℃,可節省主機耗電3%,另外導入控制依外氣情形或負載變化調整冰水溫度設定。

5. 降低冷卻水回水溫度

  在相同的冰水溫度下,降低冷卻水塔出水溫度,可提高冷凍效果並降低所需的壓縮功,提升冰水主機效率。

6.冷卻水塔合併運轉

  廠區內各區域冷卻水塔大多各自運轉,若區域間距不遠,可考量將冷卻水塔併同運轉,提升冷卻水塔操作彈性,另可搭配冷卻水泵群操作最佳化,同時節省冷卻水塔和冷卻水泵用電。

7.冷卻水水質管理

  冷卻水中硬度造成結垢,降低冷卻系統散熱效率,若定期清洗冷卻水塔,適當加藥換水降低冷卻水濃縮倍數,可提高冷卻系統效率。

 

(射出製程節能

1. 液壓系統油泵變頻控制

  液壓油泵用電量占射出成型機整體用電量75%以上。因定量油壓泵機台只能固定量供油,但大部份射出成型條件的供油是供過於求,大量多餘的高壓液壓油再經由溢流閥回流,造成能源浪費。

 

加壓過成程中造成的油溫升高,大量的能量通過油溫升高消耗掉並加劇了各種閥門磨損。因為油溫升高往往還需額外冷卻水系統降溫供應造成了浪費。

定量泵射出機變頻控制依射出機設定面板設定成型條件的速度與壓力命令轉換成0~10V電壓信號或0~800mA電流信號,變頻控制器命令控制油壓泵馬達速度,調節控制各成型動作油泵的輸出油量使合乎實際需求,將溢流量減至最少,可有效節約能源。

 

表1 射出機設備能源消耗,大至分為四個部份

主要電力消耗之設備

秏電比例

變頻器控制節能部份

液壓系統油泵的

電力消秏

75-80%

加熱的電力消秏

10-15%

冷卻水泵的電力消秏

5-10%

其他信號控制的

電力消秏

1-5%

 

圖21 射出機變頻控制(圖片來源:威能節能科技有限公司 )

 

2.液壓油泵使用油電伺服系統

  傳統射出機採用比例閥與感應馬達控制,使馬達持續全速運轉,造成不必要的電力消耗與油溫上升。油電伺服節能系統,利用伺服高響應的特性,在製程需要時立即提高轉速,滿足所需壓力要求,其餘時候則維持低速運轉,減少電力消耗與降低油溫,延長油壓元件與液壓油的使用期限,透過減少維修次數,進一步提高產能,節能效果可達79%。

 

 油電伺服節能系統採用交流馬達驅動器搭配伺服馬達,結合驅動、馬達與油壓技術,以精確的壓力與流量控制消除高壓節流的能源損耗。油電伺服節能系統運用於射出機時,在保壓、冷卻階段能使油溫降低5~10度,用油可減少50%~60%,且可減少50%油箱容積,省去冷卻器或縮小冷卻器體積,比傳統定量泵油壓系統省電30%~60%,因此較傳統注塑機節能,亦可提升產能及精度。