Giải pháp tiết kiệm điện hệ thống khí nén
Trong hệ thống đường ống cung cấp khí, đối tượng điều khiển cơ bản
nhất là lưu lượng. Nhiệm vụ cơ bản nhất của hệ thống đường ống cung
cấp khí nén là đáp ứng nhu cầu của người dùng về lưu lượng. Hiện tại, có
hai chế độ điều khiển lưu lượng khí: chế độ điều khiển cung cấp khí lúc có
tải/ không có tải và chế độ điều khiển tốc độ.
1.Chế độ điều khiển cung cấp khí có tải/ không có tải:
Chế độ này đề cập đến việc kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa
vào. Có nghĩa là, khi áp suất đạt đến giới hạn trên, van cửa vào sẽ đóng
và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động không tải; khi áp suất đạt dưới
hạn dưới, van cửa vào sẽ mở và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động
có tải.
Máy nén khí không cho phép tình trạng hoạt động có tải trong thời gian
dài, công suất định mức của motor được chọn theo nhu cầu thực tế lớn
nhất và thông thường được thiết kế dư tải. Các thiết bị khởi động chịu sự
hao mòn lớn và đó là nguyên nhân làm cho tuổi thọ motor giảm, do đó sẽ
nặng về công việc bảo trì. Mặc dù phương pháp giảm điện áp đã được áp
dụng, dòng khởi động vẫn còn rất lớn, nó có thể ảnh hưởng đến sự ổn
định của lưới điện và ảnh hưởng đến sự hoạt động an toàn của các thiết
bị tiêu thụ điện khác. Hơn nữa, trong mọi trường hợp sự hoạt động là liên
tục và động cơ của máy nén khí không được hỗ trợ điều chỉnh tốc độ, do
đó sự thay đổi áp suất và lưu lượng không được dùng trực tiếp để giảm
tốc độ và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp, và motor không cho
phép khởi động thường xuyên, đó là nguyên nhân làm cho motor vẫn còn
chạy không tải trong khi lượng khí tiêu thụ rất nhỏ, làm tiêu tốn một lượng
lớn điện năng.
Chế độ có tải/không tải thường xuyên là nguyên nhân thay đổi áp suất
trong toàn bộ đường ống, và áp suất làm việc không ổn định sẽ giảm tuổi
thọ của máy nén khí. Mặc dù đã có một vài điều chỉnh cho máy nén khí
(chẳng hạn như điều chỉnh van, điều chỉnh tải) ngay cả trong trường hợp
lưu lượng ít, lượng điện tiêu thụ giảm xuống cũng không đáng kể do motor
quay liên tục.
2.Chế độ điều khiển tốc độquay motor.
Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quay của máy nén khí,
trong khi vẫn giữ cho van mở không thay đổi (thường là duy trì mở tối đa).
Khi tốc độ quay của máy nén khí thay đổi, các đặc tính khác cũng thay đổi
cùng với hệ thống nén khí, trong khi lực cản đường ống không đổi.
Với chế độ điều khiển như vậy, công nghệ thay đổi tần số được dùng để
thay đổi tốc độ quay motor của máy nén khí và máy nén khí sẽ thay đổi
lưu lượng theo nhu cầu tiêu thụ thực tế. Nhưvậy, hệ thống cung cấp khí
có thể đạt được hiệu quảcao nhất đồng thời tiết kiệm điện. Nguyên tắc cơ
bản của biến tần là sự chuyển đổi điện AC-DC-AC và có thể cho ra điện
áp có tần số thay đổi theo yêu cầu của người dùng. Tốc độ quay của
motor là tỉ lệ tuyến tính với tần số, do đó điện áp xoay chiều ở ngõ ra với
tần số điều chỉnh được bởi biến tần có thể đáp ứng cho điện áp motor của
máy nén khí, do đó tiện lợi cho việc thay đổi tốc độquay của máy nén khí.
3.Nguyên lý tiết kiệm điện trong hệ thống máy nén khí.
Đây là một phương pháp điều khiển có tính khoa học sửdụng một biến
tần điều khiển tốc độ quay của máy nén khí với mục đích tiết kiệm điện.
Những thông số sau đây được biết dựa trên đặc tính hoạt động của máy
nén khí.
Q1 / Q2 = n1 / n2
H1 / H2 = (n1 / n2)2
P1 / P2 = (n1 / n2)3
Ở đây:
Q: là lưu lượng khí cung cấp cho đường ống bởi máy nén khí.
H: là áp suất của hệthống đường ống
P: công suất tiêu thụ của motor
n: tốc độ quay của máy nén khí
Nó có thể thấy được từ biểu thức trên, khi tốc độquay của motor giảm
80% so với tốc độquay định mức, lưu lượng khí cung cấp cho hệthống
đường ống bởi máy nén khí cũng giảm 80%, áp suất đường ống giảm tới
(80%)2 và công suất tiêu thụ của motor giảm tới (80%)3, tức là 51,2%.
Loại trừ tổn hao sắt và tổn hao đồng của motor thì hiệu suất tiết kiệm điện
đạt tới 40%. Đây là nguyên lý tiết kiệm điện bằng phương pháp thay đổi
tần số.
Điều này đã được chứng minh bằng thực tế trong thời gian dài, việc ứng
dụng biến tần vào hệ thống cung cấp khí và dùng công nghệ thay đổi tần
số thay đổi tốc độ quay của máy nén khí điều chỉnh lưu lượng để thay thế
cho việc dùng valve có thể đạt được hiệu quả trong việc tiết kiệm điện.
Bình thường, lượng điện tiết kiệm là hơn 30%. Ngoài ra, chức năng khởi
động mềm và đặc tính điều chỉnh tốc độ mịn của biến tần có thể thực hiện
điều chỉnh lưu lượng ổn định và giảm rung khi khởi động kéo dài tuổi thọ
cho toàn bộ máy và đường ống.
4. Thực trạng thường thấy
Đối với nhiều ngành ,hệ thống cung cấp khí nén có vai trò khá quan trọng, hệ
thống này thường tiêu tốn năng lượng khá lớn. Tuy vậy, việc sửdụng năng lượng
hiệu quả ở khâu quan trọng này vẫn chưa được nhiều doanh nghiệp (DN) quan
tâm. Ông Phạm Huy Phong, Trưởng Phòng Kỹ thuật Trung tâm Tiết kiệm Năng
lượng TPHCM (ECC), phân tích: Nhiều DN lãng phí năng lượng ở khâu này là do
chưa sử dụng hợp lý áp suất máy nén khí, dẫn đến lãng phí năng lượng.
Khảo sát hệ thống khí nén ở một DN sửdụng 2 máy nén khí trục vít hiệu Atlas
Copco công suất điện 30 KW. Hai máy hoạt động luân phiên mỗi ngày và thời
gian vận hành trong ngày là liên tục 24 giờ. Hai máy có chung một bình chứa khí
nén thểtích 1,7 m3 và có chung đường ống phân phối khí nén. Khí nén được cài
đặt trong khoảng 5,5 -6,5 kg/cm2.
Khí nén được DN này sửdụng cho các nhu cầu sau: Chủ yếu cung cấp cho các lò
thanh trùng với áp suất khoảng 1,5 kg/cm2 trong suốt thời gian thanh trùng. Phần
này chiếm khoảng 80% tổng nhu cầu khí nén.
Cung cấp khí nén phun sương hơi nước làm nguội cá sau khi hấp trong phòng làm
nguội. Phần này chiếm khoảng 10% tổng nhu cầu khí nén.
Cung cấp khí nén cho các cơ cấu chấp hành khí nén trong dây chuyền chế biến cá.
Phần này chiếm khoảng 10% tổng nhu cầu khí nén.
Vấn đề bất cập ở đây là: Khí nén được tạo ra từ máy nén khí ở áp suất 5,5 – 6,5
kg/cm2, tuy nhiên 80% lượng khí nén này được đưa vào sửdụng cho các lò thanh
trùng chỉ ở áp suất 1,5 kg/cm2. Cần phải cài đặt áp suất khí nén ở mức cao là vì
phải bảo đảm đủ cung cấp khí nén cho các lò thanh trùng ngay cả khi có một số lò
trùng nhau về thời điểm bắt đầu thanh trùng. Tức là ngay cả những lúc xảy ra sự
đột biến tăng về nhu cầu khí nén. Do lưu lượng khí nén trong trường hợp áp suất
cao hay thấp khi sử dụng cho các lò thanh trùng đều như nhau nên việc cài đặt áp
suất khí nén ở áp suất cao về mặt lý thuyết sẽl àm gia tăng công nén, gây lãng phí
năng lượng cho hệthống nén khí.
Cách hợp lý hóa áp suất máy nén khí
Sau khi khảo sát, chuyên viên ECC đã đưa ra giải pháp. Tách riêng phần khí nén
dùng phun sương (10%) và phần khí nén cung cấp cho các cơ cấu chấp hành
(10%) với phần khí nén cho các lò thanh trùng (80%) theo phương án sau:
Phần khí nén cung cấp cho các lò thanh trùng được cung cấp riêng biệt từ 1 máy
nén hiện tại.
Phần khí nén cung cấp cho các cơcấu chấp hành có thể có được bằng 2 cách: Sử
dụng 1 máy nén còn lại (cài đặt ở5,5-6,5 kg/cm2) hoặc đầu tư riêng một máy nén
nhỏ có năng suất vừa đủ (máy khoảng 5Hp).
Phần khí nén cung cấp cho phun sương: Sử dụng chung máy nén còn lại hiện tại
(cài đặt ở 5,5 - 6,5 kg/cm2) hoặc sử dụng chung máy nén đầu tư riêng thêm (lúc
này cần máy có công suất điện khoảng 10 Hp) hoặc dùng các máy nén nước trực
tiếp dùng cho việc phun sương (công suất khoảng 3 Hp).
Cài đặt áp suất hệ thống khí nén phần cung cấp cho các lò thanh trùng từ5,5-6,5
kg/cm2 xuống 1,5-2,5 kg/cm2.
Thay thế động cơ máy nén cung cấp cho các lò thanh trùng từcông suất điện 30
KW xuống còn 18,5 KW hoặc giữ nguyên động cơ 30 KW nhưng lắp đặt biến tần
điều khiển công suất động cơ.
Phương án thay đổi này, chi phí đầu tư là 110 triệu đồng. Trong khi đó, mỗi năm
DN tiết kiệm được 76 triệu đồng. Như vậy, chỉ sau 17 tháng DN thu hồi được vốn
đầu tư.
5. Cách hợp lý hóa áp suất máy nén khí
Sau khi khảo sát, chuyên viên ECC đã đưa ra giải pháp. Tách riêng phần khí nén
dùng phun sương (10%) và phần khí nén cung cấp cho các cơ cấu chấp hành
(10%) với phần khí nén cho các lò thanh trùng (80%) theo phương án sau:
Phần khí nén cung cấp cho các lò thanh trùng được cung cấp riêng biệt từ 1 máy
nén hiện tại.
Phần khí nén cung cấp cho các cơ cấu chấp hành có thể có được bằng 2 cách: Sử
dụng 1 máy nén còn lại (cài đặt ở5,5-6,5 kg/cm2) hoặc đầu tư riêng một máy nén
nhỏ có năng suất vừa đủ (máy khoảng 5Hp).
Phần khí nén cung cấp cho phun sương: Sử dụng chung máy nén còn lại hiện tại
(cài đặt ở 5,5 - 6,5 kg/cm2) hoặc sửdụng chung máy nén đầu tư riêng thêm (lúc
này cần máy có công suất điện khoảng 10 Hp) hoặc dùng các máy nén nước trực
tiếp dùng cho việc phun sương (công suất khoảng 3 Hp).
Cài đặt áp suất hệthống khí nén phần cung cấp cho các lò thanh trùng từ5,5-6,5
kg/cm2 xuống 1,5-2,5 kg/cm2.
Thay thế động cơ máy nén cung cấp cho các lò thanh trùng từcông suất điện 30
KW xuống còn 18,5 KW hoặc giữ nguyên động cơ 30 KW nhưng lắp đặt biến tần
điều khiển công suất động cơ.
Phương án thay đổi này, chi phí đầu tưlà 110 triệu đồng. Trong khi đó, mỗi năm
DN tiết kiệm được 76 triệu đồng. Nhưvậy, chỉ sau 17 tháng DN thu hồi được vốn
đầu tư.
Giải pháp tiết kiệm điện cho máy nén khí.
6. Một số giải pháp tiết kiệm năng lượng khác
Hiện tượng sụt áp
Điều cần lưu ý đầu tiên đối với hệ thống khí nén là hiện tượng sụt áp.Sụt áp là một
hiện tượng giảm áp suất từ máy nén khí tới hộ sử dụng. Hiện tuợng sụt áp xảy ra
khi khí nén đi qua các thiết bị phụ trợ và hệthống phân phối. Một hệ thống thiết
kế tốt thì sụt áp trên toàn hệ thống nhỏ hơn 10%, đo từ bình chứa tới hộ sử dụng.
Sụt áp lớn gây ra giảm hiệu suất hệ thống và làm tăng chi phí vận hành. Làm tăng
áp lực lên các thiết bị trên hệ thông hơn cần thiết làm tăng áp suất vận hành của
máy nến khí. Nếu nhu cầu áp lực tăng thì thay vì tăng áp suất vận hành thì nên tìm
cách giảm sự sụt áp. Một hình phạt khác cho việc áp suất cao hơn cần thiết là làm
tăng rò rỉ. Thông thường áp suất vận hành của hệ thống thường cao hơn áp suất
yếu cầu từ30~50%. Đối với hệ thống khoảng 7kg/cm thì cứ tăng 0,14kg/cm thì
tiêu thụ năng lượng sẽ tăng thêm 1%. Sụt áp, một hệ thống khí nén được thiết kế
tốt thì sựsụt áp không quá 10% kể từ bình chứa cho tới vị trí sửdụng.
Điều gì gây nên sự sụt áp?
Bất kỳ vật cản trở, sự giới hạn, sự nhấp nhô bề mặt ống dẫn trong hệt hống đều
gây nên sựsụt áp. Gây nên sự sụt áp thường do bộ lọc, tách dầu, bôi trơn… Do đó
khi lắp đặt và chọn thiết bị cần quan tâm tới yếu tố gây sụt áp. Một bộ lọc có thể
gây sụt áp 20PSI =1.4 kg/cm
Để giảm thiểu sự sụt áp, thì cấn có một phương pháp tiếp cận trong việc thiết kế
và bảo trì hệ thống.
Các bước có thể tiến hành nhưsau:
Thiết kế hợp lý hệ thống phân phối
Duy trì sự hoạt động của các bộ lọc và bộ sấy để hạn chế tối thiểu sự ảnh
hưởng của bụi làm tắc đường ống.
Lựa chọn các thiết bị như: bộ lọc, bộ sấy, bộ làm mát có thông số sụt áp càng
nhỏ cành tốt.
Quãng đường di chuyển của khí nén qua hệ thống càng ngắn càng tốt.
Vấn đề rò rĩ ởhệthống khí nén:
Rò rỉ là một trong những nguyên nhân gây lãng phí năng lượng lớn. Có những
trường hợp lên tới từ20 cho tới 30% lượng khí nén được sản xuất ra.
Khớp nối ống, đường ống
Bộ lọc, bộ xả nước ngưng tụ, bộ hiển thị áp suất…
Đánh giá lượng khí nén bị rò rỉ:
Chỉ các loại máy nén khí, điều khiển dạng on/off, load/unload, có một cách rất dễ
dàng để đánh giá lượng khí nén bị rò rỉ. Phương pháp này thực hiện bằng cách cho
hệ thống khởi động khi đóng (tắt) tất cả các máy công cụ sử dụng khí nén, con số
tính toán dựa trên khoảng thời gian trung bình máy nén on và máy nén off vì khi
đó rò rỉ là nguyên nhân chính làm cho máy nén chạy lại và công thức được tính
như sau:
% rò rỉ= T.100%/(T+t)
Trong đó: T là thời gian máy nén chạy (phút)
t là thời gian máy nén ngưng hoạt động
Hệ thống máy nén được bảo trì tốt có % rò rỉ dưới 10%.
Đối với máy nén khí được điều khiển bằng phương pháp khác thì cách để tính rò rì
dựa trên sự sụt áp tại bình trữ khí. Phương pháp này cần sự tính toán ước lượng
tổng lượng khí nén trong hệ thống (mét khối). Khi hệ thống khởi động nó sẽ đẩy
đồng hồ đo áp lên áp lực P1, rò rỉ sẽ làm cho áp lực P1 giảm tới áp lực P2 trong
khoảng thời gian T và công thức tính nhưsau :
Rò rỉ (mét khối/phút) = (V x (P1-P2)/T x 14.7) x 1.25
Kiểm tra sựrò rỉ:
Rò rỉ khí nén thường không thể thấy được bằng mắt thường, cách tốt nhất là sử
dụng thiết bị phát hiện siêu âm (ultrasonic), thiết bị này cho phép phát hiện những
âm thanh ởtần số siêu âm do sự rò rỉ sinh ra mà tai người không thể nghe được.
Hoặc cách đơn giản hơn là sửdụng nước xà phòng bôi lên những chỗ nghi ngờ có
sự rò rỉ để kiểm tra.
Sựlạm dụng sử dụng khí nén:
Khí nén là một trong nhưng năng lượng đắt tiền nhất có sẵn trong nhà máy. Vì khí
nén sạch sẽ, dễsử dụng, sẵn có nên khí nén thường bị lạm dụng sửdụng cho các
ứng dụng khác mà đôi khi nguồn năng lượng khác thay thế là kinh tế hơn. Hiệu
suất chung của máy nén khí nằm trong khoảng 6 %, rất thấp.
