CHƯƠNG III: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CÔNG
3.1 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT
3.1.4. Lắp biến tần và hệ thống điều khiển cho các tổ máy nén khí
Công ty có hai tổ máy nén loại trục vít loại để cấp khí nén cho các khu vực sản xuất. Tổ 1 với hai máy nén khí cung cấp khí nén cho xưởng B, C ,D. Tổ 2 với 3 máy nén khí cung cấp cho toàn bộ xưởng E. Hiện tại công ty chưa có chế độ điều khiển hoạt động của máy nén khí để làm việc ổn định. Nhu cầu sử dụng khí nén khác nhau phụ thuộc vào quá trình sản xuất của công nhân do vậy áp suất trong bình tích của máy thay đổi nhiều. Khi mức áp suất trong bình nhỏ hơn mức áp suất đặt của rơle áp suất thì động cơ sẽ được khởi động, theo thời gian áp suất trong bình tích áp tăng lên tới áp suất đặt thì động cơ vẫn hoạt động nhưng với mức công suất thấp hơn so với khi mang tải.
Từ năm 2013 đến năm 2016 tỷ lệ thời gian giã tải khoảng 20% - 36%.Đây là khoảng thời gian máy nén khí vẫn phải hoạt động tiêu thụ khoảng 35 đến 40 % công suất định mức nhưng không thực hiện sinh công; Do vậy phải có biện pháp giảm tỷ lệ thời gian giã tải này.
Kết quả khảo sát thời gian làm việc của máy nén khí
Bảng 3.6: Tỷ lệ thời gian chạy có tải và không tải của các hệ thống máy nén khí
STT Máy nén
khí Năm 2013
Năm 2016 Thời gian hoạt động năm 2013 – 2016 Tổng thời
gian chạy (giờ)
Thời gian chạy có tải
(giờ)
Tổng thời gian chạy
(giờ)
Thời gian chạy có tải
(giờ)
Tổng thời gian chạy
(giờ)
Thời gian chạy có tải
(giờ)
Tỷ lệ thời gian có tải
(%)
Tỷ lệ thời gian giã tải
(%) Tổ 1 cấp cho xưởng B,C,D
2 Máy nén
khí LS16-
100H 10716 7357 29582 19496 18866 12139 64% 36%
3 Máy nén
khí LS16-
100H 9065 7179 37646 29544 28581 22365 78% 22%
Tổ 2 cấp cho xưởng E
4 Máy nén
khí LS16- 100H
8255 5013 30472 22679 22217 17666 80 20
5 Máy nén
khí LS16- 100H
8048 4302 1955 1954 - - - -
6 Máy nén
khí LS16- 100H
1216 9351 32875 30627 31659 21276 67 33
Kết quả đo kiểm và đánh giá hoạt động máy nén khí tổ 1
• Máy nén khí số 2 - Công suất định mức 75 kW -Công suất tiêu thụ cực đại: 83 kW;
-Công suất tiêu thụ cực tiểu: 42,7 kW;
- Áp suất cài đặt Max : 8 bar - Áp suất cài đặt Min : 6 bar
Hình 3.6 Kết quả đo kiểm máy nén khí tổ số 2 Kết quả đo kiểm và đánh giá hoạt động máy nén khí tổ 2
• Máy nén khí số 3
- Công suất định mức 75 kW -Công suất tiêu thụ cực đại: 93 kW;
-Công suất tiêu thụ cực tiểu: 54 kW;
- Áp suất cài đặt Max : 8,3 bar - Áp suất cài đặt Min : 6 bar
Công suất lúc
đầy tải Công suất lúc giã
tải
8,3
6
Hình 3.7: Kết quả đo tại máy nén khí 75 kW số 3 xưởng E
Hình 3.8: Biểu đồ minh họa áp suất và công suất tiêu thụ máy nén khí số 3 tổ 2 b) Đề xuất giải pháp:
Để khắc phục hiện tượng khởi động nhiều của máy nén khí để đảm bảo chất lượng khí nén, tăng tuổi thọ máy nén tránh tổn thất năng lượng, nhóm kiểm toán đề xuất biện pháp tổng thể để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống máy nén khí
- Mỗi tổ máy đầu tư một biến tần cho máy nén khí
HMI
TP177 6 inch PLC CPU
S7200
Máy nén
Thiết bị đo báo Hệ thống nút ấn
- Đầu tư hệ thống điều khiển nhóm cho mỗi tổ máy nén khí để vận hành tối ưu hệ thống máy nén khí và tránh được hiện tượng giã tải cho các máy nén khí khác không có biến tấn.
Dựa vào tình hình hoạt động của thiết bị, máy nén khí sau khi cải tạo xong cần đạt được các yêu cầu sau :
+ Duy trì ổn định điện áp cho máy nén khí và cho hệ thống phân phối + Các máy nén hoạt động được luân phiên theo chu kỳ hoạt động
+ Các máy không có biến tần hoạt động với hiệu suất cao và chạy hết công suất + Máy có biến tần được điều khiển phù hợp với áp suất tải
+ Áp suất trung bình khi làm việc được giảm xuống tính ổn định của toàn hệ thống.
+ Hiệu suất động cơ tăng cao.
Hiệu quả hệ thống điểu khiển có một biến tần cho máy nén khí :
Hệ thống điều khiển được thiết kế điều khiển với hai chế độ: Chế độ điều khiển bằng tay thông qua hệ thống nút ấn trên mặt tủ và chế độ điều khiển tự động được lập trình bởi hệ thống PLC S7 200. Hệ thống được vận hành và giám sát trên màn hình cảm ứng được lắp trên mặt tủ.
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển máy nén khí
Hệ thống máy nén khí được điều khiển theo 2 chế độ tự động và bằng tay. Việc chuyển chế độ cho mỗi máy được thực hiện bởi các switch chuyển mạch gắn trên mặt tủ.
- Chế độ điều khiển tự động: Tất cả các thiết bị đo báo, thiết bị chấp hành, trạng thái của hệ thống được giám sát, điều khiển và vận hành trên giao diện trực quan thông minh của màn hình cảm ứng. PLC nhận các tín hiệu từ thiết bị đo, báo truyền lên màn hình cảm ứng, hiển thị các giá trị thực một cách chính xác. Từ các tín hiệu đo báo nhận được phần mềm sẽ điều khiển các máy hoạt động theo đúng trình tự yêu cầu kỹ thuật đề ra. Phần mềm được lập trình sẵn, thời gian đáp ứng nhanh, thông minh, sử dụng thuật toán điều khiển tối ưu.
- Giá trị áp suất khí tiêu thụ (áp suất thực trên đường ống) được đưa về hệ thống PLC và được hiển thị trên màn hình cảm ứng. Qua màn hình cảm ứng, người vận hành có thể đặt giá trị áp suất mong muốn( giá trị đặt) tùy thuộc vào yêu cầu của phụ tải đầu ra. Thông qua việc so sánh giá trị đặt và giá trị áp suất thực tế, bộ điều khiển được lập trình theo 1 thuật toán thông minh sẽ lần lượt tự động chạy các máy nén để đáp ứng được yêu cầu của phụ tải:
+ Máy nén 01 ( được điều khiển bởi biến tần) đóng vai trò là master và các máy nén khác đóng vai trò slave. Máy nén này sẽ luôn chạy để đảm bảo chức năng điều áp.
Khi máy nén 01 chạy hết công suất mà vẫn không đảm bảo được áp suất cấp cho phụ tải, thì tùy theo độ chênh áp suất giữa giá trị thực và giá trị đặt mà độ điều khiển sẽ tính toán để gọi các máy nén khí tiếp theo. Và cứ tiếp tục, căn cứ vào chênh lệch này phần mềm sẽ tính toán để gọi các máy nén phụ khác đảm bảo ổn định áp suất theo yêu cầu. Ngược lại, khi áp suất thực tế cao hơn giá trị đặt thì phần mềm sẽ tính toán để dừng tự động các máy nén.
+ Phần mềm sẽ tính toán và lưu dữ thời gian chạy của các máy và điều khiển việc gọi các máy phụ sao cho thời gian chạy của các máy này là giống nhau ( các máy phụ sẽ chạy luân phiên).
+ Qua màn hình giám sát, người vận hành có thể theo dõi giá trị thực của áp suất đưa về, đặt giá trị áp suất mong muốn, quan sát trạng thái của các máy nén, đặt thời gian chạy luân phiên của mỗi máy phụ, quan sát tổng số giờ chạy của mỗi máy phụ, reset thời gian chạy của mỗi máy, đặt mức ưu tiên chạy cho mỗi máy….
Hình 3.10: Biểu đồ hiệu quả năng lượng khi lắp biến tần cho một máy nén khí Chế độ điều khiển hoàn toàn bằng tay: Sử dụng khi thiết bị hay 1 khâu của hệ thống bị sự cố không thể khắc phục được. Lúc đó người vận hành có thể điều khiển các máy nén trực tiếp bằng các chuyển mạch trên mặt của tủ điều hoặc điều khiển tay bằng màn hình cảm ứng cho phù hợp với yêu cầu của công nghệ
Hình 3.11: Sơ đồ hệ thống máy nén khí tổ số 1 sau khi cải tạo
Hình 3.12: Sơ đồ hệ thống máy nén khí tổ số 2 sau khi cải tạo
Hình 3.13: Biến tần c) Tính toán hiệu quả kinh tế
Hiệu quả của việc giảm thời gian chạy không tải cho máy nén khí nhờ hệ thống điều khiển và biến tần
Ví dụ tính toán cho máy nén khí LS16-100H có công suất định mức 75 kW, kết quả khảo sát và đo kiểm:
- Công suất tiêu thụ cực đại (có tải): 93 kW - Công suất tiêu thụ cực tiểu (giã tải): 54 kW;
- Áp suất cực đại: 8 bar;
- Áp suất cực tiểu: 6 bar;
- Thời gian có tải 64 % - Thời gian giã tải 36 %
- Thời gian hoạt động /năm: 5616 giờ
Trước khi lắp biến tần thì động cơ của máy nén tiêu thụ một lượng điện năng trong một chu kỳ làm việc được tính theo công thức( 3.2):
A1 = (P mang tải x t mang tải) + (P giã tải x t giã tải) (3.2) A1 = A11 + A21= (93 * 5616 * 64 %) + (54* 5616 * 36%) = 443.439 ( kWh)
Trong đó, chỉ có lượng điện năng A11 là sinh công hữu ích để nén khí, còn lượng điện năng A21 không có tác dụng sinh công (lúc này động cơ làm việc không tải).Vì vậy, khi lắp thêm biến tần để điều khiển tốc độ động cơ kéo sao cho lưu lượng khí nén vừa đủ để đáp ứng nhu cầu tải. Khi đó động cơ sẽ chạy liên tục và tạo khí nén với mức áp suất cố định (thông qua tín hiệu phản hồi của sensor áp suất) tốc độ động cơ do biến tần điều khiển giảm xuống làm công suất tiêu thụ của chúng sẽ giảm theo.
Công suất tiêu thụ của động cơ sẽ giảm nhỏ hơn trong trong trường hợp tải động cơ không đạt định mức. Cụ thể khi có tải và giã tải thì công suất đo được đều dưới định mức. Mức tải sẽ được san đều đều trong cả chu trình, và có giá trị sinh công bằng đúng khoảng sinh công hữu ích. Khi đó, lượng điện năng tiêu thụ trong một năm của máy nén khí là:
A2 = (P khi có biến tần x 5616)
= A11= (P mang tải khi chưa có biến tần x thời gian có tải) Qua phân tích như trên ta thấy rõ ràng là: A2= A11 < A1 Và lượng điện năng tiết kiệm được tính theo công thức (3.3):
A1- A2 = A21 = (P giã tải * t giã tải) ( 3.3) = 54 *5616*36 % = 109.175( kWh)
Trường hợp này áp dụng biến tần sẽ tiết kiệm được lượng điện theo ước tính khoảng: 109175 /447819*100 ≈ 12,6 %
Tương tự với các máy nén khí khác, tỷ lệ tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào sự thay đổi tải trong quá trình sản xuất
Như vậy khi mỗi tổ (2 tổ) có bộ điều khiển tối ưu hệ thống khí nén và có một biến tần thì sẽ tránh được thời gian chạy không tải của máy, tăng tính tự động hóa của hệ thống, giúp cho việc theo rõi, quản lý hệ thống khí nén được tốt hơn.
Tổng hợp hiệu quả kinh tế cho giải pháp tối ưu hóa hệ thống máy nén khí.
Bảng 3.7: Tổng hợp hiệu quả kinh tế cho giải pháp tối ưu hóa hệ thống máy nén khí.
TT Giải pháp đầu tư Đơn vị
Giá trị
Tổ 1 Tổ 2
1 Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng % 12,1 11,3
2 Năng lượng tiết kiệm kWh 161.932 163.706
3 Chi phí năng lượng tiết kiệm 1000 VNĐ 243.475 246.144 4 Tổng chi phí đầu tư và lắp đặt 1000 VNĐ 220.000 220000
5 Thời gian hoàn vốn năm 0,90 0,9
6 Giá trị hiện tại thuần NPV 1.000đ 657.675 667.293
7 Hệ số hoàn vốn nội tại IRR % 108% 109%
Hiệu quả kinh tế cho giải pháp tối ưu hóa hệ thống tổ máy nén khí số 1 được trình bày chi tiết trong Phụ lục 13
Hiệu quả kinh tế cho giải pháp tối ưu hóa hệ thống tổ máy nén khí số 2 được trình bày chi tiết trong Phụ lục 14