9. THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU HỒ SƠ ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN
Hồ sơ áp suất của một hệ thống máy nén khí là một đồ thị biểu diễn sự thay đổi của áp suất tại các vị trí khác nhau trong hệ. Hồ sơ áp suất của hệ thống có sự ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu vận hành và hiệu suất của hệ thống. Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống là áp suất tại hộ tiêu thụ phải đạt giá trị yêu cầu của quá trình sản xuất. Đồ thị áp suất thường được đo tại một số vị trí quan trọng trong hệ thống máy nén khí. Các điểm đo áp suất thường dùng để xây dựng đồ thị áp suất. – Áp suất vận hành lớn nhất của máy nén khí (MWP) – Dải điều chỉnh áp suất của máy nén khí – Độ sụt áp qua các thiết bị xử lý – Độ chênh áp dự trữ trong bình chứa sơ cấp – Áp suất đầu cấp tới hệ thống phân phối – Áp suất đầu cấp tới đường ống nhánh cấp cho 1 hay nhiều hộ tiêu thụ – Áp suất tại điểm nối vào hộ tiêu thụ – Áp suất sau khi sử dụng (không được biểu diễn trong đồ thị 4-6.1) Đồ thị hồ sơ áp suất sau đây chỉ ra áp suất vận hành lớn nhất của máy nén khí là (MWP), 9.0 bar. Dải áp suất vận hành từ 8.0 đến 8.7 bar. Độ sụt áp qua thiết bị xử lý không khí là 0.5 bar, áp suất vận hành bình thường ở đầu cấp khí nén cho hệ thống phân phối là 7.5 bar.
Áp suất đầu cấp nhỏ nhất cho phép là 6.5 bar, lúc này khí nén tại đầu cấp cho thiết bị sử dụng khí nén là 5.5. Việc tăng áp suất vận hành bình thường lên cao hơn áp suất nhỏ nhất 1 bar ở đầu cấp cho hệ thống phân phối nhằm ngăn ngừa các sự cố trong hệ thống. Người vận hành thường cài đặt áp suất vận hành cao hơn áp suất nhỏ nhất cần để cung cấp khí nén cho quá trình sản xuất.
Trong quá trình vận hành bình thường, đồ thị hồ sơ áp suất chỉ ra rằng có độ sụt áp 2 bar ở phía tiêu thụ khí nén của hệ thống. Áp suất ở đầu cấp cho các ống nhánh dẫn đến hộ tiêu thụ là 7.3 bar và áp suất tổn thất trên đoạn ống nhánh này là 0.8. Áp suất ở chế độ vận hành bình thường cấp thiết bị sử dụng, thiết bị này yêu cầu khí nén áp suất 5.5 bar, sẽ là 6.5 bar. Trên thực tế, việc tăng áp suất lên 1 bar nhằm tạo ra độ chênh áp dụ trữ của hệ thống, 6.5 bar chính là áp suất mục tiêu thấp nhất tối ưu của hệ thống là. (Áp suất mục tiêu tối ưu thấp nhất là giá trị áp suất ở đầu cấp nhỏ nhất đảm bảo cung cấp khí nén hợp lý cho các yêu cầu sản xuất).
Trong khi độ chênh áp 1 bar ở áp suất cung cấp là cần thiết để tạo ra thể tích dự trữ hữu ích, nó cũng đồng thời làm tăng áp suất của hệ thống dẫn đến việc nhu cầu khí nén giả tăng lên. Ngoài ra, ta còn có tổn thất áp suất giữa vị trí ống nối vào hộ tiêu thụ và hộ tiêu thụ. Áp suất của hộ tiêu thụ là vị trí mà tại đó năng lượng của khí nén chuyển hóa thành công năng phục vụ sản xuất. Nó có thể là xy lanh khí, thiết bị truyền động quay, kìm khí nén, mũi phun, … Hầu hết tổn thất áp suất giữa điểm kết nối và áp suất cuối quá trình tiêu thụ được xác định đều dựa trên kết quả của việc thiết kế chính xác của nhà sản xuất đã cung cấp các thiết bị đó. Hồ sơ áp suất của một hệ thống thực tế được xác định dựa trên việc đo đạc áp suất vận hành của hệ thống. Các bộ thu thập dữ liệu tự ghi rất cần thiết để hiểu được hồ sơ áp suất của hệ thống thay đổi như thế nào theo thời gian. Các bộ thu thập dữ liệu này được triển khai ở nhiều vị trí. Bằng việc đồng bộ hóa thời gian của các bộ thu thập dữ liệu này, sự thay đổi động của hồ sơ áp suất có thể được khảo sát.
Ứng dụng thực tiễn của hồ sơ áp suất Hồ sơ áp suất của một hệ thống máy nén khí có rất nhiều ảnh hưởng tới vận hành và hiệu suất của hệ thống. Có rất nhiều vấn đề thực tế cần cân nhắc mà người kỹ sư hệ thống máy nén khí cần đánh giá. Áp suất tối ưu thấp nhất cấp cho đầu cấp phụ thuộc vào yêu cầu áp suất cuối, tổn thất áp suất trên đường ống phân phối và trong đoạn ống nối đến thiết bị. Áp suất ở phần sản xuất khí nén bị giới hạn bởi áp suất cao nhất của máy nén khí được cài đặt. Dải điều chỉnh áp suất, áp suất tổn thất trên các thiết bị xử lý không khí, và áp suất cho phép trong bình chứa dự trữ theo kết quả của phương trình áp suất
phải lớn hơn áp suất tối ưu thấp nhất cấp cho đầu cấp. Để tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống máy nén khí, người kỹ sư phải xác định áp suất mục tiêu cấp cho đầu cấp. Áp suất mục tiêu nên là áp suất tối ưu thấp nhất cần để đảm bảo các yêu cầu của sản xuất. Việc vận hành tại áp suất quá cao
sẽ gây ra sự tổn hao năng lượng.
- Giảm áp suất của hệ thống sẽ giảm lượng năng lượng cần để sản xuất khí nén
+ Năng lượng tiêu thụ của máy nén khí giảm đi 6% khi áp suất giảm đi 1 bar
(đối với máy nén thể tích).
+ Nhu cầu không khí nén giảm đi từ 6% đến 12% khi áp suất giảm đi 1 bar (giả thiết là 50% đến 100% hộ tiêu thụ không có van điều chỉnh). Áp suất mục tiêu nên được lựa chọn sau khi hoàn thành việc khảo sát hồ sơ áp suất và loại bỏ những tổn thất áp suất không thu hồi được quá lớn. Ví dụ như việc sử dụng kém hiệu quả các ống mềm, phụ kiện đường ống, bộ lọc, van điều chỉnh … tại các hộ tiêu thụ, nó thường gây ra tổn thất áp suất từ 20 psig đến 40 psig hoặc nhiều hơn. Tổn thất áp suất cho phép nên nhỏ hơn, từ
5 psig đến 8 psig.
Trước khi xác định áp suất mục tiêu cấp cho các đầu cấp của hệ thống khí nén, các tổn thất áp suất không thể thu hồi nên được giảm thiểu. Có 2 dạng tổn thất áp suất trong một hệ thống. Dạng thứ nhất là không thể thu hồi được – ví dụ như khi đi qua 1 fin lọc, đây là một dạng tổn thất năng lượng của hệ thống. Dạng thứ hai là tổn thất áp suất có thể thu hồi được, ví dụ như việc tăng áp suất trong bình chứa không khí dự trữ. Nó sẽ làm tăng chi phí năng lượng của hệ thống khi năng lượng của khí nén được dự trữ trong bình chứa. Tuy nhiên, nó là năng lượng có thể thu hồi được và được sử dụng khi nhu cầu khí nén cần sử dụng đến năng lượng dự trữ này.
Các thành phần hệ thống khí nén có tổn thất áp suất không thu hồi được - Đường ống và phụ kiện, bộ chia, cút ngoạt, … - Thân bộ lọc và phụ kiện bộ lọc (lọc tốt hơn = tổn thất áp suất lớn hơn). - Bộ làm mát, bộ sấy không khí, bộ tách ẩm. - Ống mềm, phụ kiện, đầu nối tháo rời, các bộ lọc của hộ tiêu thụ, các bộ
tách dầu
- Lỗ rò, các van kim, các bộ điều khiển tốc độ, ống và phụ kiện Các thành phần hệ thống máy nén khí có độ chênh áp thu hồi được o Bình chứa dự trữ khí nén sơ cấp, thứ cấp, của hộ tiêu thụ – Lượng năng lượng thu hồi được tỷ lệ thuận với độ chênh áp suất vận hành của bình chứa (áp suất cuối trừ đi áp suất đầu). – Bình chứa dự trữ đóng góp một thành phần nhỏ trong tổn thất áp suất không thu hồi được thông qua các ống nối vào và ra của bình chứa.
– Đường ống đóng góp một thành phần nhỏ trong số năng lượng có thể thu hồi này. Thể tích đường ống thường rất nhỏ so với thể tích bình chứa dự trữ. Hệ thống hoạt động ổn định với độ chênh áp trong đường ống là nhỏ nhất, đây chính là yêu cầu của hệ thống đường ống phân phối khi
vận hành với một áp suất phù hợp.
Các thành phần của hệ thống máy nén khí có cả tổn thất áp suất thu hồi được
và không thu hồi được.
o Van điều chỉnh áp suất
– Tổn thất áp suất thu hồi được: áp suất sẽ tăng lên nếu van điều chỉnh áp suất được chỉnh lại để từ điểm cài đặt ban đầu đến áp suất cao nhất có thể.
.
Dùng Máy Nén Khí Hiệu Quả
Để sử dung máy nén khí hiệu quả, bạn chỉ cẩn sử dụng 3 thủ thuật sau, để tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành hệ thống khí nén
Chọn mua Máy nén khí phù hợp với nhu cầu:
Chọn kích thước máy nén khí chạy hiệu quả nhất khi nó được chạy ở ’đầy tải.
Đảm bảo rằng máy nén khí của bạn phù hợp nhu cầu của bạn, và không cài đặt một máy nén quá cỡ để đáp ứng nhu cầu dự kiến trong tương lai.
Mua một, thêm máy nén khí có kích thước thích hợp khi cần thiết sau này thường là kinh tế hơn và hiệu quả.
Xem xét các phụ kiện năng lượng hiệu quả để giảm thiểu tổn thất năng lượng trong các hệ thống khí nén như các bộ lọc hiệu quả cao và máy sấy, hoặc chọn một máy nén khí với kết quả đầu ra thay đổi.
Cài đặt giờ tự động để tắt máy nén khí của bạn khi không sử dụng.
Áp suất không khí giảm đến mức tối thiểu cần thiết để thực hiện công việc. Rút ngắn khoảng cách phân phối không khí hoặc nhìn vào máy nén khí di chuyển của bạn đến gần hơn nơi khí nén của bạn được sử dụng. Kiểm tra tất cả các ổ đĩa vành đai căng thẳng thường xuyên trong các máy nén khí đai theo định hướng. Năng lượng tổn thất do căng thẳng không chính xác do căng thẳng quá mức về máy nén khí và vòng bi động cơ là phổ biến.
Duy trì hệ thống Máy nén khí thường xuyên:
Thường xuyên kiểm tra các rò rỉ trong đường ống tất cả, các khớp xương, cống, van, ống linh hoạt, phụ kiện, và các đơn vị bộ lọc và bôi trơn. Ví dụ, một lỗ 6.4mm có thể lãng phí 3.400 $ / năm vào hoạt động một hệ thống máy nén không khí ở 700kPa. Giáo dục nhân viên để tìm ra cho chất thải và rò rỉ, và báo cáo này ngay lập tức.
Giải pháp tiết kiệm cho máy nén khí
Kinh tế đang suy thoái như hiện nay thì việc tiết kiệm được chi phí sử dụng May nen khi cũng sẽ hỗ trợ nhiều cho doanh nghiệp, Dưới đây là cách tiết kiệm cho máy nén khí
Phân tích tích kiệm điện trong máy nén khí
- 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.
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 váo 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. Chế độ điều khiển tốc độ quay 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. Như vậy, hệ thống cung cấp khí có thể đạt được hiệu quả cao 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 độ quay của máy nén khí.
- Đây là một phương pháp điều khiển có tính khoa học sử dụng 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 hệ thống 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 độ quay của motor giảm 80% so với tốc độ quay định mức, lưu lượng khí cung cấp cho hệ thống 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 củ 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 INVT 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.
- Nguyên lý tiết kiệm điện của việc cung cấp khí với áp suất không đổi: