Hệ thống khí nén

BỘ CÂU HỎI - TRẢ LỜI VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TK&HQ TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

Câu 1: Cơ cấu các loại chi phí vận hành trong vòng đời của một hệ thống máy nén khí gồm những gì và loại nào chiếm tỷ trọng lớn nhất?

Gợi ý trả lời:

Chi phí vận hành cho một hệ thống máy nén khí trong suốt vòng đời của nó thường được chia làm ba loại chính với tỷ trọng như sau:

- Chi phí điện năng: Chiếm tỷ trọng lớn nhất, lên tới trên 78%.

- Chi phí đầu tư thiết bị ban đầu: Chỉ chiếm khoảng 16%.

- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng: Chiếm 6% còn lại. Vì chi phí điện năng chiếm tỷ trọng áp đảo, việc kiểm soát và tối ưu hóa lượng điện tiêu thụ của máy nén khí là yếu tố then chốt giúp doanh nghiệp giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Câu 2: Tại sao hiệu suất năng lượng của hệ thống khí nén lại được đánh giá là rất thấp và tiềm năng tiết kiệm năng lượng ở đây được thể hiện như thế nào?

Gợi ý trả lời:

Trong hệ thống khí nén, khi cấp 100% điện năng từ nguồn đầu vào, lượng năng lượng hữu ích cuối cùng cung cấp cho thiết bị sử dụng chỉ còn lại 10%. 90% điện năng còn lại bị thất thoát qua hàng loạt tổn thất trong hệ thống bao gồm:

- Tổn thất truyền tải và phân phối điện (8%)

- Tổn thất động cơ điện (4%)

- Tổn thất truyền động vật lý (5%)

- Tổn thất tại chính máy nén khí (32%)

- Tổn thất tại bình tích khí (5%)

- Tổn thất trên đường ống chính và các van (16%)

- Tổn thất trên đường ống sử dụng tại các hộ tiêu thụ (20%). Hiệu suất hữu ích quá thấp (10%) đồng nghĩa với việc tiềm năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống khí nén là cực kỳ lớn nếu chúng ta khắc phục được các điểm tổn thất này.

Câu 3: Dựa trên nguyên lý làm việc vật lý, máy nén khí được phân loại thành các nhóm chính nào và mỗi nhóm gồm những loại máy cụ thể nào?

Gợi ý trả lời:

Dựa trên nguyên lý làm việc, máy nén khí được chia làm hai nhóm lớn:

- Máy nén khí kiểu thể tích: Hoạt động bằng cách thay đổi thể tích của buồng chứa khí. Nhóm này gồm các loại máy cụ thể như: pittông, Trục vít, Xoắn ốc, và Cánh gạt.

Máy nén khí kiểu thể tích: Hoạt động bằng cách thay đổi thể tích của buồng chứa khí. Nhóm này gồm các loại máy cụ thể như: Piston, Trục vít, Xoắn ốc, và Cánh gạt.

- Máy nén khí kiểu động học (hoặc dạng cánh dẫn): Hoạt động bằng cách tăng vận tốc dòng khí nhờ cánh quạt quay. Nhóm này gồm hai loại chính là: Hướng kính và Hướng trục.

Câu 4: Máy nén khí pittông có những ưu điểm và hạn chế nào trong vận hành thực tế?

Gợi ý trả lời:

Ưu điểm: Có thể tạo áp suất cao, phù hợp lưu lượng nhỏ đến trung bình, hiệu suất tốt khi được chọn đúng điểm làm việc; kết cấu quen thuộc và có thể bố trí nhiều cấp nén kèm làm mát trung gian.

Nhược điểm:

- Lưu lượng dao động theo chu kỳ; cần bình chứa hoặc bộ giảm dao động.

- Nhiều chi tiết chuyển động và van nên nhu cầu bảo trì, kiểm soát rung và bôi trơn cao hơn; máy lớn có thể cồng kềnh.

- Với tỷ số nén tổng cao thường cần nhiều cấp và làm mát trung gian để khống chế nhiệt độ đẩy và công nén.

- Không mặc định máy pittông luôn có hiệu suất thấp hoặc luôn rẻ; phải so sánh suất điện năng riêng tại đúng áp suất và chế độ tải.

Câu 5: Máy nén khí trục vít có những ưu điểm và hạn chế nào mà người sử dụng cần lưu ý?

Gợi ý trả lời:

Ưu điểm:

- Máy không có van nạp và van đẩy, hoạt động bằng hai trục vít quay ngược chiều không tiếp xúc trực tiếp với thân máy nên độ bền cao, vận hành êm ái, ít tốn công bảo trì và chi phí vận hành thấp.

- Cho dòng khí tương đối ổn định, kết cấu gọn và phù hợp vận hành liên tục trong dải lưu lượng thiết kế. Tỷ số nén cho phép và hiệu suất phụ thuộc cấu hình một cấp/nhiều cấp, áp suất, nhiệt độ và nhà sản xuất; không dùng một giá trị tối đa chung cho mọi máy.

- Lưu lượng khí nén đầu ra rất đều đặn và thiết kế tổng thể của máy nhỏ gọn.

Hạn chế: Chi phí đầu tư và sửa chữa cụm đầu nén có thể cao; hiệu suất suy giảm khi khe hở tăng do mài mòn hoặc khi máy chạy non tải bằng van trượt/đóng–mở không phù hợp. Hiệu suất lưu lượng không tăng theo thời gian sử dụng, vì vậy phải theo dõi suất điện năng riêng và bảo dưỡng.

Câu 6: Những nguyên nhân chính nào thường dẫn đến tình trạng áp suất khí nén đầu ra của máy nén khí bị cài đặt cao hơn nhu cầu thực tế của hộ tiêu thụ?

Gợi ý trả lời:

Tình trạng áp suất khí nén đầu ra cao hơn nhu cầu thực tế thường xuất phát từ 4 nguyên nhân chính sau:

- Cài đặt cố định từ đầu: Người vận hành giữ nguyên cấu hình áp suất cao do nhà thầu thiết lập ban đầu mà không điều chỉnh lại cho khớp với nhu cầu thực dùng của nhà máy.

- Phụ tải dao động lớn: Sự thay đổi liên tục về nhu cầu sử dụng khí nén giữa các ca sản xuất buộc hệ thống phải giữ áp suất cao để phòng ngừa hụt áp.

- Tồn tại nhiều mức áp suất sử dụng khác nhau: Trong nhà máy có nhiều thiết bị cần các mức áp suất khác nhau (cao và thấp), nhưng hệ thống lại sử dụng chung một mức áp suất cao nhất cho toàn bộ mạng lưới dẫn đến lãng phí năng lượng ở những hộ áp thấp.

- Sụt áp đường ống lớn: Sự rò rỉ khí nén hoặc ma sát mạnh trên đường ống phân phối buộc máy nén khí phải tăng áp suất đầu ra để bù lại lượng sụt áp này.

Câu 7: Đối với từng nguyên nhân làm áp suất đầu ra cao hơn nhu cầu, chúng ta có các giải pháp kỹ thuật tương ứng nào để khắc phục và tối ưu hóa năng lượng?

Gợi ý trả lời:

Để giải quyết vấn đề áp suất cao hơn nhu cầu, các biện pháp kỹ thuật tương ứng cần áp dụng gồm:

- Nếu do cài đặt ban đầu chưa tối ưu: Tiến hành cài đặt lại áp suất khí nén phù hợp trực tiếp với nhu cầu.

- Nếu do phụ tải dao động lớn: Áp dụng phương án điều phối phụ tải hợp lý kết hợp với việc tăng dung tích bình chứa khí nén để điều hòa áp suất.

- Nếu do có nhiều mức áp suất phụ tải khác nhau: Thực hiện tách biệt hệ thống cao áp và hạ áp riêng biệt để cấp đúng áp suất cho từng khu vực cần dùng.

- Nếu do sụt áp lớn trên đường ống phân phối: Cần thực hiện thiết kế ban đầu hợp lý và tiến hành bảo dưỡng định kỳ để triệt tiêu rò rỉ và ma sát.

Câu 8: Việc sử dụng máy nén khí nhiều cấp kết hợp bộ làm mát trung gian mang lại lợi ích gì trong việc tiết kiệm năng lượng?

Gợi ý trả lời:

Khi hệ thống yêu cầu tỷ số nén lớn, việc nén khí liên tục trong một cấp sẽ làm tăng mạnh nhiệt độ của khí nén và đòi hỏi công nén rất lớn. Việc chuyển sang sử dụng máy nén khí đa cấp có làm mát trung gian giữa các cấp nén giúp hạ nhiệt độ của khí trước khi đưa vào cấp nén tiếp theo. Quá trình làm mát trung gian này giúp giảm đáng kể phần công nén (N) cần thiết, từ đó trực tiếp giảm lượng điện năng tiêu thụ của máy nén khí.

Câu 9: Hãy nêu các phương pháp được sử dụng để điều chỉnh năng suất (lưu lượng) của máy nén khí kiểu pittông.

Gợi ý trả lời:

Để điều chỉnh năng suất làm việc của máy nén khí piston phù hợp với nhu cầu phụ tải, một số phương pháp sau có thể được áp dụng:

- Tác động mở van hút: Điều khiển, khống chế lượng khí đi vào xi lanh nhiều hay ít.

- Thay đổi thể tích chết của xi lanh: Làm giảm thể tích khí được nén trong mỗi chu kỳ hoạt động của pittông.

- Tăng sức cản trên đường ống hút: Cách này giúp hạn chế lượng khí nạp vào nhưng hiệu quả điều chỉnh kém nhất.

- Xả khí từ buồng nén sang buồng hút hoặc xả ra ngoài: Nhằm mục đích làm giảm áp suất và lưu lượng khí ở đầu ra.

- Đóng - tắt (on-off) động cơ: Dừng hẳn hoặc khởi động lại động cơ tùy theo lượng áp suất tích lũy.

- Thay đổi vòng quay của động cơ: Thay đổi tốc độ quay của máy nén thông qua việc lắp đặt bộ biến tần.

Câu 10: Đối với máy nén khí trục vít, có những phương pháp nào để điều chỉnh lưu lượng khí nén đầu ra?

Gợi ý trả lời:

Máy nén khí trục vít có thể sử dụng các phương pháp điều chỉnh sau, tùy cấu tạo và hướng dẫn của nhà sản xuất:

- Sử dụng van trượt điều phối lưu lượng: Giúp thay đổi thể tích khí nén thực tế ngay bên trong buồng nén khí.

- Tiết lưu cửa hút: Làm giảm lượng không khí đi vào máy nén, tuy nhiên phương pháp này sẽ làm giảm hiệu suất tổng thể của máy.

- Dùng đường phân dòng: Thực hiện xả ngược một phần khí nén đã tạo ra quay trở lại đầu hút.

- Thay đổi vòng quay của động cơ: Sử dụng bộ biến tần để trực tiếp điều khiển tốc độ của động cơ điện kéo trục vít.

Câu 11: Nguyên tắc hoạt động của việc gắn biến tần (VSD) để điều chỉnh năng suất máy nén khí là gì và cần lưu ý giới hạn tần số tối thiểu như thế nào để đảm bảo an toàn cho thiết bị?

Gợi ý trả lời:

- Nguyên tắc hoạt động: Biến tần (VSD) giúp điều chỉnh năng suất khí nén bằng cách thay đổi vận tốc của động cơ điện sao cho lượng khí nén sinh ra khớp hoàn toàn với lưu lượng khí thực tế đang được sử dụng tại mọi thời điểm. Phương án này khắc phục được nhược điểm lãng phí năng lượng của chế độ chạy truyền thống (chu kỳ mang tải - rỗng tải/giã tải liên tục).

- Giới hạn tần số tối thiểu cần lưu ý:

+ Đối với máy nén khí trục vít: Tần số điều khiển không được thấp hơn 30 Hz. Nếu vận hành dưới mức này, máy sẽ bị hiện tượng quá nhiệt và làm suy giảm nghiêm trọng tuổi thọ thiết bị.

+ Đối với máy nén khí piston: Tần số điều khiển không được thấp hơn 20 Hz để đảm bảo hệ thống có đủ độ bôi trơn và làm mát ổn định.

Câu 12: Để kiểm tra sự suy giảm lưu lượng thực tế của máy nén khí theo thời gian sử dụng, quy trình đo đạc thực tế tại nhà máy cần thực hiện theo các bước cụ thể nào?

Gợi ý trả lời:

- Yêu cầu thiết bị đo: Cần trang bị áp kế (đo áp suất dư) và phải lắp đặt thêm nhiệt kế (đo nhiệt độ không khí bên trong bình chứa khí nén).

- Quy trình đo đạc gồm 7 bước:

+ Đóng hoàn toàn các van phân phối chính tại bình chứa để cô lập lượng khí bên trong, không cho khí thoát ra mạng lưới phân phối.

+ Đo và ghi nhận thể tích bình chứa V (bao gồm cả thể tích phần đường ống nối từ đầu đẩy của máy nén khí đến bình chứa).

+ Tiến hành vận hành máy nén khí để nâng áp từ mức áp suất ban đầu P₁ lên áp suất cuối P₂.

+ Ghi nhận khoảng thời gian nâng áp từ P₁ lên P₂(Δτ).

+ Ghi nhận giá trị nhiệt độ không khí trong bình chứa t₁ ngay tại thời điểm áp suất đạt P₁.

+ Ghi nhận giá trị nhiệt độ không khí trong bình chứa t₂ ngay tại thời điểm áp suất đạt P₂.

+ Thay các thông số đo đạc được vào công thức tính toán năng suất thực tế Q để so sánh, tham chiếu với thông số thiết kế ban đầu của nhà sản xuất.

Câu 13: Hiện tượng sụt áp trên mạng phân phối khí nén phát sinh từ những nhóm nguyên nhân chính nào và giải pháp khắc phục ra sao?

Gợi ý trả lời:

Nguyên nhân chính gây sụt áp:

- Ma sát: Phát sinh từ việc lựa chọn đường ống kích thước không hợp lý, bố trí mạng lưới phân phối dạng mạch nhánh thay vì mạch vòng, hoặc do công tác bảo dưỡng kém.

- Rò rỉ khí nén: Thất thoát khí nén xảy ra tại các khớp nối cơ động, van và mặt bích cũ hỏng do bảo dưỡng kém.

- Tổn thất qua bộ lọc bụi, lọc dầu bẩn: Khi lọc bị bám bẩn, sụt áp qua bộ lọc tăng cao (ví dụ: sụt áp qua bộ lọc tăng từ 200 mmH₂O lên 800 mmH₂O sẽ làm gia tăng tổn thất điện năng của hệ thống từ 1,6% lên 7%).

Giải pháp khắc phục:

- Vệ sinh định kỳ bộ lọc bụi, lọc dầu, các đầu co và ống thắt trong hệ thống.

- Lắp đặt thêm các đồng hồ đo áp suất tại các vị trí cần thiết để theo dõi mức độ sụt áp.

- Tiến hành cô lập, sửa chữa các điểm rò rỉ tại khớp nối, van, mặt bích dựa trên việc cân nhắc giữa chi phí sửa chữa và lợi ích thu lại.

- Tối ưu hóa việc lắp đặt đường ống: Chọn kích thước ống phù hợp, rút ngắn chiều dài đường đi của khí nén và ưu tiên phân bổ mạng lưới theo sơ đồ mạch vòng thay vì mạch nhánh.

Câu 14: Hãy trình bày quy trình các bước cụ thể để tiến hành bài kiểm tra xác định tỷ lệ rò rỉ khí nén của mạng lưới phân phối khí nén tại nhà máy.

Gợi ý trả lời:

Bài kiểm tra rò rỉ khí nén dựa trên chu kỳ lên tải và xuống tải của máy nén khí được thực hiện theo 4 bước sau:

- Bước 1: Sử dụng các van cách ly tương ứng để khóa, cô lập các nhánh đường ống không cần kiểm tra (chỉ giữ lại phân đoạn hoặc nhánh ống cần thực hiện phép đo).

- Bước 2: Đảm bảo cài đặt các mức giới hạn áp suất cao và thấp của máy nén khí giống hệt như trạng thái vận hành sản xuất bình thường hàng ngày.

- Bước 3: Cho máy nén khí hoạt động bình thường để nạp đầy khí vào bình chứa và hệ thống đường ống dẫn cho đến khi áp suất đạt mức giới hạn cao nhất và máy tự động dừng chạy. Tiến hành bấm giờ và ghi nhận 2 trị số thời gian:

+ Thời gian xuống tải (t - phút): Đo từ thời điểm máy nén khí dừng chạy hoàn toàn cho đến khi áp suất tụt xuống mức thấp và máy tự khởi động trở lại.

+ Thời gian lên tải (T- phút): Đo từ lúc máy nén khí vừa chạy lại cho đến khi áp suất khí nén đạt mức giới hạn cao và máy dừng hẳn.

- Bước 4: Áp dụng công thức tính phần trăm không khí rò rỉ theo tỷ lệ thời gian chạy có tải (T) trên tổng chu kỳ hoạt động (T + t) để xác định chính xác lượng khí nén rò rỉ thực tế. Nếu tình trạng rò rỉ càng nghiêm trọng, xu hướng thời gian lên tải (T) sẽ càng lớn và thời gian xuống tải (t) sẽ càng nhỏ.

Câu 15: Nhiệt độ không khí đầu vào ảnh hưởng như thế nào đến công nén và điện năng tiêu thụ của máy nén khí? Nêu các nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ luồng khí nạp này.

Gợi ý trả lời:

- Tác động của nhiệt độ khí nạp: Công nén cần thiết tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ không khí đầu vào. Theo kết quả nghiên cứu, cứ mỗi khi nhiệt độ không khí đầu vào tăng thêm 5°C thì điện năng tiêu thụ của máy nén khí sẽ tăng thêm 1,5%.

- Nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khí nạp:

+ Giải nhiệt máy nén kém: Do bộ phận trao đổi nhiệt bị bám bẩn, hoặc quạt gió, bơm nước làm mát, bơm dầu bôi trơn hoạt động kém hiệu quả.

+ Phòng máy kém thông thoáng: Không gian đặt máy nén khí quá kín, hẹp và không có hệ thống lưu thông gió phù hợp để đẩy lượng nhiệt lượng lớn tỏa ra từ thân máy nén ra ngoài.

+ Nguồn khí nóng xâm nhập: Gió nóng từ môi trường bên ngoài hoặc từ các nguồn tỏa nhiệt khác gần phòng máy rò rỉ vào khu vực nạp khí của máy nén.