Tiết kiệm năng lượng máy nén khí hiệu quả nhất năm 2022 kiến thức mới năm 2023

Chi phí lớn nhất khi sử dụng máy nén khí chính là chi phí về năng lượng. Làm thế nào để giảm thiểu tối đa sự tiêu hao năng lượng, nhưng vẫn đảm bảo được hiệu suất vận hành của hệ thống, hãy cùng xem những phương pháp tiết kiệm năng lượng máy nén khí sau đây nhé!

Tiết kiệm năng lượng cho hệ thống máy nén khí

Thực trạng sử dụng năng lượng trong hệ thống khí nén hiện nay

Khí nén là một trong những phương tiện truyền tải năng lượng quan trọng, hữu dụng và đa năng nhất trong sản xuất. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, hệ thống này thường xuyên xảy ra tình trạng thất thoát, sử dụng năng lượng chưa hiệu quả.

Thông thường, hệ thống khí nén thường chiếm tới 20-25% lượng điện năng tiêu thụ của toàn nhà máy. Một nghiên cứu về việc sử dụng điện năng tại Nhật cũng đã chỉ ra rằng, lượng điện tiêu thị cho hệ thống khí nén tại đây thường xấp xỉ 50 triệu kWh/năm, tương đương với 5% lượng điện năng tiêu thụ của toàn đất nước.

Điều này đồng nghĩa với việc, nếu lượng điện năng dùng cho hệ thống khí nén giảm đi 10%, thì tổng điện năng tiêu thụ quốc gia cũng sẽ giảm xuống 0,5%.

Phân tích tiết kiệm điện trong hệ thống máy nén khí

Việc phân tích sử dụng điện năng trong hệ thống máy nén khí sẽ giúp chúng ta xác định được nguyên lý tiết kiệm điện hiệu quả nhất. Theo đó, trong hệ thống đường ống cung cấp khí, đối tượng được chú ý nhiều nhất chính là lưu lượng. Nhiệm vụ cơ bản nhất của hệ thống khí nén chính là đáp ứng nhu cầu của người dùng về lưu lượng khí. Có 2 chế độ điều khiển lưu lượng khí bao gồm điều khiển cung cấp khí lúc có tải/không tải và điều khiển tốc độ.

Nguyên tắc tiết kiệm năng lượng cho hệ thống

Điều khiển cung cấp khí có tải/ không tải

Đây là chế độ đề cập đến việc kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa vào. Hiểu đơn giản hơn, khi áp suất khí đạt đến giới hạn trên, van cửa vào sẽ đóng, máy nén khí vận hành ở chế độ không tải và ngược lại khi áp suất khí đạt giới hạn dưới, van sẽ mở và máy hoạt động ở chế độ có tải.

Máy nén khí thường sẽ không cho phép trạng thái hoạt động có tải diễn ra quá dài. Công suất định mức của motor cũng được thiết kế theo nhu cầu thực tế lớn nhất, thông thường sẽ là dư tải.

Các thiết bị khi khởi động sẽ chịu điện áp và sự hao mòn lớn, mặc dù đã được áp dụng các phương pháp giảm điện áp nhưng dòng khởi động vẫn rất lớn, gây ảnh hưởng tới sự ổn định của lưới điện và hoạt động của các thiết bị tiêu thụ điện khác.

Hơn nữa, trong trường hợp thay đổi, cụ thể là rút bớt tải, động cơ máy nén khí không được hỗ trợ điều chỉnh tốc độ, nên sẽ vẫn chạy trong khi lượng khí tiêu thụ là rất nhỏ. Điều này khiến một lượng lớn điện năng bị lãng phí.

Điều khiển tốc độ quay motor

Với cách điều khiển này, công nghệ thay đổi tần số được dùng để thay đổi tốc độ quay motor máy nén khí, từ đó thay đổi lưu lượng theo nhu cầu sử dụng thực tế.

Nguyên tắc cơ bản của biến tần chính là sự chuyển đổi dòng điện, cho ra điện áp có tần số thay đổi. Tốc độ quay của motor tỷ lệ tuyến tính với tần số, từ đó điều khiển được lưu lượng khí nén.

Trên đây là nguyên tắc vận hành chính của lưu lượng khí nén trong máy nén khí. Có thể thấy phương pháp sử dụng công nghệ biến tần là một trong những phương pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng máy nén khí.

Bên cạnh đó, người ta cũng ứng dụng nhiều phương pháp để hạn chế tình trạng khí nén bị thất thoát, gây lãng phí điện năng. Cùng tìm hiểu kỹ hơn sau đây.

Sử dụng công nghệ biến tần giúp giảm tiêu thụ điện

Giải pháp tiết kiệm năng lượng máy nén khí hiệu quả

Vị trí đặt máy nén khí

Vị trí đặt máy nén khí và chất lượng không khí hút vào máy nén có ảnh hưởng rất lớn đến mức tiêu hao năng lượng của hệ thống. Hoạt động của máy nén khí sẽ tương tự như một máy thở, vận hành tốt và được cải thiện nếu sử dụng khí vào sạch, khô và mát.

Nhiệt độ không khí đầu vào

Khí đầu vào bị nhiễm bẩn hoặc nóng gây giảm khả năng vận hành của máy nén,  tăng chi phí năng lượng cũng như chi phí bảo dưỡng. Hơi nước và các chất bẩn có nhiều trong không khí, khi đi vào buồng máy sẽ gây ra bám bẩn ở các bộ phận bên trong như các van, rotor, cánh gạt, gây mòn sớm và làm giảm năng suất của máy nén.

Bên cạnh đó, máy nén khí sẽ tạo ra nhiệt do quá trình hoạt động liên tục. Lượng nhiệt này phát tán ra phòng lắp máy nén, làm nóng dòng khí vào gây giảm hiệu suất và tăng tiêu thụ điện. Theo quy tắc chung, “Nhiệt độ khí vào tăng cứ 4 độ C, mức tiêu thụ năng lượng sẽ tăng thêm 1% nhằm duy trì năng suất tương ứng”. Vì vậy, nếu khí cấp cho máy là khí mát sẽ nâng cao được hiệu suất vận hành, đồng thời giúp tiết kiệm năng lượng máy nén khí.

Để đảm bảo không khí cấp cho máy nén luôn mát, cần có những phương án nhằm giữ nhiệt độ môi trường xung quanh ở mức tối thiểu nhằm tránh giảm lưu lượng. Có thể giảm nhiệt độ bằng cách đặt ống hút khí vào bên ngoài buồng/nhà đặt máy nén. Tuy nhiên cần xem xét đến các yếu tố về thời tiết, môi trường xung quanh.

Ảnh hưởng của nhiệt độ khí đầu vào tới mức tiêu thụ điện của máy nén

Sụt áp trong bộ lọc máy nén khí

Việc lắp đặt một bộ lọc khí cho máy nén là vô cùng cần thiết. Thông thường, các nhà sản xuất máy nén sẽ cung cấp hoặc đề xuất lắp đặt một loại bộ lọc chuyên dụng để bảo vệ thiết bị. Tuy nhiên, cần lưu ý giảm thiểu sự sụt áp qua bộ lọc khí vào bằng cách chọn đúng công suất bộ lọc, đồng thời bảo dưỡng tốt bộ lọc để ngăn ngừa hiện tượng thắt hẹp làm giảm công suất máy nén.

Một trong những cách hiệu quả nhất chính là lắp một chiếc đồng hồ đo chênh áp để giám sát tình trạng hoạt động của bộ lọc này. Hiện tượng sụt áp qua một bộ lọc khí vào sẽ không được vượt quá 3 pound/ inch² (psi).

Bảng dưới đây nêu rõ ảnh hưởng của sụt áp qua bộ lọc khí vào đối với mức tiêu thụ điện năng của máy nén khí.

Cụ thể, cứ mỗi mức sụt áp suất hút 250mm (đối với cột nước), mức tiêu thụ năng lượng của máy nén sẽ tăng thêm khoảng 2%. Vì vậy, nên định kỳ làm sạch bộ lọc khí vào để giảm thiểu tình trạng sụt áp. Người dùng có thể sử dụng áp kế hoặc đồng hồ chênh áp đo mức sụt áp qua bộ lọc, từ lên lịch vệ sinh bộ lọc chính xác và hiệu quả. Đây là một trong những cách tiết kiệm năng lượng cho máy nén khí hữu dụng.

Độ cao lắp đặt máy nén khí

Độ cao lắp đặt máy so với mực nước biển có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng tiêu thụ điện của thiết bị. Cụ thể những tác động của độ cao đối với hiệu suất thể tích được thể hiện trong bảng dưới đây.

Độ cao tác động đến khả năng tiêu thụ điện

Theo đó, máy nén khí được đặt ở độ cao hơn so với mực nước biển sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn so với máy đặt ở độ cao bằng mực biển (với cùng một mức áp suất cấp), vì tỉ số nén cao hơn.

Bộ làm mát trung gian và làm mát sau

Phần lớn các máy nén khí đa cấp đều có bộ làm mát trung gian. Đây là bộ trao đổi nhiệt, giúp loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình nén giữa các cấp nén. Bộ làm mát trung gian có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất toàn phần của máy nén khí.

Trong khi đó, bộ làm mát sau được lắp đặt ở cấp nén cuối cùng, nhằm giảm nhiệt độ khí đầu ra. Ở phần lớn các hệ thống máy nén khí công nghiệp, trừ những hệ thống cung cấp khí nén tới các thiết bị không quá nhạy cảm với nhiệt độ, đều cần có quá trình làm mát sau.

Lý tưởng nhất, nhiệt độ khí vào ở mỗi cấp của máy nén khí phải xấp xỉ nhiệt độ khí vào ở cấp đầu tiên. Nhưng trên thực tế, nhiệt độ khí vào ở các cấp sau thường cao hơn cấp đầu, dẫn tới mức tiêu thụ điện năng cao hơn, vì phải xử lý một thể tích khí lớn hơn cho cùng một tác vụ. Xem chi tiết tại bảng sau.

Tác động của bộ làm mát trung gian đến khả năng tiêu thụ điện

Sử dụng nước ở nhiệt độ thấp để làm mát giúp giảm tiêu thụ điện. Tuy nhiên, nhiệt độ nước làm mát quá thấp cũng sẽ làm độ ẩm trong không khí bị ngưng tụ, nếu không được xả bỏ thường xuyên và kịp thời, nước ngưng tụ sẽ làm hỏng xy lanh.

Tương tự như vậy, nếu quá trình làm mát ở bộ làm mát sau không hiệu quả (do các nguyên nhân như cặn bám, vv…), sẽ làm không khí ẩm và nóng đi vào bình tích, tạo thêm nước ngưng tụ trong các bình chứa khí và đường ống phân phối, từ đó tăng khả năng ăn mòn, sụt áp và rò rỉ trong đường ống cũng như trong các thiết bị sử dụng cuối cùng.

Vì vậy, chúng tôi nhắc lại việc làm sạch định kỳ là vô vùng cần thiết, đồng thời đảm bảo đủ lưu lượng ở nhiệt độ hợp lý cả ở bộ làm mát trung gian lẫn bộ làm mát sau nhằm đảm bảo duy trì hoạt động mong muốn.

Cài đặt áp suất làm việc

Với cùng một công suất, máy nén khí sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn khi làm việc với mức áp suất cao hơn. Do đó không nên vận hành máy nén ở mức áp suất vượt quá áp suất vận hành tối ưu, không chỉ gây lãng phí năng lượng mà còn dẫn đến tình trạng mòn nhanh, từ đó gây các lãng phí các nguồn năng lượng khác. Hiệu suất thể tích của thiết bị khí nén cũng giảm khi áp suất cấp cao hơn tiêu chuẩn.

Phương pháp:

Việc giảm mức đặt áp suất cấp cho hệ thống tải cần được thực hiện thông qua các nghiên cứu kỹ càng về yêu cầu áp suất ở nhiều thiết bị khác nhau và hiện tượng sụt áp trên đường phân phối từ nguồn cấp khí nén tới các điểm sử dụng. Mức tiết kiệm nhờ giảm áp suất được thể hiện trong bảng dưới.

Mức tiết kiệm điện nhờ giảm áp suất

Vid dụ: khi vận hành máy ở mức 120 PSIG thay vì 100 PSIG sẽ tiêu tốn nhiều hơn 10% năng lượng, đồng thời tăng tỷ lệ rò rỉ. Đây là lý do vì sao các nhà máy hiện nay luôn nỗ lực giảm áp suất đặt của máy nén và hệ thống xuống mức thấp nhất có thể.

Chú ý: Giảm áp suất 1 bar trong máy nén khí sẽ giúp giảm tiêu thụ điện từ 6 – 10 %.

• Điều biến máy nén thông qua thiết lập áp suất tối ưu

Tại đa số các doanh nghiệp hiện nay thường lắp đặt hệ thống các máy nén khí với cấu tạo, năng suất và chủng loại khác nhau, kết nối với nhau thành một mạng lưới phân phối chung. Trong tình huống này, việc lựa chọn phương thức kết nối phù hợp giữa các sản phẩm và việc điều biến tối ưu hệ thống sẽ giúp tiết kiệm năng lượng

Khi có một hoặc nhiều hơn 1 máy nén khí cấp cho một đầu phân phối chung, cần vận hành máy nén sao cho chi phí sản xuất khí nén là nhỏ nhất.

– Trường hợp tất cả các máy nén giống nhau, có thể điều chỉnh áp suất sao cho chỉ có một thiết bị khí nén phải xử lý những biến động về tải, còn những máy khác hoạt động ở điều kiện gần đầy tải.

– Nếu các máy nén có công suất khác nhau, cần điều chỉnh áp suất sao cho chỉ máy nén khí nhỏ nhất thực hiện việc điều biến (thay đổi lưu lượng).

– Nếu các máy nén khác loại cùng làm việc, mức tiêu thụ năng lượng không tải là rất quan trọng. Cần dùng máy nén với công suất không tải thấp nhất để thực hiện điều biến. Nhìn chung, những model máy bơm hơi có công suất thấp hơn sẽ phải thực hiện điều biến để tiết kiệm năng lượng máy nén khí cho toàn hệ thống.

– Các máy nén khí có thể được phân loại theo mức tiêu thụ năng lượng riêng với từng mức áp suất làm việc khác nhau.

• Tách biệt các nhu cầu áp cao và áp thấp

Nếu nhu cầu áp suất thấp của nhà xưởng nhiều, nên sử dụng nguồn máy nén áp suất cao và áp suất thấp riêng rẽ, đồng thời cấp riêng cho từng bộ phận thay vì sử dụng máy nén khí áp suất cao rồi dùng van giảm áp để giảm áp suất. Điều này sẽ gây lãng phí năng lượng.

• Thiết kế tối ưu nhằm giảm hiện tượng sụt áp trên hệ thống đường ống phân phối

Sụt áp là một thuật ngữ được dân chuyên ngành sử dụng để mô tả hiện tượng giảm áp suất khí nén từ cửa ra máy nén khí tới các thiết bị tiêu thụ. Sụt áp xảy ra trong quá trình khí nén đi qua hệ thống phân phối và xử lý. Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ có mức sụt giảm áp suất ít hơn 10% áp suất của máy nén khí, đo từ đầu ra của bình tích tới hộ tiêu thụ.

Thông thường, đường ống càng dài và đường kính càng nhỏ thì việc tổn thất áp suất xảy ra càng nhiều. Để hạn chế việc sụt áp một hiệu quả, có thể sử dụng một hệ thống khép kín tối ưu, đồng thời chọn kích thước ống chuẩn, hạn chế bộ lọc bị tắc, tối ưu các mối nối và ống mềm,… tránh hiện tượng lãng phí năng lượng.

Bảng dưới đây mô tả mức tổn thất năng lượng khi đường ống có đường kính nhỏ.

Mức sụt áp điển hình trong hệ thống khí nén

Mức sụt áp lý tưởng đối với các ngành công nghiệp là 0,3 bar tính từ bộ phân phối chính tại điểm xa nhất và 0,5 bar ở hệ thống phân phối.

Giảm thiểu tối đa hiện tượng rò rỉ

Như đã nhắc ở phần trước, việc rò rỉ khí nén sẽ gây lãng phí một con số điện khổng lồ. Do rất khó thấy các vị trí rò rỉ không khí bằng mắt thường, nên cần phải sử dụng các biện pháp chuyên dụng để xác định. Biện pháp tốt nhất là sử dụng bộ dò âm thanh siêu âm để tìm ra những âm thanh xì hơi ở tần số cao. Đây là phương pháp tìm rò rỉ phổ biến nhất, có thể ứng dụng cho nhiều dạng phát hiện rò rỉ khác nhau.

Thông thường rò rỉ thường hay xảy ra ở các mối nối. Chúng ta có thể xử lý đơn giản bằng cách siết chặt các mối nối, đối với những lỗ rò rỉ lớn cần thay các thiết bị hỏng, gồm khớp nối, các đoạn ống, ống ghép, ống mềm, gioăng, các điểm xả ngưng và bẫy ngưng.

Trong nhiều trường hợp, rò rỉ có thể xảy ra do làm sạch các đoạn ren không đúng cách hoặc lắp vòng đệm làm kín không chuẩn. Do đó việc lựa chọn các ống ghép, ống ngắt, ống mềm, ống cứng chất lượng cao và lắp đặt đúng cách, sử dụng ren làm kín phù hợp cần đặc biệt chú trọng để tránh rò rỉ về sau.

Xả nước ngưng

Sau khi khí nén rời khỏi buồng nén, bộ làm mát sau của máy nén khí sẽ hoạt động làm giảm nhiệt độ khí xả xuống dưới điểm sương (áp dụng với hầu hết các điều kiện môi trường xung quanh). Khi đó, một lượng hơi nước đáng kể sẽ được ngưng tụ. Để xả lượng nước ngưng dư thừa này, các máy nén khí đã có lắp sẵn bộ làm mát sau được trang bị thêm một bộ lọc tách nước ngưng hoặc bẫy ngưng.

Đồng thời, nên nối một đường xả với lỗ xả ngưng ở bình tích. Để hệ thống vận hành tốt nhất, đường xả ngưng phải được thiết kế có độ dốc từ bình chứa ra ngoài.

Hầu hết tại những điểm thấp trên đường ống phân phối đều cần có bẫy ngưng và đường xả nước ngưng. Ống dẫn khí nén sau cửa đẩy cần phải có cùng kích thước với đầu ống nối sau bộ tiêu âm. Tất cả đường ống và ống nối cần có chất lượng cao, chịu được áp suất khí nén.

Các kỹ thuật viên khi nghiên cứu và thiết kế cần xem xét kỹ kích thước ống từ đầu ống nối trên máy nén, xác định chính xác chiều dài, kích thước ống, số lượng, kiểu của ống nối và van để máy nén có thể đạt hiệu suất tối ưu, tiết kiệm năng lượng máy nén khí hiệu quả.

Kiểm soát việc vận hành máy nén khí

Thông thường, các kỹ sư của nhà máy thường có xu hướng muốn sử dụng khí nén cung cấp cho các thiết bị cần áp suất thấp như cánh khuấy hoặc cấp khí cho buồng đốt. Tuy nhiên, các ứng dụng này nên lấy khí cấp từ quạt thổi (thiết bị chuyên dụng cho áp suất thấp) hoặc sử dụng máy nén khí thấp áp (máy nén khí có áp lực dưới 5 bar). Như vậy sẽ giảm rất nhiều sự hao phí năng lượng so với  sử dụng máy nén khí cao áp thông thường.

Điều khiển máy nén khí

Máy nén khí sẽ hoạt động không hiệu quả nếu được vận hành ở mức thấp hơn nhiều so với sản lượng cfm theo định mức. Để tránh trường hợp vận hành thêm các máy nén khí khác không cần thiết, nên lắp đặt thêm một bộ điều khiển tự động bật và tắt máy nén cho hệ thống tùy theo nhu cầu.

Nếu giữ được áp suất của hệ thống khí nén ở mức càng thấp, hiệu suất sẽ được cải thiện và giảm được việc rò rỉ khí nén.

Bảo dưỡng máy nén khí định kỳ

Thực hiện bảo dưỡng định kỳ

Việc thực hiện bảo dưỡng máy nén khí theo đúng thời gian và quy trình sẽ cải thiện rất nhiều hiệu suất hoạt động của hệ thống khí nén. Dưới đây là một số gợi ý cho việc bảo dưỡng hệ thống khí nén công nghiệp:

– Bôi trơn: kiểm tra áp suất dầu bằng mắt thường hàng ngày, đồng thời thay bộ lọc dầu hàng tháng.

– Bộ lọc khí: bộ lọc khí vào rất dễ bị tắc nghẽn, nhất là ở những môi trường làm việc nhiều bụi bụi. Cần định kỳ kiểm tra, vệ sinh và thay thế các bộ lọc.

– Bẫy ngưng: rất nhiều hệ thống hiện nay lắp đặt bẫy ngưng để gom và xả nước ngưng của hệ thống (với những bẫy có van phao). Cần định kỳ mở các bẫy ngưng vận hành bằng tay để xả toàn bộ chất lỏng tích tụ. Bên cạnh đó cần kiểm tra định kỳ những bẫy tự động để đảm bảo không có hiện tượng rò rỉ khí.

– Bộ làm khô khí: bộ làm khô khí sử dụng rất nhiều năng lượng. Với những bộ làm khô theo phương pháp làm lạnh, cần thường xuyên kiểm tra và thay các bộ lọc sơ bộ, bởi đặc trưng của bộ làm khô này khí thường có các đường thông bên trong nhỏ, có thể bị tắc bởi các chất bẩn.

Các bộ làm khô hoàn lưu cần có bộ lọc tách dầu hiệu quả ở bộ phận vào vì chúng sẽ không hoạt động tốt nếu dầu bôi trơn phủ trên các chất làm khô. Nhiệt độ bộ làm khô cần được đảm bảo ở mức dưới 100°F để tránh việc tăng tiêu thụ các chất làm khô. Thông thường các chất này phải được nạp đầy lại sau mỗi 3-4 tháng, tuỳ theo mức độ tiêu thụ.

Trên đây là những nguyên tắc và cách tiết kiệm năng lượng máy nén khí. Mong rằng bài viết giúp bạn vận hành hệ thống một cách hiệu quả và tiết kiệm.