Tiết kiệm năng lượng với giải pháp biến tần cho máy nén khí

1. Biến tần cho hệ thống máy nén khí

Biến tần cho máy nén khí: Máy nén khí và hệ thống máy nén khí đóng một vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp. Phạm vi ứng dụng của chúng rất rộng, chúng xuất hiện trong việc vận chuyển khí đốt tự nhiên từ nơi sản xuất đến nơi tiêu dùng. Các nhà máy lọc dầu, nhà máy chế biến khí tự nhiên, hóa dầu và các nhà máy hóa chất sử dụng các máy này cho việc nén khí ở những công đoạn cuối cùng.
Máy nén khí cũng đóng vai trò di chuyển, trao đổi nhiệt trong chu kỳ làm lạnh trong các hệ thống làm mát và điều hòa không khí, hệ thống HVAC.

Thế nào là máy nén khí?

Máy nén khí là một thiết bị cho phép tăng áp suất của khí thông qua việc giảm thể tích của lượng khí đó. Máy nén khí tương tự như bơm: chúng tăng áp suất của dòng chảy và có thể vận chuyển dòng chảy thông qua các đường ống.

Phân loại theo nguyên lý hoạt động, chúng ta có một số loại máy nén khí tiêu biểu sau đây:

• Máy nén khí trục vít (Screw Air Compressor): Máy nén khí loại này tận dụng chuyển động tròn của 2 trục vít để nén khí. Chúng gồm 2 loại: máy nén khí trục vít có dầu và không có dầu. Các loại máy nén khí trục vít có dầu được sử dụng trong các ngành công nghiệp không yêu cầu sử dụng khí sạch. Trong khí đó máy nén khí không dầu được sử dụng trong các ngành công nghiệp cần đảm bảo khí cung cấp sạch như trong các ngành chế biến thực phẩm, y tế.
• Máy nén khí ly tâm (Centrifugal Compressor): Máy nén khí li tâm sử dụng đĩa quay hoặc cánh quạt để ép khí ra mép ngoài của bánh công tác, điều này giúp làm tăng vận tốc của khí. Bộ phận khuếch tán sẽ giúp chuyển động năng thành năng lượng sinh ra bởi áp suất của luồng khí. Máy nén khí ly tâm được sử dụng trong môi trường liên tục và trong ngành công nghiệp nặng như trong các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu.
• Máy nén khí dọc trục (Axial-flow Compressor): Máy nén khí loại này bao gồm phần tĩnh và phần quay. Trục quay được giữ trên giá đỡ, và trục gắn với tang trống trung tâm (central drum). Tang trống này gồm nhiều hàng cánh quạt. Các hàng cánh quạt được lắp thành các cặp, trong đó một hàng cánh quạt quay khi làm việc và một hàng cố định. Một hàng cánh quạt quay hay cố định trong quá trình làm việc được gọi là 1 pha. Hàng cánh quạt quay tương ứng như rotor giúp tăng tốc dòng chảy. Trong khi hàng cánh quạt cố định tương ứng với stator có tác dụng chuyển động năng trong chuyển động quay thành áp suất tĩnh thông qua việc khuếch tán và chuyển hướng dòng chảy đến hàng cánh quạt quay tiếp theo. Như trong hình chúng ta có thể thấy tiết diện tạo bởi các hàng cánh quạt nhỏ dần, điều này giúp tăng sức nén. Máy nén khí dọc trục được sử dụng rộng rãi trong các tuabin khí như động cơ phản lực, các nhà máy điện quy mô nhỏ. Ưu điểm của chúng là hiệu suất cao, độ tin cậy cao và hoạt động một cách linh hoạt. Tuy nhiên để dòng chảy được nén với áp suất lớn, đòi hỏi có nhiều hàng cánh quạt. Điều này khiến cho hệ thống trở nên phức tạp và giá thành rất cao.

Trên thực tế, có rất nhiều loại máy nén khí với các đặc điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau. Bài viết không đi sâu vào khía cạnh này mà sẽ tập trung vào ưu điểm khi sử dụng biến tần cho một hệ thống sử dụng máy nén khí.

Ở chế độ điều khiển đầu tiên: điều khiển lưu lượng khí cung cấp khi có tải /khi không tải.
Tư tưởng của phương pháp điều khiển này là sử dụng một dải giá trị của áp suất để xác định chế độ có tải hay không tải. Cụ thể hơn, khi áp suất khí trong hệ thống tăng đến một giới hạn nhất định (giới hạn trên), các van cửa vào sẽ ngừng cung cấp khí, tại thời điểm đó máy nén khi hoạt động ở chế độ không tải. Trong chế độ có tải, luồng khí sẽ được cấp đến nơi tiêu thụ gây ra sự sụt áp trên hệ thống. Khi áp suất của hệ thống giảm và đạt đến một giới hạn dưới, máy nén khi hoạt động ở chế độ có tải, các van cửa vào mở ra, dòng khí được bơm vào hệ thống để duy trì áp suất ở giá trị mong muốn.
Phương pháp này có một nhược điểm đó là việc duy trì chế độ làm việc có tải trong một thời dài sẽ làm giảm tuổi thọ motor. Hơn nữa, chính việc thiết lập một giới hạn trên và dưới của áp suất trong hệ thống để xác đinh hệ thống làm việc ở chế độ có tải hay không tải, gây ra sự lãng phí điện năng.
Ngày nay, với sự linh hoạt của các Biến tần cho máy nén khí trong việc điều khiển tốc độ, chế độ điều khiển tốc độ dòng khí cung cấp được sử dụng rộng rãi. Phương pháp này giải quyết triệt để được nhược điểm của phương pháp điều khiển lưu lượng khí cung cấp khi có tải/không tải. Thay vì thiết lập giới hạn trên và dưới của áp suất, ta có thể thay đổi trực tiếp tốc độ của động cơ để đạt được sự ổn định của áp suất trong hệ thống. Chính khả năng thay đổi tốc độ một cách chính xác và linh hoạt đã giúp tiết kiệm lượng điện năng tiêu thụ, tránh lãng phí điện năng. Và do đó vốn đầu tư ban đầu được thu hồi một cách nhanh chóng.

2. Khái quát chung và yêu cầu công nghệ

Tiêu chí kỹ thuật

Máy nén khí thường yêu cầu sử dụng điện năng rất lớn, chính vì vậy việc tiết kiệm điện là một bài toán rất quan trọng trong quá trình vận hành loại máy này. Bên cạnh đó, máy nén khí cũng cần tính ổn định, độ bền cơ học cao vì việc sửa chữa và bảo trì tương đối tốn kém và tiêu tốn thời gian.

Ưu điểm khi sử dụng biến tần cho máy nén khí

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ tự động hóa, biến tần ra đời đã giúp giải quyết bài toán điều khiển máy nén khí một cách dễ dàng. Những ưu điểm của biến tần cho máy nén khí:

• Điều chỉnh tốc độ máy nén linh hoạt phù hợp với nhu cầu sử dụng của tải (tính năng tiết kiệm điện)
• Bảo vệ và giúp tăng tuổi thọ hệ thống cơ khí, động cơ.
• Nâng cao chất lượng điện năng.
• Quá trình khởi động và dừng tải êm, giúp giảm tiếng ồn máy nén khí.

3. Hướng giải quyết lắp biến tần cho máy nén khí

• Dòng khởi động và dòng không tải giảm nhiều nên ít ảnh hưởng tới các thiết bị khác xung quanh, chất lượng mạng điện ổn định, tổn hao nhiệt trên dây dẫn giảm.
• Nếu vận hành máy chạy ở chế độ: CÓ TẢI và KHÔNG TẢI (Load – Unload): Biến tần sẽ tự động thay đổi tốc độ phù hợp, lúc KHÔNG TẢI tần số sẽ tự động giảm xuống mức thấp nhất mà vẫn đảm bảo hệ số phát nóng cho động cơ, lúc CÓ TẢI  tùy vào lưu lượng khí sử dụng trong Nhà máy và cách vận hành của máy sẽ giảm tần số xuống một mức độ nào đó thay vì phải chạy hết công suất của Motor như hệ thống hiện hữu.
• Nếu vận hành máy ở chế độ PID: Dùng biến tần kết hợp với một Sensor áp suất khí gắn trên đường ống. Điều này sẽ giúp hệ thống luôn chạy ổn định và áp lực trên đường ống luôn duy trì ở mức độ mong muốn.
• Quá trình khởi động và dừng tải êm, tiếng ồn giảm. Tăng tuổi thọ vận hành máy.
• Ngoài những lợi ích trên, nếu Máy Nén Khí hoạt động 12h/312 ngày/ 1năm thì hiệu quả từ việc tiết kiệm năng lượng ước tính trên 20%, cho phép hoàn vốn đầu tư trong thời gian 14-18 tháng.

4. Nguyên lý tiết kiệm điện trong hệ thống máy nén khí khi dùng biến tần

Bằng cách sử dụng biến tần để kiểm soát tốc độ quay của máy nén khí để ổn định áp suất đặt, ta sẽ tiết kiệm được điện năng qua công thức sau:

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

Từ biểu thức trên ta thấy được 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 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.