Tối ưu hóa hệ thống khí nén với nhu cầu biến động lớn

Khi một hệ thống khí nén yêu cầu lưu lượng lớn (khoảng >100 m³/phút) và nhu cầu khí biến động mạnh trong ngày, nhiều khách hàng tin rằng máy nén trục vít biến tần công suất lớn có thể mang lại mức tiết kiệm năng lượng đáng kể nhờ khả năng điều chỉnh lưu lượng khí nén phù hợp với nhu cầu thực tế của hệ thống.

Hãy xem ví dụ minh họa trong Hình 1. Khi nhu cầu lưu lượng khí hằng ngày biến thiên lên đến 90% so với mức tiêu thụ cực đại, nghiên cứu tiến hành so sánh mức tiêu thụ năng lượng của 6 giải pháp khác nhau, dựa trên số lượng máy nén được lắp đặt, kích thước máy nén và công nghệ nén được sử dụng (bao gồm máy nén ly tâm không dầu và máy nén trục vít không dầu).

Hình 1: Bình đồ lưu lượng khí có độ biến thiên cao (90%) trong khoảng thời gian 24 giờ.

Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển máy nén khí và các logic điều khiển khác nhau cũng được xem xét trong quá trình phân tích.

Sau đó, mức tiêu thụ năng lượng của 6 giải pháp được so sánh dưới các mô hình nhu cầu khí nén khác nhau, nhằm mô phỏng hoạt động của cả 6 hệ thống trong các kịch bản nhu cầu sản xuất biến đổi. Nghiên cứu cũng xem xét thêm 4 mô hình nhu cầu khí nén theo ngày với mức độ biến thiên khác nhau.

LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KHÍ NÉN PHÙ HỢP

Có nhiều công nghệ nén khí khác nhau và mỗi công nghệ đều có những ưu, nhược điểm riêng, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, phạm vi vận hành, mức tiêu thụ năng lượng, công suất cũng như các yếu tố kỹ thuật khác.

Tuy nhiên, khi hệ thống khí nén yêu cầu lưu lượng lớn và nhu cầu khí dao động mạnh trong ngày, nhiều khách hàng tin rằng chỉ có máy nén trục vít biến tần cỡ lớn mới có thể mang lại mức tiết kiệm đáng kể, nhờ khả năng điều chỉnh chính xác lưu lượng khí nén cung cấp theo nhu cầu thực tế của hệ thống.

Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh và đánh giá 6 giải pháp khí nén khác nhau trong điều kiện nhu cầu khí dao động lớn. Nghiên cứu xem xét 5 cấu hình lưu lượng biến đổi, được minh họa trong Hình 1 đến Hình 5, nhằm xác định các nguyên tắc giúp người dùng cuối lựa chọn hệ thống tối ưu nhất cho ứng dụng của họ.

TRƯỜNG HỢP ĐIỂN HÌNH LIÊN QUAN

Trong Trường hợp số 1 (Hình 1–2), nhu cầu khí nén dao động mạnh giữa các ca đêm và ca ngày, từ khoảng 30 m³/phút lên đến 220 m³/phút, thể hiện mức biến thiên tương đương 90% so với lưu lượng cực đại.

Hình 2 mô tả chi tiết hơn cấu hình lưu lượng trong Trường hợp số 1. Trục y hiển thị lưu lượng yêu cầu dưới dạng giá trị tuyệt đối ở phía bên trái, và dưới dạng phần trăm so với lưu lượng tối đa của hệ thống ở phía bên phải. Trục x biểu diễn thời gian theo tỷ lệ phần trăm của toàn bộ giai đoạn quan sát. Dựa trên dữ liệu này, có thể nhận thấy rằng nhà máy trong Trường hợp số 1 vận hành dưới mức lưu lượng trung bình trong gần 50% thời gian. Phổ lưu lượng này là đặc trưng của một cơ sở sản xuất có hai ca đêm sáu giờ với nhu cầu khí nén thấp và hai ca ngày sáu giờ với nhu cầu khí nén cao.

Hình 2: Phổ lưu lượng có độ biến thiên cao (90%)

Bốn trường hợp phân tích còn lại được mô tả trong Hình 3 đến Hình 6 và đại diện cho:

Trường hợp số 2 (Hình 3): Một phổ lưu lượng có độ biến thiên cao khác với mức biến thiên 90%, nhưng so với Trường hợp số 1, lưu lượng yêu cầu thấp hơn mức trung bình chỉ trong 30% tổng thời gian. Phổ này đặc trưng cho một cơ sở sản xuất có một ca đêm tám giờ với nhu cầu khí nén thấp và hai ca ngày tám giờ với nhu cầu khí nén cao.

Hình 3: Bình đồ lưu lượng khí có độ biến thiên cao (90%) trong thời gian vận hành trung bình

Trường hợp số 3 (Hình 4): Tương tự Trường hợp số 1 và số 2, nhưng có độ biến thiên thấp hơn (khoảng 65% lưu lượng tối đa thay vì 90%). Để phân biệt với hai trường hợp trước, chúng tôi phân loại đây là trường hợp có độ biến thiên trung bình. Giống như Trường hợp số 1, mức biến thiên này kéo dài trong thời gian lớn, khi nhu cầu lưu lượng thấp hơn mức trung bình khoảng 50% tổng thời gian.

Trường hợp số 4 (Hình 5): Mẫu lưu lượng có độ biến thiên trung bình (khoảng 65% lưu lượng tối đa, tương tự Trường hợp số 3); tuy nhiên ở trường hợp này, nhu cầu lưu lượng thấp hơn mức trung bình chỉ trong 30% thời gian, ít hơn so với Trường hợp số 3.

Trường hợp số 5 (Hình 6): Mẫu lưu lượng có độ biến thiên thấp, với mức biến thiên chỉ khoảng 30% lưu lượng tối đa trong suốt cả ngày, phản ánh mô hình sản xuất gần như liên tục 24 giờ mỗi ngày.

CÁC GIẢI PHÁP MÁY NÉN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Xét từ góc độ tiêu thụ năng lượng, có 6 giải pháp máy nén cho các cấu hình nhu cầu được mô tả trong Trường hợp 1–5::

• Giải pháp A Gồm 1 máy nén ly tâm và 1 máy nén trục vít biến tần cỡ lớn (700 kW), với lưu lượng tối đa bằng một nửa nhu cầu lưu lượng cực đại của hệ thống.
• Giải pháp B Sử dụng 2 máy nén ly tâm, mỗi máy có lưu lượng tối đa bằng một nửa lưu lượng cực đại của hệ thống. Máy nén ly tâm có thể được thiết kế cho:

  • Dải điều chỉnh hẹp với hiệu suất cao, hoặc

  • Dải điều chỉnh rộng (turndown) nhưng hiệu suất thiết kế thấp hơn.

  Trong giải pháp này, 2 máy nén ly tâm được thiết kế để đạt hiệu suất cao nhất và được trang bị hệ thống điều khiển chia tải tối ưu nhất hiện nay.
• Giải pháp C Sử dụng 2 máy nén ly tâm với dải điều chỉnh rộng. Tương tự các giải pháp đa ly tâm khác, hệ thống sử dụng điều khiển chia tải, giúp giảm tối đa việc xả khí (blow-off) bằng cách mở rộng phạm vi điều chỉnh tổng thể của hệ thống.
• Giải pháp D Sử dụng 3 máy nén ly tâm, mỗi máy có lưu lượng tối đa bằng một phần ba nhu cầu lưu lượng cực đại của hệ thống. Các máy được thiết kế với dải turndown rộng và chế độ điều khiển chia tải.
• Giải pháp E Một giải pháp kết hợp công nghệ, gồm: 2 máy nén ly tâm (có chia tải), và 1 máy nén trục vít biến tần cỡ nhỏ (160 kW). Trong giải pháp này, hệ thống không sử dụng scheduler → Máy nén trục vít biến tần nhỏ chỉ hoạt động khi cần đáp ứng nhu cầu khí nén đỉnh điểm.

• Giải pháp F Sử dụng cùng tổ hợp máy nén như Giải pháp E, nhưng cả 3 máy nén được điều khiển bởi một bộ Scheduler. Bộ lập lịch cho phép hệ thống hoạt động — ví dụ: tải, dỡ tải hoặc tắt — mỗi máy nén theo một lịch vận hành tối ưu nhằm giảm tối đa tiêu thụ năng lượng.

Quay lại cấu hình lưu lượng ban đầu (Hình 1), Giải pháp A — gồm 1 máy nén ly tâm và 1 máy nén trục vít biến tần cỡ lớn — có khả năng khớp hoàn toàn với lưu lượng mà hệ thống yêu cầu. Vì thế, đây là tổ hợp tối ưu về mặt khớp tải, không gây lãng phí khí nén. Tuy nhiên, điều cần đánh giá là liệu đây có phải là giải pháp tiết kiệm năng lượng nhất hay không. Sử dụng 1 máy nén ly tâm duy nhất có lưu lượng tối đa bằng đúng nhu cầu cực đại của hệ thống không phải là lựa chọn khả thi, do lượng khí bị xả bỏ rất lớn (như minh họa trong Hình 4). Vì lý do này, cấu hình đó không được xem xét trong các giải pháp đã phân tích.

Hình 4: Việc xả khí với chỉ một máy nén ly tâm 220 m3/phút

Khi lắp đặt nhiều máy nén ly tâm trong cùng một hệ thống, việc bổ sung hệ thống điều khiển phân chia tải (load‑sharing control) cho phép giảm đáng kể lượng khí xả (blow‑off) của các máy nén ly tâm. Hình 8 và Hình 9 minh họa sự khác biệt — khi không có và có hệ thống điều khiển phân chia tải — xét theo phạm vi điều chỉnh của hai máy nén ly tâm giống nhau, mỗi máy có lưu lượng tối đa bằng một nửa nhu cầu lưu lượng cực đại của hệ thống.

Hình 5: Lượng khí xả của 2 máy nén ly tâm 110 m³/phút không có hệ thống điều khiển phân chia tải

Hình 6: Xả khí bằng 2 máy nén ly tâm 110 m3/phút với điều khiển phân phối tải

Trong trường hợp nhu cầu lưu lượng biến đổi vượt ra ngoài phạm vi điều chỉnh tự nhiên — còn được gọi là “turndown” — của máy nén ly tâm, việc sử dụng hệ thống điều khiển phân phối tải (load‑sharing control) hiện đại luôn mang lại lợi ích khi hệ thống sử dụng từ 2 máy nén ly tâm trở lên, nhờ khả năng giảm lượng khí xả (blow‑off).

Mỗi giải pháp từ Giải pháp B đến Giải pháp F cho phép hệ thống có mức khí lãng phí khác nhau. Trong một số trường hợp, như Giải pháp F (Hình 7), lượng khí xả gần như tối thiểu. Mức xả khí trong trường hợp này gần tương đương với mức gần như bằng không của Giải pháp A, sử dụng một máy nén ly tâm kết hợp với một máy nén trục vít biến tần cỡ lớn. Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhấn mạnh là: → không phải mức giảm khí xả thấp nhất quyết định hệ thống tối ưu, mà là mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

Hình 7: Trong Giải pháp F, lượng khí xả của 2 máy nén ly tâm 100 m³/phút, được thiết kế để đạt hiệu suất đỉnh cùng điều khiển phân phối tải, kết hợp với 1 máy nén trục vít biến tần 25 m³/phút (160 kW) có bộ Scheduler

Xét đến hiệu suất tại áp suất 8 barg của từng máy nén được sử dụng trong các Giải pháp A đến F, Hình 8 trình bày sự so sánh mức tiêu thụ năng lượng hằng ngày đối với mẫu lưu lượng của Trường hợp số 1, nơi nhu cầu khí nén có độ biến thiên cao trong thời gian dài.

Biểu đồ cũng thể hiện hiệu quả tương đối giữa Giải pháp A và 5 giải pháp còn lại. Hiệu suất của Giải pháp A được dùng làm giá trị tham chiếu, tương ứng 100.

Hình 8: So sánh các hệ thống, mức tiêu thụ năng lượng hàng ngày

Giải pháp A không phải là giải pháp hiệu quả nhất; thay vào đó, Giải pháp F — bao gồm hai máy nén ly tâm có điều khiển phân phối tải và một máy nén trục vít biến tần công suất nhỏ 160 kW có bộ lập lịch trình (scheduler) — là giải pháp tối ưu nhất về tiết kiệm năng lượng. Giải pháp F cho phép người dùng tiết kiệm gần 3% năng lượng so với Giải pháp A.

Giải pháp C — được cấu hình với hai máy nén ly tâm có dải điều chỉnh rộng cùng điều khiển phân phối tải — mặc dù vẫn có một lượng khí xả nhất định nhưng hiệu suất chỉ thấp hơn Giải pháp A khoảng 0,3%; do đó, từ góc độ vận hành, đây là lựa chọn hợp lý hơn. Thực tế, nếu xét 300 ngày vận hành mỗi năm và chi phí năng lượng trung bình 0,10 EUR/kWh (0,13 USD/kWh), thì Giải pháp A chỉ giúp người vận hành tiết kiệm khoảng 1.500 EUR (19.500 USD) mỗi năm so với Giải pháp C. Khoản tiết kiệm này không đủ bù lại các nhược điểm vận hành của cấu hình trong Giải pháp A: hệ thống sử dụng hai máy nén với phụ tùng hoàn toàn khác nhau, và nếu cần một máy dự phòng, chỉ có thể chọn một loại máy, điều này không đảm bảo mức hiệu quả đồng nhất. 

Hình 9 minh họa sự so sánh chi phí năng lượng thuần hằng năm của sáu giải pháp máy nén đối với mô hình nhu cầu khí nén của Trường hợp số 1. Một yếu tố quan trọng khác cần cân nhắc là đánh giá hành vi vận hành của cả 6 giải pháp trong trường hợp các thay đổi sản xuất trong tương lai làm thay đổi mức tiêu thụ khí nén hằng ngày.

Hình 9: So sánh chi phí năng lượng hằng năm trong Trường hợp số 1.

Các mô hình lưu lượng trong Trường hợp 2 đến Trường hợp 5 đại diện cho những dạng biến thiên lưu lượng khí nén khác nhau dưới các điều kiện sản xuất khác nhau, bao phủ gần như toàn bộ các kịch bản từ biến thiên nhiều nhất đến biến thiên ít nhất, như được minh họa trong Hình 3 đến Hình 6.

Bảng 1 tóm tắt hiệu quả tương đối giữa Giải pháp A và năm giải pháp còn lại đối với các mô hình lưu lượng biến thiên được trình bày trong Trường hợp 1 đến Trường hợp 5.

Bảng 1: So sánh hiệu quả năng lượng giữa các giải pháp, trong đó Giải pháp A được sử dụng làm giá trị tham chiếu. Các giá trị âm hiển thị bằng màu đỏ hoặc cam cho thấy hệ thống kém hiệu quả hơn Giải pháp A, trong khi các giá trị dương hiển thị bằng màu xanh lá cây thể hiện hệ thống hiệu quả hơn. Màu vàng cho biết hai hệ thống có hiệu quả xấp xỉ tương đương. Hàng cuối của bảng tổng hợp xếp hạng của 6 giải pháp dựa trên các yếu tố gồm hiệu quả hệ thống (hoặc chi phí năng lượng hằng năm), mức độ linh hoạt và khả năng vận hành dễ dàng, bao gồm cả việc dùng chung phụ tùng cũng như sự sẵn có của một máy nén dự phòng có hiệu suất tương đương.

Hãy xem xét lại hiệu suất của máy nén ở áp suất 8 barg, với 300 ngày vận hành mỗi năm và chi phí năng lượng trung bình 0,10 EUR/kWh (0,13 USD/kWh). Trong điều kiện này, Giải pháp F cho phép người sử dụng tiết kiệm khoảng 15.000 EUR (19.500 USD) mỗi năm trong Trường hợp số 1, và khoảng 40.000 EUR (52.000 USD) mỗi năm trong Trường hợp số 5 so với Giải pháp A. Giải pháp C có chi phí năng lượng nhỉnh hơn đôi chút — khoảng 1.500 EUR (1.950 USD) mỗi năm trong Trường hợp số 1 — nhưng trong Trường hợp số 5 lại mang đến mức tiết kiệm khoảng 25.000 EUR (32.500 USD) mỗi năm so với Giải pháp A. Khi đánh giá Trường hợp số 1, có thể đặt câu hỏi vì sao Giải pháp A, dù cung cấp chính xác lưu lượng yêu cầu mà không cần xả khí, lại có hiệu suất gần như tương đương Giải pháp C. Câu trả lời được thể hiện trong Hình 13 và Hình 14.

Hình 10 trình bày sự so sánh năng lượng riêng (specific power) ở mức 8 barg giữa các mẫu máy nén ly tâm khác nhau và máy nén trục vít biến tần cỡ lớn². Kết quả cho thấy: một máy nén ly tâm 75 m³/phút vận hành tại điểm thiết kế có hiệu quả cao hơn 19% so với máy nén trục vít biến tần 500 kW; máy nén ly tâm 115 m³/phút hiệu quả hơn 14% so với máy nén trục vít biến tần 700 kW; và máy nén ly tâm 140 m³/phút hiệu quả hơn 19% so với máy nén trục vít biến tần 900 kW.

Hình 10: So sánh công suất tiêu thụ riêng của các gói máy nén ở mức 8 barg

Tóm lại, chỉ khi người vận hành thực sự hiểu rõ tỷ trọng thời gian hoặc mức độ biến đổi điều kiện vận hành thì mới có thể xác định liệu máy nén trục vít biến tần cỡ lớn có phù hợp với hệ thống hay không. Đây là một khái niệm quan trọng nhưng thường bị bỏ sót hoặc diễn giải sai. Để làm rõ, chúng tôi trình bày một trường hợp thực tế minh họa cho vấn đề này.

Một khách hàng sở hữu năm máy nén ly tâm cũ hoạt động ở mức 4 barg với các kích thước khác nhau, lưu lượng từ 70 m³/phút đến 120 m³/phút. Năm ngoái, ông quyết định nâng cấp phòng máy nén nhằm giảm chi phí vận hành. Sau khi thực hiện kiểm toán, bước đầu tiên được đề xuất là cải thiện hiệu quả hệ thống, và ông lựa chọn thay thế một máy nén ly tâm bằng máy nén trục vít biến tần 500 kW.

Sau khi tìm hiểu kỹ, người ta phát hiện rằng vào một số buổi sáng từ 8–10 giờ, nhà máy phải tạm dừng một dây chuyền sản xuất để chuẩn bị cho loại kính sẽ sản xuất vào ngày hôm sau. Trong hai giờ này, hệ thống dư khoảng 60 m³/phút lưu lượng khí. Máy nén ly tâm cũ chỉ điều chỉnh được 20 m³/phút, dẫn đến xả thải 40 m³/phút. Khách hàng cho rằng bằng cách thay thế bằng máy nén trục vít biến tần 500 kW, họ có thể loại bỏ hoàn toàn khí xả, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

Đáng tiếc, đây là một cách đánh giá sai lệch. Mặc dù máy nén trục vít biến tần 500 kW có thể tránh được xả khí trong giai đoạn tạm dừng dây chuyền, nhưng khách hàng đã không xem xét so sánh hiệu suất thực tế như thể hiện trong Hình 12. Điều đúng đắn cần làm là so sánh chi phí năng lượng giữa một máy nén ly tâm hai cấp mới và máy nén trục vít biến tần hai cấp 500 kW mà khách hàng dự định sử dụng.

Hình 12: So sánh công suất tiêu thụ riêng của các gói máy nén trong phạm vi điều chỉnh ở mức 4 barg.