Tư vấn - Máy nén trục vít

1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY NÉN KHÍ

Việc sử dụng khí nén kéo dài từ các cửa hàng cơ khí thô sơ chạy bằng máy nén pít-tông có tuổi đời hàng chục năm cho đến các đơn vị dệt may quy mô lớn chạy bằng máy nén ly tâm khối lượng lớn như hiện nay. Mặc dù công nghệ cơ bản vẫn khá đơn giản - pít-tông, vít hoặc cánh quạt chạy bằng năng lượng nén một lượng không khí trong khí quyển đến áp suất cần thiết - việc thiết kế và sử dụng các hệ thống khí nén đã phát triển để phù hợp với nhu cầu đa dạng của từng ngành.

1. KHÍ NÉN VÀ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ

Đối với các nhà sản xuất, đạt được hiệu quả tối ưu luôn là một thách thức vì khí nén vốn đã kém hiệu quả. Nhiên liệu hóa thạch hiệu quả hơn trong việc hoàn thành công việc với cùng một lượng năng lượng. Tuy nhiên, khí nén là một trong những cách tốt nhất để lưu trữ và sử dụng năng lượng một cách an toàn. Do đó, khí nén vẫn là nguồn năng lượng phổ biến cho ngành công nghiệp. Các nhà sản xuất đã đổi mới để giảm chi phí vòng đời, cải thiện độ tin cậy và cải thiện chất lượng không khí.

Bảng dưới đây cho thấy vòng đời điển hình của máy nén. Gần 75% chi phí phát sinh trong khoảng thời gian mười năm đến từ việc tiêu thụ điện năng.

Dưới đây là 5 bước đơn giản có thể đảm bảo rằng hệ thống khí nén của bạn mang lại cho bạn ROI tối đa trong suốt vòng đời của nó:

Bước 1: Xác định nhu cầu của bạn

Máy nén khí lớn hơn không đồng nghĩa là nó tốt hơn cho khí nén. Máy nén khí trục vít phải liên tục “tải” hoặc tạo ra không khí để đạt hiệu quả tối đa. Một máy nén sẽ liên tục tải khi công suất sản xuất không khí của nó phù hợp với yêu cầu không khí. Ví dụ: nếu máy nén tạo ra 500 CFM nhưng yêu cầu không khí chỉ là 300 CFM, thì máy nén sẽ ở tình trạng không tải trong một khoảng thời gian đáng kể. Máy nén trục vít không hiệu quả trong điều kiện không tải và do đó máy nén lớn hơn sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn máy nén có kích thước phù hợp cho một yêu cầu không khí nhất định.

Bảng dưới đây minh họa sự khác biệt về mức tiêu thụ điện năng giữa máy nén có kích thước phù hợp và máy nén quá lớn so với yêu cầu

Để có kích thước phù hợp, khách hàng nên yêu cầu nhà sản xuất kiểm tra kích thước để máy được đề xuất phù hợp với yêu cầu

Bước 2: Phù hợp với tần suất của bạn

Kích cỡ đúng là phù hợp cho những khách hàng có nhu cầu không khí ổn định, nhưng còn những khách hàng có mô hình nhu cầu thay đổi trong ngày hoặc những khách hàng dự đoán công suất sản xuất tăng cần nhiều không khí hơn thì sao? Biến tần (VFD) có thể giải quyết cả hai tình huống. Một VFD hoạt động bằng cách giảm tốc độ của động cơ máy nén xuống lưu lượng thấp hơn để phù hợp với nhu cầu không khí thực tế của khách hàng và do đó tiêu thụ điện năng thấp hơn khi so sánh với máy tốc độ cố định; do đó làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng không tải. Một số nhà sản xuất cung cấp máy nén có VFD tích hợp trong khi một số các nhà sản xuất khác thì cung cấp các hệ thống có thể được trang bị bổ sung.

Bảng dưới đây minh họa mức tiết kiệm điện với VFD

Để đánh giá nhu cầu về VFD, khách hàng nên yêu cầu nhà sản xuất kiểm tra kích thước cùng với việc đưa ra quan điểm khá chính xác về những thay đổi sắp tới trong nhu cầu không khí. Với thông tin này, các nhà sản xuất nên cung cấp so sánh chi phí vòng đời của giải pháp VFD cùng với thời gian hoàn vốn dựa trên mức tiết kiệm năng lượng.

Quản lý hệ thống phân phối không khí động

Cho đến nay, nhiều cuộc thảo luận đã tập trung vào việc tạo ra khí nén. Cụ thể là các phương pháp hay nhất trong việc lựa chọn máy nén sử dụng năng lượng hiệu quả. Tuy nhiên, nơi dẫn đến việc lãng phí không khí lớn nhất và do đó dẫn đến sử dụng năng lượng kém hiệu quả chính là hệ thống phân phối. Có thể kể đến là cách vận chuyển và sử dụng khí nén trong ứng dụng cuối cùng

Bước 3: Đảm bảo dòng chảy trôi chảy

• Thiết Kế Dòng

Đơn giản, khoảng cách từ máy nén đến ứng dụng càng ngắn càng tốt. Ngoài ra, giảm thiểu các khúc cua và gấp khúc trên đường đến ứng dụng, giảm áp suất giảm và do đó cải thiện hiệu quả của hệ thống

Sơ đồ dưới đây so sánh thiết kế dây chuyền không hiệu quả với thiết kế hiệu quả

• Vật liệu dòng

Nhựa, nhôm và thép được sử dụng cho đường ống, trong đó thép và nhôm là phổ biến nhất ở Ấn Độ. Trong khi thép rẻ hơn nhôm, nhôm mang lại những lợi ích như trọng lượng thấp hơn và khả năng chống ăn mòn. Khí nén chứa một lượng nhỏ dầu và nước, có thể gây ăn mòn đường ống, từ đó dẫn đến giảm áp suất và từ đó làm giảm đi hiệu quả của hệ thống. Ngoài ra, các đường dẫn khí nén rất năng động ở chỗ chúng liên tục rung động do khí nén đi qua. Theo thời gian, những chuyển động này làm suy yếu các khớp và có thể dẫn đến rò rỉ. Rò rỉ dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn do lãng phí không khí.

Bước 4: Đánh giá và đại tu

Kiểm toán không khí đánh giá hiệu quả sử dụng khí nén trong một hoạt động cụ thể. Việc kiểm toán này có thể xác định mức tiết kiệm năng lượng từ việc lựa chọn máy nén tốt hơn, thiết kế dây chuyền cải tiến, ngăn ngừa rò rỉ và tối ưu hóa việc sử dụng. Các nhà sản xuất máy nén và kiểm toán không khí độc lập có khả năng tiến hành kiểm tra không khí. Mặc dù các phương pháp là khác nhau, chuyên gia kiểm toán không khí sẽ sử dụng đồng hồ đo lưu lượng và thiết bị phát hiện rò rỉ để đánh giá việc sử dụng không khí của một hoạt động. Thông thường, họ sẽ dành đủ thời gian để hiểu đại diện về các điều kiện nhu cầu khác nhau. Sau khi phân tích, họ sẽ đưa ra một báo cáo với bản tóm tắt về các khoản tiết kiệm tiềm năng cùng với các thay đổi được đề xuất và các chi phí liên quan để thực hiện khoản tiết kiệm đó. Trong khi lựa chọn máy nén, thiết kế dây chuyền và giám sát đường dây đã được thảo luận, kiểm toán viên không khí cũng sẽ xem xét bản chất của việc sử dụng. Ví dụ, người vận hành trong các hoạt động sử dụng nhiều khí nén như dệt may sẽ thường sử dụng áp suất cao hơn yêu cầu để vận hành máy móc của họ. Kiểm toán viên không khí có thể kiểm tra các máy này ở áp suất thấp hơn và nếu không có sự gián đoạn nào, người vận hành nhà máy có thể tiếp tục vận hành ở áp suất thấp hơn, do đó tiết kiệm được năng lượng. Ngoài ra, kiểm toán viên không khí cũng có thể khuyến nghị không nên sử dụng máy nén cho các ứng dụng lãng phí năng lượng như làm sạch.

Báo cáo dưới đây là một ví dụ về báo cáo kiểm toán không khí tóm tắt thể hiện chi phí năng lượng trước và sau khi kiểm toán không khí của một hoạt động dệt may.

Bước 5: Kiểm tra định kỳ

Việc thiết lập và duy trì một hệ thống khí nén hiệu quả đòi hỏi một quy trình giám sát. Theo thiết kế phân phối và lựa chọn máy nén thông minh, khách hàng nên chỉ định một chuyên gia không khí, người được đào tạo đầy đủ để giám sát việc sử dụng khí nén của hoạt động. Cụ thể, chuyên gia nên làm việc với nhà sản xuất máy nén khí hoặc kiểm toán viên không khí độc lập để xem xét định kỳ việc sử dụng không khí của công ty để xác định các khu vực cần cải thiện.

The Evolution of Air Compressors

The use of compressed air spans rudimentary mechanic shops powered by decades-old reciprocating compressors to large scale textile units powered by high volume centrifugal compressors. While the basic technology has remained fairly simple — powered pistons, screws, or impellers compress a volume of atmospheric air to a required pressure — the design and use of compressed air systems have evolved to suit the industry needs.

Compressed air and power consumption

For manufacturers, achieving optimal efficiency is always a challenge as compressed air is inherently inefficient. Fossil fuels are more efficient in getting work done for the same amount of energy. However, compressed air is among the best ways to safely store and use energy. Thus, compressed air has remained a prevalent energy source for industry. Manufacturers have innovated to reduce lifecycle cost, improve reliability, and improve air quality.

The Table below shows the typical lifecycle of a compressor. Nearly 75% of the cost incurred over a ten year period comes from the power consumption.

Here are 5 simple steps that can ensure that your compressed air system brings you maximum ROI during its lifetime:

Step 1: Size up Your Needs

Bigger is not better for compressed air. A screw compressor should continuously “load” or produce air for maximum efficiency. A compressor will continuously load when its air production capacity matches the air requirement. For example, if a compressor produces 500 CFM but the air requirement is only 300 CFM, then the compressor will be in unload condition for a significant portion of time. Screw compressors are inefficient in the unload condition and thus a larger compressor will consume more energy than a right sized compressor for a given air requirement.

The table below illustrates the difference in power consumption between a right sized compressor and one that is too large for the requirement.

To be appropriately sized, customers should demand a sizing audit from manufacturers so that the recommended machine matches the requirement.

Step 2: Match Your Frequency

Right sizing is sufficient for those customers with stable air demand, but how about those customers who have varying demand patterns during the day or those customers who anticipate an increase in manufacturing capacity requiring more air? Variable Frequency Drives (VFDs) can address both situations. A VFD works by reducing the compressor motor's speed to lower flow to match the actual air demand of the customer and thereby consume lower power when compared to a fixed speed machine; thus significantly reducing unload energy consumption. A few manufacturers offer compressors with in-built VFDs while other manufacturers offer systems that can be retrofitted.

The table below illustrates the power savings with a VFD

To evaluate the need for a VFD, customers should demand a sizing audit from manufacturers along with relating a fairly accurate view of upcoming changes in air demand. With this information, manufacturers should provide a lifecycle cost comparison of a VFD solution along with a payback period based on the energy savings.

Managing a Dynamic Air Distribution System

Thus far, the discussion has centered on compressed air generation. Specifically, best practices in selecting a machine for energy efficiency. However, the biggest area for air wastage and thus energy inefficiency is the distribution system. Specifically, the way in which the compressed air is transported and used in the end application.

Step 3: Ensure a Smooth Flow

Line Design

Simply, the shorter the distance from the compressor to the application the better. In addition, minimizing bends and kinks en route to the application, reduces pressure drops and thus improves the efficiency of the system

The diagram below compares an inefficient line design vs an efficient design.

Line Material

Plastic, aluminum, and steel are used for piping, with steel and aluminum being the most popular in India. While steel is cheaper than aluminum aluminum offers benefits such as lower weight and corrosion resistance. Compressed air contains trace amounts of oil and water, which can cause line corrosion, which in turn result in pressure drops and thus degrades the efficiency of the system. Also, compressed air lines are dynamic in that they are constantly vibrating owing to the passage of compressed air. Over time, these movements weaken joints and can result in leaks. Leaks lead to higher energy consumption owing to air wastage.

Step 4: Evaluate and Overhaul

Air audits evaluate the efficiency of use of compressed air in an operation. Air audits can identify energy savings from better compressor selection, improved line design, arresting leaks, and optimizing usage. Compressor manufacturers and independent air audits are capable of conducting air audits. While methods vary, an air audit expert will use flow meters and leak detection devices to evaluate an operation's air usage. Typically, they will spend sufficient time to gain a representative understanding of varying demand conditions. Following the analysis, they will issue a report with a summary of the potential savings along with recommended changes and associated costs to realize the savings. While compressor selection, line design, and line monitoring have been discussed, air auditors will also review the nature of use. For instance, operators in compressed air intensive operations such as textiles will often use a higher than required pressure to operate their machinery. An air auditor might test these machines at lower pressures, and if there is no disruption, the mill operators can continue to operate at a lower pressure, thereby enjoying energy savings. In addition, an air auditor may also recommend against using compressors for energy wasting applications such as cleaning.

The report below is an example of a summary air audit report that shows a textile operation's before and after energy cost following an air audit.

Step 5: Do a Regular Check-Up

Setting up and sustaining an efficient compressed air system requires a monitoring process. Following intelligent compressor selection and delivery design, customers should assign an in-house air expert who is sufficiently trained to monitor the operation's compressed air usage. Specifically, the expert should work with the compressor manufacturer or an independent air auditor to periodically review the company's air usage to identify areas for improvement.