Nghiên cứu đặc tính năng lượng và nhận dạng phân tích các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong hệ thống bơm và máy nén công nghiệp ở việt nam

Nghiên cứu đặc tính năng lượng và nhận dạng phân tích các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong hệ thống bơm và máy nén công nghiệp ở việt nam Nghiên cứu đặc tính năng lượng và nhận dạng phân tích các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong hệ thống bơm và máy nén công nghiệp ở việt nam Nghiên cứu đặc tính năng lượng và nhận dạng phân tích các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong hệ thống bơm và máy nén công nghiệp ở việt nam

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ĐỨC HUỲNH

NGHIÊN C ỨU ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG VÀ NHẬN DẠNG PHÂN TÍCH CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

TRONG H Ệ THỐNG BƠM VÀ MÁY NÉN

CÔNG NGHI ỆP Ở VIỆT NAM

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGH Ệ NHIỆT LẠNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ĐỨC HUỲNH

NGHIÊN C ỨU ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG VÀ NHẬN DẠNG PHÂN TÍCH CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG

H Ệ THỐNG BƠM VÀ MÁY NÉN CÔNG NGHI ỆP Ở VIỆT NAM

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGH Ệ NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

LỜI CAM KẾT

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG: 1

1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 3

1.4 TRÌNH TỰ LUẬN VĂN 4

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA BƠM VÀ MÁY NÉN CÔNG NGHIỆP 4

2.1 Các loại Máy nén 4

2.1.1.Giới thiệu chung 4

2.1.2 Phân loại máy nén 7

2.1.3 Đánh giá máy nén và hệ thống khí nén 17

2.2 Các loại Bơm 23

2.2.1.Giới thiệu chung 23

2.2.2 Phân loại Bơm 30

2.2.3 Đánh giá các loại bơm 39

CHƯƠNG 3.MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH VẬN HÀNH- NĂNG LƯỢNG VÀ CHI PHÍ VÒNG ĐỜI CỦA HỆ THỐNG BƠM, MÁY NÉN CÔNG NGHIỆP 41

3.1 Giới thiệu chung 41

3.1.1 Sự cần thiết của mô hình hóa trong thiêt kế 41

3.1.2 Các đặc trưng cơ bản của mô hình hóa 42

3.1.3 Các kiểu mô hình hóa 47

3.2 Mô hình hóa hệ thống máy bơm 47

3.3 Mô hình hóa hệ thống máy nén 53

CHƯƠNG 4.THU THẬP SỐ LIỆU/KIỂM TOÁN NĂNG LƯỢNG TẠI MỘT VÀI CƠ SỞ SỬ DỤNG BƠM, MÁY NÉN 57

4.1Tổng quan 57

4.1.1 Kiểm toán năng lượng 57

4.1.2 Các bước tiến hành kiểm toán năng luợng 57

4.2 Kiểm toán năng lượng tại Công ty Cơ kim khí Sơn Hà 61

4.2.1 Tổng tiêu thụ điện năng 62

4.2.2 Tiêu thụ năng lượng của các bộ phận của nhà máy 63

4.2.3 Biểu đồ thay đổi tải của nhà máy 64

4.3.2 Phân bố năng lượng của các bộ phận sản xuất 74

4.3.3 Biểu đồ tải của nhà máy 75

4.3.4 Biểu giá điện 76

4.3.5 Phân tích tìm các cơ hội tiết kiệm 76

4.4 Kiểm toán năng lượng tại Công ty Dệt 19-5 77

4.4.1 Tiêu thụ điện năng và suất tiêu hao điện năng trên sản phẩm 78

4.4.2 Phân bố năng lượng của các bộ phận sản xuất 80

4.4.3 Biểu đồ phụ tải của nhà máy 82

4.4.4 Biểu giá điện 83

4.4.5 Phân tích các cơ hội tiết kiệm 84

CHƯƠNG 5 NHẬN DẠNG, PHÂN TÍCH KHẢ THI VỀ KỸ THUẬT KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG BƠM, MÁY NÉN TẠI CÁC CƠ SỞ KIỂM TOÁN 86

5.1 Công ty TNHH Cơ kim khí Sơn Hà 87

5.1.1 Cân bằng năng lượng 87

5.1.2 Xây dựng các giải pháp, biện pháp cho nhà máy 88

5.1.3.Thay đổi chế độ vận hành phù hợp nhu cầu của hệ thống máy nén khí tại xưởng II,III 89

5.1.4 Phân tích kinh tế cho hệ thống máy nén khí 90

5.1.5 Phân tích kinh tế cho Bơm thủy lực - tổ cắt 93

5.1.6 Phân tích kinh tế cho Bơm nước làm mát tổ cán thép 95

5.2 Công ty Cơ kim khí Thống Nhất 98

5.2.1.Cân bằng năng lượng 98

5.2.2 Xây dựng các biện pháp cho nhà máy 100

5.2.3 Thay đổi chế độ vận hành phù hợp nhu cầu của hệ thống máy nén khí tại phân xưởng II 101

5.2.4.Thay đổi chế độ vận hành phù hợp nhu cầu của hệ thống máy nén khí tại phân xưởng mạ nhựa 102

5.2.5 Lắp biến tần cho hệ thống máy nén khí 103

5.3 Công ty Dệt 19-5 107

5.3.1.Cân bằng năng lượng 107

5.3.2 Xây dựng các biện pháp cho nhà máy 108

5.3.3 Thay đổi chế độ vận hành phù hợp nhu cầu của hệ thống máy nén khí tại phân xưởng Sợi Hà Nội 109

6.1 Kết luận 116

6.2 Đề xuất 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

PHỤ LỤC 120

Hình 2.1 Các khoản chi phí cho một hệ thống khí nén điển hình 5

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống các thiết bị trong hệ thống khí nén 7

Hình 2.3 Sơ đồ các loại máy nén 8

Hình 2.4 Mặt cắt của máy nén pittông 10

Hình 2.5 Máy nén đa cấp 11

Hình 2.6 Máy nén trục vít 13

Hình 2.7 Máy nén ly tâm 15

Hình 2.8 Minh họa hệ thống bơm trong công nghiệp 24

Hình 2.9a Cột áp tĩnh 26

Hình 2.9b Mối tương quan hệ giữa cột áp tĩnh và lưu lượng 26

Hình 2.10 Mối quan hệ giữ cột áp và ma sát lưu lượng 26

Hình 2.11a Hệ thống có cột áp tĩnh cao 27

Hình 2.11b Hệ thống có cột áp tĩnh thấp 27

Hình 2.12 Đường cong hiệu suất của bơm 28

Hình 2.13 Các loại bơm khác nhau 28

Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm 30

Hình 2.15 Các thành phần chính của bơm ly tâm 33

Hình 2.16 Kiểu bánh công tác hở và kín 34

Hình 2.17 Bơm vỏ xoắn bánh công tác kín 36

Hình 2.18 Bơm vỏ đặc có hai loại bơm 37

Hình 3.1 Một vài mô hình phổ biến trong kỹ thuật 43

Hình 3.2 Lưu đồ biểu diễn quá trình biến đổi năng lượng của hệ thống bơm 46

Hình 3.3 Mô hình hóa hệ thống bơm 49

Hình 3.4 Chi phí vòng đời của hệ thống bơm 53

Hình 3.5 Mô hình hòa hệ thống máy nén 54

Hình 3.6 Chi phí vòng đời của hệ thống máy nén 55

Hình 4.1 Lưu đồ nghiên cứu khả thi hệ thống năng lượng 58

Hình 4.2 Lưu đồ triển khai dự án kiểm toán năng lượng 59

Hình 4.3 Biểu đồ tiêu thụ điện năng của Công ty Cơ kim khí Sơn Hà 63

Hình 4.4 Sơ đồ phân bố năng lượng 64

Hình 4.5 Đồ thị biến thiên công suất của trạm biến áp 1000 kVA 65

Hình 4.6 Đồ thị biến thiên công suất của trạm biến áp 1600 kVA 65

Hình 4.7 Biểu đồ so sánh lượng điện theo giờ 70

Hình 4.8 Biểu đồ phụ tải điện theo giờ làm việc năm 2006 71

Hình 4.13 Biểu đồ biến thiên công suất trạm biến áp số 2 ĐCTN 75

Hình 4.14 Biểu đồ tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm Công ty Dệt 19-5(CTD 19-5) 79

Hình 4.15 Biểu đồ phân bố điện năng của CTD 19-5 81

Hình 4.16 Biểu đồ sản lượng điện của CTD 19-5 83

Hình 4.17 Sơ đồ hệ thống điều hòa không khí của CTD 19-5 84

Hình 5.1 Chế độ làm việc của máy nén khí 75 kW khi lắp biến tần CTD19-5 91

Hình 5.2 Chế độ làm việc của máy nén khí 37 kW khi lắp biến tần CTD 19-5 92

Hình 5.3 Mô hình điều khiển vòng kín dùng biến tần 93

Hình 5.4 Sơ đồ mô tả giải pháp tiết kiệm khi lắp biến tần 96

Hình 5.5 Biểu đồ phân bố năng lượng của CTD 19-5 99

Hình 5.6 Chế độ làm việc của máy nén khí 37 khi lắp biến tần 104

Hình 5.7 Mô hình điều khiển vòng kín dùng biến tần 105

Hình 5.8 Sơ đồ hệ thống khí nén 109

Hình 5.9 Sơ đồ thực hiện giải pháp tiết kiệm năng lượng bằng biến tần 113

Hình 5.10 Sơ đồ đề xuất VSD cho hệ thống bơm nước lạnh 114

Bảng 2.1 Tiêu chí lựa chọn máy nén chung 14

Bảng 2.3 Tỷ lệ rò rỉ phụ thuộc vào áp suất và đường kính lỗ rò khác nhau 22

Bảng 4.1 Biểu mẫu tiết kiệm Điện hàng năm 60

Bảng 4.2 Tổng sản lượng điện 2004-2006 62

Bảng 4.3 Phân bố tải của hệ thống 63

Bảng 4.4 Biểu giá điện năm 2006 66

Bảng 4.5 Bảng hệ số công suất 67

Bảng 4.6 Sản lượng điện tiêu thụ Công ty ĐCTN năm 2006 69

Bảng 4.7 Phân bố năng lượng của Công ty Điện cơ Thống Nhất 74

Bảng 4.8 Bảng giá điện của Công ty Điện cơ Thống Nhất 76

Bảng 4.9 Tổng sản lượng tiêu thụ của Công ty Dệt 19-5 năm 2006 78

Bảng 4.10 Suất tiêu hao năng lượng trên sản phẩm 79

Bảng 4.11 Tiêu thụ năng lượng tại các bộ phận của Công ty Dệt 19-5 80

Bảng 4.12 Sản lượng điện tiêu thụ Công ty Dệt 19-5 82

Bảng 4.13 Biểu giá điện của Công ty Dệt 19-5 84

Bảng 5.1 Bảng cân bằng năng lượng của Công ty Sơn Hà 87

Bảng 5.2 Các thống số của máy nén tại Xưởng II 89

Bảng 5.3 Phân tích chi phí lợi nhuận cho giải pháp thay đổi chế độ vận hành 90

Bảng 5.4 Các thống số của máy nén khí 75 kW 90

Bảng 5.5 Bảng đặc tính biến tần cho đề xuất cho Máy nén 37 kW và 75 kW 91

Bảng 5.6 Phân tích chi phí lợi nhuận cho giải pháp lắp biến tần cho Máy nén 75 kW và 37 kW 93

Bảng 5.7 Các thông số kỹ thuật của bơm tổ cắt 94

Bảng 5.8 Bảng đặc tính của thiết bị Powerboss đề xuất 94

Bảng 5.9 Phân tích chi phí lợi nhuận cho phương án lắp Powerboss đối với bơm 5,5 kW 94

Bảng 5.10 Bảng đặc tính kỹ thuật của bơm 95

Bảng 5.11 Bảng đặc tính biến tần đề xuất cho bơm 11 kW 96

Bảng 5.12 Bảng phân tích chi phí lợi nhuận khi lắp VSD cho bơm làm lạnh Lò ủ 97

Bảng 5.13 Bảng tổng hợp phân tích tài chính của Công ty Sơn Hà 97

Bảng 5.14 Cân bằng năng lượng của Công ty Điện cơ Thống Nhất 98

Bảng 5.15 Bảng phân bố năng lượng của Nhà máy 99

Bảng 5.16 Phân tích chi phí lợi nhuận của các Máy nén 59,5 kW 102

Điện cơ Thống Nhất 106

Bảng 5.22 Cân bằng năng lượng của Công ty Dệt 19-5 107

Bảng 5.23 Thông số kỹ thuật của một vài Máy nén khí Công ty Dệt 19-5 110

Bảng 5.24 Phân tích chi phí lợi nhuận của Máy nén khí 7,5 kW 111

Bảng 5.25 Đặc điểm kỹ thuật của Máy nén khí đề xuất tại Công ty Dệt 19-5 111

Bảng 5.26 Các thông số kỹ thuật của bơm nước lạnh tại Công ty Dệt 19-5 112

Bảng 5.27 Các thông số VSD đề xuất cho bơm nước lạnh tại C.ty Dệt 19-5 112

Bảng 5.28 Phân tích chi phí lợi nhuận của bơm nước lạnh tại C.ty 19-5 113

Bảng 5.29 Các thông số kỹ thuật của bơm nước ngưng tại nhà máy 114

Bảng 5.30 Đặc tính của biến tần cho bơm nước lạnh tại C.ty Dệt 19-5 114

Bảng 5.31 Phân tích chi phí lợi nhuận của bơm nước lạnh 115

Bảng 5.32 Tổng hợp phân tích chi phí lợi nhuận tại C.ty Dệt 19-5 115

Hà nội, ngày 10 thỏng 11 năm 2007

Lời cảm ơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Giảng viờn PGS-TS

Phạm Hoàng Lương và tập thể Bộ môn Máy năng lượng, Cụng ty Cơ kim khớ

Sơn Hà, Cụng ty Dệt 19-5, Cụng ty Điện cơ Th ống Nhất, Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, và các đồng nghiệp , gia đình, cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi hoàn

thành luận văn Cao học này

Rất mong sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp, các độc giả quan tâm, và

các thầy cô giáo để luận văn này ngày càng hoàn thiện

Xin chân thành cám ơn!

Hà nội, ngày 10 tháng 11 năm 2007

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan toµn bé néi dung cña LuËn v¨n nµy lµ do t«i tù lµm dưới sự

hướng dẫn của PGS_TS Phạm Hoàng Lương Trong quá trình làm Luận văn

Cao học Tôi có tham khảo các tài liệu đã liệt kê trong mục “ Tài liệu tham

khảo” trang 118 và kh«ng sao chÐp nguyªn b¶n tõ bÊt cø luËn v¨n Cao học

nµo

Häc viªn

Hoµng §øc Huúnh

A/C Điều hòa không khí

AHU Máy điều không(Air Handling Unit)

CFL Compact Fluorescent Lamps

DSM/EE Demand-side Management and Energy Efficiency EVN Tổng công ty điện lực việt nam

EMP Energy Management Program

FAD Free air delivery

IRR Tốc độ hoàn vốn nội(Internal rate of return)

kWh Kilo Watt Hour, electricity unit

KVA Kilo Volt Ampere, unit of maximum demand NPV Giá trị hiện tại thuần (Net Present Value)

PF Hệ số công suất (Power Factor)

VSD Biến tần(Variable Speed Drive)

VFD Variable Frequency Drive

TKNL Tiết kiệm năng lượng

KTNL Kiểm toán năng lượng

ĐCTN Điện cơ Thống Nhất

C HƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là một nội dung quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững của nước ta, gắn liền với việc đảm bảo phát triển kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả phấn đấu phấn đấu tiết kiệm từ 3% đến 5% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn quốc trong giai đoạn 2006 - 2010 và từ 5% đến 8% tổng mức tiêu thụ năng lượng trong giai đoạn 2011 - 2015 so với dự báo hiện nay về phát triển năng lượng và phát triển kinh tế - xã hội theo phương án phát triển bình thường[9] Rõ ràng, chưa bao giờ việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả đóng một vai trò quan trọng như hiện nay trong chính sách cân bằng năng lượng và ổn định phát triển kinh tế Sử dụng hiệu quả năng lượng đóng góp vai trò to lớn đối với nền kinh tế ổn định, sự phát triển kinh tế xã hội và năng cao mức sống của mỗi quốc gia Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là cũng kiếm chế được nhu cầu gia tăng năng lượng và ổn định cán cân năng lượng Theo [10] cho thấy, 70 – 90% khí nén bị tổn thất dưới dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn và do sử dụng không đúng; với hệ thống bơm chiếm 25-50% tiêu thụ năng lượng trong vận hành ở các nhà máy công nghiệp Vì vậy, máy nén, hệ thống khí nén và hệ thống máy bơm là nơi có tiềm năng tiết kiệm năng lượng Theo[8] chi phí chủ yếu toàn bộ vòng đời họat động của các hệ thống máy nén là 80% và hệ thống máy bơm là 90 % tổng chi phí Do đó tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống máy nén, máy bơm đang

là các vấn đề mà, các cơ quan, các doanh nghiệp, nhà chế tạo rất quan tâm

máy nén trong các cơ quan, các nhà máy và các khu công nghiệp của Việt

Nam

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đặc tính, nhận dạng trên cơ sở đề xuất thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả của các máy bơm, máy nén trong công nghiệp, luận văn này có 04 mục tiêu cụ thể sau đây:

• Nghiên cứu đánh giá các đặc tính năng lượng các hệ thống bơm, máy nén công nghiệp;

• Mô hình hóa đặc tính vận hành, năng lượng và chi phí vòng đời của bơm, máy nén;

• Kiểm toán năng lượng tại Công ty TNHH Cơ kim khí Sơn hà, Công ty nhà nước một thành viên Điện cơ thống nhất, Công ty Nhà nước một thành viên Dệt 19-5 có sử dụng bơm, máy nén công nghiệp;

• Nhận dạng, phân tích tính khả thi về kỹ thuật, kinh tế và môi trường của các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong các hệ

thống bơm, máy nén tại nơi kiểm toán

1.3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu và triển khai thực hiện các nội dung, mục tiêu của đề tài được giới hạn trong các điều kiện sau đây:

• Thu thập số liệu và đánh giá máy nén, máy bơm tại Công ty TNHH Cơ kim khí Sơn hà, Công ty nhà nước một thành viên Điện cơ thống nhất, Công ty Nhà nước một thành viên Dệt 19-5;

• Nhận dạng, tìm kiếm khả năng tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống bơm, máy nén Trong điều kiện vận hành thực tế và tại thời điểm kiểm toán

1.4 TRÌNH TỰ LUẬN VĂN

Luận văn gồm 6 chương được trình bày theo trình tự sau: chương 1 trình bày

cơ sở- mục tiêu và giới hạn đề tài nghiên cứu Đặc tính của bơm, máy nén công nghiệp được trình bày trong chương 2 Chương 3 mô hình hoá đặc tính vận hành- năng lượng của các hệ thống bơm, máy nén công nghiệp Kiểm toán năng lượng tại Công ty TNHH Cơ kim khí Sơn hà, Công ty nhà nước một thành viên Điện cơ thống nhất, Công ty Nhà nước một thành viên Dệt 19-5 có sử dụng bơm, máy nén được trình bày trong chương 4 Nhận dạng, phân tích tính khả thi về kỹ thuật, kinh tế và môi trường của các cơ hội tiết kiệm hiệu quả năng lượng trong các hệ thống bơm, máy nén tại các cơ sở kiểm toán được trình bày trong chương 5 Cuối cùng, kết luận thu nhận được

từ việc thực hiện đề tài và các đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong chương 6

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA BƠM VÀ MÁY NÉN CÔNG NHIỆP

hệ thống khí nén là những khu vực quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các nhà máy trong các khu công nghiệp

Cần lưu ý rằng, chi phí vận hành một hệ thống khí nén đắt hơn nhiều so với chi phí mua máy nén (xem hình 2.1) Tiết kiệm năng lượng nhờ cải tiến hệ thống chiếm khoảng từ 20 đến hơn 50% tiêu thụ điện, có thể mang lại hàng

trăm nghìn USD Quản lý hệ thống khí nén hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rút ngắn thời gian ngừng vận hành, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm

Hệ thống khí nén bao gồm bộ phận sản xuất - gồm các máy nén và phần xử lý không khí, và bộ phận tiêu thụ- gồm hệ thống lưu trữ, phân phối và các thiết

bị sử dụng cuối cùng Quản lý tốt bộ phận cung cấp sẽ đảm bảo có khí nén sạch, khô và ổn định ở áp suất thích hợp với chi phí thấp và đáng tin cậy Quản lý tốt bộ phận tiêu thụ sẽ giúp giảm thiểu lãng phí và sử dụng khí nén một cách hợp lý Để cải thiện và duy trì hoạt động của hệ thống khí nén ở hiệu suất cao nhất cần quan tâm đến cả hai bộ phận sản xuất và tiêu thụ của hệ

Năng lượng 80%

Chi phí đầu tư

9%

Nước 8%

B ảo dưỡng 3%

Năng lượng Chi phí đầu tư Nước

Bộ lọc khí vào: Ngăn không cho bụi vào máy nén: bụi vào gây tắc nghẽn

van, làm mòn xi lanh và các bộ phận khác, vv…

Thiết bị làm mát giữa các cấp: Giảm nhiệt độ khí trước khi đi vào cấp

tiếp theo để giảm tải nén và tăng hiệu suất Khí thường được làm mát bằng

nước

Thiết bị làm mát sau: Để loại bỏ hơi nước trong khí bằng cách giảm

nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt dùng nước làm mát

Bộ làm khô khí: Lượng hơi ẩm còn sót lại sau khi qua thiết bị làm mát

sau được loại bỏ nhờ sử dụng bộ làm sấy khí, vì khí sử dụng cho các thiết

bị khí nén phải gần như khô hoàn toàn Hơi ẩm bị loại bỏ nhờ sử dụng các chất hấp thụ như oxit Silic/ than hoạt tính, hoặc giàn làm khô được làm lạnh, hay nhiệt từ các bộ sấy của máy nén

Bẫy lọc ẩm: Các bẫy lọc ẩm được sử dụng để loại bỏ độ ẩm trong khí

nén Những bẫy này tương tự như bẫy hơi Các loại bẫy thường được sử dụng gồm có van xả bằng tay, các van xả tự động hoặc xả theo khoảng thời gian, v.v

Bình tích: Các bình tích khí dùng để chứa khí và giảm các xung khí nén -

giảm thay đổi áp suất từ máy nén

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống các thiết bị trong hệ thống khí nén [12]

Ở máy nén thể tích, một lượng khí bị bẫy trong buồng nén với thể tích bị giảm

cơ học trong quá trình nén, tạo ra sự tăng áp suất tương ứng trước cửa đẩy Ở tốc độ không đổi, lưu lượng khí không đổi khi có các biến động của áp suất

Máy nén dòng cung cấp động năng cho dòng khí liên tục nhờ các bánh công

tác quay với tốc độ rất cao Động năng được chuyển thành năng lượng nén

bởi các bánh công tác và bộ khuyếch tán Ở máy nén dòng kiểu ly tâm, hình

dạng cánh của bánh công tác quy định mối quan hệ giữa lưu lượng dòng khí

và áp suất (hoặc cột áp) tạo ra

Máy nén thể tích

Các loại máy nén khác

Máy n én thủy động

Ly tâm

Máy nén

Máy nén pittông có rất nhiều cấu tạo khác nhau, bốn loại được sử dụng nhiều nhất là thẳng đứng, nằm ngang, nối tiếp và nằm ngang cân bằng-đối xứng Máy nén pittông trục đứng được sử dụng trong khoảng công suất từ 84,95 –

255 m3/h Máy nén nằm ngang cân bằng-đối xứng được sử dụng trong khoảng công suất từ 339,8 – 8495 m3/h với thiết kế nhiều cấp và lên tới 16.990 m3/h với các thiết kế một cấp

Máy nén khí pittông là máy nén tác động đơn nếu quá trình nén chỉ sử dụng một phía của pittông Nếu máy nén sử dụng cả hai phía pittông thì đó là máy nén tác động kép

Máy nén một cấp là máy nén có quá trình nén được thực hiện bằng một xy lanh đơn hoặc một số xy lanh song song Rất nhiều ứng dụng yêu cầu vượt quá khả năng thực tế của một cấp nén đơn lẻ Tỷ số nén quá cao (áp suất đẩy tuyệt đối/áp suất hút tuyệt đối) có thể làm nhiệt độ cửa đẩy cao quá mức hoặc gây ra các vấn đề thiết kế khác Điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng máy nén hai cấp cho các yêu cầu áp suất cao với nhiệt độ khí cấp (cửa đẩy) thấp hơn

Hình 2.4 Mặt cắt của máy nén pittông

Hình 2.5 Máy nén đa cấp

Máy nén khí pittông sẵn có ở cả dạng làm mát không khí và làm mát nước,

có bôi trơn hoặc không bôi trơn, có thể kết hợp cả hai, với dải áp suất và công suất rộng

dưỡng Nhờ vậy chúng rất phổ biến trong công nghiệp, thường được dùng nhiều nhất ở công suất từ khoảng 22,37 tới 149 kW hoặc 11,18-16,4 kW

Các loại máy nén rôto bao gồm:

Máy nén cam

Máy nén trục vít (rôto trục xoắn vít, trong đó các trục đực và cái quay ngược chiều nhau tạo ra bẫy khí, nén khí từ cửa vào đến cửa ra, (hình 2.6) Cánh gạt/ cánh trượt, vành chất lỏng và kiểu lăn-trượt

Máy nén rôto trục vít có thể được làm mát bằng khí hoặc nước Vì quá trình làm mát diễn ra bên trong máy nén, các bộ phận hoạt động không bao giờ chịu nhiệt độ vận hành quá cao Do vậy, máy nén rôto là bộ máy nén liên tục làm mát bằng nước hoặc khí

Nhờ thiết kế đơn giản và ít bị mài mòn, máy nén khí rôto trục vít dễ bảo dưỡng, vận hành và lắp đặt rất linh hoạt Có thể lắp máy nén khí rôto trên bề mặt bất kỳ chịu được trọng lượng tĩnh

c Máy nén dòng

Máy nén khí ly tâm (xem hình 2.8) là máy nén dòng, thực hiện truyền năng lượng từ bánh công tác sang dòng khí nén Rôto thực hiện việc này bằng cách thay đổi động lượng và áp suất của không khí Động lượng được chuyển thành áp suất hữu dụng bằng cách làm giảm tốc độ dòng khí trong bộ khuyếch tán tĩnh Theo thiết kế, máy nén khí ly tâm là máy không dùng dầu bôi trơn Bánh răng bôi trơn dầu được cách ly khỏi không khí bằng các vòng làm kín

Hình 2.6 Máy nén trục vít

Máy nén ly tâm là máy nén hoạt động liên tục, có ít bộ phận chuyển động và rất thích hợp với các ứng dụng yêu cầu lưu lượng lớn, đặc biệt khi cần khí không bị lẫn dầu

Máy nén ly tâm là máy làm mát bằng nước, thường có thể được cung cấp cả một bộ làm mát sau và toàn bộ phần điều khiển

Những máy loại này có những điểm khác biệt quan trọng so với những máy nén pittông Mỗi thay đổi của tỷ số nén đều dẫn đến những thay đổi đáng kể

về năng suất và hiệu suất của máy Máy nén ly tâm phù hợp với những ứng dụng cần công suất lớn, thường là trên 20.388 m3/h

Các tiêu chí lựa chọn ứng dụng của các loại máy nén khác nhau cho trong bảng dưới đây

Bảng 2.1 Các tiêu chí lựa chọn máy nén chung[17]

Thấp: dưới 60% đầy tải

Thấp: dưới 60% đầy tải

Thấp: dưới 60% đầy tải

Hiệu suất ở mức

không tải (công

suất theo % đầy

tải)

Cao (10% - 25%)

Trung bình (30% - 40%)

Cao-thấp (25% - 60%)

trung bình (20% - 30%)

Độ ồn thấp nếu được đóng kín

Hầu như không

Bảo dưỡng

Nhiều bộ phận bị mài mòn

Ít bộ phận

bị mài mòn

Ít bộ phận bị mài mòn

Nhạy cảm với bụi trong không khí

Năng suất Thấp-cao Thấp-trung

Trung bình cao

-Trung bình -cao

2.1.3 ĐÁNH GIÁ MÁY NÉN VÀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN

2.1.3 1 Năng suất của máy nén

Năng suất của máy nén là lưu lượng định mức tối đa của dòng khí nén được cấp dưới những điều kiện định mức về nhiệt độ, áp suất và các thành phần của khí đầu vào Nhưng đôi khi năng suất của máy nén có nghĩa là lưu lượng thực

tế thay vì lưu lượng định mức của dòng khí Lưu lượng này còn được gọi là

năng suất cấp khí tự do (FAD) tức là khí ở các điều kiện khí quyển tại bất cứ

vị trí nào Thuật ngữ này không nói đến khí cấp ở những điều kiện tiêu chuẩn hoặc đặc trưng vì độ cao so với mặt biển, áp suất không khí và nhiệt độ có thể

thay đổi tại những vị trí và thời điểm khác nhau

a Đánh giá năng suất của máy nén

Do các máy nén bị lão hoá và hoạt động của các thành phần bên trong máy vốn không thể hiệu quả tối đa, lượng khí cấp sẽ ít hơn giá trị định mức, dù hoạt động bảo dưỡng thực hiện tốt Đôi khi, những yếu tố khác như bảo dưỡng kém, bộ trao đổi nhiệt bị tắc và cách thức thực hiện cũng làm giảm lượng khí vào Để đáp ứng nhu cầu khí nén, những máy nén kém hiệu quả phải hoạt động lâu hơn, tiêu thụ nhiều điện hơn mức thông thường

Lượng điện lãng phí phụ thuộc vào % dao động với năng suất cấp khí tự do

Ví dụ như, một van máy nén bị mòn có thể làm giảm đến 20% năng suất Cần đánh giá định kỳ năng suất FAD ở mỗi máy nén để kiểm tra năng suất thực

tế Nếu độ lệch lớn hơn 10%, cần thực hiện các giải pháp khắc phục

Một phương pháp lý tưởng để đánh giá năng suất máy nén là thông qua kiểm tra vòi bằng vòi đã được hiệu chuẩn Vòi này được sử dụng như một tải kiểm tra để xả khí nén ra ngoài Việc đánh giá lưu lượng cũng phải dựa trên nhiệt

độ không khí, áp suất ổn định, hằng số của vòi phun, vv…

b Phương pháp đánh giá năng suất đơn giản thực hiện ngay tại chỗ

Tách riêng máy nén và bình tích cần kiểm tra khỏi hệ thống chính bằng cách đóng chặt van cách ly (van khóa) hoặc tách riêng ra, đóng cửa ra của bình tích

Mở van xả và xả hết nước trong bình tích và đường ống Đảm bảo rằng đường bẫy thoát nước được đóng chặt để bắt đầu tiến hành kiểm tra

Khởi động máy nén và kích hoạt đồng hồ bấm giờ

Ghi lại thời gian cần để đạt được áp suất vận hành bình thường P2 (trong

bể chứa) từ áp suất ban đầu P1

Tính toán năng suất theo công suất dưới đây[17]:

Năng suất của máy

Q=

T

V P

P P

V = Thể tích chứa, m3bao gồm bể chứa sau làm mát và ống phân phối;

T = Thời gian sử dụng để đạt áp suất P2, phút

Phương trình trên phù hợp khi nhiệt độ khí nén tương tự nhiệt độ không khí

Hiệu suất đoạn nhiệt và hiệu suất đẳng nhiệt được tính bằng mức tiêu thụ công suất thực tế chia cho công suất đoạn nhiệt và đẳng nhiệt Kết quả đạt được là hiệu suất toàn phần của máy nén và động cơ dẫn

Q

1= Năng suất cấp khí của máy m3/h

r = Tỷ số nén P2/P

1

Tính toán công suất đẳng nhiệt không bao gồm công suất cần để thắng lực ma sát và thường mang lại hiệu suất thấp hơn hiệu suất đoạn nhiệt Giá trị hiệu

chọn máy nén dựa trên các giá trị hiệu suất ghi trong hồ sơ máy

Trên thực tế, hiệu quả nhất trong so sánh hiệu suất của máy nén là dùng mức tiêu thụ điện riêng, tức là kW/lưu lượng thể tích định mức, với những máy nén khác nhau khi chạy cùng mức tải, sẽ có các số liệu riêng cho từng máy

2.1.3.3 Đánh giá mức tổn thất phân phối trong hệ thống khí nén

Những bộ phận rò rỉ và hậu quả của việc rò rỉ

Một hệ thống đường ống phân phối và tiết lưu dẫn khí nén từ hệ thống máy nén trung tâm tới các hộ tiêu thụ Hệ thống này bao gồm các van cách ly, bẫy

suất trong quá trình phân phối thường được bù bằng áp suất cao hơn ở bộ phận đẩy của máy nén

Tại những điểm cấp khí dự kiến có một ống cấp kèm theo van khóa, bộ lọc và

bộ điều tiết cấp khí nén cho các ống dẫn đến các hộ tiêu thụ

Rò rỉ có thể gây ra tổn thất rất lớn ở hệ thống khí nén công nghiệp, có khi lên tới 20- 30% năng suất của máy nén Một dây chuyền điển hình không được bảo dưỡng tốt có thể có tỷ lệ rò rỉ lên tới khoảng 20% tổng công suất sản xuất khí nén Ngược lại, nếu phát hiện và khắc phục tốt, có thể giảm được rò rỉ xuống khoảng 10 % sản lượng khí nén

Ngoài các tổn thất về năng lượng, rò rỉ còn gây ra các tổn thất vận hành khác

Rò rỉ làm sụt áp suất hệ thống, làm các thiết bị dùng khí nén hoạt động kém hiệu quả, ảnh hưởng đến quy trình sản xuất Hơn nữa, rò rỉ khiến hệ thống phải vận hành lâu hơn, làm giảm tuổi thọ của hầu hết tất cả các thiết bị trong

hệ thống (bao gồm cả cụm máy nén khí) Tăng thời gian vận hành cũng dẫn đến việc phải bảo dưỡng bổ sung và tăng thời gian ngừng sản xuất ngoài trong lịch trình Cuối cùng, rò rỉ gây ra tăng công suất máy nén không cần thiết

Các rò rỉ có thể xảy ra ở mọi vị trí của hệ thống, những khu vực hay bị rò rỉ nhất bao gồm:

- Mối nối, ống cứng, ống mềm và các khớp nối

- Thiết bị điều chỉnh áp suất

- Các bẫy ngưng mở và các van đóng

- Các mối nối, điểm ngắt, vòng đệm

Lượng rò rỉ là hàm số của áp suất cấp ở một hệ thống không được kiểm soát

và tăng khi áp suất tăng Tỷ lệ rò rỉ được tính bằng m3/h và cũng tỷ lệ với bình phương đường kính của lỗ rò Xem bảng sau

Bảng 2.3 Tỷ lệ rò rỉ với những áp suất cung cấp và lỗ rò với các kích thước

2.2 CÁC LOẠI BƠM

2.2.1 GI ỚI THIỆU CHUNG

Phần này miêu tả các đặc tính chính của bơm và các hệ thống bơm.

2.2.1.1 Bơm và hệ thống bơm là gì?

Các hệ thống bơm tính được gần 20% của nhu cầu năng lượng điện thế giới phạm vi từ 25-50% sử dụng năng lượng trong vận hành ở các nhà máy công nghiệp

Bơm có hai mục đích chính như sau:

- Chuyển chất lỏng từ vị trí này tới vị trí khác

- Tuần hoàn chất lỏng quanh một hệ thống(e.g tháp làm lạnh or nước hoặc lắp giáp các máy và thiết bị)

Các thành ph ần chính của bơm và hệ thống là:

- Các động cơ chính: Các Động cơ điện

- Động cơ dầu và hệ thống khí nén

- Ống dẫn sử dụng để vận chuyển chất lỏng

- Các van được sử dụng để điều khiển lưu lượng trong hệ thống

- Các thiết bị khác điểu khiển và đo lường

Hình 2.8 Minh họa hệ thống bơm trong công nghiệp

- Thiết bị sử dụng cuối cùng, Hình 2.8 Minh hoạ một Hệ thống Bơm trong Công nghiệp các yêu cầu khác nhau.(Vd: áp suất,lưu lượng) và vì vậy xác định các bộ phận và hình dạng của hệ thống bơm Ví dụ như các thiết bị trao đổi nhiệt, các thùng và các máy thuỷ lực

Bơm và các động cơ chính tiêu biểu là các thành phần sử dụng năng lượng không hiệu quả nhất

2.2.1.2 Các đặc tính của hệ thống bơm

1) Trở lực của hệ thống:

Áp suất cần để bơm chất lỏng qua hệ thống ở lưu lượng nhất định Áp suất này phải đủ lớn để vượt qua trở lực của hệ thống, và cũng được gọi là “cột áp” Tổng cột áp là tổng cột áp tĩnh và cột áp ma sát:

a) Cột áp tĩnh

Cột áp tĩnh là độ chênh giữa nguồn và đích của chất lỏng( Xem hình 2.9a) Cột

áp tĩnh không phụ thuộc vào lưu lượng(Xem hình 2.9b) Cột áp tĩnh ở áp suất nhất định phụ thuộc vào khối lượng của chất lỏng và có thể được tính toán theo phương trình sau:

Cột áp (m) = P(bar)*0,522/s (2.4)

Trong đó:

s : tỷ trọng

Cột áp tĩnh bao gồm:

- Cột áp hút (hS): nâng chất lỏng liên quan tới đường tâm của bơm Cột áp hút

là dương nếu mức chất lỏng ở trên đường tâm của bơm, và âm nếu mức chất lỏng ở dưới đường tâm của bơm

- Cột áp đẩy (hd): khoảng cách nằm ngang giữa đường tâm của bơm và bề mặt chất lỏng trong bể chứa đích

Hình 2.9a Cột Áp Tĩnh Hình 2.9b Mối quan hệ cột áp tĩnh và lưu lượng

b) Cột áp ma sát (hf) đây là tổn thất khi môi chất dịch chuyển, đó là nguyên nhân cản trở lưu lượng trong ống và phụ kiện Nó tuỳ thuộc vào kích thước, điều kiện và loại ống, số lượng và loại phụ kiện ống, lưu lượng, và chất lỏng

tự nhiên Cột áp ma sát tương ứng với bình phương của lưu lượng như là

trong Hình 2.10 Một hệ thống tuần hoàn vòng kín duy nhất thể hiện cột áp

ma sát

Hình 2.10 Mối quan hệ giữa cột áp ma sát và lưu lượng

Trong các trường hợp quan trọng nhất tổng cột áp của một hệ thống là một sự kết hợp của cột áp tĩnh và cột áp ma sát được thể hiện trên hình 2.11a và

2.11b

Hình 2.11a Hệ Thống với Cột áp Tĩnh Cao Hình 2.11b Hệ Thống với Cột

Áp Tĩnh Thấp

2.2.1.3 Đường cong hiệu suất của bơm

Cột áp và lưu lượng xác định hiệu suất của bơm, nó được chỉ ra trong Hình

2.11 Đường cong hiệu suất hoặc là đường cong đặc tính của bơm Hình vẽ chỉ

ra một kiểu đường cong của bơm ly tâm ở đó cột áp giảm nhanh chóng khi

lưu lượng tăng nhanh chóng Khi đó trở lực của hệ thống tăng lên, cột áp sẽ cũng tăng Điều này dẫn tới lưu lượng giảm và sẽ tuần tự tới không Lưu

lượng bằng không chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn nếu không bơm

sẽ cháy

Hình 2.12 Đường Cong Hiệu Suất Của Bơm

2.2.1.4 Điểm nút vận hành của bơm

Lưu lượng ở cột áp nhất định được gọi là điểm công suất Đường cong hiệu suất của bơm được xây dựng từ nhiều điểm công suất khác nhau Điểm làm việc của bơm được xác định bằng giao nhau giữa đường cong hệ thống và đường cong bơm như trên Hình 2.13

Hình 2.13 Điểm vận hành của bơm[12]