ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG MÁY NÉN KHÍ (P2)

Giới hạn áp suất máy nén khí phía cung cấp

Một hệ thống khí nén phải làm việc trong một giới hạn áp suất được xác định. Thông thường, giới hạn trên được xác định tại phần sản xuất ra khí nén (phía cung) và giới hạn dưới tại phần tiêu thụ (phía nhu cầu) của hệ thống. Giới hạn trên của phía cung là áp suất làm việc lớn nhất (MWP) của hệ thống, nó là áp suất làm việc định danh thấp nhất của các thiết bị trong hệ thống. Ví dụ, trong một hệ thống máy nén khí, áp suất của máy nén khí lớn nhất là 150 psig, của bình chứa là 125 psig, áp suất của hệ thống nên được giới hạn cao nhất là 125 psig.

Chú ý rằng, trong khi áp suất làm việc của máy nén khí chính là giới hạn thực tế cho áp suất cao nhất trong hồ sơ áp suất của hệ thống, việc vận hành một máy nén khí thể tích ở tỷ số nén cao hơn sẽ làm tăng lượng điện tiêu thụ của máy nén khí. Do đó, điều mong đợi là vận hành máy nén khí tại áp suất đầu đẩy thấp nhất có thể trong khi thực hiện tối ưu hóa hồ sơ áp suất hệ thống.  Giới hạn dưới của phía tiêu thụ thường là áp suất thấp nhất cho phép để đảm bảo hỗ trợ nhu cầu khí nén phù hợp. Cả áp suất phía sản xuất và tiêu thụ đều nên được vận hành tại áp suất tối ưu thấp nhất được yêu cầu bởi hệ thống. Việc tăng áp suất phía cung cấp sẽ làm tăng lượng điện tiêu thụ của máy nén khí. Việc tăng áp suất ở phía sử dụng sẽ làm tăng lưu lượng khí nén tiêu thụ, ví dụ như lưu lượng qua các hộ tiêu thụ không có van điều chỉnh hay tổn thất rò rỉ sẽ tăng lên khi áp suất cao.

Giới hạn áp suất cao phía sản xuất

Áp suất làm việc lớn nhất của máy nén khí (MWP)

Nhà sản xuất máy nén khí cung cấp các dữ liệu về hiệu suất cho mỗi model máy nén khí. Trong dữ liệu này sẽ bao gồm cả dữ liệu về MWP cho máy nén khí nguyên cụm. Tất cả các máy nén khí đều có van xả an toàn nhằm bảo vệ hiện tượng quá áp khi vận hành. Bên cạnh đó, các máy nén khí còn có bộ bảo vệ quá tải động cơ sẽ ra lệnh cho máy nén khí dừng  hoạt  động  khi  nó  hoạt  động  ở  áp  suất  cao  hơn  áp  suất  cho  phép.  Tuy  nhiên, những tác động của các thiết bị  bảo vệ này  là không  mong  muốn  trong chế độ vận hành bình thường của máy nén khí. Bộ điều khiển hệ thống và máy nén khí nên vận hành máy nén khí tại áp suất nhỏ hơn áp suất giới hạn MWP của chúng.

Có 2 kết cấu bảo vệ trong máy nén khí nguyên cụm:

1)  Các thành phần bên trong máy nén khí như đường ống, bộ làm mát, bơm dầu, tách dầu đều chịu áp lực. Các thành phần này được bảo vệ tránh quá áp bằng van xả an toàn.

2)  Vận hành máy nén khí tại áp suất cao sẽ làm tăng công nén và lượng điện năng tiêu thụ của động cơ dẫn động. Động cơ được bảo vệ bằng các thiết bị an toàn chống quá tải, các thiết bị này sẽ dừng động cơ nếu nó bị quá tải.

Khi vận hành một hệ thống nhiều máy nén khí, các máy nén khí này thường có sự khác biệt về áp suất giới hạn MWP. Trong trường hợp này, các máy nén khí có áp suất giới hạn MWP thấp hơn có thể được vận hành làm máy nén khí dùng điều chỉnh theo tải và điểm cài đặt không tải phải nhỏ hơn áp suất giới hạn MWP của nó. Nếu phương pháp vận hành được sử dụng, ta cần thiết phải đảm bảo rằng bình chứa của máy nén có giới hạn áp suất thấp hơn, điểm cài đặt van xả an toàn là phù hợp cho việc vận hành tại áp suất giới hạn MWP lớn nhất trong hệ thống.

Bộ điều khiển tiết lưu áp suất vận hành lớn nhất của máy nén khí

Đối với các máy nén khí sử dụng dạng điều khiển tiết lưu nó thường có 2 giá trị giới hạn áp suất làm việc lớn nhất. Giới hạn thứ nhất là MWP, áp suất xét đến áp suất chịu của bình chứa và van xả an toàn của máy nén khí. Giới hạn thứ 2 là áp suất làm việc đầy tải lớn nhất, áp suất này liên quan tới dòng điện cấp cho động cơ dẫn động máy nén khí.

Công suất cơ đầu trục của một máy nén khí là một hàm của áp suất đầu đẩy và lượng khí nén được nén..

Vận hành đầy tải sẽ gây ra hiện tượng điện năng tiêu thụ tăng lên khi áp suất đầu đẩy tăng lên. Dựa trên dòng điện lớn nhất của động cơ dẫn động, ta có một giới hạn áp suất mà tại đó nếu áp suất tăng thêm nữa thì sẽ gây ra hiện tượng quá tải của động cơ. Áp suất này được gọi là giới hạn áp suất làm việc đầy tải lớn nhất. Tại áp suất này, bộ điều khiển máy nén khí sẽ tác động lên van đầu hút của máy nén để đóng bớt van này lại nhằm làm giảm lưu lượng không khí đi vào và làm giảm điện năng tiêu thụ.

Trong  khi  máy  nén khí  được  vận  hành  trong  dải  tiết  lưu,  việc  giảm  công  suất  điện  của động cơ nhờ giảm lưu lượng khí nén qua cho phép máy nén khí vận hành ở áp suất đầu đẩy cao hơn mà không gặp phải hiện tượng quá tải động cơ. Giới hạn MWP của máy nén khí là áp suất mà khi đó bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng không khí ở mức thấp nhất.

Áp suất làm việc lớn nhất của các thành phần khác

Các thành phần khác trong hệ thống như bình chứa, bộ lọc, bộ sấy, van xả, … phải được xem xét đến giới hạn áp suất MWP của chúng. Tất cả các thành phần này phải được bảo vệ tránh hiện tượng vận hành quá áp. Do đó, giới hạn áp suất ở mức cao của phân bố giới hạn của thiết bị có mức áp suất MWP thấp nhất.

Người kỹ sư về hệ thống khí nén phải khảo sát áp suất làm việc cho phép của tất cả các thiết bị của hệ thống khí nén và đảm bảo rằng tất cả chúng đều an toàn trong tất cả các kịch bản vận hành.

Giới hạn áp suất thấp phía sản xuất

Như đã phân tích ở trên, giới hạn áp suất thấp của việc vận hành hệ thống thường phụ thuộc vào  yêu cầu áp  suất  của phía tiêu thụ. Tuy nhiên,  một điểm  rất quan trọng là phải xem xét đến hiệu suất của tất cả các thiết bị và ảnh hưởng của việc vận hành tại áp suất thấp.

Giới hạn áp suất thấp nhất – vận tốc không khí

Đối với một lưu lượng khí nén không đổi, vận tốc khí nén đi qua các thành phần sẽ tăng lên khi áp suất giảm xuống. Điều này là do sự giãn nở của khí nén khi áp suất giảm. Hai thiết bị thường bị ảnh hưởng bởi dòng không khí nén ở vận tốc lớn do áp suất vận hành thấp là bộ lọc và bộ sấy không khí.

Các lưới lọc xếp chồng lên nhau cho phép giữ lại các hạt sương và các giọt dầu khi chúng đi qua lớp vật liệu lưới. Phía bề mặt ngoài của lớp vật liệu, các giọt dầu được hình thành và sẽ rơi khỏi dòng khí nén do trọng lực. Nếu vận tốc không khí quá lớn, các giọt dầu này sẽ bị cuốn theo dòng khí nén và đi vào phần tiêu thụ khí nén. Phần tử tách dầu phun được tìm thấy trong các máy nén khí phun dầu là dạng lưới xếp chồng. Do đó,  giới  hạn vận hành của  máy nén khí sẽ  xác định  một  mức áp suất thấp  nhất cho phép. Một điểm rất quan trọng là phải vận hành máy nén khí cao hơn hoặc bằng áp suất nhỏ nhất cho phép này để ngăn ngừa hiện tượng cuốn dầu theo dòng khí nén.

Hiệu suất vận hành bộ sấy không khí, đặc biệt là dạng sấy bằng hút ẩm, cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi vận tốc dòng khí nén. Vận tốc lớn do vận hành hệ thống dưới mức áp suất thấp nhất cho phép có thể sẽ làm giảm thời gian tiếp xúc giữa không khí nén trong bộ sấy và giảm hiệu quả việc đọng sương trong bộ sấy. Ví dụ, một thiết bị sấy hoạt động có lưu lượng khí nén không đổi và hoạt động ở áp suất vận hành là 100 psig

sẽ có hiệu suất cao hơn 20% so với khi vận hành tại áp suất 80 psig. Nhà sản xuất thiết bị sấy đã đưa ra công thức thực nghiệm xác định hiệu suất tại các chế độ vận hành khác với chế độ thiết kế. Tham khảo ý kiến các nhà sản xuất nếu bộ sấy khí nén vận hành ở dưới dải áp suất chuẩn.

Hiệu suất của các thành phần hệ thống như bộ giải nhiệt, bộ tách ẩm và các bộ phận khác cũng có thể xấu đi khi vận hành ở áp suất thấp hơn áp suất thiết kế.

Giới hạn áp suất phía tiêu thụ

Giới hạn áp suất cao phía tiêu thụ

Áp suất hoạt động cao nhất – Các thiết bị trong hệ thống

Giới hạn áp suất cao trong hồ sơ áp suất của hệ thống khí nén thường được xác định bằng giới hạn MWP của các thiết bị phía cung cấp. Tuy nhiên, trong trường hợp áp suất cao nhất của một thiết bị cụ thể hoặc của hộ tiêu thụ ở phía tiêu thụ mà thiết bị đó có giới hạn áp suất MWP nhỏ hơn áp suất giới hạn của hệ thống. Trong trường hợp này, ta phải lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp cho thiết bị có giới hạn áp suất thấp hơn đó. Thiết bị bảo vệ này có thể là van điều chỉnh, van xả an toàn chống quá áp, tiết lưu dòng chảy hoặc cầu chì vận tốc hay các thiết bị khác. Người kỹ sư hệ thống khí nén phải cung cấp các thiết bị bảo vệ phù hợp đảm bảo an toàn vận hành.

Giới hạn áp suất thấp phía tiêu thụ

Hệ thống khí nén có nhu cầu khí nén biến đổi trong dải rộng phải đảm bảo cung cấp khí nén phù hợp cho việc vận hành hiệu quả các thiết bị và quy trình sản xuất. Các nhu cầu sử dụng khí nén thường có  yêu cầu khác nhau về lưu lượng và áp suất khí nén. Nếu như khí nén được cấp cho hộ tiêu thụ bị gián đoạn lặp đi lặp tại, điều này là hệ quả của việc áp suất cung cấp cho hộ tiêu thụ thấp. Nhận thức về vấn đề này, áp suất của hệ thống khí  nén là quá nhỏ dẫn, điều này thường dẫn đến việc người vận hành sẽ tăng áp suất vận hành và kết quả là áp suất sẽ tăng trên toàn bộ hệ thống.

Trong rất nhiều hệ thống khí nén, có 1 hay 2 hộ tiêu thụ độc lập chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng nhu cầu sử dụng khí nén được dùng để xác định giới hạn áp suất thấp phía tiêu thụ của hồ sơ áp suất hệ thống.

Một thực tế phổ biến là việc tăng áp suất của toàn bộ hệ thống là để phù hợp cho  một hộ tiêu thụ nhỏ dẫn đến việc áp suất hoạt động cao hơn áp suất yêu cầu ở phần lớn các thiết bị sử dụng khác. Nếu như các nhu cầu tiêu thụ này có thể được chỉnh sửa để hoạt độ ở áp suất thấp, chúng ta sẽ có 1 cơ hội tiết kiệm năng lượng khả thi.

Chủ điểm nghiên cứu chính – Giới hạn áp suất

Cả phía cung cấp và tiêu thụ của hệ thống khí nén đều có giới hạn áp suất vận hành mà hệ thống phải vận hành trong dải đó.

1)  Giới hạn áp suất của hệ thống tạo ra giới hạn cho hồ sơ áp suất của hệ thống

2)  ÁP suất vận hành cao nhất (MWP) là giới hạn mức cao của hồ sơ áp suất

3)  Áp suất mục tiêu của nhu cầu khí nén của các hộ tiêu thụ là giới hạn dưới của hồ sơ áp suất

4)  Xem xét áp suất thiết kế nhỏ nhất của các thiết bị phía sản xuất khí nén

5)  Bảo vệ các thiết bị nằm ở phía tiêu thụ không bị vượt quá áp suất lớn nhất MWP của chúng