Ca ngày vận hành toàn bộ dây chuyền nhưng ca đêm chỉ còn một số máy sản xuất và thiết bị đóng gói. Nếu phòng máy vẫn giữ nguyên số máy nén đang chạy, một hoặc nhiều máy có thể chạy không tải kéo dài, trong khi áp suất đường ống cao hơn nhu cầu thực tế.

Lắp máy nén khí biến tần có thể giúp lưu lượng khí bám sát phụ tải hơn. Tuy nhiên, biến tần không tự động bảo đảm tiết kiệm điện nếu máy chọn quá lớn, thường xuyên hoạt động dưới dải điều chỉnh hoặc phải tranh quyền điều áp với những máy khác.

Giải pháp đúng là đo nhu cầu khí của từng ca, xác định máy chạy nền, máy điều chỉnh, máy bổ sung và máy dự phòng, sau đó xây dựng logic chuyển ca có thời gian trễ và điều kiện xác nhận rõ ràng.

I. Vì sao thay đổi ca sản xuất làm hệ thống khí nén kém hiệu quả?

1. Nhu cầu khí không giảm đồng đều với sản lượng

Khi một dây chuyền dừng, nhu cầu khí của nhà máy không nhất thiết giảm đúng theo tỷ lệ sản lượng. Một số tải vẫn tồn tại:

• Van và xi lanh của dây chuyền còn hoạt động.
• Máy đóng gói hoặc khu vực phụ trợ chạy khác lịch.
• Hệ thống làm sạch sử dụng súng khí.
• Van xả nước ngưng tiếp tục hoạt động.
• Rò rỉ trên đường ống vẫn tiêu thụ khí.
• Thiết bị khởi động đồng thời vào đầu ca tạo tải đỉnh.

Vì vậy, lịch sản xuất chỉ cho biết khi nào hoạt động thay đổi, không cho biết lưu lượng khí đã giảm bao nhiêu. Muốn cài máy đúng, nhà máy cần đo lưu lượng, công suất điện và áp suất theo thời gian.

2. Nhiều máy cùng chạy nhưng đều ở trạng thái non tải

Ở ca cao điểm, hai máy tốc độ cố định có thể hoạt động gần đầy tải. Sang ca thấp điểm, nếu cả hai tiếp tục chạy, chúng có thể liên tục đóng tải–ngắt tải hoặc giữ trạng thái không tải.

Máy không tải vẫn tiêu thụ điện dù không tạo ra lưu lượng khí hữu ích tương ứng. Mức công suất không tải khác nhau theo loại máy, dung lượng, thuật toán điều khiển và tình trạng bảo dưỡng nên phải đo thực tế, không dùng một tỷ lệ chung cho mọi model.

3. Áp suất bị đẩy lên cao để tránh thiếu khí

Khi hệ thống phản ứng chậm với thay đổi phụ tải, kỹ thuật viên thường tăng áp suất cài đặt để tạo “khoảng an toàn”. Cách xử lý này có thể che lấp sụt áp đường ống nhưng đồng thời làm tăng công nén, rò rỉ và mức tiêu thụ tại những thiết bị không có bộ điều áp phù hợp.

Máy biến tần có thể duy trì dải áp suất hẹp hơn khi được chọn và điều khiển đúng. Atlas Copco mô tả VSD – Variable Speed Drive, tức truyền động thay đổi tốc độ – là giải pháp điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu khí thay đổi, thay vì chỉ chuyển qua lại giữa có tải và không tải. Xem nguyên lý máy nén VSD.

II. Máy biến tần nên giữ vai trò nào trong phòng máy?

1. Máy chạy nền

Máy chạy nền, hay base-load compressor, cung cấp phần lưu lượng ổn định tồn tại trong phần lớn thời gian của ca. Nếu có máy tốc độ cố định đạt hiệu suất tốt khi chạy đầy tải, máy này thường phù hợp với vai trò chạy nền.

Không nên mặc định máy biến tần luôn phải là máy khởi động đầu tiên. Trong hệ thống nhiều máy, cấu hình hiệu quả có thể là:

• Máy tốc độ cố định chạy gần đầy tải.
• Máy biến tần bù phần lưu lượng còn thiếu.
• Máy thứ ba chỉ vào tải khi nhu cầu vượt khả năng hai máy đầu.

2. Máy điều chỉnh tải

Máy điều chỉnh, còn gọi là trim compressor, tăng hoặc giảm lưu lượng để bám theo phần nhu cầu biến động. Đây thường là vai trò phù hợp nhất của máy nén khí biến tần.

CAGI cho biết VSD là một phương pháp điều chỉnh công suất hiệu quả cho máy nén trục vít, nhưng hiệu quả phụ thuộc máy có làm việc trong dải điều chỉnh phù hợp hay không. Xem CAGI Variable Speed Drive Technical Brief.

Ví dụ, nếu phụ tải là 15 m³/phút và máy nền cung cấp ổn định 10 m³/phút, máy biến tần chỉ cần bù khoảng 5 m³/phút. Đây là ví dụ minh họa; lưu lượng thực tế phải lấy từ thiết bị đo và bảng dữ liệu của từng máy.

3. Máy bổ sung và máy dự phòng

Máy bổ sung, hay lag compressor, được gọi chạy khi máy nền và máy điều chỉnh không còn đủ lưu lượng. Máy dự phòng chỉ khởi động khi có máy bị lỗi, bảo dưỡng hoặc xuất hiện phụ tải bất thường.

Hai vai trò này không giống nhau. Nếu thường xuyên phải gọi máy “dự phòng” để đáp ứng ca cao điểm, thiết bị đó thực tế đang là máy bổ sung và năng lực dự phòng của hệ thống đã bị giảm.

III. Cách vận hành theo từng mức phụ tải

Bảng dưới đây là cấu hình minh họa cho một hệ thống gồm hai máy tốc độ cố định, một máy biến tần và một máy dự phòng. Đây không phải bộ thông số áp dụng chung; thứ tự thực tế phải dựa trên lưu lượng, công suất riêng và giới hạn vận hành từng model.

Trạng thái sản xuất	Cấu hình tham khảo	Vai trò máy biến tần	Điểm cần giám sát
Ca cao điểm	Hai máy nền và một máy biến tần	Bù lưu lượng biến động	Máy VSD còn đủ biên tăng tốc hay không
Ca tải trung bình	Một máy nền và một máy biến tần	Giữ áp suất, điều chỉnh phần tải dư	Tránh để máy nền chạy không tải
Ca thấp điểm	Máy biến tần hoặc máy nhỏ hiệu suất tốt	Cấp toàn bộ tải nếu nằm trong dải phù hợp	Tốc độ tối thiểu, số lần dừng–khởi động
Giờ nghỉ hoặc vệ sinh	Máy nhỏ nhất đáp ứng được nhu cầu	Chỉ chạy nếu tải không thấp hơn giới hạn máy	Rò rỉ và nhu cầu khí không phục vụ sản xuất
Sự cố máy chính	Máy dự phòng theo trình tự đã thử nghiệm	Điều chỉnh tải sau khi máy dự phòng vào hệ thống	Áp suất thấp, thời gian khởi động và liên động

1. Ca có phụ tải cao

Ở ca cao điểm, nên đưa máy có công suất riêng tốt vào chạy nền và để máy biến tần điều chỉnh phần nhu cầu còn lại. Công suất riêng là tỷ số giữa công suất điện đầu vào và lưu lượng khí thực cấp tại một điều kiện áp suất xác định, thường biểu diễn bằng kW/(m³/phút).

Nếu máy biến tần thường xuyên chạy sát tốc độ tối đa mà áp suất vẫn giảm, hệ thống có thể cần gọi thêm máy nền. Không nên tăng áp suất cài đặt để bù cho thiếu lưu lượng.

2. Ca có phụ tải trung bình

Khi một số dây chuyền dừng, cần chủ động tắt bớt máy nền. Để nhiều máy tốc độ cố định cùng chạy non tải thường kém hợp lý hơn việc giữ một máy gần đầy tải và dùng một máy VSD làm trim.

Nếu hai máy cùng cố giữ một mức áp suất, chúng có thể tăng giảm tải đối nghịch thay vì phối hợp. Hệ thống phải quy định rõ máy nào điều áp chính và máy nào chỉ nhận lệnh chạy nền hoặc bổ sung.

3. Ca thấp điểm

Máy biến tần có thể cấp toàn bộ nhu cầu ca thấp nếu tải vẫn nằm trong dải điều chỉnh cho phép. Tuy nhiên, VSD không thể giảm tốc vô hạn.

Khi nhu cầu thấp hơn lưu lượng tối thiểu, máy vẫn phải chuyển sang không tải hoặc dừng theo thuật toán của nhà sản xuất. Kaeser gọi vùng giữa lưu lượng tối thiểu của máy VSD và nhu cầu thực tế là “control gap”; chọn máy quá lớn có thể khiến máy không còn điều chỉnh liên tục ở giờ thấp tải. Xem phân tích control gap.

Trong trường hợp này, có thể cân nhắc:

• Dùng máy nhỏ hơn cho ca thấp điểm.
• Tăng dung tích lưu trữ hữu ích nếu phù hợp.
• Cài thời gian chạy và thời gian nghỉ tối thiểu.
• Tách những nhánh khí không cần thiết.
• Sửa rò rỉ trước khi đầu tư thêm thiết bị.

IV. Không chuyển máy chỉ dựa vào đồng hồ giao ca

1. Dùng lịch sản xuất như tín hiệu dự báo

Lịch ca giúp bộ điều khiển chuẩn bị cấu hình sắp tới. Ví dụ, máy bổ sung có thể được dừng sau khi dây chuyền ca ngày giảm tải, hoặc máy dự phòng được đưa về trạng thái sẵn sàng trước khi ca cao điểm bắt đầu.

Tuy nhiên, không nên chuyển cấu hình đúng vào phút giao ca chỉ vì lịch sản xuất đã đổi. Dây chuyền cũ có thể chưa dừng hết trong khi dây chuyền ca mới đã khởi động, tạo ra tải chồng lấn ngắn hạn.

2. Kết hợp lịch với điều kiện xác nhận

Lệnh chuyển cấu hình nên đồng thời xem xét:

• Lưu lượng trung bình trong một khoảng thời gian.
• Tốc độ hoặc tỷ lệ tải của máy VSD.
• Áp suất tại đường góp chính.
• Áp suất tại điểm sử dụng quan trọng.
• Thời gian chạy tối thiểu của máy.
• Thời gian nghỉ tối thiểu trước khi khởi động lại.
• Số lần khởi động cho phép theo tài liệu model.

Ví dụ, chỉ dừng một máy nền khi lưu lượng đã duy trì dưới ngưỡng xác định trong một khoảng thời gian và máy VSD còn đủ khả năng tăng lưu lượng. Ngưỡng cùng thời gian trễ phải được chạy thử, không sao chép từ một hệ thống khác.

3. Tránh dừng đồng thời thiết bị xử lý khí

Khi giảm số máy nén, cần kiểm tra hoạt động của máy sấy, bộ lọc và van xả nước. Máy sấy không nên bị tắt quá sớm nếu đường ống vẫn cần khí đạt điểm sương quy định.

Nếu lưu lượng giữa các ca chênh lệch lớn, cần đánh giá khả năng điều chỉnh tải của hệ thống máy sấy khí. Một máy sấy quá lớn hoặc điều khiển không đồng bộ cũng có thể làm tăng chi phí điện, khí tái sinh và dao động điểm sương.

V. Quy trình cài đặt vận hành theo ca

1. Thu thập dữ liệu tối thiểu

Nên ghi dữ liệu liên tục trong một chu kỳ sản xuất đại diện, bao gồm cả ngày thường, cuối tuần và thời gian vệ sinh nếu có:

• Lưu lượng khí m³/phút.
• Công suất điện kW.
• Điện năng kWh.
• Áp suất tại phòng máy và điểm dùng quan trọng.
• Giờ chạy, giờ tải và giờ không tải.
• Tốc độ máy biến tần.
• Số lần khởi động.
• Trạng thái từng dây chuyền.
• Điểm sương nếu chất lượng khí quan trọng.

2. Đánh giá từng máy

Không xếp thứ tự ưu tiên chỉ theo công suất động cơ hoặc tuổi máy. Cần so sánh lưu lượng thực, công suất riêng, khả năng điều chỉnh và tình trạng kỹ thuật.

Dữ liệu công bố nên được đối chiếu ở cùng áp suất và điều kiện tham chiếu. CAGI cung cấp chương trình xác minh hiệu suất và bảng dữ liệu tiêu chuẩn nhằm hỗ trợ so sánh máy trên cùng cơ sở. Xem CAGI Performance Verification.

3. Chia phụ tải thành các vùng

Thay vì chỉ chia “ca ngày” và “ca đêm”, nên xác định các vùng:

1. Tải nền liên tục.
2. Tải trung bình.
3. Tải cao điểm.
4. Tải chuyển tiếp đầu và cuối ca.
5. Tải rất thấp trong giờ nghỉ hoặc vệ sinh.

Mỗi vùng có một cấu hình máy ưu tiên và một cấu hình thay thế khi thiết bị chính không sẵn sàng.

4. Cài trình tự ưu tiên

Một logic tham khảo có thể là:

1. Khởi động máy nền hiệu suất tốt.
2. Cho máy biến tần điều chỉnh áp suất.
3. Khi VSD duy trì gần giới hạn trên đủ lâu, gọi thêm máy nền.
4. Sau khi máy mới vào tải, giảm tốc VSD để hấp thụ phần dư.
5. Khi VSD duy trì gần giới hạn dưới đủ lâu, dừng bớt một máy nền.
6. Duy trì một máy ở trạng thái dự phòng thực sự.

Bộ điều khiển trung tâm có thể hỗ trợ phối hợp nhiều máy, quản lý dải áp suất và ghi nhận giờ tải. DOE khuyến nghị xem hệ thống khí nén như một hệ thống hoàn chỉnh thay vì tối ưu từng máy độc lập. Xem DOE Compressed Air Sourcebook.

5. Chạy thử từng kịch bản

Cần thử ít nhất các trường hợp:

• Chuyển từ ca cao sang ca thấp.
• Chuyển từ ca thấp sang ca cao.
• Một máy nền báo lỗi.
• Máy biến tần chạm giới hạn tốc độ.
• Nhu cầu giảm dưới lưu lượng tối thiểu.
• Cảm biến áp suất hoặc tín hiệu truyền thông lỗi.
• Máy sấy hoặc van xả nước phát cảnh báo.

Sau chạy thử, kiểm tra lại áp suất động, số lần khởi động, thời gian không tải và điện năng từng ca.

VI. Phân tích điện năng và tổng chi phí sở hữu

Điện năng theo ca có thể tính bằng:

E = Σ(Pᵢ × tᵢ)

Trong đó:

• E: điện năng tiêu thụ, đơn vị kWh.
• Pᵢ: công suất trung bình của trạng thái vận hành thứ i, đơn vị kW.
• tᵢ: thời gian duy trì trạng thái đó, đơn vị giờ.

Chi phí điện được tính:

Chi phí điện = E × đơn giá điện áp dụng

Ví dụ minh họa: cấu hình cũ trong ca thấp chạy hai máy với tổng công suất trung bình đo được là 80 kW trong 8 giờ. Sau khi cấu hình lại, một máy VSD đáp ứng tải với công suất trung bình 48 kW.

Chênh lệch điện năng minh họa là:

(80 − 48) × 8 = 256 kWh/ca

Con số này không phải mức tiết kiệm cam kết. Kết quả thực tế còn phụ thuộc lưu lượng, áp suất, hiệu suất máy, rò rỉ, thiết bị xử lý khí và lịch sản xuất. Nhà máy phải đo cùng điều kiện trước và sau thay đổi.

Tổng chi phí sở hữu còn bao gồm:

• Chi phí bảo dưỡng theo giờ chạy và giờ tải.
• Phụ tùng cho nhiều máy cùng đến kỳ.
• Chi phí dừng dây chuyền khi không còn dự phòng.
• Tổn thất do duy trì áp suất cao.
• Chi phí bộ điều khiển và thiết bị đo.
• Bảo trì biến tần, hệ thống làm mát và cảm biến.
• Khả năng đồng bộ lịch bảo dưỡng với lịch sản xuất.

Cân bằng giờ chạy không nên biến thành chia đều những giờ vận hành kém hiệu quả. Nếu một máy cũ có công suất riêng cao hơn đáng kể, cho máy đó chạy ngang thời gian với máy mới có thể làm tăng chi phí điện.

VII. Tích hợp máy nén khí King Power

Trong hệ thống có phụ tải thay đổi theo ca, King Power KPG biến tần có thể được xem xét làm máy điều chỉnh tải. Máy KPG tốc độ cố định có thể đảm nhiệm tải nền nếu nhu cầu nền đủ ổn định và máy hoạt động trong vùng hiệu suất phù hợp.

Trước khi tích hợp với hệ thống hiện hữu cần xác nhận:

• Lưu lượng FAD tại áp suất làm việc.
• Dải tốc độ và lưu lượng tối thiểu của máy VSD.
• Tín hiệu chạy, tải, lỗi và dừng từ xa.
• Khả năng kết nối tiếp điểm khô hoặc giao thức truyền thông.
• Quyền điều khiển áp suất giữa các máy.
• Thời gian chạy và nghỉ tối thiểu.
• Logic an toàn khi mất tín hiệu điều khiển trung tâm.
• Khả năng vận hành độc lập khi bộ điều khiển chung bị lỗi.

Nếu King Power chạy chung với Atlas Copco, Kobelco hoặc một thương hiệu khác, không nên giả định các máy có cùng logic tải–không tải. Cần đối chiếu sơ đồ điều khiển, giới hạn cài đặt và tài liệu của từng model.

VIII. Những lỗi thường gặp

• Cho rằng lắp máy biến tần luôn tiết kiệm điện mà không đo phụ tải.
• Chọn máy VSD quá lớn khiến ca thấp thường xuyên xuống dưới dải điều chỉnh.
• Cài tất cả máy cùng một ngưỡng áp suất.
• Chuyển cấu hình đúng giờ giao ca nhưng không kiểm tra tải thực tế.
• Để hai máy biến tần cùng tranh quyền giữ áp suất.
• Giữ nhiều máy chạy không tải để “sẵn sàng”.
• Luân phiên máy chỉ để cân bằng tổng giờ chạy.
• Không cập nhật thứ tự ưu tiên sau sửa chữa hoặc bảo dưỡng.
• Không chạy thử máy dự phòng.
• Dừng máy sấy và hệ thống xả nước không đúng trình tự.

IX. Câu hỏi thường gặp

1. Ca đêm dùng ít khí có nên chỉ chạy máy biến tần không?

Có thể, nếu lưu lượng ca đêm nằm trong dải điều chỉnh hiệu quả và máy đáp ứng được áp suất yêu cầu. Nếu nhu cầu thấp hơn lưu lượng tối thiểu, một máy công suất nhỏ hơn có thể phù hợp hơn.

2. Nên dùng máy biến tần làm máy chính hay máy phụ?

Trong hệ thống nhiều máy, VSD thường phù hợp làm máy trim để điều chỉnh phần nhu cầu biến động. Máy nào chạy nền phải được lựa chọn theo hiệu suất tại điểm vận hành, không chỉ theo việc có hay không có biến tần.

3. Có nên đổi máy chạy sau mỗi ca để cân bằng giờ không?

Không nên đổi máy máy móc theo từng ca. Cần ưu tiên hiệu suất, tình trạng thiết bị và năng lực dự phòng; sau đó mới cân bằng giờ tải trong phạm vi hợp lý.

X. Kết luận

Khi nhà máy thay đổi ca sản xuất, cấu hình máy nén cũng cần thay đổi theo nhu cầu khí thực tế. Phương án thường hiệu quả là dùng máy tốc độ cố định đáp ứng tải nền, máy nén khí biến tần làm máy điều chỉnh và giữ một thiết bị dự phòng có khả năng khởi động khi cần.

Không nên cài hệ thống chỉ theo giờ giao ca hoặc cố chia đều giờ chạy. Hãy đo lưu lượng, công suất, áp suất và trạng thái tải–không tải trước khi thay đổi thứ tự vận hành.

Liên hệ Nam Việt – Giải Pháp Khí Nén qua Hotline/Zalo 0915 598 239 để khảo sát biểu đồ phụ tải từng ca, kiểm tra dải vận hành máy biến tần và xây dựng trình tự điều khiển nhiều máy. Phương án và hiệu quả kinh tế cần được xác định từ số liệu đo thực tế.

Website: giaiphapkhinen.vn