Giải pháp cho máy nén khí trục vít

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MÁY
NÉN KHÍ TRỤC VÍT TẠI CÔNG TY NHIỆT ĐIỆN CAO NGẠN VINACOMIN VÀ ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
THU ĐƯỢC
ThS. Vũ Thế Nam
ThS. Phạm Thanh Liêm
Ks. Lê Quang Tuấn
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin
Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện các thiết bị đóng cắt được sử dụng khí
nén rất nhiều, ví dụ như trong các khâu vận chuyển đá vôi, tro xỉ, than... chính vì vậy
máy nén khí là một thiết bị thiết yếu của các đơn vị dạng này. Các giải pháp nâng cao
hiệu suất máy nén khí đã được quan tâm và áp dụng như vận hành luân phiên máy,
đảm bảo nhiệt độ nước giải nhiệt phù hợp trong khoảng cho phép, xả nước trong tích
áp định kỳ từng ca sản xuất…tuy nhiên giải pháp tiết kiệm điện năng lại đang chưa
được quan tâm đúng mức.
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuât, các thiết bị điện tử công
suất đã được sử dụng rộng rãi và máy nén khí là một đối tượng cần được nghiên cứu
nhằm thực hiện các giải pháp tiết kiệm điện năng. Và trong nghiên cứu này sẽ phân
tích khả năng ứng dụng và tiềm năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần vào
điều khiển máy nén khí trục vít tại Công ty nhiệt điện Cao Ngạn - Vinacomin.

1. HIỆN TRẠNG
Tại Công ty nhiệt điện Cao Ngạn - Vinacomin, hệ thống máy nén khí bao gồm
08 máy nén khí dạng trục vít công suất động cơ 110kW, mỗi máy nén có 01 bộ sấy
khí nén bằng điện công suất Pđm = 9 kW nhằm sấy khô khí.

Hình 1. Hệ thống máy nén khí trục vít tại Công ty Nhiệt điện Cao Ngạn

Trong quá trình vận hành, hệ thống cấp khí nén thường sử dụng 6 máy hoạt
động liên tục, còn 2 máy dự phòng, chế độ vận hành của hệ thống được điều khiển
1

liên động và số máy nén khí hoạt động phụ thuộc vào áp lực trong bình chứa. Khí nén
được nén vào mỗi bình tích áp của từng máy và các bình tích áp được nối chung
thành mạng lưới cấp tới các phụ tải. Các máy nén khí được điều khiển bằng rơ le áp
suất, với áp suất đặt cho từng máy từ 5,8÷6,8 bar và từ 5,9÷6,9 bar,…khi áp suất
trong bình tích áp và đường ống đạt tới áp suất ngưỡng trên của mức áp suất đặt thì
máy nén khí đó sẽ tự động được ngắt ra.

Hình 2. Sơ đồ hệ thống khí nén tại Công ty Nhiệt điện Cao Ngạn

Qua kiểm đo lường hoạt động của máy nén khí tại Công ty nhiệt điện Cao Ngạn
có được biểu đồ công suất hoạt động như hình 3.

Hình 3. Biểu đồ công suất máy nén khí số 1 và số 3 có Pđm = 110kW

2


Như hình 3 cho thấy trong quá trình hoạt động máy nén khí có đạt được mức áp
suất ngưỡng trên nên chuyển sang hoạt động giã tải, nhưng tại thời điểm này (do đặc
điểm của máy nén khí trục vít) động cơ vẫn tiêu thụ gần 110 kW. Và sau một thời
gian ngắn, áp suất trong hệ thống giảm xuống dưới mức áp suất đặt máy lại chuyển
sang chế độ mang tải. Kết quả đo lường máy nén khí số 1 cho thấy trong quá trình
hoạt động công suất của máy thay đổi không lớn P max = 123,37 kW, Pmin = 108,53kW.
Công suất trung bình Ptb = 119,79 kW (Pđm = 110 kW).
Với kết quả đo lường như trên, hệ thống máy nén khí khi hoạt động sẽ tiêu thụ
một lượng điện năng không nhỏ trong suốt quá trình làm việc. Do vậy cần thiết thực
hiện giải pháp tiết kiệm điện năng cho hệ thống này tại Công ty nhiệt điện Cao Ngạn.

2. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT VÀ TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM

Đối với hệ thống máy nén khí của Công ty nhiệt điện Cao Ngạn có thể thực hiện
giải pháp như sau: Lắp biến tần, PLC và cảm biến áp suất nhằm điều khiển hệ thống,
cảm biến áp suất sẽ được đặt tại đầu ra chung của toàn mạng, PLC sẽ lấy tín hiệu từ
cảm biến áp suất nhằm điều khiển đóng cắt các máy nén khí theo các chế độ như sau:
Chế độ khởi động: Thời điểm ban đầu khi hệ thống chưa có khí nén, áp suất
trên đường ống chung là 0 bar, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển khởi động và điều
chỉnh tốc độ từng máy và kiểm tra áp suất đầu ra nếu đảm bảo thì không khởi động
thêm máy nén mới nữa. Chu trình điều khiển khởi động từng máy nén được mô tả
trên hình 4 và 5 như sau: Khi áp suất nhỏ hơn áp suất đặt tối thiểu PLC sẽ điều khiển
đóng K13 và K11 để khởi động máy nén khí số 1, sau khi K11 đóng điện PLC thực
hiện điều khiển biến tần để khởi động động cơ máy nén tăng tốc độ từ 0Hz lên đến
50Hz. Sau 30s động cơ máy nén chạy ở tần số tối đa mà chưa đủ áp suất, PLC sẽ điều
khiển đóng tiếp máy số 2 theo các bước sau:
- Bước 1: PLC điều khiển mở K11 và đồng thời đóng K12 (K11 và K12 liên
động điện và cơ khí) để máy nén khí số 1 được duy trì hoạt động trực tiếp từ điện
lưới mà không qua biến tần.
- Bước 2: PLC điều khiển đóng K23 và K21 để khởi động cho máy nén khí số 2
qua biến tần vào làm việc.Sau khi K21, PLC thực hiện điều khiển biến tần để động cơ
máy nén số 2 tăng tốc độ từ 0Hz lên 50Hz.
+ Nếu chưa hết 30s mà áp suất trên đường ống đạt giá trị đặt, lúc này PLC thực
hiện điều chỉnh giảm tần số hoạt động của động cơ để đảm bảo giữ áp suất hệ thống
ổn định.
+ Sau khi đóng điện 30s mà chưa đủ áp suất, PLC sẽ điều khiển đóng tiếp máy
số 3 theo bước 3 và bước 4.
- Bước 3: PLC điều khiển mở K21 và đồng thời đóng K22 (K21 và K22 liên
động điện và cơ khí) để máy nén khí số 2 được duy trì hoạt động trực tiếp từ điện
lưới mà không qua biến tần.
3

- Bước 4: PLC điều khiển đóng K33 và K31 để khởi động cho máy nén khí số 3
qua biến tần vào làm việc.
Tương tự như vậy cho đến động cơ thứ 8, cảm biến báo đủ áp suất đồng thời
phản hồi về PLC để điều chỉnh lưu lượng cho máy này. Sơ đồ nguyên lý mạch lực và
điều khiển như hình 4 và hình 5.

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý biến tần điều khiển hệ thống máy nén khí

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý PLC điều khiển đóng cắt

Chế độ thiếu áp suất: Trong quá trình hoạt động khi nhu cầu tiêu thụ khí nén
tăng lên, áp lực giảm xuống, cảm biến áp suất sẽ phản hồi tới PLC và PLC sẽ cấp tín
hiệu nhằm điều khiển biến tần nâng tần số đầu ra, tốc độ động cơ tăng lên tương ứng
làm tăng áp suất trong mạng, với hai trường hợp:
- Trong khoảng điều khiển: Khi tần số hoạt động của biến tần được điều khiển
trong khoảng f = f1 (1,5Hz tới 50Hz), đồng thời cảm biến áp suất báo đủ áp, thì
biến tần sẽ chạy với tần số f1 để duy trì áp suất yêu cầu.
- Ngoài khoảng điều khiển: Khi tần số hoạt động của biến tần được PLC điều
khiển tăng dần đến giá trị f = 50Hz, mà cảm biến áp suất báo chưa đủ thì PLC sẽ
điều khiển đưa thêm máy nén khí khác vào làm việc như trên.
4


Chế độ thừa áp suất: Khi nhu cầu tiêu thụ khí nén giảm, áp suất tăng lên, cảm
biến áp suất sẽ truyền tín hiệu phản hồi về PLC, điều chỉnh tần số đầu ra của biến tần
giảm đi, tốc độ quay của động cơ giảm xuống tương ứng, từ đó áp suất khí nén ra
giảm,với hai trường hợp:
- Trong khoảng điều khiển: Khi tần số hoạt động của biến tần giảm tới tần số f =
f2 (với f2 dao động trong khoảng 1,5÷50Hz), mà cảm biến áp suất báo đủ áp, thì
biến tần sẽ chạy với tần số f2 để duy trì áp suất yêu cầu.

- Ngoài khoảng điều khiển: Khi tần số hoạt động của biến tần giảm tới tần số f =
f3 (với f3 = 1,5Hz), mà cảm biến áp suất vẫn báo dư, tín hiệu đưa về PLC điều
khiển ngắt một máy đang hoạt động ra khỏi lưới.
Với giải pháp này chỉ với một biến tần khởi động lần lượt cho 8 máy nén khí
hoạt động, khi đảm bảo áp suất làm việc, biến tần sẽ tự động điều chỉnh tần số của
động cơ cuối cùng được đóng phù hợp theo tín hiệu từ cảm biến áp suất đưa về PLC
nhằm duy trì áp suất làm việc của hệ thống. Bảng tổng hợp tiềm năng tiết kiệm khi áp
dụng giải pháp và kết quả tính toán hiệu quả kinh tế đối với giải pháp.
Bảng 1.Tiềm năng tiết kiệm điện khi áp dụng giải pháp sử dụng biến tần điều
khiển 8 máy nén khí
Tên giải pháp

ĐNTK
(kWh/
năm)

CPTK
(1.000đ/
năm)

CPĐT
(1.000đ)

TGHV
(năm)

HSHV
nội tại
(%)

GTHT
thuần
(1.000đ)

Lắp biến tần điều khiển 8
máy nén khí

104.029

87.748

307.000

3,50

25,67

133.389

3. KẾT LUẬN
Theo kết quả phân tích và tính toán kinh tế, thời gian hoàn vốn giản đơn khi đầu
tư giải pháp là 3,5 năm. Hệ số hoàn vốn nội tại IRR = 25,67%, giá trị hiện tại thuần
NPV>0. Điều đó cho thấy giải pháp lắp biến tần và PLC cho hệ thống 8 máy nén khí
theo phân tích có khả thi về hiệu quả kinh tế-kỹ thuật. Trong điều kiện sản xuất của
Công ty nhiệt điện Cao Ngạn, tỷ lệ điện tự dùng của Công ty so với tổng điện năng
sản xuất năm 2012 là 12,209%, do vậy việc thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng
lượng trong đó có giải pháp cho hệ thống máy nén khí cần được Công ty quan tâm và
triển khai trong thời gian tới.
Tài liệu tham khảo.
1 - Ths. Vũ Thế Nam và nnk. Báo cáo kiểm toán năng lượng Công ty nhiệt điện Cao

Ngạn - Vinacomin. Viện KHCN Mỏ – Vinacomi. Năm 2012.

5