Tối ưu máy nén khí tạo Nitơ để nâng cao độ tinh khiết

Khí Nitơ là một trong những loại khí kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay. Với đặc tính trơ, khô và không phản ứng với hầu hết các chất, Nitơ đóng vai trò quan trọng trong các ngành thực phẩm, dược phẩm, điện tử, hóa chất, hàn cắt và nhiều ứng dụng công nghệ cao khác.
Xu hướng của các nhà máy hiện nay là tự tạo Nitơ tại chỗ bằng công nghệ PSA (Pressure Swing Adsorption) hoặc màng lọc (Membrane Separation) để chủ động nguồn khí và giảm chi phí. Tuy nhiên, khi yêu cầu độ tinh khiết Nitơ tăng cao, hệ thống máy nén khí lại phải làm việc với áp suất lớn hơn và lưu lượng cao hơn, kéo theo mức tiêu thụ năng lượng tăng đáng kể.

Việc tìm ra điểm tối ưu giữa độ tinh khiết Nitơ – áp suất khí nén – chi phí năng lượng là một bài toán quan trọng đối với mọi kỹ sư vận hành hệ thống khí nén và Nitơ.

Cơ chế tạo Nitơ và mối quan hệ với áp suất khí nén

Công nghệ PSA tách Nitơ khỏi không khí bằng vật liệu hấp phụ carbon (Carbon Molecular Sieve – CMS). Ở áp suất cao, Oxy được hấp phụ, còn Nitơ đi qua và được thu vào bình chứa. Khi giảm áp, CMS nhả Oxy ra ngoài, tái sinh để tiếp tục chu trình.

Mối quan hệ giữa áp suất khí nén và độ tinh khiết Nitơ có dạng phi tuyến:

Tăng áp suất đầu vào sẽ giúp tăng độ tinh khiết nhưng đồng thời giảm lưu lượng Nitơ.
Lưu lượng khí nén cần thiết để đạt cùng một sản lượng Nitơ sẽ tăng mạnh khi độ tinh khiết yêu cầu vượt 99,5%.
Mỗi 1 bar tăng áp suất đầu vào của máy tạo Nitơ có thể làm mức tiêu thụ điện của máy nén khí tăng từ 7–10%.

Như vậy, độ tinh khiết càng cao → lượng khí nén càng lớn → năng lượng tiêu thụ càng nhiều. Nếu không tối ưu, chi phí vận hành có thể tăng hàng chục phần trăm mà độ tinh khiết tăng chỉ vài phần nghìn.

Phân tích định lượng và bài toán thực tế

Một nhà máy sử dụng hai máy tạo Nitơ PSA độc lập, mỗi máy lấy khí từ mạng khí nén trung tâm ở áp suất 7 bar(g). Khi khách hàng yêu cầu nâng độ tinh khiết Nitơ từ 98,4% lên 99,5%, lượng khí nén tiêu thụ tăng mạnh khiến toàn bộ hệ thống thiếu áp.
Để giải quyết, đội kỹ sư đã xem xét bốn phương án kỹ thuật:

Giảm lưu lượng Nitơ tiêu thụ → không khả thi vì ảnh hưởng sản lượng.
Tăng áp suất trung tâm → khiến toàn nhà máy tốn năng lượng hơn.
Dùng booster khí nén riêng cho hệ Nitơ → giảm ảnh hưởng tới mạng chính nhưng chi phí đầu tư và bảo trì cao.
Tách riêng máy nén khí chuyên dụng cho hệ Nitơ → cho phép điều chỉnh áp suất độc lập, tối ưu theo nhu cầu từng máy PSA.

Kết quả tính toán cho thấy phương án thứ 4 mang lại hiệu quả cao nhất:

Giảm được 15–20% điện năng tiêu thụ.
Giữ độ tinh khiết Nitơ ổn định ở 99,5%.
Hệ thống trung tâm không bị sụt áp, đảm bảo an toàn cho các thiết bị khí nén khác.

Đo lường và xác minh hiệu quả tối ưu

Sau khi lựa chọn phương án kỹ thuật, việc đo kiểm và phân tích dữ liệu vận hành thực tế là bước bắt buộc để xác nhận hiệu quả tiết kiệm năng lượng.
Các kỹ sư tiến hành ghi nhận liên tục các thông số:

Áp suất khí nén tại đầu vào PSA.
Lưu lượng Nitơ tạo ra.
Công suất điện tiêu thụ của máy nén khí.
Độ tinh khiết Nitơ đo tại đầu ra.

Để thực hiện công việc này, thiết bị ghi biểu đồ di động thông minh DS 500 do FIL Việt Nam cung cấp đã được sử dụng.

Máy ghi biểu đồ di động thông minh DS 500

Ứng dụng kỹ thuật của DS 500

DS 500 cho phép kết nối đồng thời nhiều cảm biến (áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, năng lượng), ghi lại toàn bộ dữ liệu trong suốt chu kỳ vận hành.
Nhờ bộ nhớ trong lớn và khả năng lưu dữ liệu theo thời gian thực, kỹ sư có thể:

Quan sát biến thiên áp suất và lưu lượng khi thay đổi tải máy nén.
Đánh giá hiệu suất tiêu thụ năng lượng (kWh/Nm³ Nitơ).
Xác định “điểm vận hành tối ưu” – nơi độ tinh khiết yêu cầu đạt được với chi phí điện thấp nhất.

Khi phân tích dữ liệu trên phần mềm đi kèm, đồ thị của DS 500 cho thấy rõ mối tương quan giữa áp suất, lưu lượng và năng lượng tiêu thụ, giúp nhóm kỹ thuật đưa ra quyết định tối ưu chính xác hơn.

👉 Xem chi tiết thiết bị: DS 500 – Máy ghi biểu đồ di động thông minh

Kết luận kỹ thuật và khuyến nghị

Kết quả cho thấy việc tách riêng máy nén khí cho hệ tạo Nitơ kết hợp với giám sát dữ liệu bằng DS 500 giúp nhà máy:

Tiết kiệm 18% điện năng so với vận hành cũ.
Ổn định độ tinh khiết Nitơ ở 99,5 ± 0,1%.
Giảm tải cho hệ thống khí nén trung tâm.
Có cơ sở dữ liệu đầy đủ để đánh giá hiệu suất và lập kế hoạch bảo trì.

Đây là minh chứng rõ ràng rằng tối ưu máy nén khí tạo Nitơ không chỉ là điều chỉnh phần cứng, mà còn cần phân tích định lượng, đo lường và giám sát dữ liệu liên tục để đạt hiệu quả cao nhất.

Để đạt được hiệu suất như mong muốn, nhiều nhà máy tại Việt Nam đã áp dụng kiểm toán khí nén định kỳ nhằm đánh giá tổng thể hệ thống, từ máy nén đến điểm sử dụng. Doanh nghiệp có thể tham khảo dịch vụ kiểm toán chuyên sâu tại NB Engineering, đơn vị cung cấp các giải pháp đánh giá và tối ưu hệ thống khí nén toàn diện.

FIL Việt Nam – Đối tác kỹ thuật tin cậy trong giải pháp khí nén

Với nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực đo lường và xử lý khí nén, FIL Việt Nam cung cấp thiết bị, công nghệ và dịch vụ kỹ thuật giúp doanh nghiệp: