Nghệ thuật lựa chọn và tính toán kích thước van chống sụt áp máy nén

Nghệ thuật lựa chọn và tính toán kích thước van chống sụt áp máy nén.

Máy nén ly tâm phụ thuộc vào van chống sụt áp để giữ thiết bị tránh khỏi các vùng hoạt động nguy hiểm và ngăn ngừa hư hỏng nghiêm trọng. Để đảm bảo van có thể nhanh chóng đưa máy nén thoát khỏi tình trạng sụt áp khi xảy ra tình huống khẩn cấp, van thường được thiết kế với kích thước lớn hơn mức cần thiết. Điều này hoạt động tốt trong các trường hợp hiếm gặp khi máy nén đang hoạt động ở công suất tối đa và bị ngắt đột ngột. Tuy nhiên, cùng van này sẽ hoạt động rất kém hiệu quả trong các điều kiện vận hành phổ biến, chẳng hạn như khi khí trong hệ thống được tái tuần hoàn để duy trì áp suất và lưu lượng ổn định hoặc khi máy nén dần dần đạt đến ngưỡng sụt áp mà không có biến động đột ngột.

Bài viết này thảo luận về cách tiếp cận toàn diện hơn trong việc tính toán kích thước van chống sụt áp, trong đó tất cả các chế độ vận hành đều được xem xét trong thiết kế van. Kỹ thuật này đã được áp dụng thành công để giải quyết nhiều trường hợp mà việc thiết kế thông số kỹ thuật của van chống sụt áp không đầy đủ và/hoặc không chính xác dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng và hỏng hóc sớm của van do vận hành sai ở các điều kiện lưu lượng thấp.

Mối nguy hiểm của hiện tượng sụt áp (Surge)

Sự sụt áp xảy ra khi đầu hút (suction intake) hoặc đầu xả (discharge outflow) của máy nén bị chặn hoặc hạn chế. Ví dụ, hãy xem xét một máy nén ly tâm đang hoạt động ở công suất định mức với một van ở đầu xả dần đóng lại. Khi dòng xả bị hạn chế, áp suất tại đầu xả của máy nén tăng lên để bù đắp và lưu lượng qua máy nén giảm.

Nếu van tiếp tục đóng, áp suất sẽ tiếp tục tăng cho đến khi máy nén đạt giới hạn áp suất tối đa và dòng chảy bị ngưng trệ. Khi lưu lượng ngừng lại và động năng của chất lỏng bị mất, máy nén không còn khả năng giữ áp suất tại đầu ra của nó và khí nén sẽ thoát ngược trở lại qua máy nén. Ngay khi áp suất xả sụp đổ, máy nén vẫn tiếp tục quay sẽ đẩy khí về phía trước một lần nữa, làm tăng áp suất và khởi động chu kỳ sụt áp tiếp theo.

Tốc độ của các chu kỳ sụt áp có thể thay đổi, từ một chu kỳ mỗi vài giây đến nhiều chu kỳ mỗi giây trong các máy nén tốc độ cao. Với mỗi chu kỳ, các ổ đỡ lực đẩy (thrust bearings) và cánh máy nén phải chịu áp lực cực lớn. Chỉ cần vài chu kỳ sụt áp là đủ gây hư hại, và nếu tình trạng này kéo dài, nó có thể phá hủy các bộ phận bên trong của máy nén (Hình 1).

Hình 1: Điều kiện sụt áp có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho máy nén ly tâm chỉ trong vài giây. Các cánh quạt rotor của máy nén (bên trái) và cánh dẫn hướng (bên phải) có thể bị xoắn hoặc gãy rời.

Thiệt hại như vậy có thể tiêu tốn từ hàng trăm nghìn đến hàng triệu đô la để sửa chữa và thường khiến máy nén phải ngừng hoạt động trong nhiều tuần, thậm chí nhiều tháng.

Giải pháp van chống sụt áp

Hiện tượng sụt áp được ngăn chặn bằng cách sử dụng một hệ thống điều khiển chống sụt áp bao gồm các thiết bị đo lưu lượng và áp suất, một bộ điều khiển tốc độ cao, cùng với một van bypass hoặc van chống sụt áp (Hình 2).

Hình 2: Hệ thống điều khiển chống sụt áp đo các điều kiện vận hành của máy nén và mở van chống sụt áp tốc độ cao khi cần thiết để duy trì lưu lượng tối thiểu qua máy nén và tránh hiện tượng sụt áp.

Bộ điều khiển giám sát lưu lượng qua máy nén, và nếu lưu lượng tiến gần đến điều kiện sụt áp, van chống sụt áp sẽ mở để tái tuần hoàn lưu lượng quay lại đầu hút, từ đó tránh được hư hỏng. Nếu hiện tượng sụt áp xảy ra, nó thường được phát hiện dưới dạng dòng chảy ngược ngay lập tức, và van chống sụt áp sẽ được kích hoạt mở hoàn toàn để nhanh chóng thiết lập lại dòng chảy thuận và dừng chu kỳ sụt áp. Đường tái tuần hoàn thường sử dụng một bộ làm mát để loại bỏ nhiệt sinh ra từ quá trình nén. Điều này cho phép máy nén vận hành dưới điều kiện lưu lượng tái tuần hoàn duy trì mà không bị quá nhiệt.

Việc lựa chọn và tính toán kích thước van chống sụt áp gặp nhiều thách thức do van phải đối mặt với nhiều điều kiện khác nhau, tùy thuộc vào chế độ vận hành của máy nén. Thông thường, van chống sụt áp sẽ được sử dụng trong một trong các chế độ vận hành của máy nén.

Lưu lượng cao

• Khởi động (Startup): Máy nén bắt đầu từ trạng thái dừng hoàn toàn. Trong điều kiện này, van chống sụt áp thường được mở hoàn toàn để đảm bảo lưu lượng cao cho đến khi máy nén đạt điều kiện vận hành và có thể đưa vào hoạt động. Sau đó, van chống sụt áp sẽ được đóng lại.
• Tắt máy thông thường (Normal shutdown): Máy nén được đưa ra khỏi hoạt động. Nếu máy nén đang vận hành song song, van chống sụt áp sẽ được mở dần để loại bỏ lưu lượng của thiết bị ra khỏi đường ống chính, sau đó mở hoàn toàn để duy trì lưu lượng khi máy nén dừng hoạt động.
• Tắt máy khẩn cấp (Emergency shutdown): Trong nhiều bản thiết kế, đây là điều kiện duy nhất được xem xét khi tính toán kích thước van chống sụt áp, dẫn đến các vấn đề như mô tả bên dưới. Máy nén đang hoạt động ở công suất tối đa và bị chặn đột ngột. Van chống sụt áp phải xử lý toàn bộ lưu lượng của máy nén, cộng thêm một dung lượng bổ sung để ngay lập tức đưa máy nén thoát khỏi tình trạng sụt áp.

Lưu lượng thấp

• Chế độ tái tuần hoàn hoặc bypass liên tục (Continuous recycle or bypass mode): Đây là điều kiện có khả năng xảy ra cao nhất, và nó yêu cầu van chống sụt áp mở nhẹ để duy trì một lưu lượng tối thiểu. Tình trạng này thường xảy ra khi nhu cầu lưu lượng thực tế thấp hơn lưu lượng tối thiểu của máy nén, nên phần chênh lệch phải được tái tuần hoàn. Điều kiện này có thể do người dùng hoặc thiết bị phía hạ nguồn ngừng hoạt động, buộc máy nén phải vận hành ở một điểm không được thiết kế để xử lý.
• Sự kiện sụt áp thông thường (Normal surge events): Trong trường hợp này, một thiết bị sử dụng phía hạ nguồn nhỏ hơn có thể ngừng hoạt động, khiến máy nén tiến gần đến điều kiện sụt áp trước khi nó có thể giảm tốc. Lý tưởng nhất, van chống sụt áp sẽ chỉ mở nhẹ để đưa máy nén ra khỏi tình trạng sụt áp, sau đó đóng lại khi tốc độ máy nén đã được điều chỉnh.

Như đã đề cập, việc tắt máy khẩn cấp yêu cầu lưu lượng lớn nhất, và điều kiện này thường được sử dụng để tính toán kích thước van. Tuy nhiên, đây lại là điều kiện ít xảy ra nhất. Các chế độ lưu lượng thấp xảy ra thường xuyên hơn nhiều và yêu cầu van phải hoạt động trong những điều kiện này trong một khoảng thời gian kéo dài.

Hư hỏng van chống tăng áp lưu lượng thấp

Khi một van quá cỡ phải hoạt động ở lưu lượng rất thấp, các vấn đề bắt đầu xuất hiện. Điều này đặc biệt đúng với van chống tăng áp vì chúng thường phải chịu áp suất chênh lệch rất lớn. Hầu hết các van hoạt động kém khi van chỉ mở rất ít, do các đường dẫn dòng chưa được thiết lập đầy đủ và dòng chảy hỗn loạn qua khe hở ghế van là đáng kể. Sự hỗn loạn này có thể khiến lõi van rung và phát ra tiếng như chuông, với rung động có khả năng gây ra các mô men uốn tần số cao ở chỗ kết nối thân van với lõi van (Hình 3). Việc vận hành kéo dài ở trạng thái van mở tối thiểu thường dẫn đến hư hỏng sớm của van do nứt lõi van, và/hoặc hỏng hoàn toàn kết nối giữa thân van và lõi van.

Hình 3: Vận hành kéo dài ở trạng thái van mở tối thiểu có thể gây hư hỏng thân van hoặc Zlồng van. Với kích thước và yêu cầu hiệu suất cao của hầu hết các van chống tăng áp, điều này có thể dẫn đến chi phí sửa chữa rất cao và thời gian ngừng hoạt động của máy nén kéo dài.

Thật không may, các điều kiện lưu lượng thấp hiếm khi được xem xét khi chọn van chống tăng áp, dẫn đến hư hỏng van phổ biến trong nhiều tình huống của ứng dụng này.

Kích thước van chống tăng áp

Trước đây, các nhà sản xuất máy nén thường chỉ tập trung vào điều kiện ngừng hoạt động khẩn cấp khi xác định kích thước van chống tăng áp. Theo thông số kỹ thuật thông thường, thiết bị sử dụng được khuyến nghị tham khảo lưu lượng trong các điều kiện tăng áp tối thiểu và tối đa, đồng thời chọn kích thước van cho phép lưu lượng bằng 1,8-2,2 lần giá trị đó, với điều kiện van không được phép vượt quá lưu lượng "stonewall" tối đa của máy nén. Stonewall là điều kiện lưu lượng tối đa, khi hơi đạt tới vận tốc âm thanh, làm nghẽn máy nén và không cho phép thêm lưu lượng nào đi qua.

Hình 4: Một thông số kỹ thuật điển hình từ nhà sản xuất máy nén yêu cầu van chống tăng áp có khả năng cho phép lưu lượng từ 1,8-2,2 lần lưu lượng tối đa trong điều kiện hiệu suất tối thiểu và tối đa, nhưng không vượt quá giới hạn lưu lượng stonewall, được biểu thị bằng các điểm màu xanh trong biểu đồ này.

Mặc dù thông số kỹ thuật này đáp ứng yêu cầu lưu lượng tối đa cho trường hợp ngừng hoạt động khẩn cấp, nhưng không đề cập đến các điều kiện lưu lượng thấp, vốn thường gặp hơn. Việc xác định kích thước và lựa chọn van chống tăng áp phù hợp nên xem xét tất cả các chế độ vận hành.

Yêu cầu lưu lượng cần thiết cho khởi động và ngừng hoạt động bình thường sẽ thay đổi tùy thuộc vào cấu hình thiết bị trong hệ thống ống góp và điều kiện áp suất đầu vào, đầu ra. Tuy nhiên, các lưu lượng này thường khá lớn so với chế độ tái tuần hoàn hoặc chế độ tăng áp thông thường, nhưng lại nhỏ hơn đáng kể so với lưu lượng trong tình huống ngừng khẩn cấp, do đó chúng không phải là trường hợp giới hạn.

Thách thức trong việc xác định kích thước van chống tăng áp là xử lý cả lưu lượng tối đa trong trường hợp ngừng khẩn cấp và lưu lượng tối thiểu trong điều kiện lưu lượng thấp. Hãy xem các đường cong lưu lượng van trong Hình 5. Đường cong trên là đường cong lưu lượng điển hình của van chống tăng áp. Chú ý vị trí điểm vận hành (Cv = 50) yêu cầu cho điều kiện lưu lượng tối thiểu. Trong trường hợp này, van sẽ phải hoạt động ở trạng thái mở 2-3%, dẫn đến hư hỏng tấm van và các bộ phận khác theo thời gian.

Hình 5: Một van chống tăng áp chỉ được thiết kế cho lưu lượng khẩn cấp sẽ hoạt động ở mức mở rất thấp trong chế độ tái tuần hoàn liên tục (biểu đồ trên). Biểu đồ dưới cho thấy một van có cùng công suất lưu lượng khẩn cấp nhưng được thiết kế để hoạt động ở mức mở gần 10% trong điều kiện lưu lượng thấp, kéo dài đáng kể tuổi thọ của van.

Bây giờ, hãy xem xét cấu hình van trong đường cong dưới. Công suất lưu lượng tối đa vẫn tương tự, nhưng nhờ lựa chọn bộ phận điều chỉnh tốt hơn, điểm vận hành tối thiểu đã được chuyển lên 8% mở để giảm thiểu hư hỏng. Không giống như cấu hình van trên, cấu hình van dưới có thể hoạt động trong thời gian dài ở cả điều kiện lưu lượng cao và thấp.

Không phải lúc nào cũng có thể xử lý toàn bộ phạm vi lưu lượng chỉ với một van. Trong những trường hợp này, nên sử dụng hai van, một van được thiết kế cho lưu lượng cao và một van cho lưu lượng thấp.

Những điểm chính cần lưu ý

Khi xác định kích thước và chọn van điều khiển chống tăng áp, điều quan trọng là cần xem xét nhiều hơn các điều kiện tăng áp lưu lượng tối đa thông thường. Mặc dù các lưu lượng này rất quan trọng và cần thiết để tránh hiện tượng tăng áp trong tình huống ngừng khẩn cấp, nhưng cũng không kém phần quan trọng khi van có khả năng hoạt động ở lưu lượng rất thấp. Vì vậy, các thông số thiết kế cho lưu lượng tái tuần hoàn tối thiểu cần được cân nhắc khi chọn van điều khiển chống tăng áp. Đối với các sự cố vận hành bình thường mà cần ngăn ngừa tăng áp, van nên được thiết kế để xử lý sự chênh lệch lưu lượng giữa đường kiểm soát tăng áp và giới hạn tăng áp, thường chiếm khoảng 10% công suất của máy nén. Tất cả các thông tin này phải được hiểu rõ trước khi có thể chỉ định và lựa chọn van điều khiển chống tăng áp phù hợp.

Mặc dù việc xác định các lưu lượng cần thiết và điều kiện quá trình là yêu cầu cơ bản, nhưng đây chỉ là một phần của thách thức. Các yếu tố phức tạp như yêu cầu phản hồi cực nhanh và chính xác, chênh lệch áp suất lớn, và điều kiện gây ồn cao khiến việc xác định kích thước van và lựa chọn vật liệu trở nên khó khăn hơn. Thường thì van chống tăng áp cần một sự kết hợp giữa các thiết bị định vị có công suất cao và chẩn đoán cao, bộ điều chỉnh lưu lượng đặc trưng, bộ truyền động quá cỡ, bộ tăng cường khí nén và vật liệu chế tạo phù hợp để xử lý phạm vi lưu lượng và các thông số hiệu suất đa dạng.

Khi các thông số đã được hiểu rõ, người dùng cuối nên tham khảo ý kiến của chuyên gia về van điều khiển để chọn ra sự kết hợp tốt nhất giữa bộ truyền động, kiểu van, bộ điều chỉnh, và các phụ kiện định vị phù hợp với ứng dụng. Việc nỗ lực đánh giá đầy đủ các yêu cầu có thể mang lại lợi ích lớn với việc giảm chi phí bảo trì, vận hành hiệu quả hơn và tăng thời gian hoạt động liên tục.

Bảo Khánh (Theo Automation.com)