Máy Nén Hơi

Khi các bẫy hơi (steam trap) áp suất trung bình đến cao xả nước ngưng tụ, áp suất thấp trong đường ống thu hồi nước ngưng khiến một phần chất lỏng “bốc hơi tức thời” (flash) trở lại thành hơi nước. Hơi bốc hơi tức thời (flash steam) này chứa năng lượng nhiệt có giá trị mà nếu được tái sử dụng hiệu quả, có thể giúp tăng hiệu suất nhà máy và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Rất thường xuyên, hơi bốc này có thể bị xả ra môi trường, và năng lượng nhiệt do đó bị lãng phí. Tuy nhiên, có hai phương pháp khả thi để giữ lại năng lượng nhiệt này: thu hồi hơi bốc (flash recovery) và nén hơi (steam compression).

Một trong những cách phổ biến nhất để thu giữ nhiệt là lắp đặt một bình bốc hơi có áp (pressurized flash tank) hoặc hệ thống thu hồi hơi bốc. Bình bốc hơi nhận nước ngưng xả ra từ các bẫy hơi và cho phép hơi bốc được chuyển hướng vào một đường ống áp suất thấp để tái sử dụng ở nơi khác.

Tuy nhiên, một hệ thống thu hồi hơi bốc tạo ra một lượng áp suất ngược (backpressure) nhất định; cần thận trọng để duy trì chênh lệch áp suất cần thiết ở thượng nguồn để các bẫy hơi có thể tiếp tục hoạt động. Hơn nữa, cũng phải có nhu cầu thực tế đối với hơi nước áp suất thấp/trung do bình bốc hơi cung cấp. Đôi khi, áp suất của hơi bốc thu hồi được thấp hơn áp suất hoặc nhiệt độ tối thiểu cần thiết để tái sử dụng. Trong những trường hợp như vậy, một máy nén hơi (steam compressor) có thể cung cấp một giải pháp hiệu quả hơn.

Áp Suất Hơi Bốc Thường Quá Thấp Để Tái Sử Dụng

Sau khi xem xét cả điều kiện vận hành cần thiết cho ứng dụng hơi chính và tốc độ xả của các bẫy hơi, đôi khi có sự không phù hợp giữa áp suất hơi bốc tối đa có thể đạt được và áp suất tối thiểu cần thiết để tái sử dụng. Ví dụ, nếu áp suất hơi bốc đạt tối đa 1 barG và áp suất tối thiểu có thể sử dụng là 2 barG, thì hơi nước có thể bị xả ra khí quyển thay vì được tái sử dụng bởi vì áp suất đơn giản là không đủ cao để đáp ứng ngưỡng quy trình. Nếu chỉ có thể nâng áp suất từ 1 barG lên 2 barG, thì có thể tránh được việc xả hơi lãng phí!

Nâng Áp Suất Hơi

Trong trường hợp của không khí, việc tăng áp suất có thể dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng một máy nén khí tiêu chuẩn. Tuy nhiên, các máy nén hơi cơ học tương tự cho hơi nước không phổ biến lắm do sự có mặt của nước ngưng. Ngoài ra, việc tăng áp suất bằng cách đơn thuần bổ sung nhiệt là không thể, vì thêm nhiệt mà không có buồng kín (chẳng hạn như lò hơi) chỉ khiến hơi nước trở nên quá nhiệt và giãn nở dọc theo chiều dài của đường ống mà không có bất kỳ sự gia tăng áp suất nào. Vậy thì, làm thế nào để có thể nâng áp suất hơi?

Một câu trả lời là kết hợp hơi áp suất thấp với một dòng hơi áp suất cao hơn. Tuy nhiên, việc đơn giản hợp nhất hai dòng chảy bằng cách kết nối đường ống sẽ khiến hơi áp suất cao chảy ngược vào đường áp suất thấp, điều này có thể gây ra sự cố cho các bẫy hơi được lắp đặt ở thượng nguồn. Để ngăn chặn dòng chảy ngược này, cần phải sử dụng một ejector (bộ phun).

Sử Dụng Ejector Hơi Để Kết Hợp Hơi Áp Suất Thấp và Cao

Một ejector hơi có thể được sử dụng để hút hơi áp suất thấp vào một dòng hơi áp suất cao đồng thời ngăn chặn dòng chảy ngược và dao động áp suất ở thượng nguồn. Một ejector hơi đưa hơi áp suất cao (hơi chủ động – motive steam) qua một đoạn thu hẹp (vòi phun – nozzle), gia tốc nó và chuyển đổi năng lượng áp suất của nó thành vận tốc. Năng lượng vận tốc cao này đến lượt nó tạo ra hiệu ứng hút sẽ kéo hơi áp suất thấp vào buồng trộn (mixing chamber) và cuốn nó vào dòng chảy chủ động. Khối lượng tăng lên của dòng hơi kết hợp làm giảm vận tốc, và khi dòng chảy giãn nở trở lại qua phần khuếch tán (diffuser), năng lượng vận tốc được chuyển đổi trở lại thành năng lượng áp suất.

Nói cách khác, một ejector hơi sử dụng phương pháp nén nhiệt (thermocompression) để trộn các dòng chảy của hai áp suất khác nhau và xuất ra hơi nước ở một mức áp suất trung bình nằm đâu đó giữa các áp suất của các dòng thành phần. Điều này giúp có thể nâng áp suất hơi bốc lên các mức có thể sử dụng được.

Hiệu Suất Máy Nén Hơi

Một chỉ số thể hiện hiệu suất của máy nén hơi là “tỷ lệ hút” (entrainment ratio), là tỷ lệ giữa lượng hơi chủ động cần thiết để thu hút/hút một dòng hơi áp suất thấp hơn và nâng áp suất của nó một cách hiệu quả. Ví dụ, nếu cần 4.1 tấn hơi áp suất cao để nâng 1 tấn hơi bốc lên áp suất mong muốn, thì tỷ lệ hút sẽ là 4.1. Do đó, trong những trường hợp mục tiêu chính là nâng áp suất hơi bằng cách sử dụng ít hơi áp suất cao nhất có thể, một tỷ lệ hút thấp hơn sẽ cho thấy hiệu suất cao hơn.

Một tỷ lệ hút lớn hơn cho thấy đang tiêu thụ nhiều hơi áp suất cao hơn để tạo ra một dòng chảy kết hợp ở áp suất yêu cầu, và kết quả là tổng lượng hơi đầu ra tăng lên. Điều này có thể không tránh khỏi nếu chênh lệch áp suất giữa dòng cao áp và thấp áp là lớn, nhưng trong một số trường hợp, có thể không có đủ nhu cầu đối với khối lượng lớn hơi nước “áp suất hỗn hợp” đầu ra như vậy. Trong những trường hợp như vậy, một tỷ lệ hút lớn có khả năng dẫn đến một quy trình kém hiệu quả với lượng dư thừa lãng phí.

Do đó, việc xem xét cẩn thận cân bằng hơi của nhà máy để xác định cách sử dụng hơi nước đã được nâng áp và toàn bộ thể tích của nó là những bước then chốt để thu được lợi ích tối đa từ máy nén hơi. Cuối cùng, việc đưa vào sử dụng thành công một máy nén hơi hiệu quả có thể làm giảm đáng kể chi phí năng lượng và lượng hơi cần sinh ra từ lò hơi, do đó cải thiện điều kiện môi trường tại nhà máy và địa phương bằng cách giảm phát thải CO2 và xả hơi bốc.