Phân phối khí nén thường được coi là một phần thứ cấp của hệ thống tiện ích nhà máy, nhưng mạng lưới đường ống có thể xác định xem áp suất do máy nén tạo ra có thực sự đạt đến điểm sử dụng hay không. Đường kính ống, tổng chiều dài ống, phụ kiện, van, bộ lọc, máy sấy và cách bố trí đường ống chính và nhánh đều góp phần gây ra tổn thất áp suất. Khi mạng lưới có quy mô nhỏ, nhà máy có thể bù đắp bằng cách tăng áp suất xả của máy nén, điều này có thể làm tăng mức sử dụng năng lượng mà không cải thiện thiết kế phân phối cơ bản.
Điểm tham chiếu NRCan: một hệ thống khí nén được thiết kế tốt thường phải giữ tổng tổn thất áp suất từ lúc xả máy nén đến điểm sử dụng cuối cùng ở mức dưới 10% áp suất xả của máy nén. NRCan cũng lưu ý rằng, trong hệ thống tham chiếu 100 psi, áp suất xả tăng thêm 2 psi có thể làm tăng mức sử dụng năng lượng lên khoảng 1% ở công suất tối đa.
Việc xác định kích thước ống phải bắt đầu bằng các yêu cầu của hệ thống chứ không phải bằng kích thước ống ưa thích. Tối thiểu, hãy thiết lập những điều sau:
· Áp suất cần thiết tại điểm sử dụng xa nhất hoặc quan trọng nhất.
· Nhu cầu khí nén cao điểm và bình thường, tốt nhất được biểu thị bằng SCFM hoặc cơ sở lưu lượng được xác định rõ ràng khác.
· Chiều dài đường chính và khoảng cách đường nhánh dài nhất.
· Số lượng và chủng loại phụ kiện, van, bộ lọc, máy sấy, bộ điều chỉnh và đầu nối nhanh trong đường dẫn dòng chảy.
· Chất lượng không khí yêu cầu và cấp độ tinh khiết ISO 8573-1 hiện hành nếu có liên quan.
· Dự kiến mở rộng sản xuất và liệu sau này hệ thống phân phối có cần bổ sung thêm các điểm hoặc chi nhánh hay không.
Không kích thước đường ống chỉ từ mã lực của máy nén. Bảng tên máy nén mô tả máy, trong khi kích thước đường ống phải tính đến nhu cầu không khí thực tế và lực cản giữa nguồn cung cấp và điểm sử dụng.
Đối với thiết kế sơ bộ, khung kỹ thuật hữu ích là:
Q_design = Σ(Q_thiết bị × hệ số cầu) + trợ cấp tăng trưởng
Đây là một công thức quy hoạch chứ không phải là một phương trình mã phổ quát. Hệ số nhu cầu phụ thuộc vào số lượng tải khí nén hoạt động đồng thời và phải dựa trên hành vi sản xuất thực tế hoặc giả định kỹ thuật được ghi lại. NRCan lưu ý mức trợ cấp tăng trưởng 20%–30% là mức cân nhắc thực tế khi mua đối với công suất máy nén; mức trợ cấp hệ thống đường ống tương ứng nên được lựa chọn theo dự án thay vì áp dụng một cách mù quáng.
Giảm áp suất là sự chênh lệch giữa áp suất có sẵn ở thượng nguồn và áp suất được cung cấp ở hạ lưu. Trong một hệ thống khí nén thực sự, sự mất áp suất xảy ra trên đường ống thẳng và trên các bộ phận như khuỷu tay, ống chữ T, van, bộ lọc, máy sấy và đầu nối. NRCan đặc biệt cảnh báo rằng các mối nối, chỗ uốn cong và điểm kết nối sẽ tạo thêm tổn thất áp suất và cung cấp dữ liệu tham chiếu có độ dài tương đương cho các phụ kiện thông thường.
Mục tiêu kỹ thuật: coi việc giảm áp suất là ngân sách hệ thống. Dự trữ đủ áp suất cho mạng lưới đường ống để thiết bị cuối cùng vẫn nhận được áp suất cần thiết mà không buộc máy nén phải hoạt động ở áp suất xả cao không cần thiết.
· Áp suất xả của máy nén
· Tổn thất áp suất qua máy sấy và bộ lọc
· Tổn thất áp suất qua đường ống chính
· Tổn thất áp suất qua đường ống nhánh và phụ kiện
· Tổn thất lọc/điều tiết tại điểm sử dụng
· Áp suất yêu cầu tại đầu vào thiết bị
Thiết kế nên đóng quỹ áp suất này trước khi đường kính ống cuối cùng được chọn. Nếu tổn thất tính toán quá cao, các tùy chọn bao gồm tăng đường kính ống, rút ngắn đường dẫn dòng chảy, giảm các phụ kiện không cần thiết, cải thiện cách bố trí hoặc sử dụng cách bố trí phân phối vòng khi thích hợp.
Bộ Tài nguyên Thiên nhiên Canada công bố bảng tham chiếu gần đúng về luồng không khí trên 1.000 ft đường ống ở mức giảm áp suất 1 psi. Những giá trị này hữu ích cho việc so sánh sơ bộ, không hữu ích cho việc tính toán dự án cuối cùng.
Đường kính ống danh nghĩa | Xấp xỉ. Lưu lượng ở mức 1 psi / 1.000 ft (SCFM) |
1 trong | 36 |
2 trong | 263 |
3 trong | 431 |
4 trong | 909 |
6 trong | 2.679 |
8 inch | 6,757 |
10 inch | 14.286 |
Dữ liệu tham khảo được sao chép từ Tài nguyên thiên nhiên Canada. Điều kiện: luồng không khí xấp xỉ trên 1.000 ft đường ống để giảm áp suất 1 psi. Chỉ sử dụng như một so sánh sơ bộ; xác nhận kích thước cuối cùng với các tính toán cụ thể của dự án.
Tính toán đường ống thẳng có thể có vẻ chấp nhận được trong khi hệ thống thực tế vẫn bị tổn thất áp suất quá mức. Lý do là mọi khuỷu tay, tee, van và kết nối đều tăng thêm lực cản. NRCan cung cấp các ví dụ có độ dài tương đương: đối với ống danh nghĩa 1 in, khuỷu 90° được liệt kê ở khoảng 2,5 ft của ống thẳng tương đương; đối với ống 4 inch, giá trị tham chiếu tương tự là khoảng 12 ft. Đây chỉ là các chỉ số, không phải giá trị thiết kế dự án.
Ý nghĩa thực tế rất đơn giản : khi so sánh hai cách bố trí có chiều dài ống tương tự nhau, cách bố trí có ít vòng quay hạn chế hơn và các phụ kiện được quy hoạch tốt hơn có thể có tổng tổn thất áp suất thấp hơn.
Mạng nhánh một đầu cung cấp không khí thông qua một đường dẫn chính. Một vòng lặp chính tạo ra nhiều đường dẫn có thể có giữa các phần của hệ thống. Đối với một nhà máy có nhiều khu vực sản xuất, một vòng lặp có thể giúp phân phối dòng chảy đồng đều hơn và giảm độ nhạy đối với một đường cụt dài duy nhất, miễn là đường kính ống và thiết kế nhánh phù hợp.
Lưu ý thiết kế: vòng lặp không tự động giải quyết các vấn đề giảm áp suất. Vòng lặp vẫn cần có đường kính ống phù hợp, các nhánh cân bằng, van cách ly thích hợp và cách bố trí phản ánh được nhu cầu sản xuất thực tế.
Kích thước đường ống và quản lý rò rỉ là các nhiệm vụ kỹ thuật khác nhau, nhưng cả hai đều ảnh hưởng đến lượng khí nén mà nhà máy phải sản xuất. NRCan tuyên bố rằng không có gì lạ khi 20%–30% sản lượng máy nén xuất hiện dưới dạng rò rỉ không khí trong các cơ sở công nghiệp điển hình và các chương trình sửa chữa và phát hiện rò rỉ chủ động có thể giảm rò rỉ xuống dưới 10% sản lượng khí nén của nhà máy.
Ví dụ từ NRCan: một ví dụ tham khảo ước tính chi phí duy trì rò rỉ 100 cfm ở áp suất 100 psi vào khoảng 8.500 USD mỗi năm trong 4.250 giờ hoạt động giả định và chi phí điện là 0,10 USD/kWh. Đây là một kịch bản minh họa, không phải là con số chi phí chung; chi phí thực tế phụ thuộc vào áp suất, số giờ, hiệu suất máy nén và giá điện.
Khi đã hiểu được đường kính và cách bố trí cần thiết, thiết kế vật liệu và kết nối sẽ trở thành một phần của quyết định về vòng đời. Đối với phân phối khí nén công nghiệp, các cân nhắc chính bao gồm hành vi ăn mòn, tình trạng bề mặt bên trong, tính toàn vẹn của kết nối, phương pháp lắp đặt, quyền truy cập bảo trì và khả năng mở rộng mạng.
Tài liệu sản phẩm UPIPE liệt kê hệ thống đường ống dành cho khí nén, chân không và khí trơ như heli, nitơ và argon , với kích thước danh nghĩa từ DN20 đến DN200 và áp suất làm việc được liệt kê là 16 bar. Danh mục này cũng nêu bật thiết kế vừa vặn với kích thước đầy đủ, khả năng bịt kín chủ động, kết nối kẹp vòng lồi và tính năng kết nối nhanh.
Quan trọng: Xếp hạng sản phẩm UPIPE là giá trị tài liệu sản phẩm. Các kỹ sư ứng dụng nên xác minh cấu hình sản phẩm hiện hành, nhiệt độ, môi trường, yêu cầu cục bộ và điều kiện dự án trước khi chỉ định hệ thống.
Hãy xem xét một dây chuyền sản xuất có lưu lượng thiết kế cao nhất là 800 SCFM. Tuyến phân phối chính đủ dài để không thể đánh giá tổn thất áp suất chỉ từ đường kính ống; phụ kiện, van và kết nối nhánh cũng phải được bao gồm.
1. Bước 1: Xác nhận áp suất yêu cầu tại thời điểm sử dụng khắt khe nhất.
2. Bước 2: Đặt ngân sách giảm áp cho mạng lưới phân phối.
3. Bước 3: Chỉ sử dụng bảng quy trình đã công bố làm sàng lọc sơ bộ cho các đường kính dự kiến.
4. Bước 4: Thêm các hiệu ứng có độ dài tương đương cho khuỷu tay, chữ T và van và tính toán độ giảm áp suất tối đa.
5. Bước 5: So sánh cách sắp xếp một đầu với cách bố trí vòng nếu có nhiều khu vực sản xuất được cung cấp.
6. Bước 6: Kiểm tra nhu cầu trong tương lai, chiến lược quản lý rò rỉ và khả năng tiếp cận bảo trì trước khi chọn cấu hình cuối cùng.
Điểm quan trọng là 800 SCFM không tự động ánh xạ tới một kích thước ống “chính xác”. Đường kính chính xác phụ thuộc vào mức giảm áp suất cho phép, chiều dài đường ống, điều kiện không khí, cấu hình phụ kiện và áp suất sử dụng cuối cần thiết.
UPIPE tiếp cận đường ống khí nén như một hệ thống phân phối hoàn chỉnh thay vì tập hợp các đoạn ống riêng lẻ. Danh mục sản phẩm nhấn mạnh đến các phụ kiện có kích thước đầy đủ, khả năng bịt kín chủ động, kết nối nhanh và cấu hình mô-đun. Những tính năng này nhằm hỗ trợ các hệ thống công nghiệp trong đó tốc độ cài đặt, độ tin cậy kết nối và sửa đổi trong tương lai là những cân nhắc quan trọng.
Đối với yêu cầu về dự án, UPIPE khuyên bạn nên cung cấp thông tin sau để có thể đánh giá cấu hình đường ống hiệu quả hơn:
· Áp suất đầu ra của máy nén và công suất danh nghĩa của máy nén
· Áp suất vận hành yêu cầu tại thiết bị
· Nhu cầu không khí cao điểm và bình thường
· Chiều dài dây chuyền chính và sơ đồ mặt bằng/khu vực sản xuất
· Số lượng điểm rơi và điểm kết nối thiết bị chính
· Bất kỳ yêu cầu đặc biệt nào về chất lượng không khí, nhiệt độ hoặc môi trường
· Dự kiến mở rộng trong tương lai hoặc bổ sung dây chuyền sản xuất
Kích thước đường ống không thay thế việc xử lý không khí. ISO 8573-1 quy định các cấp độ tinh khiết cho khí nén liên quan đến các hạt, nước và dầu, đồng thời xác định các chất ô nhiễm dạng khí và vi sinh vật. Lớp độ tinh khiết cần thiết phụ thuộc vào ứng dụng. Do đó, hệ thống hoàn chỉnh nên coi máy nén, máy sấy, bộ lọc, bộ thu, đường ống phân phối và xử lý điểm sử dụng là một hệ thống.
Kiểm tra | Câu hỏi kỹ thuật |
1 | Áp lực nào phải có sẵn tại thời điểm sử dụng quan trọng? |
2 | Luồng khí thiết kế cao nhất là bao nhiêu và nhu cầu đồng thời là bao nhiêu? |
3 | Mức giảm áp suất cho phép từ máy nén đến điểm sử dụng là bao nhiêu? |
4 | Đường chính và đường nhánh dài bao nhiêu? |
5 | Có bao nhiêu khuỷu tay, ống chữ T, van, bộ lọc và đầu nối trong đường dẫn dòng chảy? |
6 | Liệu cách bố trí phân phối theo vòng lặp có phù hợp hơn với cách bố trí nhà máy không? |
7 | Khoản trợ cấp nào cần thiết cho việc mở rộng trong tương lai? |
8 | Loại chất lượng không khí và điều kiện môi trường nào được áp dụng? |
9 | Rò rỉ sẽ được phát hiện và duy trì như thế nào sau khi vận hành thử? |
Việc xác định kích thước đường ống khí nén hiệu quả là một vấn đề quản lý áp suất, không chỉ đơn giản là bài tập lựa chọn đường kính đường ống. Kỹ sư phải cân bằng luồng không khí tối đa, giới hạn giảm áp suất, chiều dài đường ống, phụ kiện, cách bố trí, rò rỉ, mở rộng trong tương lai và các yêu cầu về chất lượng không khí.
Dữ liệu NRCan được công bố cung cấp các điểm tham chiếu hữu ích: một hệ thống được thiết kế tốt sẽ giữ tổng tổn thất áp suất ở mức dưới 10% áp suất xả của máy nén; cứ tăng thêm 2 psi áp suất xả có thể tiêu tốn thêm khoảng 1% năng lượng sử dụng trong điều kiện tham chiếu của nó; và rò rỉ công nghiệp điển hình có thể đạt tới 20%–30% sản lượng máy nén. Những số liệu này cho thấy tại sao thiết kế phân phối và bảo trì lại đáng được quan tâm như chính máy nén.
Đối với các dự án công nghiệp sử dụng đường ống nhôm, UPIPE cung cấp một hệ thống mô-đun bao gồm các ứng dụng khí nén, chân không và khí trơ, với tài liệu sản phẩm liệt kê các kích cỡ DN20-DN200 và áp suất làm việc 16 bar. Lựa chọn dành riêng cho dự án phải luôn được xác minh dựa trên các điều kiện vận hành thực tế và các yêu cầu hiện hành.
Cần trợ giúp xem xét cách bố trí đường ống khí nén công nghiệp? Liên hệ với UPIPE về các yêu cầu về luồng không khí, áp suất, chiều dài đường ống và cách bố trí nhà máy của bạn để thảo luận về dự án.
