Surge ở máy nén là gì? Phương pháp kiểm soát

Hiện tượng Surge ở máy nén và cách kiểm soát. Các máy nén khí công nghệ nén dạng tuabin, ly tâm, hướng trục hoặc tubor là trái tim của nhiều quá trình công nghệ(trong khuân khổ bài viết tác giả gọi theo tên thông dụng loại máy hay được sử dụng tại Việt Nam). Thông thường, các máy nén khí là thành phần quan trọng đối với hoạt động trong nhà máy, nhưng vẫn hiếm khi chúng được lắp đặt thêm một máy dự phòng. Vấn đề xung động "Surging" (một số tài liệu gọi là hiện tượng trồi sụt) là một mối đe dọa lớn cho các máy nén khí turbo nói riêng và quá trình công nghệ nén ly tâm nói chung. Ngăn ngừa hiện tượng Surge là một điều quan trọng trong quá trình kiểm soát công nghệ. Hiện tượng surging có thể làm tăng chi phí do ngừng máy đồng thời nó phá hủy về cơ khí cho các máy nén. Một hệ thống kiểm soát anti-Surge hiệu quả là rất quan trọng cho mỗi máy nén khí Turbo (máy ly tâm).

Surging là gì ?

Nhiều người cho rằng, surging là tương tự hiện tượng xâm thực ở máy bơm ly tâm, nhưng thực ra không phải là vậy. Surging được định nghĩa như là sự tự dao động của áp suất cửa xả và tốc độ dòng chảy khí nén, bao gồm một sự đảo ngược dòng chảy khí nén. Mỗi máy nén ly tâm hoặc hướng trục có một sự kết hợp của các đặc tính áp suất cực đại và dòng tối thiểu. Ngoài điểm này, hiện tượng surging sẽ xảy ra. Trong thời gian surging, một dòng đảo ngược thường kèm theo một sự mất áp(sụt áp). Khi quan sát bằng mắt thường sẽ thấy đồng hồ áp tại ngõ ra trồi sụt liên tục.
Surging được minh họa hay nhất bằng cách quan sát sự chuyển động của máy nén tại thời điểm hoạt động trên đường cong đặc tính như được hiển thị trong Hình 01 bên dưới.

Hình 01

Để trực quan mời bạn xem vi deo khi hiện tượng máy nén khí turbo bị Surging. Bạn chú ý quan sát đồng hồ áp suất ra, màng quấn quanh cửa gió biểu hiện trạng thái gió hút hoặc bị thổi ngược lại. Đặc biệt nhiệt độ máy sẽ tăng cao nhanh chóng kèm theo dung động.

Sự phát triển của chu kỳ Surge

Xem xét một hệ thống máy nén turbo như được hiển thị trong Hình 02. Áp suất cửa xả được ký hiệu Pd và áp dòng ra bình chứa khí hoặc đường ống dẫn ra tải sử dụng là PV.

Hình 02

Bây giờ, tham khảo Hình 03 bên dưới, giả sử rằng hệ thống hoạt động ổn định tại tại điểm D. Nếu các nhu cầu về khí giảm, điểm vận hành sẽ được chuyển hướng về điểm A, điểm Surging. Nếu tải giảm đủ, điểm vận hành máy nén sẽ vượt qua điểm A. Ngoài điểm A, máy nén sẽ mất khả năng để tăng áp suất cửa ra nhờ như vậy mà Pd sẽ trở nên thấp hơn PV. Đây là dòng chảy ngược được quan sát trong thời gian surging. Các điểm vận hành sau đó sẽ chuyển đến điểm B.

Hình 03

Điểm B không phải là một điểm vận hành ổn định. Khi có dòng chảy ngược xảy ra, áp xả sẽ giảm. Điều này gây cho điểm vận hành di chuyển từ điểm B đến điểm C. Tại điểm C, tốc độ dòng chảy là không đủ để tạo nên áp lực cần thiết để trở về điểm A. Vì vậy, điểm vận hành sẽ di chuyển đến điểm D, nơi tốc độ dòng chảy vượt quá tải yêu cầu và áp suất hình thành cho đến khi đến điểm A. Điều này hoàn thành một chu kỳ Surg. Các chu kỳ tiếp theo được bắt đầu lại với một dòng chảy ngược khác và quá trình lặp cho đến khi một ngoại lực phá vỡ các chu kỳ Surge.

Hậu quả hiện tượng surging

Hậu quả của Surging có thể bao gồm:
1. Các dao động nhanh về áp suất và dòng gây ra quá trình công nghệ không ổn định
2. Tăng nhiệt độ bên trong máy nén
3. Làm ngừng máy nén
4. Phá hủy về cơ khí

Phá hủy về cơ khí:

Cánh tubor bị phá hủy

Bạc đỡ mang tải trong giai đoạn đầu tiên của surging. Một bên tải được đặt trên rotor tác động vuông góc với trục.
Bạc chặn mang tải do có tải và khi không tải.
Seal có sự cọ xát (phớt làm kín)
Các bộ phận động và tĩnh có thể chạm nhau khi bạc chặn bị quá tải.

Phá hủy về nhiệt
khi surging sảy ra nó sẽ tạo ra dòng chảy rối lượng nhiệt phát sinh sẽ rất lớn làm nóng buồng chứa cánh tubor. Dấu hiệu dễ nhận thất là turbo sẽ bị nóng đỏ nhẹ hơn thì toàn bộ sơn bên ngoài sẽ bị đốt cháy hiện tượng rỉ sảy ra nhanh.
Lượng nhiệt phát sinh này cũng làm hệ thống làm mát quá tải dẫn tới chất lượng bôi trơn bạc bị sút giảm (độ nhớt xuống thấp, dẫn nhiệt kém).

Kiểm soát Anti-Surge

Cách duy nhất để ngăn ngừa surging là tuần hoàn dòng khí nén(Recycle) hay tháo xả (blow down) một phần của dòng máy nén để giữ nó nằm ngoài giới hạn Surging. Thật không may, dòng khí bổ sung này lại ảnh hưởng đến vấn đề hiệu quả kinh tế, năng lượng(điện năng). Vì vậy, việc kiểm soát hệ thống phải có khả năng xác định một cách chính xác các điểm hoạt động của máy nén như là điểm để cung cấp dòng Recycle đầy đủ, nhưng không quá nhiều.


Một đường giới hạn Surge (Surge Limit Line SLL) là đường kết nối các điểm Surge khác nhau ở các tốc độ khác nhau. Cài đặt điểm kiểm soát anti-surge được thể hiện trên biểu đồ máy nén trong Hình 04 là một đường mà chạy song song với đường giới hạn Surge SLL. Đường này được gọi là Đường kiểm soát Surge (SCL). Bộ kiểm soát sẽ có thể tính toán độ lệch từ các điểm vận hành đến SCL.

Hình 04

Giới hạn Surge ở máy nén không cố định đối với bất kỳ biến được đo như tỉ lệ nén hoặc mất áp khi qua lưu tốc kế. Thay vào đó, nó là một hàm phức tạp trong đó sự phụ thuộc vào các thành phần khí, tốc đô quay, nhiệt độ và áp suất cửa hút. Một vòng lặp đóng kiểm soát PI sẽ không thể ngăn chặn Surge trong thời gian nhiễu loạn lớn hoặc nhanh. Vì vậy, một sự kiểm soát như vậy sẽ không thể dừng Surge. Thay vào đó, cách kiểm soát đơn giản sẽ là chu kỳ mở và đóng cửa van tuần hoàn Recycle để đáp ứng lại chu kỳ Surge liên tiếp. Để kiểm soát một PI tác động một cách nhanh chóng, giá trị "b" cần phải cao. Điều này sẽ cho kết quả giảm vùng vận hành của máy nén xuống khi van Recycle được đóng lại.
Do đó, một vòng lặp kiểm soát mở được sử dụng kết hợp cùng với một vòng lặp đóng kiểm soát anti-Surge. Tổng thể cấu hình được hiển thị trong Hình 5. Một đường ngắt tuần hoàn Recycle Trip Line (RTL) sẽ được sử dụng giữa các SLL và SCL. Sự nhiễu loạn chậm và nhỏ được quản lý bởi vòng lặp kiểm soát đóng mà giữ cho điểm vận hành của máy nén tiến đến bên phải của đường RTL. Đối với nhiễu loạn lớn và nhanh, c điểm vận hành của máy nén sẽ tiếp cận tới đường RTL. Tại thời điểm này, vòng lặp kiểm soát mở sẽ được bắt đầu. Điều này sẽ thêm một bước thay đổi đó là một chức năng của điểm vận hành máy nén vào lúc này sẽ tiến tới đưRTL. Theo cách này, mở van nhanh chóng sẽ đủ để dừng Surging.


Bộ chuyển đổi khuếch đại cũng được sử dụng trong kiểm soát chống Surge. Khi các điểm vận hành di chuyển nhanh hướng tới đường SCL, bộ khuyếch đại này sẽ di chuyển SCL hướng về điểm vận hành.

Hình 05

Yêu cầu đối với van chống Surge (Anti-Surge Valve)
1. Van phải đủ lớn để ngăn chặn surging dưới mọi điều kiện hoạt động. Tuy nhiên, một van quá lớn sẽ làm cho làm việc kém.

2. Tốc độ hành trình - tốc độ hành trình đáp ứng nhanh là rất quan trọng.
Thời gian để chạy hết hành trình van được đề nghị như sau

Thời gian để chạy hết hành trình van được đề nghị như sau
Size	Close to Open Time	Open to Close Time
1" to 4"	1 second	<>
6" to 12"	2 seconds	<>
16" and up	3 seconds	<>

3. Đảm bảo cung cấp đầy đủ khí nén cho van hoạt động tốt.

4. Tubing chạy nên được tối thiểu thời gian trễ.
5. Một máy nén để tăng áp lượng khí nén yêu cầu để đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và cân bằng nhau ở thời gian mở và đóng van.


6. Van sẽ mở hoàn toàn khi bị lỗi

Trần Đình Huy