Hiện nay, trên thế giới cũng như tại các tỉnh thành tại Việt Nam, việc sử dụng nguồn năng lượng sạch làm khí đốt cùng các mô hình sử dụng khí sinh học (Biogas) để chạy máy phát điện sản xuất điện năng nhằm phục vụ cho các mục đích sản xuất trong công nghiệp và nông nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến.
Vấn đề đặt ra
Hiện nay, trên Thế giới cũng như tại các tỉnh thành tại Việt Nam, việc sử dụng nguồn năng lượng sạch làm khí đốt cùng các mô hình sử dụng khí sinh học (Biogas) để chạy máy phát điện sản xuất điện năng nhằm phục vụ cho các mục đích sản xuất trong công nghiệp và nông nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến.
Vấn đề đặt ra ở đây là cần có các thiết bị chuyên dụng để có thể đo lường chính xác lưu lượng khí biogas (với nhiều thành phần khí khác nhau) được thu hồi từ các hầm chứa gas hay cung cấp cho các dây chuyền công nghệ trong các mục đích khác nhau đang là vấn đề được rất nhiều nhà quản lý, kỹ sư, cán bộ kỹ thuật quan tâm.
Nhằm đáp ứng các nhu cầu này, Ban đo lường – điều khiển – tự động hóa của Công ty Cổ phần Kỹ thuật Năng lượng và Môi trường EEC (EEC Group) cùng các chuyên gia/ kỹ sư nhiều tâm huyết của Hãng FCI- Mỹ đã dành nhiều thời gian nghiên cứu và tìm hiều về các thiết bị đo để có thể nhanh chóng chuyển giao các công nghệ tiên tiến trên Thế giới hiện nay vào tình hình thực tế tại Việt Nam, mời độc giả cùng nghiên cứu và tham khảo bài viết chi tiết dưới đây.
Biogas hay khí sinh học là nguồn năng lượng tái sinh chứa methane (CH4) và khí carbonic (CO2) được sinh ra từ sự phân huỷ kỵ khí hay sự lên men của chất hữu cơ của chất thải gia súc… trong điều kiện thiếu không khí.
Thành phần chính của Biogas là CH4 (50¸60{6381a78daa30e1c81bf63403ab989c01ef860fe874ccb734762c5c90b16a043c}) và CO2 (~30{6381a78daa30e1c81bf63403ab989c01ef860fe874ccb734762c5c90b16a043c}) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 đến 40oC, Nhiệt trị thấp của CH4 là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3) do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng.
TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG – KIỂM SOÁT KHÍ BIOGAS
Đối với các nhà máy công nghiệp sản xuất hay thu hồi biogas, bio-ethanol,…từ nguyên liệu sắn, rác thải hữu cơ, v..v..Việc đo lường khí trong và ngoài hầm chứa khí có thể thực hiện bởi một đồng hồ đo lưu lượng (Flow-meter) được kết nối với một bộ điều khiển lập trình (PLC). Đồng hồ này và PLC với khả năng xử lý thời gian thực, tính toán các thông số về lượng khí biogas sinh ra từ hầm khí. Bộ PLC sau đó kết nối và truyền các dữ liệu đến hệ thống điều khiển phân tán (DCS) để đưa ra các lệnh điều khiển dựa trên lượng khí trên.
Toàn bộ lượng khí biogas sản xuất hay thu hồi được theo các đường ống dẫn sẽ được dùng làm nhiên liệu để chạy động cơ máy phát điện, phục vụ nhu cầu sản xuất. Trong trường hợp khí biogas sinh ra quá nhiều (chủ yếu là khí CH4), một hệ thống cảnh báo sẽ thông báo đến các nhân viên vận hành và truyền tín hiệu cảnh báo đến bộ PLC để xử lý và ra lệnh điều khiển cho các thiết bị trường bằng một trong các cách sau:
* Tăng tải cho một động cơ máy phát điện chạy online
* Khởi động thêm động cơ máy phát điện thứ hai.
* Tăng tải đồng thời cả hai động cơ máy phát điện.
* Chuyển toàn bộ lượng khí dư thừa này ra ống khí thải và đốt.
Vấn đề gặp phải
Hiệu suất làm việc của hệ thống thu hồi khí biogas từ hầm chứa khí và hệ thống máy phát điện này cao hay không phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác và khả năng lặp đọc của thiết bị đo biogas. Ví dụ loại đồng hồ đo lưu lượng dựa trên công nghệ Vortex được sử dụng trước đây đã thường xuyên bị tắc (clogged) và phải ngừng hoạt động liên tục trong môi trường hệ thống chứa các khí biogas bẩn. Tình trạng này có thể dẫn tới việc hình thành nhiều các khí dư thừa, từ đó có thể dẫn đến việc hoạt động không an toàn và các điều kiện môi trường không mong muốn. Các động cơ máy phát điện cũng hoạt động kém hiệu quả hơn và việc bảo trì các đồng hồ Vortex thường xuyên cũng làm tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí của doanh nghiệp hơn.
Các đồng hồ đo lưu lượng cho các hầm chứa khí cần hoạt động trên một dải lưu lượng rộng từ 1.64 đến 1640 SF/s (0.5 đến 500 Nm3/s) và tại áp suất từ 0.8 đến 17.6 psig [0.05 đến 1.12 bar(g)]. Việc chọn lựa công nghệ đo lưu lượng là rất quan trọng với yêu cầu bảo trì thấp đủ để hoạt động tốt trong điều kiện môi trường khí biogas, nơi mà điều kiện khí có thể là ẩm ướt (chứa hơi nước) và có thể chứa các tạp chất hạt rắn (particulates). Chính các thành phần môi chất khí biogas cũng chính là một bài toán rất phức tạp, các đồng hồ đo thông thường chỉ calib chính xác cho một thành phần khí cụ thể. Ví dụ, có thể là một khí duy nhất như không khí, hydro, oxy, .v.v hoặc một thành phần như khí tự nhiên (Mêtan và Etan). Nếu thành phần này thay đổi, giá trị đọc hiển thị thường sẽ vẫn lặp lại nhưng nó sẽ không còn được chính xác như mong muốn. Nhất là trong điều kiện thời tiết thường xuyên thay đổi như Việt Nam hiện nay, dẫn đến các thành phần trong khí biogas không còn như cấu hình ban đầu, cộng thêm sự pha lẫn thêm một số tạp chất, bụi bẩn, hơi nước cũng làm cho các công nghệ đo truyền thống gặp phải rất nhiều khó khăn. Gây sai số lớn trong các phép đo. Thậm chí với những hệ thống thu hồi biogas, lưu lượng đôi khi hạ xuống cực thấp làm cho các đồng hồ đo truyền thống gần như không thể phát hiện được dòng khí chảy qua.
Giải pháp
Để giải quyết vấn đề này, Hãng Fluid Components International (FCI) đã nghiên cứu, thiết kế và cho ra đời các thiết bị chuyên dụng cho việc đo lưu lượng khí biogas với các model như GF90, ST98, ST75, ST51,..với công nghệ ưu việt: Công nghệ phân tán nhiệt.
Công nghệ phân tán nhiệt (Thermal Dispersion Technology) theo nguyên lý đẳng dòng
Một công nghệ hiện đại được sử dụng trong các ứng dụng đo lưu lượng khí/ biogas hiện nay là công nghệ phân tán nhiệt (Thermal Dispersion). Nó cũng có thể được gọi là công nghệ chênh nhiệt (∆T) hoặc đơn giản là công nghệ nhiệt. Với công nghệ này người ta dùng một dòng cố định để cung cấp nhiệt lượng cho đầu đo nhiệt chủ động (Active RTD) còn đầu đo tham chiếu sẽ đo nhiệt độ của dòng môi chất làm giá trị tham chiếu. Khi tốc độ dòng môi chất tăng lên thì đầu đo nhiệt chủ động sẽ được làm mát và do đó dẫn đến sẽ giảm kéo theo và đầu ra sẽ giảm đi theo, từ đó sẽ tính toán ra được lưu lượng của khí biogas.
Nguyên lý này được thể hiện trên hình 3.
Hình vẽ này sẽ cung cấp các thông tin cơ bản về nguyên lý hoạt động của công nghệ phân tán nhiệt. Đây là công nghệ rất ưu việt, bởi vì nó đã được tích hợp sẵn việc tính toán các thông số liên quan của môi chất như tỷ trọng (density), độ nhớt tuyệt đối (absolute viscosity), hệ số dẫn nhiệt (thermal conductivity) và nhiệt độ cụ thể của khí được đo. Kết quả cuối cùng sẽ hiển thị ra giá trị đọc lưu lượng khối lượng (mass flow) chính xác mà không yêu cầu phải gắn thêm bất kỳ thiết bị đo hỗ trợ nào hoặc các phép tính nào khác.
Sơ đồ thuật toán nguyên lý đẳng dòng
Công nghệ này có rất nhiều ưu điểm nổi trội như:
* Kết quả sẽ ổn định trong việc đo lưu lượng các môi chất khí có chất bẩn, hỗn hợp nhiều loại khí gas, bụi bẩn hay các khí ẩm ướt.
* Đo lường chính xác cả trong những trường hợp lưu lượng của môi chất khí là cực kỳ thấp.
* Vì nguồn dòng cấp cho đầu đo nhiệt chủ động là không đổi nên kết cấu mạch điều khiển của FCI là rất gọn nhẹ. Nó sẽ rất tốt đối với những ứng dụng đo trong môi trường khắc nghiệt.
LẮP ĐẶT ĐƠN GIẢN
Việc lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng FCI rất đơn giản. Trong trường hợp của một đồng hồ đo kiểu in-line, phần lắp vào đường ống có thể được cung cấp với một trong hai loại bắt ren (threads) hoặc lắp mặt bích (flanges). Tuy nhiên, trên thực tế lại dùng phổ biến với kiểu cắm trực tiếp vào đường ống (Insertion) với việc bắt ren vào đường ống do tính tiện lợi, lắp đặt rất dễ dàng. Giảm thiểu rất nhiều chi phí so với việc phải lắp đặt kiểu mặt bích rất phức tạp.
Nếu chỉ cần một đồng hồ đo lưu lượng làm nhiệm vụ đo và hiển thị lưu lượng tại chỗ nhằm phục vụ cho mục đích đơn giản như theo dõi tổng lượng khí Biogas thu hồi được là bao nhiêu theo định kỳ kiểm tra, thì đồng hồ FCI là một thiết bị lý tưởng. Tất cả các thiết bị này đều tích hợp đầu ra chuẩn 4-20 mA, ngoài ra với model ST98, GF90 còn có cổng truyền thông RS232, PROFIBUS- DP, HART,v..v. Với các đầu ra được chuẩn hóa này, hoàn toàn có thể tích hợp chúng vào các hệ thống DCS, SCADA chung của dây chuyền cũng như nhà máy sau này.
Cũng không giống như các đồng hồ truyền thống, việc định kỳ kiểm chuẩn thường xuyên các đồng hồ đo theo công nghệ phân tán nhiệt là không cần thiết. Các nhà sản xuất thường khuyến cáo rằng việc kiểm tra hiệu chuẩn có thể chỉ cần thực hiện từ 12 đến 18 tháng một lần, thậm chí lâu hơn. Đặc biệt hơn, với các thiết bị của Hãng FCI, còn có các thiết bị hỗ trợ chuyên dụng giúp cho việc bảo dưỡng online một cách dễ dàng mà không làm ảnh hưởng đến việc hoạt động liên tục của dây chuyền công nghệ.
KÍCH THƯỚC ĐƯỜNG ỐNG
Model GF90 Insertion Mass Flow Meter — Cho đường ống 2.5” [63mm] và lớn hơn
Model ST98 Insertion Mass Flow Meter — Cho đường ống 2.5” [63mm] và lớn hơn
Model ST51 Insertion Mass Flow Meter — Cho đường ống 2.5” [63mm] và lớn hơn
Model ST98L In-line Mass Flow Meter — Cho đường ống 2.0” [51mm] và nhỏ hơn
Model ST75 In-line Mass Flow Meter — Cho đường ống 2.0” [51mm] và nhỏ hơn
Series ST98, tích hợp truyền thông HART, PROFIBUS DP phù hợp cho các kích thước đường ống từ 2 1/2″ đến 42″ [64 đến 1066 mm].
Dải lưu lượng calib từ 0.75 đến 600 Sfeet/s [0.21 đến 172 Nm3/s]
(ST98 Insertion)
Model ST98L là flow-meter kiểu in-line cho các đường ống từ nhỏ từ 1″, 1 1/2″ và 2″ [DN25, DN40, và DN50].
Dải lưu lượng calib từ 0.006 SCFM đến 1850 SCFM [0.01 Nm3/h đến 3140 Nm3/h]
Ứng dụng thực tế:
Kết quả đạt được
Hệ thống đo lưu lượng khí Biogas giờ đã hoạt động hiệu quả hơn rất nhiều so với các phương pháp đo lường trước đây. Việc đo lường chính xác của các thiết bị đo FCI đã dần tối ưu hóa hệ thống. Với công nghệ đo phân tán nhiệt cùng nguyên lý đẳng dòng rất ưu việt, thiết bị FCI có thể đo kiểm chính xác cho cả các khí biogas trong các môi trường ẩm ướt, nhiều tạp chất và khắc nghiệt. Chịu được các điều kiện khắc nghiệt và tuân thủ các tiêu chuẩn cao về phòng chống cháy nổ như NEMA/CSA type 4X (tương đương IP67), Class I, Div. 1, Nhóm B,C,D,…Exd IIC.
Thiết bị đo có thể hiển thị đồng thời lưu lượng tức thời và lưu lượng tích lũy. Với 16 ký tự mỗi dòng.
