Quản lý rò rỉ trong hệ thống khí nén bằng sóng siêu âm

Nâng cao hiệu quả nhờ công nghệ siêu âm

Rò rỉ trong hệ thống khí nén

Khí nén được sử dụng làm nguồn năng lượng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Điều này phần lớn là do khí nén tương đối dễ sản xuất và truyền tải, nhưng việc cung cấp khí nén thường đi kèm với những tổn thất đáng kể.

Nâng cao hiệu suất nhờ công nghệ siêu âm

Tại sao phải phát hiện rò rỉ?

Trong các hệ thống khí nén, một phần lớn năng lượng được sử dụng bị mất do các khu vực trong hệ thống không kín khí (rò rỉ). Các điểm rò rỉ thường xuất hiện tại các khớp nối, van, kết nối ren và kết nối mặt bích, cũng như trên các ống mềm bị hư hỏng hoặc đường ống bị ăn mòn. Máy nén khí cần phải bù đắp được sự mất áp suất liên tục này để đảm bảo cung cấp khí nén. Điều này dẫn đến việc tăng chi phí vận hành, vì máy nén khí tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và các bộ phận máy móc bị mài mòn nhanh hơn.

Tiết kiệm năng lượng & Tăng hiệu suất

Với tỷ lệ 80%, chi phí năng lượng chiếm phần lớn nhất trong tổng chi phí vòng đời của máy nén khí. Do đó, các biện pháp nhằm ngăn chặn sự thất thoát khí nén đóng góp đáng kể vào

tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả. Công nghệ kiểm tra bằng sóng siêu âm được ứng dụng thực tế để xác định vị trí rò rỉ. Không khí thoát ra từ các điểm rò rỉ tạo ra hiện tượng nhiễu loạn và do đó sinh ra sóng siêu âm. Sóng siêu âm đạt cường độ tối đa ngay tại khu vực lân cận điểm rò rỉ. Sóng siêu âm cũng lan truyền với độ định hướng cao. Các phương pháp phân tích băng thông rộng dựa trên cơ sở cơ học dòng chảy và âm học được sử dụng để phân loại và đánh giá tổng mức tổn thất do rò rỉ.

Việc sản xuất khí nén chiếm khoảng 10% tổng mức tiêu thụ năng lượng công nghiệp toàn cầu
Không có hệ thống nào hoàn toàn không rò rỉ – mức tổn thất trung bình khoảng 30%

Từ khâu phát hiện đến khâu báo cáo

Phát hiện

Khởi động thiết bị kiểm tra siêu âm băng rộng và chọn phụ kiện
Hiển thị trực quan môi trường thông qua mức băng rộng và phổ tần số trong dải tần từ 20 đến 100 kHz
Có thể phát hiện ngay cả trong môi trường công nghiệp ồn ào

Đánh giá

Hãy tuân thủ các quy trình kiểm tra đã được quy định!
Tìm mức âm thanh tối đa và bắt đầu đánh giá rò rỉ chỉ bằng một nút bấm
Xếp hạng các biện pháp bảo trì dựa trên phân loại rò rỉ (các cấp độ 1-5) và đánh giá mức độ rò rỉ (tính bằng l/phút)

Tài liệu

Thêm thông tin vị trí
Thêm ảnh, ghi âm giọng nói và bình luận
Theo dõi tình trạng sửa chữa
Lưu tài liệu dưới dạng tệp CSV, PDF hoặc ZIP theo tiêu chuẩn DIN EN ISO 50001 chỉ với vài cú nhấp chuột

Phát hiện

Các cảm biến băng thông rộng mới được trang bị micrô siêu âm nhạy bén giúp việc phát hiện rò rỉ trong các môi trường ồn ào, khó khăn trở nên dễ dàng hơn. Biểu đồ phổ trên màn hình ngay lập tức cho người dùng biết liệu có tín hiệu siêu âm gây nhiễu nào hay không và nếu có, thì nó thuộc dải tần số nào. Người dùng có thể sử dụng màn hình cảm ứng để điều chỉnh tần số sóng mang âm thanh ra khỏi dải tần số của các tín hiệu siêu âm gây nhiễu.

Phát hiện rò rỉ trong môi trường công nghiệp ồn ào

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát hiện rò rỉ là mức độ tiếng ồn cao từ các máy móc và hệ thống, thường xuất hiện trong môi trường công nghiệp. Mức độ tiếng ồn không chỉ xuất hiện trong dải tần số có thể nghe được (tần số lên đến 16 kHz), mà còn trong dải tần số siêu âm thấp hơn dưới dạng tín hiệu nhiễu (dải tần số từ 20 đến 40 kHz, xem ví dụ phổ tần số 1). Công nghệ kiểm tra hiện có hoạt động trong dải tần hẹp quanh 40 kHz, điều này có thể gây khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí các điểm rò rỉ.

Môi trường siêu âm điển hình trong một nhà máy thép, với các nguồn phát siêu âm từ máy móc trong dải tần số lên đến khoảng 40 kHz.

Hiển thị mức âm lượng và phổ âm

Một mặt, cường độ của các tín hiệu siêu âm được biểu thị bằng các mức. Đối với các tín hiệu siêu âm băng rộng được phát hiện trong dải tần số từ 20 đến 100 kHz, các mức băng rộng khác nhau được tính toán, ví dụ như mức tức thời L(t) hoặc mức âm thanh liên tục tương đương Leq. Dựa trên mức âm thanh liên tục tương đương Leq, áp suất hệ thống và loại khí, tổn thất do rò rỉ được tính toán bằng đơn vị l/phút. Mặt khác, trong phổ đồ, thông tin phổ theo thời gian được hiển thị. Cường độ của các tín hiệu siêu âm được biểu diễn bằng mã màu. Mã màu này có thể được điều chỉnh theo nhu cầu cụ thể.

Khử nhiễu tín hiệu

Để loại bỏ các tín hiệu nhiễu trong quá trình phát hiện rò rỉ, SONAPHONE tận dụng một trong những ưu điểm của hệ thống khí nén, cụ thể là thực tế rằng sóng siêu âm được tạo ra lan tỏa trên một dải tần số rộng. Thiết bị kiểm tra băng tần rộng SONAPHONE ghi lại các tín hiệu siêu âm lên đến 100 kHz, mức này cao hơn đáng kể so với mức nhiễu (xem ví dụ phổ tần số 2). Do thông tin được hiển thị trên màn hình thiết bị dưới dạng phổ tần số, nên việc phân biệt giữa các vị trí rò rỉ và nguồn nhiễu trở nên dễ dàng.

Rò rỉ trên đường ống khí nén tại cùng một nhà máy thép. Vết rò rỉ này đã được phát hiện trong bối cảnh tiếng ồn nền từ các máy móc trong khu vực sản xuất.

Nghe trong dải tần hẹp từ 20 ... 100 kHz

Ngoài việc hiển thị trên màn hình, các điểm rò rỉ cũng có thể được xác định thông qua tai nghe bằng cách sử dụng tín hiệu âm thanh đã được chuyển đổi. Khi “nghe dải hẹp” tín hiệu 40 kHz, một số điểm rò rỉ có thể không được phát hiện khi quét hệ thống khí nén do mức nhiễu và tín hiệu rò rỉ nằm rất gần nhau. Việc sử dụng phương pháp nghe heterodyne trong dải băng rộng có nghĩa là SONAPHONE cũng có thể phát hiện rò rỉ một cách đáng tin cậy bằng các phương pháp âm thanh. Để xác định vị trí rò rỉ bằng âm thanh, dải tần hẹp mong muốn có thể được đặt ở tần số sóng mang 70 kHz, chẳng hạn. Khi xác định được vị trí rò rỉ, một tín hiệu sẽ được phát ra trong dải tần số âm thanh dành riêng cho dải tần hẹp này (xem ví dụ). Do đó, có thể dễ dàng xác định vị trí rò rỉ bằng tai nghe.

Điều chỉnh tần số sóng mang từ 40 đến 70 kHz nhằm loại bỏ nhiễu trong tín hiệu âm thanh.

“Trong khi các thiết bị kiểm tra siêu âm tiêu chuẩn chỉ cho phép nghe thấy một âm thanh duy nhất, thì
công nghệ kiểm tra siêu âm băng tần rộng
lại mở ra cả
một bản giao hưởng của các dòng chảy và âm thanh truyền qua không khí”.

- GS. TS. Peter Holstein (Phát triển Chiến lược, SONOTEC GmbH)

Đánh giá

Ngay sau khi phát hiện rò rỉ, kỹ thuật viên bảo trì sẽ tiến hành đo đạc. Mức tổn thất do rò rỉ sẽ được tính toán và đánh giá tự động dựa trên mức độ băng thông rộng và áp suất hệ thống.

Các quy trình kiểm thử được xác định để đánh giá

Việc tuân thủ các quy trình kiểm tra đã được xác định là yếu tố cơ bản để đảm bảo việc đánh giá rò rỉ đạt độ tin cậy cao. Bước đầu tiên là sử dụng một loa kèn âm thanh cỡ lớn từ khoảng cách xa hơn để tiến hành tìm kiếm sơ bộ các điểm rò rỉ trong hệ thống khí nén. Sau khi đã xác định và cô lập được nguồn siêu âm, một thiết bị định vị chính xác sẽ được sử dụng để xác định vị trí và ghi lại mức âm thanh tối đa của điểm rò rỉ ở khoảng cách 5 cm. Tiếp theo, điểm rò rỉ sẽ được đánh giá (l/phút) và phân loại (từ 1 đến 5) bằng ứng dụng chuyên dụng LeakExpert®.

Sự bức xạ âm thanh phụ thuộc rất lớn vào kích thước và hình dạng của điểm rò rỉ, tính chất bề mặt của vật liệu, chênh lệch áp suất, vận tốc dòng chảy thoát ra và hình dạng dòng chảy thoát ra, cũng như nhiệt độ. Khoảng cách đo lường cũng đóng vai trò quan trọng, tương tự như góc đo lường. Do đó, việc định lượng thể tích thất thoát một cách có thể lặp lại chỉ có thể thực hiện được khi áp dụng các quy trình thử nghiệm được xác định rõ ràng.

Phân loại các trường hợp rò rỉ

Các tín hiệu rò rỉ có nhiều dạng phổ khác nhau. Tùy thuộc vào đặc tính của chúng, các vết rò rỉ có thể phân tán ngẫu nhiên trong dải tần số siêu âm từ 20 đến 100 kHz. Khi thực hiện đánh giá dải hẹp, ví dụ ở tần số 40 kHz, có nguy cơ đánh giá sai do các giá trị mức tín hiệu cục bộ cao (độ lớn) hoặc sự gián đoạn tín hiệu (xem sơ đồ). Việc đánh giá định lượng dựa trên tần số dải hẹp có thể dẫn đến kết quả không chính xác. Do đó, nên phân tích và đánh giá rò rỉ bằng cách sử dụng mức dải rộng.

Dữ liệu quang phổ từ 2 trường hợp rò rỉ hình tròn điển hình và sự biến đổi của chúng ở các góc đo và đường kính khác nhau (bên trái: D = 0,25 mm, L = 12,7 mm, q ~ 0,5 Nl/phút; bên phải: D = 0,58 mm, L = 38,1)

Thiết bị SONAPHONE® kỹ thuật số không chỉ tận dụng tối đa những lợi ích của phân tích băng thông rộng mà còn được trang bị một ứng dụng được phát triển riêng để đánh giá rò rỉ. Ứng dụng LeakExpert® sẽ hướng dẫn người dùng thực hiện quy trình kiểm tra. Dựa trên mức âm thanh liên tục tương đương (Leq), áp suất hệ thống và loại khí, các mức tổn thất do rò rỉ được xác định theo đơn vị l/phút. Mục tiêu ở đây là phân loại các điểm rò rỉ theo mức độ nghiêm trọng (các cấp độ từ 1 đến 5) nhằm xác định và ưu tiên các biện pháp bảo trì cần thiết. Tiềm năng tiết kiệm lớn nhất có thể đạt được thông qua việc sửa chữa các điểm rò rỉ lớn; trong một số trường hợp nhất định, việc sửa chữa các điểm rò rỉ nhỏ có thể không mang lại hiệu quả kinh tế.

Lập tài liệu

Tài liệu hướng dẫn

SONAPHONE giúp việc tạo báo cáo trở nên nhanh chóng và dễ dàng; các báo cáo này sau đó được sử dụng như những công cụ quan trọng trong quá trình ra quyết định về các biện pháp xử lý tiếp theo, cũng như để xác minh hiệu quả của công tác quản lý năng lượng. Tài liệu liên quan đến kết quả có thể được tạo ra chỉ bằng một cú nhấp chuột, cung cấp cho ban lãnh đạo công ty tất cả thông tin cần thiết về vị trí rò rỉ và mức độ tổn thất năng lượng, cùng với tài liệu hình ảnh và mức độ ưu tiên của công tác sửa chữa. Việc hệ thống hóa công tác phát hiện và đánh giá rò rỉ giúp thiết bị này góp phần tiết kiệm đáng kể thời gian và giảm chi phí trong quá trình bảo trì.

Thêm thông tin vị trí
Ảnh và ghi chú giọng nói
Mức độ ưu tiên và tình trạng sửa chữa

Dữ liệu ở định dạng PDF, ZIP hoặc CSV
Tuân thủ tiêu chuẩn ISO 50001
Báo cáo tiết kiệm thời gian và có thể so sánh được

Báo cáo tuân thủ tiêu chuẩn ISO 50001

Các doanh nghiệp áp dụng hệ thống quản lý năng lượng theo tiêu chuẩn DIN EN ISO 50001 có nghĩa vụ ghi chép dữ liệu liên quan đến năng lượng và sử dụng thông tin này để xây dựng các mục tiêu quản lý năng lượng. Các hệ thống khí nén thường có mức tiêu thụ năng lượng cao và mang lại tiềm năng lớn để cải thiện hiệu suất năng lượng một cách có hệ thống và lâu dài.

Rò rỉ khí nén về cơ bản là không thể tránh khỏi, nhưng các doanh nghiệp vẫn nên hướng tới việc tạo ra điều kiện hệ thống tối ưu và duy trì điều này thông qua các công tác bảo dưỡng định kỳ. Mức tổn thất do rò rỉ còn lại ở mức 10% được coi là hợp lý về mặt kinh tế.

Báo cáo trong ứng dụng LeakExpert® đáp ứng các yêu cầu về tài liệu theo tiêu chuẩn DIN EN ISO 50001 và cung cấp thông tin đáng tin cậy về mức tổn thất do rò rỉ riêng lẻ và tổng thể đã được khắc phục trong hệ thống khí nén. Ngoài phân tích siêu âm, thiết bị SONAPHONE® còn có thể được sử dụng để lưu trữ các thông tin liên quan khác như ảnh chụp và ghi chú bảo trì. Bên cạnh việc hỗ trợ các biện pháp bảo trì, báo cáo này còn được sử dụng làm bằng chứng xác nhận việc quản lý năng lượng hiệu quả trong các cuộc kiểm toán nội bộ và bên ngoài.

Tải xuống (tiếng Anh)