Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chi phí năng lượng ngày càng gia tăng và áp lực cắt giảm phát thải carbon đè nặng lên các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp, việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng điện năng trở thành yếu tố sống còn để nâng cao năng lực cạnh tranh. Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Hoa Sen Bình Định là một trong những doanh nghiệp có quy mô sản xuất vật liệu xây dựng lớn hàng đầu khu vực miền Trung, nằm trong danh sách các cơ sở tiêu thụ năng lượng trọng điểm tại tỉnh Bình Định với tổng chi phí điện năng hàng năm vượt mức 13,5 tỷ đồng. Nhà máy hoạt động với cường độ liên tục 20 giờ mỗi ngày và khoảng 300 ngày trong năm, tiêu thụ trên 6,3 triệu kWh điện mỗi năm thông qua trạm biến áp có tổng công suất đặt lên tới 6.000 kVA.

Vấn đề cốt lõi tại nhà máy là tình trạng các thiết bị chính như dây chuyền cán thép, máy đùn ép nhựa, hệ thống máy nén khí và chiller làm mát thường xuyên phải vận hành ở chế độ non tải, khởi động dừng nhiều lần và thiếu hệ thống đo lường, giám sát tự động theo thời gian thực. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát, đánh giá toàn diện hiện trạng tiêu thụ điện năng tại hai phân xưởng chủ lực là xưởng thép và xưởng nhựa; từ đó xác định các điểm tổn thất và xây dựng hệ thống giải pháp kỹ thuật kết hợp quản lý vận hành khả thi. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại nhà máy Hoa Sen Bình Định thuộc Khu công nghiệp Nhơn Hòa trên diện tích 8,3 hecta, thu thập và phân tích dữ liệu vận hành giai đoạn 2015-2018. Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng cắt giảm từ 5% đến 15% lượng điện năng lãng phí, giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng mỗi năm, hạ giá thành sản phẩm trên mỗi tấn thép và mỗi kilôgam ống nhựa xuất xưởng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả số 50/2010/QH12 cùng các quy định chuyên ngành tại Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương về tiêu chuẩn hệ thống điện phân phối. Khung lý thuyết tích hợp hai trụ cột chính: lý thuyết phân tích chất lượng điện năng và nguyên lý điều khiển truyền động điện tự động hóa trong công nghiệp.

Hệ thống khái niệm và công thức cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm:

  • Suất tiêu hao điện năng: Chỉ số đánh giá hiệu suất năng lượng trên một đơn vị sản phẩm đầu ra, xác định theo tỷ số giữa tổng điện năng tiêu thụ và tổng sản lượng sản xuất trong một chu kỳ.
  • Biểu đồ phụ tải và hệ số phụ tải: Phản ánh quy luật tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng theo thời gian 24 giờ, giúp nhận diện các thời điểm non tải, đầy tải và đỉnh điểm tiêu thụ.
  • Hệ số công suất và độ méo sóng hài: Đo lường chất lượng điện năng nhằm đánh giá tổn thất truyền tải và mức độ ảnh hưởng của các tải phi tuyến như biến tần, hàn cao tần.
  • Cơ chế biểu giá điện theo thời gian ba giá: Khung giá giờ bình thường, giờ cao điểm và giờ thấp điểm áp dụng cho cấp điện áp từ 22 kV đến 110 kV để định hướng tối ưu hóa chi phí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp thu thập dữ liệu lịch sử và đo kiểm thực nghiệm tại hiện trường. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ dữ liệu hóa đơn và chỉ số công tơ điện hàng tháng trong hai năm 2016-2017 của hai máy biến áp 3.000 kVA, kết hợp với chu kỳ đo đạc trực tiếp 24 giờ liên tục tại các nút phụ tải trọng yếu vào ngày 03 và 04 tháng 12 năm 2018.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo cấu trúc phân tầng được áp dụng để bao quát các thiết bị tiêu thụ công suất lớn nhất: 10 dây chuyền cán thép tại máy biến áp số 1, cụm máy đùn ép nhựa và chiller 165 kW tại máy biến áp số 2, cùng cụm 3 máy nén khí công suất 75 kW cấp cho toàn nhà máy. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì các phụ tải này chiếm trên 85% tổng lượng điện tiêu thụ toàn nhà máy, là nơi tập trung tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn nhất.

Dữ liệu đo đạc thực tế được xử lý và mô hình hóa thông qua phần mềm MATLAB Simulink nhằm xây dựng các biểu đồ dao động dòng điện, điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng và hệ số công suất. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích chi phí - lợi ích tài chính được áp dụng để tính toán giá trị hiện giá thuần và thời gian thu hồi vốn cho từng giải pháp công nghệ đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và tổng hợp dữ liệu tại Công ty TNHH MTV Hoa Sen Bình Định đã chỉ ra bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, mức độ mang tải của hai máy biến áp 3.000 kVA ở mức rất thấp so với công suất thiết kế. Máy biến áp số 1 cấp cho xưởng thép chỉ mang tải trung bình 24% (công suất lớn nhất đạt 43%), trong khi máy biến áp số 2 cấp cho xưởng nhựa chỉ đạt mức mang tải trung bình 10% (công suất lớn nhất đạt 23%). Tổng phụ tải trung bình của cả hai trạm biến áp chỉ dao động từ 20% đến 28%, cho thấy hiện tượng non tải nghiêm trọng làm gia tăng tổn thất không tải trong lõi thép máy biến áp.

Thứ hai, hệ số công suất trung bình của hệ thống dao động ở mức 0,82 đến 0,88, chưa đạt ngưỡng tối ưu trên 0,90 theo quy định ngành điện. Mặc dù các thông số sóng hài và độ lệch điện áp vẫn nằm trong giới hạn cho phép của Thông tư 39/2015/TT-BCT (độ méo sóng hài dòng điện đạt 1,14% đến 4,08%), nhà máy vẫn phải chịu tổn thất công suất phản kháng đáng kể trên đường dây nội bộ.

Thứ ba, hệ thống máy nén khí gồm 3 máy công suất 75 kW tiêu thụ 317.097 kWh/năm (chiếm khoảng 5% tổng điện năng nhà máy) và hệ thống chiller 165 kW giải nhiệt máy ép nhựa bộc lộ nhiều điểm lãng phí. Do vận hành theo áp lực cài đặt cố định và thiếu biến tần điều tốc, máy nén khí thường xuyên chạy ở chế độ không tải với mức tiêu thụ điện tương đương 30% công suất định mức. Hệ thống bình ngưng chiller bị bám cáu cặn sau thời gian vận hành làm giảm 10% đến 15% hiệu quả trao đổi nhiệt.

Thứ tư, suất tiêu hao điện năng trên một tấn thép cán năm 2017 giảm 4,32% so với năm 2016 nhờ sản lượng thép tăng trưởng 14,93% giúp thiết bị hoạt động gần điểm hiệu suất định mức hơn. Ngược lại, xưởng nhựa có suất tiêu hao dao động phức tạp từ 0,35 đến 0,45 kWh/kg do sản lượng biến động và quá trình gia nhiệt bằng điện trở tiêu tốn nhiều năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng non tải và hiệu suất năng lượng chưa cao xuất phát từ việc tính toán công suất nguồn dự phòng quá lớn cho kế hoạch mở rộng tương lai (như bổ sung dây chuyền mạ NOF 120.000 tấn/năm), trong khi giai đoạn hiện tại chưa tận dụng hết công suất. Việc các động cơ bơm, quạt, máy nén khí điều khiển trực tiếp bằng khởi động từ làm tăng dòng mở máy và không thể tự động điều chỉnh lưu lượng theo nhu cầu thực tế của phụ tải.

Trong luận văn, các dữ liệu phức tạp được trực quan hóa rất chi tiết thông qua các biểu đồ phụ tải 24 giờ xuất từ MATLAB Simulink, biểu đồ cột so sánh điện năng tiêu thụ theo 12 tháng giữa năm 2016 và 2017, cùng biểu đồ tròn phân tích cơ cấu giá điện (56,8% điện năng tiêu thụ ở khung giờ bình thường, 17,6% vào giờ cao điểm và 25,6% vào giờ thấp điểm). Cách trình bày này giúp nhận diện rõ rệt sự chênh lệch chi phí giữa các khung giờ vận hành.

So sánh với các nghiên cứu kiểm toán năng lượng trong ngành luyện kim và chế tạo nhựa tại Việt Nam, kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng về mặt quy luật: động cơ điện và hệ thống nhiệt luôn chiếm tỷ trọng tiêu thụ lớn nhất và có tiềm năng tiết kiệm từ 10% đến 30% khi áp dụng điều khiển biến tần kết hợp tối ưu hóa chế độ làm việc.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả khảo sát thực nghiệm, luận văn đề xuất hệ thống 5 nhóm giải pháp đồng bộ kết hợp giữa quản lý kỹ thuật và đầu tư công nghệ:

Thứ nhất, điều chỉnh lịch trình sản xuất nhằm chuyển đổi tối thiểu 5% lượng điện năng tiêu thụ từ khung giờ cao điểm sang giờ thấp điểm. Ban điều hành sản xuất xưởng thép và xưởng nhựa cần chủ trì sắp xếp lại ca kíp vận hành các công đoạn phụ trợ như phối trộn nguyên liệu, nghiền tái chế và bơm nước dự trữ vào ban đêm. Giải pháp này giúp cắt giảm ngay lập tức khoảng 80 đến 120 triệu đồng tiền chênh lệch giá điện mỗi năm mà không tốn chi phí đầu tư thiết bị.

Thứ hai, lắp đặt hệ thống biến tần kết hợp bộ điều khiển lập trình PLC cho cụm 3 máy nén khí 75 kW tại xưởng cán thép và xưởng nhựa. Phòng Cơ điện triển khai trong vòng 3 đến 6 tháng với mục tiêu tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo áp suất đường ống thực tế, giảm triệt để thời gian chạy không tải, hướng tới mục tiêu tiết kiệm 15% đến 20% điện năng của hệ thống khí nén (tương đương khoảng 48.000 kWh/năm).

Thứ ba, ứng dụng công nghệ vệ sinh tự động bình ngưng Hydroball và lắp đặt biến tần cho quạt tháp giải nhiệt của hệ thống Chiller 165 kW. Kỹ sư vận hành bảo trì thực hiện định kỳ nhằm ngăn ngừa hiện tượng đóng cặn ống đồng trao đổi nhiệt, duy trì áp suất ngưng tụ ở mức tối ưu, giảm từ 8% đến 12% điện năng tiêu thụ cho hệ thống làm lạnh máy ép nhựa.

Thứ tư, thay thế toàn bộ 168 bộ đèn cao áp công suất 400W tại các phân xưởng sản xuất bằng đèn LED công nghiệp hiệu suất cao công suất 150W, đồng thời chuyển đổi công nghệ gia nhiệt từ điện trở sang cảm ứng điện từ trên các máy đùn nhựa. Giải pháp chiếu sáng giúp tiết kiệm hơn 55% điện năng chiếu sáng (tương đương 31.000 kWh/năm) với thời gian thu hồi vốn dưới 18 tháng.

Thứ năm, triển khai lắp đặt hệ thống giám sát và quản trị năng lượng thông minh PMS với các công tơ đo đếm điện tử đa năng truyền thông qua mạng công nghiệp. Ban Giám đốc nhà máy phối hợp cùng đơn vị tư vấn hoàn thành trong thời gian 6 đến 12 tháng để theo dõi trực tuyến suất tiêu hao điện năng trên từng dây chuyền sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo chất lượng cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là Ban Giám đốc, Quản đốc phân xưởng và Cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy sản xuất thép, tôn mạ và nhựa công nghiệp. Tài liệu cung cấp case study thực tế với các số liệu kinh tế - kỹ thuật rõ ràng về phương pháp cắt giảm chi phí điện năng trên quy mô nhà máy tiêu thụ hàng chục tỷ đồng mỗi năm.

Nhóm thứ hai là Kỹ sư cơ điện, Kỹ sư tự động hóa và Chuyên viên vận hành hệ thống động lực trong khu công nghiệp. Luận văn đóng vai trò như một cẩm nang kỹ thuật hướng dẫn chi tiết cách đo kiểm phụ tải, lắp đặt biến tần cho máy nén khí, xử lý cáu cặn bình ngưng chiller và tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng nhà xưởng.

Nhóm thứ ba là Giảng viên, Học viên cao học và Sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Quản lý công nghiệp. Đây là nguồn dữ liệu thực chứng phong phú phục vụ giảng dạy và nghiên cứu về phân tích biểu đồ phụ tải, mô phỏng MATLAB Simulink và đánh giá chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Nhóm thứ tư là Các chuyên gia tư vấn kiểm toán năng lượng và Công ty dịch vụ năng lượng ESCO. Bản luận văn cung cấp mô hình phân tích chi phí - lợi ích chuẩn mực, làm căn cứ xây dựng các hợp đồng hiệu quả năng lượng cho các doanh nghiệp sản xuất tương tự.

Câu hỏi thường gặp

Nhà máy tiêu thụ hơn 13,5 tỷ đồng tiền điện mỗi năm nhưng tại sao máy biến áp chỉ mang tải từ 10% đến 43%? Nguyên nhân chính là do doanh nghiệp đầu tư lắp đặt sẵn 2 máy biến áp công suất lớn 3.000 kVA nhằm dự phòng cho các kế hoạch mở rộng dây chuyền mạ NOF công suất 120.000 tấn/năm trong tương lai. Ở giai đoạn hiện tại, phụ tải sản xuất thực tế chưa đạt tới công suất thiết kế cực đại.

Giải pháp lắp biến tần kết hợp PLC cho máy nén khí 75 kW mang lại hiệu quả tiết kiệm điện như thế nào? Máy nén khí truyền thống thường chạy xả tải khi đủ áp suất, tiêu tốn khoảng 30% công suất định mức mà không sinh công hữu ích. Biến tần kết hợp PLC điều khiển tốc độ động cơ theo sát áp suất thực tế, loại bỏ hoàn toàn giai đoạn chạy không tải và tiết kiệm khoảng 15% đến 20% điện năng tiêu thụ.

Công nghệ vệ sinh bình ngưng Hydroball cho hệ thống Chiller hoạt động ra sao và đem lại lợi ích gì? Công nghệ Hydroball sử dụng các quả bóng xốp tuần hoàn liên tục qua các ống truyền nhiệt của bình ngưng để loại bỏ cáu cặn cơ học. Nhờ bề mặt ống luôn sạch, hiệu suất trao đổi nhiệt tăng lên, nhiệt độ ngưng tụ giảm xuống, giúp máy nén Chiller tiết kiệm từ 8% đến 12% điện năng tiêu thụ.

Việc dịch chuyển 5% phụ tải từ giờ cao điểm sang giờ thấp điểm có làm gián đoạn dây chuyền sản xuất chính không? Giải pháp không tác động đến dây chuyền cán thép hay đùn nhựa liên tục mà chỉ áp dụng cho các công đoạn phụ trợ độc lập như hệ thống máy nghiền phế liệu, máy trộn nguyên liệu và bơm cấp nước dự trữ. Các công đoạn này được bố trí vận hành vào ca đêm để hưởng biểu giá điện thấp hơn.

Luận văn đã sử dụng công cụ kỹ thuật nào để phân tích chất lượng điện năng và tải tiêu thụ? Tác giả sử dụng các thiết bị đo phân tích chất lượng điện năng chuyên dụng để thu thập thông số trực tiếp tại các tủ phân phối tổng, kết hợp cùng phần mềm MATLAB Simulink để mô phỏng biểu đồ phụ tải 24 giờ, tính toán độ lệch tần số, độ méo sóng hài và hệ số công suất của toàn hệ thống.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra với những đóng góp quan trọng:

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng tiêu thụ năng lượng và chất lượng điện năng tại trạm biến áp 6.000 kVA của Công ty Hoa Sen Bình Định.
  • Xác định chính xác các điểm lãng phí điện năng lớn tại hệ thống máy biến áp non tải, cụm máy nén khí 75 kW, hệ thống chiller 165 kW và chiếu sáng.
  • Xây dựng mô hình phụ tải và suất tiêu hao điện năng chi tiết trên phần mềm MATLAB Simulink cho từng công đoạn sản xuất thép và nhựa.
  • Đề xuất hệ thống 5 nhóm giải pháp kỹ thuật - công nghệ có tính khả thi cao, ước tính tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí tiền điện hàng năm.
  • Cung cấp mô hình tính toán chi phí - lợi ích rõ ràng, làm căn cứ thực tiễn cho lộ trình đầu tư tiết kiệm năng lượng của doanh nghiệp.

Về lộ trình triển khai tiếp theo, doanh nghiệp nên thực hiện ngay việc tối ưu hóa biểu đồ phụ tải giờ cao điểm trong quý đầu tiên, tiếp tục lắp đặt biến tần cho máy nén khí và nâng cấp hệ thống chiếu sáng LED trong vòng 6 tháng tới, sau đó hoàn thiện hệ thống quản lý năng lượng tự động PMS trong năm tiếp theo. Các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp hãy chủ động tiến hành kiểm toán năng lượng định kỳ và áp dụng các giải pháp công nghệ điều khiển thông minh để tối ưu hóa chi phí sản xuất, gia tăng lợi nhuận và kiến tạo mô hình sản xuất xanh bền vững.