การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของหน่วยแยกอากาศ

กลยุทธ์การควบคุมขั้นสูงสำหรับ หน่วยแยกอากาศ

การจับคู่ภาระงานแบบไดนามิกโดยใช้ระบบควบคุมแบบปรับตัว

หน่วยแยกอากาศ (ASUs) มักสูญเสียพลังงานไปค่อนข้างมากเมื่อทำงานภายใต้การตั้งค่าคงที่ ในขณะที่ความต้องการก๊าซมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ทางออกคือ? ระบบควบคุมแบบปรับตัว (Adaptive control systems) เข้ามาแก้ปัญหานี้โดยทำการปรับแต่งอย่างต่อเนื่อง เช่น ความเร็วของคอมเพรสเซอร์ การจัดวางตำแหน่งของวาล์ว และปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการกลั่น ตามข้อมูลจากเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์ ซึ่งรวมถึงการติดตามความต้องการออกซิเจนและไนโตรเจน อุณหภูมิภายนอก และแม้แต่คุณภาพของอากาศที่ไหลเข้ามา เมื่อความต้องการลดลง ระบบที่ชาญฉลาดเหล่านี้จะลดอัตราการไหลของอากาศที่ป้อนเข้าสู่คอลัมน์กลั่น แต่ยังคงรักษาระดับความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ให้อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ ตามผลการวิจัยล่าสุดในปี 2023 เกี่ยวกับกระบวนการไครโอเจนิก (cryogenic processes) แนวทางนี้สามารถลดภาระงานของคอมเพรสเซอร์ได้ระหว่าง 12% ถึง 18% ซึ่งเหนือกว่าวิธีปฏิบัติมาตรฐานของอุตสาหกรรมที่มักก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากการผลิตเกินความจำเป็น ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูญเปล่าอยู่ระหว่าง 20% ถึง 30% นอกจากนี้ ยังมีอัลกอริทึมที่สามารถปรับตัวเองได้ฝังอยู่ภายในระบบ เพื่อจัดการกับการสึกหรอของอุปกรณ์และการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล ทำให้ผู้ปฏิบัติงานไม่จำเป็นต้องปรับแต่งค่าต่างๆ ด้วยตนเองอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่ดี

การควบคุมเชิงทำนายแบบจำลองสำหรับการดำเนินงานของหน่วยแยกอากาศแบบเยือกแข็ง (ASU) ที่ตระหนักถึงการใช้พลังงานแบบเรียลไทม์

การควบคุมเชิงทำนายแบบจำลอง (MPC) นั้นก้าวข้ามการปรับค่าแบบตอบสนองโดยอาศัยแบบจำลองดิจิทัลที่อิงตามหลักฟิสิกส์ (digital twins) เพื่อจำลองพฤติกรรมของหน่วยแยกอากาศแบบเยือกแข็ง (ASU) ล่วงหน้า 15–30 นาที โดยประมวลผลปัจจัยนำเข้าแบบไดนามิก เช่น ความชื้นของอากาศป้อน ณ ทางเข้า อุณหภูมิไอเสียจากเทอร์ไบน์ และอัตราค่าไฟฟ้าตามช่วงเวลาการใช้งาน (time-of-use power tariffs) เพื่อคำนวณค่าตั้งต้นที่เหมาะสมสำหรับ:

• ความดันปลายทางของคอมเพรสเซอร์แบบคริโอเจนิก
• ตำแหน่งของวาล์วเบี่ยงเบนรอบเครื่องขยาย (expander bypass valve)
• อัตราส่วนการผลิตของเหลว

การศึกษาหน่วยแยกอากาศเชิงอุตสาหกรรมจำนวน 37 หน่วยในปี ค.ศ. 2022 พบว่า การควบคุมแบบทำนายโมเดล (Model Predictive Control: MPC) ช่วยลดการใช้พลังงานลงประมาณ 0.12 ถึง 0.25 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อปริมาตรออกซิเจน 1 ลูกบาศก์เมตรที่ผลิตได้ (Nm³) นอกจากนี้ งานวิจัยเดียวกันยังระบุว่า ความเร็วในการปรับเปลี่ยนระดับการผลิตเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 40 เมื่อใช้วิธีการนี้ สิ่งที่ทำให้ MPC โดดเด่นคือ ความสามารถในการคาดการณ์ปัญหาล่วงหน้าก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง ตัวอย่างเช่น ในช่วงที่ความต้องการออกซิเจนจากเตาหลอมแบบเป่าลม (blast furnaces) เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน ระบบแบบดั้งเดิมมักประสบความยากลำบากในการรักษาความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ให้คงที่ แต่ MPC สามารถจัดการสถานการณ์ดังกล่าวได้อย่างราบรื่น โดยหลีกเลี่ยงกระบวนการฟื้นฟูที่ใช้พลังงานสูง แนวคิดเชิงรุกแบบนี้มอบข้อได้เปรียบให้กับผู้ปฏิบัติการที่ตัวควบคุมแบบ PID ทั่วไปไม่สามารถเทียบเคียงได้เมื่อพิจารณาประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

การปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศในหน่วยแยกอากาศ

ระบบอากาศอัดคิดเป็นสัดส่วนสูงสุดถึง 70% ของต้นทุนพลังงานรวมของหน่วยแยกอากาศ (ASU) — ดังนั้นการปรับแต่งประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศจึงเป็นพื้นฐานสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม กลยุทธ์สามประการที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสามารถสร้างผลกระทบเชิงวัดได้:

ไดรฟ์ความเร็วแปรผันและการลดการสูญเสียแรงดันทั่วทั้งระบบ

การเปลี่ยนจากคอมเพรสเซอร์แบบความเร็วคงที่มาเป็นระบบขับเคลื่อนความเร็วแปรผัน (Variable Speed Drives) ช่วยให้มอเตอร์สามารถปรับกำลังส่งออกให้สอดคล้องกับความต้องการจริงในแต่ละช่วงเวลาได้ เมื่อนำแนวทางนี้มาใช้ร่วมกับการลดการสูญเสียแรงดันทั่วทั้งระบบ จะส่งผลอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น การติดตั้งท่ออลูมิเนียมประสิทธิภาพสูงจะช่วยควบคุมความเร็วลมให้อยู่ต่ำกว่า 6 เมตรต่อวินาที นอกจากนี้ ยังควรกล่าวถึงโปรแกรมตรวจจับการรั่วซึมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (Ultrasonic Leak Detection Programs) ซึ่งสามารถระบุและแก้ไขการรั่วซึมที่มองไม่เห็น ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียพลังงานประมาณ 25% ในระบบที่ไม่ได้รับการปรับแต่งให้มีประสิทธิภาพอย่างเหมาะสม อีกหนึ่งมาตรการเสริมที่สำคัญคือ การปรับค่าแรงดันอย่างชาญฉลาดและละเอียดตามความต้องการเฉพาะของแต่ละแอปพลิเคชัน ทั้งหมดนี้สอดคล้องกับผลการศึกษาล่าสุดในปี 2023 เกี่ยวกับประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งระบุว่า กลยุทธ์แบบบูรณาการเหล่านี้สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าได้ระหว่าง 12% ถึง 18%

กรณีศึกษา: การปรับปรุงคอมเพรสเซอร์แบบทวินสกรู (Twin-Screw Compressor Retrofit) ทำให้ประหยัดพลังงานได้ 22%

ผู้ผลิตอุตสาหกรรมชั้นนำรายหนึ่งได้เปลี่ยนเครื่องอัดอากาศแบบสกรูคู่ที่มีระบบควบคุมความเร็วแปรผัน (VSD) แทนเครื่องรุ่นเก่า และเชื่อมต่อกับตัวควบคุมกลางที่รองรับเทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) การปรับปรุงนี้ให้ผลดังนี้

โครงการนี้ยืนยันว่า การปรับปรุงเชิงกลยุทธ์สามารถลดความเข้มข้นด้านพลังงานโดยธรรมชาติของหน่วยแยกอากาศ (ASUs) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่กระทบต่อความบริสุทธิ์หรือความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์

การเพิ่มประสิทธิภาพกล่องทำความเย็นและระบบทำความเย็นสำหรับหน่วยแยกอากาศ

การเพิ่มประสิทธิภาพของผลจูล-ทอมสันผ่านการปรับแต่งโปรไฟล์อุณหภูมิอย่างแม่นยำ

ประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นขึ้นอยู่กับการจัดการปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์โจล-ธอมสัน (Joule-Thomson effect) ซึ่งอธิบายถึงกลไกที่ก๊าซเย็นลงเมื่อขยายตัวโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณความร้อนรวม ทั้งนี้ เมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างไม่สม่ำเสมอระหว่างส่วนต่าง ๆ ภายในห้องเย็น คอมเพรสเซอร์จะต้องทำงานหนักกว่าที่จำเป็น ส่งผลให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ระบบทำความเย็นรุ่นใหม่จัดการปัญหาเหล่านี้ด้วยการตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องและวาล์วอัจฉริยะที่สามารถปรับตัวเองได้ตามสภาวะภายในระบบ โดยระบบที่ว่านี้จะปรับสมดุลความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องในแต่ละส่วน เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและหอแยกส่วน (distillation towers) ผลลัพธ์ที่ได้คือ การทำความเย็นบริเวณที่มีไนโตรเจนสูงจะลดลงจากที่เคยทำไว้เกินความจำเป็น ในขณะที่ยังคงรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับเส้นทางการไหลของออกซิเจน ซึ่งช่วยให้ระบบโดยรวมทำงานได้อย่างราบรื่นโดยไม่จำเป็นต้องปรับแต่งอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์

ผลลัพธ์รวมถึงการลดภาระการทำงานของคอมเพรสเซอร์ ยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ผ่านการลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง และรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้สม่ำเสมอ การปรับแต่งอย่างแม่นยำช่วยลดความต้องการพลังงานสำหรับระบบทำความเย็นลง 18–22% โดยการสอบเทียบอย่างต่อเนื่องจะรักษาระดับประสิทธิภาพสูงสุดไว้ได้แม้ภายใต้ภาระงานที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ซึ่งส่งผลโดยตรงให้ต้นทุนพลังงานไฟฟ้าและปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนลดลง

การตรวจสอบและประเมินประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบองค์รวมสำหรับหน่วยแยกอากาศ (Air Separation Units)

การติดตามตรวจสอบพลังงานที่สถานีแยกอากาศ (ASUs) ช่วยเปลี่ยนแนวทางการดำเนินงานจากเดิมที่เน้นการแก้ไขปัญหาเฉพาะเมื่อเกิดขึ้น ไปสู่การป้องกันปัญหาล่วงหน้าผ่านการวางแผนที่ดีขึ้น เมื่อบริษัทติดตั้งมิเตอร์ย่อย (submeters) บนอุปกรณ์สำคัญ เช่น เครื่องอัดอากาศ (compressors), เครื่องขยายแรงดัน (expanders) และคอลัมน์กลั่นขนาดใหญ่ (distillation columns) จะทำให้เกิดบันทึกประสิทธิภาพโดยละเอียด ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพลังงานถูกสูญเสียไปที่ใดโดยไม่มีใครสังเกตเห็น ลองพิจารณาตัวอย่างเช่น ระบบเครื่องจักรที่เปิด-ปิดบ่อยเกินไป หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchangers) ที่สกปรกขึ้นเรื่อยๆ ตามระยะเวลา การแสดงผลแบบเรียลไทม์บนแดชบอร์ดช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนว่าแต่ละกระบวนการใช้พลังงานไฟฟ้าไปเท่าใด เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้ออกมา จึงสามารถปรับเปลี่ยนการดำเนินงานได้ทันท่วงทีในช่วงเวลาที่ค่าไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น การวิเคราะห์ข้อมูลย้อนหลังช่วยระบุแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเป็นประจำตามฤดูกาล และซอฟต์แวร์อัจฉริยะจะเริ่มแจ้งเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับความผิดปกติที่อาจเกิดขึ้น นานก่อนที่ปัญหาเหล่านั้นจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรงของปริมาณการใช้พลังงาน

การพิจารณาประสิทธิภาพของสิ่งอำนวยความสะดวกเมื่อเปรียบเทียบกับมาตรฐาน ISO 50001 หรือบันทึกผลการดำเนินงานในอดีตของตนเอง จะช่วยวัดความก้าวหน้าที่แท้จริงได้ โรงงานส่วนใหญ่จะเห็นการลดลงของการใช้พลังงานประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ หลังจากนำการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไปปฏิบัติ และมักจะคืนทุนภายในระยะเวลาประมาณ 18 เดือน ผลการศึกษาจากสถาบันโปเนอมอน (Ponemon Institute) แสดงให้เห็นว่า การปฏิบัติตามแนวทางเช่นนี้สามารถลดอุปกรณ์ล้มเหลวแบบไม่คาดคิดได้ประมาณ 30% ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายให้บริษัทเกือบ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี เพียงแค่ค่าไฟฟ้าเท่านั้น หากบริษัทต้องการให้การปรับปรุงเหล่านี้ยั่งยืนและคงอยู่ต่อไป จำเป็นต้องฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงานให้เข้าใจวิธีการที่ได้ผลดีที่สุดในระหว่างการฝึกอบรม การกำหนดเป้าหมายที่ชัดเจน เช่น การติดตามจำนวนกิโลวัตต์-ชั่วโมงที่ใช้ในการผลิตออกซิเจนเหลวแต่ละตัน จะทำให้ทุกคนมีเป้าหมายที่จับต้องได้ และยังช่วยให้เห็นช่องทางในการปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้อย่างชัดเจนในระยะยาว

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดประสิทธิภาพการใช้พลังงานจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบแยกอากาศ (ASUs)?

ประสิทธิภาพด้านพลังงานมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากช่วยลดต้นทุนการดำเนินงาน ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมความยั่งยืนในกระบวนการแยกอากาศ

ระบบควบคุมแบบปรับตัว (adaptive control systems) ปรับปรุงประสิทธิภาพการดำเนินงานของหน่วยแยกอากาศ (ASU) อย่างไร?

ระบบควบคุมแบบปรับตัวทำการปรับแต่งความเร็วของเครื่องอัดอากาศและพารามิเตอร์การดำเนินงานอื่นๆ แบบเรียลไทม์ โดยอิงตามข้อมูลจากเซ็นเซอร์ที่วัดได้แบบทันที เพื่อรักษาความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์และลดการสูญเสียพลังงาน

การควบคุมเชิงทำนายแบบจำลอง (Model Predictive Control: MPC) ให้ประโยชน์แก่หน่วยแยกอากาศ (ASU) อย่างไร?

MPC คาดการณ์ปัญหาในการดำเนินงานล่วงหน้าโดยการจำลองพฤติกรรมของระบบ และปรับแต่งค่าตั้ง (setpoints) ของการดำเนินงานให้เหมาะสม เพื่อลดการใช้พลังงานและเพิ่มความไวตอบสนองของกระบวนการ

ไดรฟ์ปรับความเร็วแบบแปรผัน (variable-speed drives) มีบทบาทอย่างไรต่อประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ?

ไดรฟ์ปรับความเร็วแบบแปรผันช่วยให้เครื่องอัดอากาศสามารถปรับกำลังเอาต์พุตของมอเตอร์ให้สอดคล้องกับความต้องการได้ จึงลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศให้สูงสุด

อะไรคือ หน่วยแยกอากาศ (ASUs) คืออะไร?

หน่วยแยกอากาศ (Air Separation Units: ASUs) คือ สถานประกอบการอุตสาหกรรมที่แยกอากาศบรรยากาศออกเป็นส่วนประกอบหลักๆ ได้แก่ ออกซิเจนและไนโตรเจน โดยใช้กระบวนการกลั่นแบบคริโอเจนิก (cryogenic distillation)