Khí nén thường được xem là “tiện ích thứ tư” trong công nghiệp (bên cạnh điện, nước, khí tự nhiên / gas). Khí nén có tính phổ biến rộng rãi và quan trọng trong vận hành máy móc, công cụ, hệ thống tự động hóa và nhiều ứng dụng sản xuất khác. Tuy nhiên, việc tạo ra và vận hành khí nén tiêu tốn rất nhiều điện năng, chiếm tỉ trọng lớn trong chi phí vận hành và làm tăng phát thải CO₂. 

Vậy làm thế nào để vừa giảm chi phí vận hành, giảm phát thải CO₂ cho nhà máy nhưng vẫn giữ được hiệu quả mà khí nén mang lại cho sản xuất? Câu trả lời là mô hình “Nhà máy 4 bar”.

Các biện pháp cải thiện hiệu suất khí nén hiện nay

Trước khi đến với khái niệm “nhà máy 4 bar” là gì, cùng tìm hiểu lý do khiến mô hình “nhà máy 4 bar” ra đời.

Hiện nay, có một số yếu tố phổ biến thường được xác định là ảnh hưởng đến hiệu suất khí nén trong nhà máy như: sụt áp trên đường cấp khí, rò rỉ, chất lượng khí nén không cao, khí nén bị lãng phí ở những vị trí không phù hợp,… Các biện pháp cải thiện bao gồm:

• Loại bỏ các nguyên nhân gây sụt áp trên đường cấp khí
• Cải thiện khả năng cô lập hệ thống (tăng khả năng tách riêng từng khu vực/nhánh tải bằng van khóa, để khi khu vực đó không dùng thì đóng lại, tránh hệ thống vẫn cấp khí gây lãng phí và rò rỉ)
• Ngăn ngừa việc sử dụng khí nén không phù hợp
• Khắc phục tình trạng rò rỉ
• Giảm áp suất vận hành
• Đảm bảo chất lượng khí nén phù hợp
• Thu hồi năng lượng (thu hồi “nhiệt thải” sinh ra khi máy nén hoạt động và tái sử dụng nhiệt đó cho các nhu cầu gia nhiệt trong nhà máy (sưởi, nước nóng, gia nhiệt quy trình), thay vì xả ra môi trường.)
• Cải thiện hiệu suất khai thác máy nén khí

Các biện pháp cải thiện thường được sử dụng nhất là: xử lý rò rỉ, xử lý sụt áp, ngắt khí nén khi không sử dụng, cô lập hệ thống, đảm bảo chất lượng khí nén, do những biện pháp này có thể triển khai nhanh, chi phí không quá lớn. Tuy nhiên, các biện pháp này không giải quyết được triệt để vấn đề (phát sinh những vị trí rò rỉ/sụt áp mới, ngắt khí nén gây ảnh hưởng chu kỳ hoạt động của máy, thường xuyên phải bảo trì, bảo dưỡng đường ống,…). 

Vậy phương án giải quyết triệt để hơn là gì?

Chúng ta cần hiểu rằng mọi đường đi của khí nén (nơi sẽ phát sinh ra các vấn đề: rò rỉ, sụt áp, phát thải CO₂,…) đều có chung xuất phát điểm là máy nén khí. Khi máy nén khí được cài đặt để duy trì áp suất toàn nhà máy, bất kỳ nhu cầu sử dụng khí nén nào cũng sẽ làm tăng tải hoạt động của máy nén. Áp suất càng cao, mức tiêu thụ càng lớn. Khi giảm áp suất tại điểm sử dụng, thể tích khí tiêu thụ cũng giảm và đồng thời giảm tải cho máy nén khí.

Như vậy, bài toán đặt ra là làm thế nào để vừa giảm áp suất toàn nhà máy ngay từ đầu vào là máy nén khí, những vẫn phải giữ được hiệu quả của khí nén, không gây ảnh hưởng đến hoạt động của máy móc và hệ thống.

SMC đã đề xuất mô hình “nhà máy 4 bar” để giải quyết bài toán trên, nhằm giảm mạnh chi phí năng lượng, giảm phát thải CO₂, đồng thời thay đổi tư duy trong thiết kế và vận hành hệ thống khí nén.

Khí nén đóng vai trò quan trọng trong nhà máy

Mô hình “nhà máy 4 bar” là gì?

“Nhà máy 4 bar” (hay 4-Bar Factory Concept) là một khái niệm chỉ mô hình nhà máy tối ưu hóa hệ thống khí nén bằng cách vận hành ở áp suất cung cấp khoảng 4 bar (thay vì mức cao thông thường như 6–7 bar hoặc hơn), nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và giảm phát thải CO₂, mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động của các thiết bị.

Khái niệm này được SMC Corporation (một công ty lớn về tự động hóa và linh kiện khí nén, có chi nhánh tại Việt Nam) đề xuất và quảng bá rộng rãi dưới tên gọi "4-Bar Factory Concept" hoặc "Giải pháp nhà máy 4 Bar".

Giải pháp này được triển khai theo từng giai đoạn:

• Phân tích tiêu thụ năng lượng: xác định các khu vực và thiết bị kém hiệu quả để ưu tiên cải tiến, các thiết bị cần áp suất cao hơn để đáp ứng riêng.
• Tối ưu ưu lượng và áp suất: hạ áp suất cấp khí tại các vị trí phù hợp mà không cần thay đổi máy móc hiện có, chỉ tiến hành cải tiến ở các máy móc không đáp ứng được hoặc cần một mức áp suất đặc biệt. Tăng áp cục bộ chỉ ở những điểm cần thiết, chọn linh kiện phù hợp áp suất thấp.
• Đảm bảo tính sẵn sàng cho tương lai: xây dựng tiêu chuẩn cho thiết bị mới để đáp ứng mô hình nhà máy mới, đồng thời nâng cấp, tích hợp các sản phẩm giúp dây chuyền vận hành hiệu quả ngay cả ở mức áp suất thấp.

Hiểu đơn giản, mô hình này sẽ giảm áp suất vận hành từ mức cao xuống mức tối ưu (4 bar), đồng thời triển khai song song các phương án duy trì hiệu suất và chuẩn bị cho tương lai.

Lợi ích khi áp dụng mô hình nhà máy 4 bar

Hệ thống khí nén thường chiếm tỷ lệ lớn (20-40% chi phí điện năng) trong nhà máy.

Nhiều nhà máy chạy áp suất cao hơn mức thực tế cần thiết, gây lãng phí năng lượng (cứ giảm áp suất cấp khí 1 bar, mức công suất riêng tiêu thụ giảm trung bình 6-8%). Giảm áp suất cấp khí từ 7 bar xuống 4 bar có thể giảm đáng kể lượng phát thải CO₂ và giảm chi phí năng lượng lên tới 29% (theo nghiên cứu từ SMC)

Khí nén tiêu thụ nhiều điện năng trong nhà máy

Giảm áp suất cấp khí sẽ giúp:

• Tiết kiệm năng lượng (giảm áp suất đầu ra giúp giảm tải cho máy nén khí, từ đó tiết kiệm điện năng).
• Giảm chi phí vận hành
• Giảm phát thải CO₂ (theo khảo sát của SMC, việc giảm 1 bar áp suất cấp khí trên toàn ngành có thể giúp giảm khoảng 6.700 kt CO₂ (6.7 triệu tấn CO₂), riêng tại Châu Âu).
• Giảm lượng khí tiêu thụ
• Giảm tổn thất do rò rỉ
• Kéo dài tuổi thọ linh kiện
• Giảm nhu cầu bảo trì
• Cải thiện an toàn

Những bước cụ thể trong việc triển khai mô hình nhà máy 4 bar

Bước 1: Phân tích tình hình sử dụng khí nén thực tế

• Đánh giá hồ sơ cấp khí của máy nén khí
• Trực quan hóa áp suất và lưu lượng của các thiết bị đang vận hành
• Kiểm tra yêu cầu áp suất cấp của từng máy
• Khu vực nào tiêu thụ nhiều khí nén nhất, và vào thời điểm nào?
• Nhu cầu khí nén của thiết bị khi không tải / ở trạng thái chờ là bao nhiêu?
• Xác định các thiết bị tiêu thụ khí lớn để đáp ứng riêng
• Xác định các khu vực và thiết bị kém hiệu quả hoặc có tiềm năng tối ưu để ưu tiên cải tiến

Bước 2: Ổn định lưu lượng và áp suất

• Giảm áp suất tại từng khu vực
• Sử dụng xi lanh tăng lực (double force cylinder), bộ tăng áp (pressure booster) hoặc bộ tích trữ khí nén điều khiển cục bộ tại các điểm/ các máy móc cần áp suất cao hơn.
  • Bạn có biết? SMC cung cấp các bộ tăng áp với hiệu suất cao, cho phép tăng áp cục bộ lên đến 4 lần so với áp suất cấp ban đầu.

• Thay thế một số linh kiện hiện có thành linh kiện tối ưu hơn với áp suất thấp nhưng vẫn đạt hiệu quả như đầu thổi hiệu suất cao (high-efficiency nozzles) và bộ tạo chân không hiệu suất cao (high-efficiency vacuum units).
• Triển khai các biện pháp ngăn thất thoát khí trong thời gian chờ và giảm thất thoát do rò rỉ.
• Tối ưu đường ống khí nén, hệ thống thổi khí
• Đánh giá lại máy móc sau khi thực hiện giảm áp suất, xác nhận mức tiết kiệm đạt được trong khi vẫn duy trì năng suất đầu ra.
• Giảm áp suất cấp khí toàn nhà máy (chỉ thực hiện sau khi đánh giá máy móc vận hành tối ưu sau khi giảm áp suất cục bộ. Nếu chưa đạt mục tiêu, cần xem xét các biện pháp bổ sung trước khi tiến hành giảm áp suất cấp khí toàn nhà máy.)

Cùng xem mô tả về giải pháp này trong video sau từ SMC:

Bước 3: Thiết lập tiêu chuẩn nhà máy 4 bar

• Thống nhất mục tiêu giữa nhà máy, nhà cung cấp máy móc và SMC
• Lựa chọn sản phẩm: cân nhắc giữa các nguồn lực khí nén, chân không, truyền động điện (motor)
• Tích hợp: đảm bảo sản phẩm vận hành liền mạch với máy móc hiện hữu
• Đánh giá: xác nhận hiệu suất và năng suất đã được tối ưu hay chưa
• Thiết kế cho tương lai: thiết kế và lựa chọn máy móc theo tiêu chuẩn mới.
  • Bạn có biết? Các sản phẩm mới của SMC được phát triển dựa trên xu hướng giảm áp suất trong tương lai.

Các kỹ sư của Temas sẵn sàng hỗ trợ bạn trong quá trình tìm hiểu và triển khai giải pháp nhà máy 4 bar với tiêu chí: nhanh chóng – tiết kiệm – hiệu quả.

Xem thêm: Sản phẩm SMC

Những lo lắng chính của kỹ sư khi giảm áp suất cấp khí

Việc giảm áp suất cấp khí đồng nghĩa với việc thay đổi các quy chuẩn và máy móc đã quen thuộc, chuyển dịch tư duy vận hành. Một số lo lắng chính của các kỹ sư khi áp dụng mô hình giảm áp suất cấp khí mà chúng tôi đã gặp, cùng với giải pháp mà chúng tôi sẽ đề xuất để giải quyết các lo lắng đó:

Chúng tôi hiểu rằng điều này không dễ thực hiện trong một sớm một chiều, do đó kỹ sư của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn ở mọi giai đoạn trên hành trình này.

Case study "nhà máy 4 bar"

SMC đã dẫn đầu xu hướng này bằng việc áp dụng mô hình nhà máy 4 bar vào chính các nhà máy của SMC.

Nhà máy SMC tại Shimotsuma (Nhật Bản) gồm 2 nhà máy, với tổng diện tích sàn 72.167 m². Đây là một nhà máy sản xuất đã vận hành lâu năm của SMC.

SMC tiến hành giảm áp suất cấp khí theo từng giai đoạn cho tòa nhà 2 tầng – Tòa 1 của Nhà máy 1. Sau đây là kết quả sau khi đã triển khai:

Kết quả cho thấy, nếu áp dụng giải pháp này trên toàn nhà máy, sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí điện năng, cũng như giảm phát thải CO₂ rõ rệt, giúp nhà máy tiến gần hơn đến mục tiêu Net Zero, phát triển sản xuất bền vững và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp.

Temas là nhà phân phối chính hãng SMC tại Việt Nam, với các kỹ sư giàu kinh nghiệm được đào tạo trực tiếp bởi SMC, sẽ hỗ trợ bạn trên hành trình tìm hiểu, lựa chọn và triển khai các giải pháp khí nén nói chung và giải pháp nhà máy 4 bar nói riêng. Liên hệ chúng tôi để tối ưu hóa hệ thống khí nén trong nhà máy của bạn ngay hôm nay.