ต้นทุนค่าไฟฟ้าจริงต่อปีของระบบผลิตไนโตรเจนแบบ PSA แบบครบวงจร

ผู้ประกอบการภาคอุตสาหกรรมจำนวนมากมองข้ามรายละเอียดสำคัญหนึ่งประการเมื่อคำนวณต้นทุนการดำเนินงานของเครื่องผลิตไนโตรเจนแบบ PSA (Pressure Swing Adsorption): หน่วยผลิตไนโตรเจนหลักใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยมาก แหล่งที่แท้จริงของการสูญเสียพลังงานอยู่ที่ระบบรีดอากาศและระบบที่ทำให้อากาศบริสุทธิ์ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนหลัก บทความนี้จะวิเคราะห์ การใช้พลังงานไฟฟ้าจริงต่อปี ของระบบผลิตไนโตรเจนแบบครบวงจร โดยอ้างอิงจากเงื่อนไขการปฏิบัติงานเชิงอุตสาหกรรมมาตรฐาน เพื่อให้ข้อมูลต้นทุนที่แม่นยำสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม

หลักการทำงานพื้นฐานของเครื่องผลิตไนโตรเจนแบบ PSA

การแยกไนโตรเจนด้วยวิธี PSA อาศัยอัตราการดูดซับที่ต่างกันของคาร์บอนโมเลกุลาร์ไซฟ์ต่อโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศรอบข้าง โดยระบบจะแยกไนโตรเจนออกจากออกซิเจน ไอน้ำ และสิ่งสกปรกที่ลอยอยู่ในอากาศผ่านการสลับวาล์วโดยอัตโนมัติ ทั้งนี้ หน่วยผลิตไนโตรเจนหลักไม่มีมอเตอร์กำลังสูง ชิ้นส่วนให้ความร้อน หรือชิ้นส่วนทำงานภายใต้แรงดันสูงแต่อย่างใด ส่วนประกอบที่ใช้งานจริงมีเพียงระบบควบคุมแบบ PLC วาล์วแม่เหล็กไฟฟ้าแบบกำหนดทิศทาง เซ็นเซอร์วัดแรงดัน และชิ้นส่วนเสริมกำลังต่ำอื่นๆ ทำให้การใช้พลังงานของระบบแทบไม่ส่งผลกระทบต่องบประมาณพลังงานโดยรวมของโรงงาน

สภาวะการทดสอบมาตรฐาน

เพื่อให้มั่นใจว่าข้อมูลพลังงานมีความแม่นยำและสอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรม ทุกการคำนวณจะอิงตามเงื่อนไขอุตสาหกรรมมาตรฐานคงที่ ได้แก่ อัตราการไหลของไนโตรเจนที่ส่งออก 100 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนร้อยละ 99.99 จุดน้ำค้างของก๊าซสำเร็จรูปที่ −60 องศาเซลเซียส ความดันไนโตรเจนที่ทางออก 0.6 เมกะปาสคาล อุณหภูมิแวดล้อม 20 องศาเซลเซียส ความสูงจากระดับน้ำทะเล 200 เมตร และอัตราส่วนอากาศต่อไนโตรเจน 4.0 โดยไม่รวมการใช้พลังงานของปั๊มน้ำหล่อเย็น

การแจกแจงการใช้พลังงานของระบบทั้งหมด

1. เครื่องอัดอากาศ (คิดเป็นร้อยละ 86 ของการใช้พลังงานรวมทั้งระบบ)

อากาศจากบรรยากาศไม่สามารถนำไปผ่านกระบวนการผลิตไนโตรเจนได้โดยตรง จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องอัดอากาศเพื่ออัดอากาศรอบข้างให้มีความดัน 0.7–0.8 เมกะปาสคาล เพื่อจัดเตรียมก๊าซดิบอย่างมั่นคงสำหรับการผลิตไนโตรเจน ภายใต้เงื่อนไขการทำงานมาตรฐานข้างต้น จะใช้เครื่องอัดอากาศขนาด 37 กิโลวัตต์ ซึ่งคิดเป็น ร้อยละ 86 ของการใช้พลังงานรวมทั้งระบบ  — องค์ประกอบที่ใช้พลังงานมากที่สุดอย่างเด็ดขาดในระบบทั้งหมด

2. เครื่องทำแห้งอากาศแบบทำความเย็น (คิดเป็นร้อยละ 5.3 ของการใช้พลังงานรวมทั้งระบบ)

อุปกรณ์ทำให้แห้งด้วยความเย็นเป็นอุปกรณ์กำจัดสิ่งสกปรกหลัก ซึ่งทำหน้าที่ขจัดน้ำในรูปของเหลวและไอน้ำที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ออกจากอากาศอัด ลดความชื้นของอากาศล่วงหน้า และลดภาระการใช้พลังงานของอุปกรณ์ทำให้แห้งแบบดูดซับที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังอย่างมีนัยสำคัญ พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์นี้ใช้งานคือ 2.3 กิโลวัตต์ คิดเป็นสัดส่วน 5.3% ของการใช้พลังงานทั้งหมดของระบบ

3. อุปกรณ์ทำให้แห้งแบบดูดซับแบบไมโคร-เทอร์มอล (คิดเป็น 8.3% ของการใช้พลังงานทั้งหมด)

การใช้พลังงานของอุปกรณ์ทำให้แห้งแบบดูดซับแบบไมโคร-เทอร์มอลไม่ได้เกิดจากการทำงานอย่างต่อเนื่อง แต่เกิดจากการให้ความร้อนเพื่อฟื้นฟูประสิทธิภาพเป็นระยะๆ การให้ความร้อน การปล่อยแรงดัน และการล้างออกตามรอบเวลาเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อกำจัดไอน้ำที่ถูกดูดซับเข้าไปอย่างลึกซึ้งโดยสารดูดซับโมเลกุล รักษามาตรฐานจุดน้ำค้างที่ต่ำมากถึง -60 องศาเซลเซียส และปกป้องอายุการใช้งานรวมทั้งประสิทธิภาพการทำงานของสารดูดซับโมเลกุลคาร์บอนภายในเครื่องผลิตไนโตรเจน พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์นี้ใช้งานคือ 3.6 กิโลวัตต์ คิดเป็นสัดส่วน 8.3% ของการใช้พลังงานทั้งหมดของระบบ

ควรสังเกตว่าเครื่องทำแห้งแบบใช้ความเย็นเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดจุดน้ำค้างลึกถึง -60℃ สำหรับการผลิตไนโตรเจนความบริสุทธิ์สูงได้ ดังนั้นเครื่องทำแห้งแบบดูดซับจึงเป็นอุปกรณ์กำจัดสิ่งเจือปนหลักที่ขาดไม่ได้สำหรับสภาวะการทำงานที่มีมาตรฐานสูง

ปัจจัยแฝงที่ส่งผลต่อการใช้พลังงานของระบบ

1. ผลกระทบจากความสูงเหนือระดับน้ำทะเล

การคำนวณตามมาตรฐานใช้ความสูง 200 เมตร ซึ่งมีการลดลงของความหนาแน่นอากาศน้อยที่สุด และการออกแบบระยะเผื่อของอุปกรณ์ทั่วไปสามารถชดเชยการสูญเสียอากาศที่ไหลเข้าได้เล็กน้อย สำหรับสภาพแวดล้อมการทำงานที่สูงกว่า 300 เมตรเหนือระดับน้ำทะเล ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 100 เมตรจะทำให้อากาศที่ไหลเข้าลดลงร้อยละ 1 จึงจำเป็นต้องเพิ่มกำลังไฟฟ้าเพื่อชดเชย และส่งผลให้ต้นทุนค่าไฟฟ้าโดยรวมสูงขึ้น

2. การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม

อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส เป็นอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์ผลิตไนโตรเจน เนื่องจากมีความหนาแน่นของอากาศสูงและระดับความชื้นคงที่ ซึ่งช่วยรักษาการใช้พลังงานให้อยู่ในเกณฑ์มาตรฐาน หากอุณหภูมิภายในโรงงานเพิ่มขึ้นถึง 35–40 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นของอากาศจะลดลง และปริมาณไอน้ำในอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้การใช้พลังงานรวมของระบบเพิ่มขึ้นกว่า 10% โดยตรง

3. ความคลาดเคลื่อนของอัตราส่วนอากาศต่อไนโตรเจน

การคำนวณมาตรฐานอิงตามอัตราส่วนอากาศต่อไนโตรเจนที่ 4.0 การเบี่ยงเบนจากอัตราส่วนที่เหมาะสมนี้แม้เพียงเล็กน้อย ก็จะทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และก่อให้เกิดช่องว่างด้านต้นทุนที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนในการดำเนินงานระยะยาว

ประเด็นสำคัญ

สำหรับสถานประกอบการอุตสาหกรรมที่ใช้ระบบผลิตไนโตรเจนแบบ PSA การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและลดค่าไฟฟ้าควรเน้นที่การปรับปรุงและปรับแต่งเครื่องอัดอากาศและอุปกรณ์กำจัดสิ่งสกปรกก่อนการผลิต แทนที่จะเป็นตัวเครื่องหลักของเครื่องผลิตไนโตรเจนซึ่งใช้พลังงานต่ำ นอกจากนี้ ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล อุณหภูมิแวดล้อม และอัตราส่วนอากาศต่อไนโตรเจน ยังเป็นตัวแปรสำคัญที่ไม่อาจมองข้ามได้ในการควบคุมต้นทุนพลังงานประจำวัน