โรงงานผลิตแบตเตอรี่ระดับกิกะแฟคทอรี – การอัปเกรดจากระบบเครื่องทำอากาศแห้งแบบให้ความร้อนเพื่อปล่อยอากาศทิ้ง (Heated Purge) เป็นระบบเครื่องทำอากาศแห้งแบบปล่อยอากาศทิ้งด้วยพัดลมที่ทำจากสแตนเลส (Stainless Steel Blower Purge Dryers)

คำอธิบายเมตา:  CATL แทนที่เครื่องอบแห้งแบบใช้ความร้อนในการเป่าลมออก (heated purge dryers) ซึ่งใช้พลังงานสูงจำนวนสี่เครื่อง ด้วยเครื่องอบแห้งแบบใช้พัดลมสแตนเลส (stainless steel blower purge dryers) ขนาด 85 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที จำนวนสี่เครื่อง ซึ่งสามารถบรรลุจุดน้ำค้างที่ -40°C ไม่มีการสูญเสียลมอัดจากการเป่าลมออก (zero compressed air purge loss) และลดการใช้พลังงานลงได้ 40%

รูปภาพ: 85 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที เครื่องทำให้อากาศแห้งแบบใช้สารดูดความชื้น (Desiccant Air Dryer) พร้อมพัดลมสแตนเลสแบบไม่มีการสูญเสียลมอัดจากการเป่าออก (Zero Purge) s

ข้อมูลลูกค้า

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)  ผู้ผลิตแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV) รายใหญ่ที่สุดของโลก ดำเนินการโรงงานผลิตแบตเตอรี่ระดับจิ๊ก้าแฟคทอรี (gigafactory) ที่มีกำลังการผลิตสูงเพื่อผลิตเซลล์ลิเธียม-ไอออน โดยระบบลมอัดของโรงงานมีกำลังการผลิตรวมเท่ากับ 340 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที (20,400 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง)  , รองรับ:

• ห้องอบเคลือบขั้วไฟฟ้า (จุดน้ำค้าง ≤ -40°C เป็นข้อกำหนดที่จำเป็น)
• ระบบที่ใช้ลมอัดบนสายการประกอบความเร็วสูง
• การเป่าลมทำความสะอาดห้องปลอดเชื้อ (cleanroom purge) และลมอัดสำหรับเครื่องมือวัด (instrument air)

การผลิตแบตเตอรี่ห้ามใช้เครื่องทำแห้งแบบทำความเย็นอย่างเด็ดขาด เนื่องจากมีความเสี่ยงที่น้ำในรูปของของเหลวจะถูกพัดพาออกไปพร้อมกับอากาศเมื่อระบบระบายน้ำควบแน่นล้มเหลว โรงงานดังกล่าวได้ติดตั้ง เครื่องทำแห้งแบบดูดซับที่ใช้ความร้อนในการกำจัดความชื้น (micro-heat) จำนวนสี่เครื่อง โดยแต่ละเครื่องมีอัตราการไหลที่กำหนดไว้ที่ 85 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที — ซึ่งเป็นทางเลือกที่พบเห็นได้บ่อยก่อนที่เทคโนโลยีเครื่องทำแห้งแบบใช้พัดลมในการกำจัดความชื้น (blower purge) ที่มีประสิทธิภาพสูงจะกลายเป็นทางเลือกที่คุ้มค่ามากขึ้น

จุดปัญหา

ปัจจุบัน เครื่องทำแห้งแบบใช้ความร้อนในการกำจัดความชื้น  (หรือที่เรียกกันอีกชื่อว่าเครื่องทำแห้งแบบ micro-heat หรือเครื่องทำแห้งแบบดูดซับที่ให้ความร้อนจากภายนอก) ก่อให้เกิดปัญหาด้านการปฏิบัติงานและด้านการเงินหลายประการ:

• การสูญเสียลมแห้งสำหรับการกำจัดความชื้นอย่างมาก:  เครื่องทำแห้งแบบใช้ความร้อนในการกำจัดความชื้นยังคงใช้ลมแห้ง 5–8% ของอัตราการไหลที่ระบุไว้  เพื่อกระบวนการฟื้นฟูสมบัติของสารดูดซับ — แม้จะใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าก็ตาม สำหรับเครื่องทั้งสี่เครื่องที่มีอัตราการไหล 85 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที ซึ่งทำงานแบบขนานกัน (อัตราการไหลรวมประมาณ 300–340 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที) สิ่งนี้หมายความว่า มีลมอัดแห้งประมาณ 20 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที ถูกปล่อยทิ้งไปอย่างต่อเนื่อง  สู่บรรยากาศ
• การใช้พลังงานไฟฟ้าสูง:  เครื่องทำแห้งแต่ละเครื่องต้องใช้เครื่องทำความร้อนด้วยไฟฟ้า (โดยทั่วไป 15–25 กิโลวัตต์) ระหว่างขั้นตอนการฟื้นฟู ซึ่งเพิ่มค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน
• ความไม่เสถียรของจุดน้ำค้างภายใต้ภาระสูงสุด:  ในช่วงฤดูร้อน อุณหภูมิและระดับความชื้นของอากาศเข้าที่สูงส่งผลให้ประสิทธิภาพในการฟื้นฟูลดลง จุดน้ำค้างบางครั้งสูงกว่า -35°C ทำให้เกิดความกังวลในการตรวจสอบห้องควบคุมความชื้น
• การสึกหรอของวาล์วและการบำรุงรักษา:  ความถี่ของการทำงานเป็นรอบ (โดยทั่วไปทุก 60–120 นาที) ส่งผลให้วาล์วแบบลมอัดสึกหรอทุก 12–18 เดือน การสึกกร่อนของสารดูดความชื้นจากแรงดันที่เปลี่ยนแปลงบ่อยครั้งก่อให้เกิดฝุ่น ซึ่งอุดตันตัวกรองที่อยู่ด้านหลัง
• ความเสี่ยงจากโครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอน:  เครื่องทำแห้งรุ่นเดิมมีถังและท่อทำจากเหล็กกล้าคาร์บอน เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคสนิมภายในจะเกิดขึ้น ซึ่งอาจก่อให้เกิดการปนเปื้อนในสภาพแวดล้อมของห้องควบคุมความชื้น — ซึ่งไม่สามารถยอมรับได้สำหรับกระบวนการผลิตแบตเตอรี่

รูปภาพ: 85 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที เครื่องทำให้อากาศแห้งแบบใช้สารดูดความชื้น (Desiccant Air Dryer) พร้อมพัดลมสแตนเลสแบบไม่มีการสูญเสียลมอัดจากการเป่าออก (Zero Purge)

CATL ต้องการ โซลูชันการอบแห้งที่ไม่ต้องปล่อยอากาศทิ้ง (zero-purge) และมีความน่าเชื่อถือสูงเป็นพิเศษ  ด้วย ชิ้นส่วนที่สัมผัสกับของเหลวทำจากสแตนเลส  เพื่อกำจัดความเสี่ยงจากการกัดกร่อน และมีความสามารถในการขยายขนาดสำหรับสายการผลิตในอนาคต

เหตุใดจึงไม่ใช้ระบบอบแห้งแบบใช้ความร้อนจากการบีบอัด (HOC)?

แม้เครื่องอบแห้งแบบ HOC จะไม่ต้องปล่อยอากาศทิ้งและไม่ต้องใช้ความร้อนไฟฟ้า แต่ก็ต้องอาศัยอุณหภูมิของอากาศที่ออกจากคอมเพรสเซอร์ด้านต้นทางให้คงที่อยู่เหนือ 120°C เสมอ คอมเพรสเซอร์สกรูแบบไม่มีน้ำมันของ CATL ซึ่งทันสมัย แต่ทำงานภายใต้โหลดที่แปรผัน และบางครั้งอาจปล่อยอากาศออกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ในช่วงที่ความต้องการต่ำ ดังนั้นระบบ HOC จึงจำเป็นต้องมีการป้อนความร้อนเพิ่มเติม หรือควบคุมการเบี่ยงเบนกระแส (bypass control) ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อน ลูกค้าจึงให้ความสำคัญกับการออกแบบระบบระบายอากาศแบบแยกตัว (standalone blower purge) ที่ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้  ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างอิสระโดยไม่ขึ้นกับความแปรผันของโหลดคอมเพรสเซอร์

โซลูชันของเรา

เราเสนอให้เปลี่ยนเครื่องอบแห้งแบบให้ความร้อนพร้อมปล่อยอากาศทิ้งจำนวนสี่เครื่องที่มีอยู่เดิม ด้วย เครื่องอบแห้งแบบดูดซับพร้อมพัดลมระบายอากาศ (blower purge adsorption dryers) แบบสแตนเลสใหม่จำนวนสี่เครื่อง  – แต่ละตัวมีค่าการประเมิน 85 ลูกบาศก์เมตร/นาที (5100 ลูกบาศก์เมตร/ชั่วโมง)  , ติดตั้งแบบขนาน (สามตัวทำงาน หนึ่งตัวสำรอง) ระบบใช้อากาศแวดล้อมที่ผ่านการให้ความร้อนเพื่อการฟื้นฟูสภาพ โดยไม่มีการสูญเสียลมอัดในการเป่าทิ้งเลย  .

อุปกรณ์หลัก

• เครื่องเป่า:  สี่ BlowerDry-HRB-850GRD  เครื่องทำแห้งแบบดูดซับ แต่ละเครื่องมีความสามารถ 85 ลูกบาศก์เมตร/นาที ชิ้นส่วนทั้งหมดที่สัมผัสกับอากาศ (หอคอย ท่อ และวาล์ว) ทำจาก สแตนเลสเกรด 304  – ป้องกันสนิมและรับประกันความสะอาดระดับยาและแบตเตอรี่
• วิธีการฟื้นฟูสมบัติของสารดูดซับ:  ปั๊มลมประสิทธิภาพสูงดูดอากาศแวดล้อมผ่านเข้าไปในเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า (เพิ่มอุณหภูมิถึง 150–200°C ) และกำจัดอากาศออกจากหอคอยแบบออฟไลน์ อากาศที่มีความชื้นจะถูกปล่อยทิ้งออกไป ไม่มีการใช้อากาศอัดจากเครือข่ายโรงงาน  – สูญเสียอากาศสำหรับการล้าง (purge) เป็นศูนย์ การทำความเย็นทำด้วยอากาศแวดล้อมที่ไม่ผ่านการให้ความร้อน ผ่านพัดลมตัวเดียวกัน
• ระบบควบคุม:  PLC ตัวหลัก (Siemens S7-1500) ทำหน้าที่ประสานงานกับเครื่องทำแห้งทั้งสี่เครื่อง โดยปรับสมดุลเวลาในการทำงาน และสลับเครื่องสำรองเข้ามาทำงานโดยอัตโนมัติเมื่อเครื่องที่กำลังทำงานถึงช่วงเวลาที่ต้องบำรุงรักษา พร้อมระบบตรวจสอบจุดน้ำค้างแบบออนไลน์ (≤ -40°C) และสัญญาณเตือนระยะไกลที่เชื่อมต่อกับระบบ DCS ของ CATL
• การกรอง:  ตัวกรองเบื้องต้น (1 ไมครอน) ทำหน้าที่กำจัดเศษตะกรันจากท่อ; ตัวกรองหลัง (0.01 ไมครอน) ทำหน้าที่จับอนุภาคละเอียดของสารดูดความชื้น (desiccant fines) ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกรองน้ำมัน (เนื่องจากคอมเพรสเซอร์ที่ติดตั้งอยู่ด้านต้นทางเป็นแบบไร้น้ำมัน)

ข้อมูลจำเพาะประสิทธิภาพ

รูปภาพ: แผนผังการเชื่อมต่อระบบอัดอากาศ

การส่งมอบและการติดตั้ง

โครงการนี้ดำเนินการในช่วงหยุดดำเนินงานตามแผนเป็นระยะเวลา 3 สัปดาห์:

• การออกแบบและการทดสอบยอมรับที่โรงงาน (FAT) (5 สัปดาห์):  การอนุมัติด้านวิศวกรรม ใบรับรองวัสดุสแตนเลส และการทดสอบการยอมรับที่โรงงาน (FAT) ของเครื่องทำแห้งทั้งสี่เครื่อง
• การจัดส่ง (2 สัปดาห์หลังการทดสอบการยอมรับที่โรงงาน):  จัดส่งไปยังโรงงานผลิตแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ (gigafactory)
• การติดตั้ง (3 สัปดาห์):  

• • ถอดเครื่องทำแห้งแบบให้ความร้อนด้วยการไหลผ่าน (heated purge dryers) เก่าออกทั้งสี่เครื่อง
  • ติดตั้งเครื่องทำแห้งแบบใช้พัดลม (blower dryers) ใหม่ที่ทำจากสแตนเลสบนโครงฐานแบบคอมแพกต์ (compact skids)
  • ปรับโครงสร้างหัวจ่ายท่อ (piping headers) ใหม่สำหรับการใช้งานแบบ 3 เครื่องทำงานพร้อมกัน + 1 เครื่องสำรอง
  • อัปเกรดระบบจ่ายไฟฟ้าสำหรับพัดลมและเครื่องทำความร้อน
  • เชื่อมต่อกับ DCS

• การเดินระบบ (1 สัปดาห์):  การทดสอบรั่ว การสอบเทียบจุดน้ำค้าง และการฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงาน

ไม่มีการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้

ผลลัพธ์และประโยชน์ (หลังการเดินเครื่องเป็นเวลา 12 เดือน)

*การสูญเสียจากการระบายอากาศ (purge loss) ต้องใช้กำลังการผลิตอากาศอัดเพิ่มเติม 20 ลูกบาศก์เมตรต่อนาที โดยทั่วไปแล้วกำลังจำเพาะของคอมเพรสเซอร์แบบสกรูไร้น้ำมันอยู่ที่ 6 กิโลวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตรต่อนาที → ประหยัดพลังงานคอมเพรสเซอร์แบบต่อเนื่องได้ 120 กิโลวัตต์

ผลประโยชน์ที่วัดค่าได้

• การประหยัดพลังงาน:  การกำจัดการสูญเสียจากการระบายอากาศช่วยประหยัดพลังงานคอมเพรสเซอร์ได้ประมาณ 120 กิโลวัตต์ รวมถึงการลดการใช้พลังงานของฮีตเตอร์และบลาว์เวอร์ด้วย ทำให้ประหยัดไฟฟ้าทั้งหมดต่อปี: ≈¥520,000 (คำนวณจากอัตราค่าไฟฟ้า 0.70 หยวนต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง ตลอด 24 ชั่วโมง/7 วันต่อสัปดาห์/365 วันต่อปี)
• ความน่าเชื่อถือในการผลิต:  จุดน้ำค้างไม่เคยเกิน -40°C การควบคุมความชื้นในห้องแห้งมีความเสถียรยิ่งขึ้น และไม่มีรายงานข้อบกพร่องของการเคลือบผิวที่เกิดจากความชื้นเลย
• การกำจัดมลพิษ:  หอคอยและท่อที่ทำจากสแตนเลสช่วยขจัดความเสี่ยงจากการเกิดอนุภาคสนิม ขณะนี้ตัวกรองที่อยู่ด้านปลายน้ำไม่พบการปนเปื้อนของออกไซด์ของเหล็ก — ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสะอาดของแบตเตอรี่
• การลดการบำรุงรักษา:  ไม่มีวาล์วระบายอากาศแบบไซเคิลสูงอีกต่อไป (เครื่องทำแห้งรุ่นเก่าใช้เวลาระบายอากาศทุก 1–2 ชั่วโมง) เครื่องทำแห้งแบบบลาว์เวอร์ระบายอากาศใช้เพียงวาล์วหลักสองตัวต่อหอคอย โดยมีรอบการระบายอากาศทุก 6–8 ชั่วโมง ทำให้การสึกหรอของสารดูดความชื้นลดลงเกือบเป็นศูนย์
• ความสำรองและความสามารถในการปรับขนาด:  ด้วยหน่วยงานทั้งหมดสี่หน่วย (3 หน่วยใช้งาน + 1 หน่วยสำรอง) CATL สามารถดำเนินการบำรุงรักษาเครื่องทำแห้งใดๆ ได้โดยไม่กระทบต่อการผลิต ความจุสำรองนี้ยังรองรับการขยายสายการผลิตในอนาคตด้วย
• ROI:  ต้นทุนติดตั้งรวมประมาณ ¥2,400,000 การประหยัดรายปี (พลังงาน + การบำรุงรักษา) ≈ 520,000 หยวน + 170,000 หยวน = 690,000 หยวน ระยะเวลาคืนทุนประมาณ 3.5 ปี CATL ได้กำหนดมาตรฐานการออกแบบนี้สำหรับโรงงานอื่นๆ ด้วย

ความคิดเห็นจากลูกค้า

“เครื่องทำแห้งแบบเป่าลมที่มีระบบให้ความร้อนของเรารุ่นเก่าสูญเสียอากาศอัดไปถึง 8% และไม่สามารถรักษาอุณหภูมิจุดน้ำค้างที่ -40°C ได้อย่างเชื่อถือได้ แต่เครื่องทำแห้งแบบเป่าลมใหม่ที่ผลิตจากสแตนเลสให้ผลลัพธ์ที่แน่นอนและแม่นยำในด้านจุดน้ำค้าง ไม่มีการสูญเสียอากาศในการเป่าลมเลย และไม่มีปัญหาการปนเปื้อนจากสนิม เฉพาะการประหยัดพลังงานก็เพียงพอที่จะคุ้มค่ากับการอัปเกรดแล้ว”
— ผู้จัดการฝ่ายสาธารณูปโภคอาวุโส โรงงานผลิตแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ CATL