Nhà máy sản xuất pin quy mô lớn (Gigafactory) – Nâng cấp từ hệ thống máy sấy khí xả có gia nhiệt sang hệ thống máy sấy khí xả kiểu quạt thổi làm bằng thép không gỉ

Mô tả Meta:  Cách CATL thay thế bốn máy sấy xả khí bằng nhiệt tiêu tốn nhiều năng lượng bằng bốn máy sấy khí hút ẩm kiểu quạt thổi làm bằng thép không gỉ có lưu lượng 85 m³/phút, đạt điểm sương -40°C, không tổn thất khí nén khi xả và giảm 40% mức tiêu thụ năng lượng.

Hình ảnh: 85 Nm³/phút Máy sấy khí hút ẩm kiểu quạt thổi làm bằng thép không gỉ, không xả khí s

Bối Cảnh Khách Hàng

Công ty TNHH Công nghệ Contemporary Amperex (CATL)  , nhà sản xuất pin EV lớn nhất thế giới, vận hành một nhà máy sản xuất quy mô lớn với năng lực sản xuất cao chuyên sản xuất tế bào lithium-ion. Hệ thống khí nén của nhà máy có tổng công suất là 340 m³/phút (20.400 m³/giờ)  , hỗ trợ:

• Phòng sấy phủ điện cực (điểm sương ≤ -40°C bắt buộc)
• Hệ thống điều khiển khí nén cho dây chuyền lắp ráp tốc độ cao
• Xả khí phòng sạch và khí dụng cụ

Việc sản xuất pin nghiêm ngặt tránh sử dụng máy sấy lạnh do nguy cơ mang theo nước dạng lỏng từ hệ thống xả ngưng tụ bị hỏng. Nhà máy ban đầu đã lắp đặt bốn máy sấy hấp phụ kiểu xả có gia nhiệt (gia nhiệt vi mô) , mỗi máy có công suất định mức 85 m³/phút – một lựa chọn phổ biến trước khi công nghệ máy sấy xả bằng quạt trở nên hiệu quả về chi phí.

Điểm đau

Hiện tại máy sấy xả có gia nhiệt  (còn được gọi là máy sấy hấp phụ gia nhiệt vi mô hoặc máy sấy hấp phụ gia nhiệt bên ngoài) đã gây ra một số vấn đề vận hành và tài chính:

• Tổn thất khí xả đáng kể:  Máy sấy xả có gia nhiệt vẫn tiêu thụ 5–8% lưu lượng định mức  để tái sinh – ngay cả khi sử dụng bộ gia nhiệt điện. Đối với bốn máy có công suất 85 m³/phút hoạt động song song (tổng lưu lượng khoảng 300–340 m³/phút), điều này đồng nghĩa với việc ~20 m³/phút khí nén khô liên tục bị xả ra ngoài  vào khí quyển.
• Tiêu thụ điện năng cao:  Mỗi máy sấy yêu cầu bộ gia nhiệt điện (thông thường từ 15–25 kW) trong giai đoạn tái sinh, làm tăng chi phí năng lượng.
• Độ ổn định của điểm sương dưới tải đỉnh:  Vào mùa hè, nhiệt độ và độ ẩm đầu vào cao làm giảm hiệu quả tái sinh. Điểm sương thỉnh thoảng tăng lên trên mức -35°C , gây lo ngại trong việc giám sát phòng khô.
• Mài mòn van và bảo trì:  Tần số chu kỳ (thông thường từ 60–120 phút) khiến các van điều khiển bằng khí nén bị mài mòn sau mỗi 12–18 tháng. Sự hao mòn chất hút ẩm do dao động áp suất thường xuyên sinh ra bụi, làm tắc nghẽn bộ lọc phía hạ lưu.
• Rủi ro từ kết cấu thép cacbon:  Các máy sấy ban đầu sử dụng tháp và đường ống làm bằng thép cacbon. Theo thời gian, các hạt gỉ bên trong hình thành, gây nguy cơ nhiễm bẩn môi trường phòng khô – điều không thể chấp nhận được trong sản xuất pin.

Hình ảnh: 85 Nm³/phút Máy sấy khí hút ẩm kiểu quạt thổi làm bằng thép không gỉ, không xả khí

CATL cần một giải pháp sấy không xả khí, độ tin cậy cực cao  với bộ phận tiếp xúc với khí làm bằng thép không gỉ  để loại bỏ rủi ro ăn mòn và khả năng mở rộng cho các dây chuyền sản xuất trong tương lai.

Tại sao không chọn máy sấy kiểu Tận dụng Nhiệt Nén (HOC)?

Mặc dù máy sấy HOC không xả khí và không tiêu thụ điện để gia nhiệt, nhưng chúng yêu cầu nhiệt độ đầu ra của máy nén phía trước phải luôn duy trì trên 120°C. Các máy nén trục vít không dầu hiện có của CATL, dù hiện đại, lại vận hành ở tải biến đổi và đôi khi xả khí ở nhiệt độ dưới 100°C trong điều kiện tải thấp. Việc áp dụng HOC sẽ đòi hỏi bổ sung nguồn nhiệt hoặc điều khiển đi tắt, làm tăng độ phức tạp. Khách hàng ưu tiên lựa chọn một thiết kế máy sấy hấp phụ kiểu thổi khí đã được kiểm chứng và hoạt động độc lập  không phụ thuộc vào sự biến đổi tải của máy nén.

Giải pháp của chúng tôi

Chúng tôi đề xuất thay thế bốn máy sấy hấp phụ kiểu gia nhiệt và xả khí hiện hữu bằng bốn máy sấy hấp phụ kiểu thổi khí mới làm bằng thép không gỉ  – mỗi máy có công suất định mức 85 m³/phút (5100 m³/giờ)  , được cấu hình song song (ba máy vận hành, một máy dự phòng). Hệ thống sử dụng không khí môi trường đã được làm nóng để tái sinh  mà không gây tổn thất khí nén trong quá trình xả.

Thiết bị chính

• Máy sấy:  Bốn BlowerDry-HRB-850GRD  máy sấy hấp phụ, mỗi máy có công suất 85 m³/phút. Tất cả các bộ phận tiếp xúc với khí (tháp, đường ống, van) đều được thép không gỉ 304  – loại bỏ hoàn toàn gỉ sắt và đảm bảo độ sạch đạt tiêu chuẩn dược phẩm/tiêu chuẩn pin.
• Phương pháp tái sinh:  Một quạt hiệu suất cao hút không khí môi trường, đưa qua bộ gia nhiệt điện (làm tăng nhiệt độ lên 150–200°C ) và xả tháp vận hành ngoài mạng. Không khí chứa độ ẩm được xả ra ngoài. Không sử dụng khí nén từ mạng lưới nhà máy  – tổn thất xả bằng không. Làm mát được thực hiện bằng không khí môi trường không được đun nóng thông qua cùng một quạt thổi.
• Hệ thống điều khiển:  Một PLC chủ (Siemens S7-1500) điều phối hoạt động của bốn máy sấy, cân bằng thời gian vận hành và tự động chuyển đổi sang thiết bị dự phòng khi máy sấy đang vận hành đạt đến khoảng thời gian bảo trì định kỳ. Giám sát điểm sương trực tuyến (≤ -40°C) và cảnh báo từ xa được tích hợp vào hệ thống điều khiển phân tán (DCS) của CATL.
• Lọc:  Bộ lọc sơ cấp (1 µm) loại bỏ các mảnh vỡ gỉ sét trong đường ống; bộ lọc sau (0,01 µm) bắt giữ các hạt chất hút ẩm bị mài mòn. Không cần bộ lọc dầu (do sử dụng máy nén không có dầu ở đầu vào).

Thông số hiệu suất

Hình ảnh: Sơ đồ kết nối hệ thống nén khí

Giao hàng & Lắp đặt

Dự án được thực hiện trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch kéo dài 3 tuần:

• Thiết kế & Kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (FAT) (5 tuần):  Phê duyệt thiết kế kỹ thuật, chứng chỉ vật liệu thép không gỉ và kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (FAT) đối với cả bốn máy sấy.
• Giao hàng (2 tuần sau FAT):  Giao đến tổ hợp nhà máy sản xuất pin quy mô lớn (gigafactory).
• Lắp đặt (3 tuần):  

• • Tháo dỡ bốn máy sấy làm khô bằng khí nóng cũ.
  • Lắp đặt các máy sấy kiểu quạt mới bằng thép không gỉ trên các bệ lắp đặt nhỏ gọn (compact skids).
  • Cấu hình lại hệ thống ống dẫn để vận hành theo cấu hình 3 máy hoạt động + 1 máy dự phòng.
  • Nâng cấp nguồn cung cấp điện cho các quạt và bộ gia nhiệt.
  • Đã kết nối với hệ thống DCS.

• Vận hành thử (1 tuần):  Kiểm tra rò rỉ, hiệu chuẩn điểm sương và đào tạo vận hành viên.

Không xảy ra thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch.

Kết quả và Lợi ích (12 tháng sau khi đưa vào vận hành)

*Mất khí xả (purge loss) yêu cầu sản xuất thêm 20 m³/phút khí nén. Công suất riêng điển hình của máy nén trục vít không dầu là 6 kW trên mỗi m³/phút → tiết kiệm 120 kW công suất máy nén liên tục.

Các lợi ích có thể lượng hóa

• Tiết Kiệm Năng Lượng:  Việc loại bỏ tổn thất khí xả đã tiết kiệm khoảng 120 kW công suất máy nén. Việc giảm công suất của bộ gia nhiệt và quạt cũng góp phần tiết kiệm thêm. Tổng lượng điện tiết kiệm hàng năm: ≈¥520,000 (dựa trên giá ¥0,70/kWh, hoạt động 24/7/365).
• Độ tin cậy sản xuất:  Điểm sương chưa bao giờ vượt quá -40°C. Kiểm soát độ ẩm trong phòng khô trở nên ổn định hơn và không có báo cáo nào về các khuyết tật lớp phủ do độ ẩm gây ra.
• Loại bỏ nhiễm bẩn:  Các tháp và đường ống bằng thép không gỉ đã loại bỏ nguy cơ xuất hiện các hạt gỉ. Các bộ lọc ở hạ lưu hiện không còn phát hiện nhiễm ôxít sắt – yếu tố then chốt đảm bảo độ sạch cho pin.
• Giảm bảo trì:  Không còn van xả chu kỳ cao (các máy sấy cũ sử dụng van xả hoạt động mỗi 1–2 giờ). Máy sấy kiểu quạt thổi có van xả chỉ gồm hai van chính trên mỗi tháp với chu kỳ 6–8 giờ. Hiện tượng mài mòn chất hút ẩm gần như đã chấm dứt.
• Dự phòng và khả năng mở rộng:  Với bốn đơn vị (3 hoạt động + 1 dự phòng), CATL có thể thực hiện bảo trì bất kỳ máy sấy nào mà không làm gián đoạn sản xuất. Công suất dự phòng cũng đáp ứng được nhu cầu mở rộng dây chuyền trong tương lai.
• ROI:  Tổng chi phí lắp đặt ≈ ¥2,400,000. Tiết kiệm hàng năm (năng lượng + bảo trì) ≈ ¥520.000 + ¥170.000 = ¥690.000. Thời gian hoàn vốn khoảng 3,5 năm . CATL đã chuẩn hóa thiết kế này cho các nhà máy khác.

Phản hồi của Khách hàng

“Các máy sấy xả khí gia nhiệt cũ của chúng tôi đã làm thất thoát 8% lượng khí nén và không thể duy trì độ điểm sương -40°C một cách ổn định. Các máy sấy xả khí kiểu quạt mới bằng thép không gỉ mang lại cho chúng tôi độ điểm sương cực kỳ ổn định, không thất thoát khí xả và hoàn toàn không bị nhiễm bẩn do gỉ sắt. Riêng khoản tiết kiệm năng lượng đã đủ để biện minh cho việc nâng cấp này.”
— Quản lý Cơ sở Hạ tầng Cấp cao, Nhà máy sản xuất pin quy mô lớn CATL