Công nghệ giảm tiếng ồn

Có vào nhà máy điện mới biết những âm thanh của lò hơi, tuabin khí, máy bơm, động cơ đặt tĩnh tại… cộng hưởng lại tạo nên tiếng ồn ào như thế nào. “Công nghệ quạt êm” – ban đầu được phát triển trong lĩnh vực quân sự, hiện đang được áp dụng hữu hiệu nhằm giảm tiếng ồn trong các nhà máy điện.

Quạt gió, đặc biệt là các quạt hút khói (induced draft - ID) ly tâm cỡ lớn trong nhà máy nhiệt điện, với chức năng hút không khí qua lò hơi để rồi thải ra qua ống khói các sản phẩm khí của quá trình cháy, có thể là một vấn đề đặc trưng, tạo tiếng ồn tần số cao hay thấp thay đổi theo tốc độ vận hành của quạt.

Phương pháp truyền thống để giảm tiếng ồn của quạt ly tâm (tiếng ồn của mọi loại quạt nói chung) cho đến nay vẫn là lắp các bộ giảm âm cỡ lớn và đắt tiền, sau đó bọc các bộ phận gây khó chịu này và các đường ống kèm theo trong các rào ngăn, vỏ bọc, vật liệu cách âm và thiết bị triệt âm khác. Tiếng ồn vẫn tồn tại, nhưng về lý thuyết, đã bị giam lại bên trong. Các biện pháp này hiện vẫn được sử dụng rộng rãi như một tiêu chuẩn mặc dù có thể tốn kém trong lắp đặt và bảo trì, và nhiều khi tăng đáng kể hiệu suất quạt và do đó làm tăng điện năng tiêu thụ.

Tuy nhiên, trong thập kỷ vừa qua, một cách tiếp cận mới giúp giải quyết vấn đề tiếng ồn của quạt trong nhà máy nhiệt điện đã xuất hiện. Công nghệ quạt êm (quiet fan technology - QFT), do Trung tâm INVC (Vương quốc Anh) phát triển, ngược hẳn với phương pháp tiếp cận truyền thống. Thay vì lắp đặt trang thiết bị triệt ồn, công nghệ quạt êm hoạt động bằng cách làm yếu chính nguồn tiếng ồn.

Công nghệ quạt êm mở đường tiến lên từ lĩnh vực sinh khối, nhưng có thể áp dụng tốt cho các nhà máy nhiệt điện thông thường. Thật vậy, bằng cách giảm chi phí hoạt động và nâng cao hiệu suất của các quạt hút khói, công nghệ quạt êm có thể đóng góp nhiều trong việc cải thiện độ “xanh” của các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch.

Tần số cao và thấp của tiếng ồn do quạt

Để hiểu về công nghệ quạt êm (QFT) chúng ta cần xem xét tiếng ồn mà công nghệ này muốn giảm thiểu. Thông thường, âm thanh phát ra từ các quạt lớn trong các nhà máy điện là loại tần số thấp. Tất cả các quạt đều tạo ra tiếng ồn tần số thấp (cũng có cả tiếng ồn tần số cao), tuy nhiên vấn đề này tệ hơn đối với các quạt cỡ lớn do chúng quay ở tốc độ thấp (các quạt cỡ lớn phải quay với tốc độ thấp hơn so với các quạt nhỏ để tránh hiện tượng mất cân bằng và để khống chế tốc độ đầu cánh quạt).

Khác với tiếng ồn tần số cao, tiếng ồn tần số thấp nhiều khi chỉ có một cao độ và có khả năng truyền đi xa hơn rất nhiều, và dễ dàng đi xuyên qua cửa sổ và mái nhà của các tòa nhà gần đó. Vì vậy, khi cư dân sống gần các khu công nghiệp kêu ca phàn nàn về tiếng ong ong, ù ù, thịch thịch của các quạt cỡ lớn, cái mà họ kêu ca phàn nàn chính là tiếng ồn tần số thấp.

Trước hết, mọi tiếng ồn đều xuất phát từ hiện tượng chảy rối và xung áp lực tạo ra bởi cánh quạt. “Cao độ” của tiếng ồn thay đổi theo số cánh quạt và tốc độ quay của quạt. Vỏ quạt, động cơ và các rung động trong hệ thống đường ống nối với quạt, cũng đều có thể sinh ra tiếng ồn, mà trong trường hợp của quạt khói, tất cả đều bị đẩy ra ngoài môi trường thông qua ống khói của nhà máy. Trường hợp sử dụng nhiều quạt, sự thay đổi tốc độ giữa các quạt có thể tạo ra tiếng “thịnh thịch” kỳ lạ, đôi khi cách đó nhiều dặm (5 – 7 km) vẫn còn nghe thấy.

Như đã nêu trên, phương pháp truyền thống để xử lý tiếng ồn này cho đến nay vẫn là cố gắng “che giấu” nguồn gây tiếng ồn. Thiết bị giảm âm được đặt trong hệ thống đường ống dẫn khí tới quạt và từ quạt đi, cơ cấu phân luồng (splitter) của chúng có tác dụng hấp thụ tiếng ồn khi tiếng ồn thoát ra khỏi các cánh quạt. Ngoài ra ở đây cũng vậy, kết cấu vỏ âm thanh được lắp vào hoặc vật liệu cách âm quấn quanh vỏ hộp quạt hoặc đường ống dẫn cũng vẫn là nhằm giam tiếng ồn bên trong, trong khi đó bản thân tòa nhà trong đó bố trí quạt nhiều khi lại biến thành một vỏ hộp âm thanh, giúp giảm tiếng ồn đến từ môi trường tại chỗ.

Tất cả các biện pháp này khi lắp đặt và bảo trì đều rất tốn kém; một số biện pháp, đặc biệt là bộ phận giảm thanh, có thể làm gián đoạn dòng khí đi vào quạt và từ quạt ra, ảnh hưởng nghiêm trọng tới hiệu suất của quạt và tăng mức tiêu thụ điện năng.

Peter Wilson, Giám đốc kĩ thuật của INVC đã nghiên cứu trong gần 3 thập kỉ nay các loại tiếng ồn khác nhau do quạt gây ra và ảnh hưởng của các loại tiếng ồn này. Khi xem xét các phương pháp truyền thống xử lý tiếng ồn, ông tin chắc rằng có thể áp dụng một phương pháp mới, sử dụng công nghệ mà Trung tâm INVC đã phát triển cho các quạt nhỏ hơn rất nhiều.

Ông nói: “Các kỹ thuật giảm âm truyền thống giống như thuốc giảm đau trong y học. Các kỹ thuật này chẳng khác gì các loại cao đắp đắt tiền. Chúng không giúp giải quyết vấn đề tận gốc rễ, tức là nguồn gốc của tiếng ồn. Chúng tôi trước tiên đi vào phát triển biện pháp ngăn ngừa tiếng ồn tạo ra bên trong quạt.

Khởi đầu từ những cái nhỏ…

Hai dự án liên quan đến các yêu cầu của Bộ Quốc phòng Anh Quốc đã giúp Trung tâm INVC xây dựng một mô hình có thể chấp nhận được cho phương pháp mới này.

Dự án đầu tiên liên quan đến việc phát triển nguồn cấp không khí áp dụng được cho các bộ quần áo dùng trong môi trường hạt nhân, sinh học, hóa học, loại trang bị bảo hộ được dùng cho nhân viên quân sự làm việc trong môi trường tiềm ẩn nguy hiểm. Bộ Quốc phòng thấy rằng quạt cấp không khí cỡ nhỏ (đường kính 7-8 cm) chạy pin lắp trong bộ quần áo bảo hộ của họ phát ra tiếng gió rít liên tục.

Không lâu sau đó, trong khi thực hiện dự án thứ hai, Trung tâm INVC tìm hiểu quạt của bộ ghế phóng của máy bay phản lực Eurofighter. Ở đây cũng vậy, quạt cấp không khí lại gây rắc rối: Tiếng rít âm vực cao lại ảnh hưởng tới hệ thống thông tin liên lạc của phi công.

Trong cả hai trường hợp, bổ sung thêm các kĩ thuật giảm âm truyền thống sẽ phải đưa vào những vật liệu như bọt hoặc sợi thủy tinh vào hệ thống, điều này không thể chấp nhận đối với các ứng dụng này.

Ông Wilson nói: “Chúng tôi trở về với các nguyên lý ban đầu và nghiên cứu tiếng ồn được hình thành ra sao bên trong bản thân chiếc quạt, với mục đích phát triển cách làm giảm tiếng ồn ngay từ gốc. Tiếng ồn đơn giản là hiện tượng dòng chảy rối (turbulence) và thăng giáng áp lực trong không khí liên quan tới hao phí năng lượng trong quạt. Đường cong hiệu suất của quạt là ảnh đối xứng gương của các đường cong biểu thị mức tiếng ồn của quạt. Mức ồn thấp nhất đạt được khi quạt đạt hiệu suất tối đa.”

Trung tâm INVC học hỏi được từ các chương trình phát triển cho giải đua xe Công thức 1, theo đó các kĩ sư thiết kế một số đặc điểm khí động lực học để kiểm soát dòng không khí chảy quanh xe. Trung tâm đã phát triển một bộ các phương tiện hỗ trợ khí động lực học có thể lắp đặt bên trong vỏ quạt nhằm giảm thiểu biến động áp lực tạo ra bởi dòng không khí tốc độ cao do cánh quạt đẩy ra tương tác với buồng xoắn thân quạt cố định.

Bằng cách giảm thiểu các thăng giáng áp lực, họ thấy rằng có thể giảm tới 99,7% tiếng ồn ngay tại các điểm hình thành, đơn giản bằng cách đặt các phương tiện hỗ trợ khí động lực học vào bên trong buồng xoắn thân quạt.
Khởi đầu từ những cái nho nhỏ: Quạt cấp không khí bé tí xíu dùng cho Bộ Quốc phòng, INVC thành công trong việc vận dụng công nghệ quạt êm (QFT) sang các quạt ly tâm có kích thước lớn hơn nhiều, để rồi áp dụng cho cả các quạt hút khói cỡ lớn sử dụng trong nhà máy nhiệt điện.

… đến những việc lớn

Năm 2011, công nghệ mới này đã được áp dụng thực tế tại nhà máy điện đốt củi gỗ Schiller tại bang New Hampshire (Mỹ). Vào thời điểm đó, nhà máy điện đốt nhiên liệu sinh khối Schiller là nhà máy lớn nhất loại này ở Mỹ.

Jim Granger, kĩ sư trưởng tại nhà máy điện Schiller nói: “Đó là nhà máy điện công suất 50 MW. Vấn đề đối với chúng tôi là khi tổ máy giảm tải xuống còn khoảng 15 MW. Không thường xảy ra, nhưng khi xảy ra, quạt hút khói ly tâm rộng 3 m tạo ra tiếng ồn truyền đi xa, bên kia sông cũng có thể nghe thấy.”

Người dân sống ở Eliot, một thị trấn nhỏ cách nhà máy này bằng con sông Picatagua, đề nghị nhà máy có biện pháp khắc phục tiếng ồn này. Một chuyên gia tư vấn giúp ông Granger liên hệ với Trung tâm INVC và việc áp dụng công nghệ quạt êm (QFT) cho các quạt hút khói đã được quyết định.

Không cần phải thay mới quạt khói hiện có, chỉ cần sửa lại cho phù hợp, thời gian cần thiết để hoàn tất công việc là 12 giờ. Như một biện pháp dự phòng, nhà máy điện Schiller cũng đã lắp đặt thiết bị giảm âm truyền thống trong ống khói của nhà máy (để làm việc này đã phải mất nhiều ngày).

Ông Granger nói: “Sau khi lắp đặt, chúng tôi ghi nhận độ ồn đã giảm 10 dB trong khu vực gần quạt, một kết quả quá lớn. Bởi vì độ ồn giảm tại khu vực gần quạt nên chúng tôi biết rằng phần lớn tiếng ồn giảm đi là nhờ công nghệ quạt êm chứ không phải nhờ hệ thống giảm âm trong ống khói. Người dân thị trấn Eliot cũng hài lòng với kết quả này. Ông Granger cũng ghi nhận dòng điện cấp cho quạt hút khói giảm 20 A sau khi lắp đặt công nghệ quạt êm.

Khía cạnh tiết kiệm điện năng này đóng vai trò then chốt đối với sự tăng trưởng của công nghệ quạt êm trong lĩnh vực sản xuất điện. Ông Willson nói: “Các chiếc quạt lớn trong nhà máy điện tiêu thụ rất nhiều điện năng. Ở các nhà máy điện cũ, thiết bị giảm âm vốn đã được sử dụng trong thời gian dài nên hiệu quả có thể giảm nhiều do hiện tượng tắc nghẽn và ăn mòn, chi phí cần thiết cho công tác bảo trì hoặc thay thế là rất cao. Đồng thời quạt cũng phải làm việc nặng nề hơn.

Nhìn chung, chi phí lắp đặt công nghệ quạt êm chỉ bằng từ 10 tới 30% so với các thiết bị giảm âm truyền thống và các phương pháp tiêu âm tiêu chuẩn khác. Công nghệ quạt êm lại bền lâu, tuổi thọ ngang với tuổi thọ của quạt, không cần phải bận tâm sau khi lắp đặt.

Ở Anh, cũng như ở Mỹ, việc điều tiết vấn đề ô nhiễm tiếng ồn từ công nghiệp thuộc trách nhiệm của cơ quan chức năng địa phương. Mỗi trường hợp được xem xét trong từng bối cảnh cụ thể. Hệ thống điều tiết Ngăn ngừa và Kiểm soát Toàn diện Phát thải (Integrated Pollution Prevention and Control - IPPC) của Cơ quan Môi trường cấp phép hoạt động cho các nhà máy điện dựa theo điều kiện môi trường của từng nhà máy, trong đó qui định giới hạn ồn mà mỗi nhà máy không được vượt quá. Đương nhiên, các nhà máy gần khu vực dân cư sẽ có những giới hạn tương đối ngặt nghèo về mức ồn phải tuân thủ.

Tại nhà máy điện đốt sinh khối Enviropower ở Lancing, Sussex (Anh), Cơ quan Môi trường gần đây xác định rằng tiếng ồn đều đều từ bốn quạt hút khói vượt quá mức cho phép của nhà máy, ảnh hưởng tới đời sống của người dân sinh sống trong khu nhà gần đó.

Nhà máy điện Lancing sản xuất 5 MW điện từ chất thải không thể tái chế, cung cấp điện cho 8.000 hộ gia đình trong khu vực, đã lắp đặt công nghệ quạt êm (QFT) cho 4 quạt, kiềm chế thành công mức ồn trong giới hạn qui định trong giấy phép môi trường của nhà máy.

Cũng như tại nhà máy điện Schiller, công nghệ quạt êm được sử dụng kết hợp với thiết bị giảm âm truyền thống. Đôi khi công nghệ quạt êm hoạt động riêng lẻ, đôi khi lại hoạt động như một phần của dự án cải tạo tích hợp này. Các điều kiện môi trường cụ thể của mỗi quạt sẽ quyết định phương thức hoạt động.

Với việc Anh Quốc và nhiều nước khác ngày càng tìm đến các tổ máy đốt sinh khối nhỏ hơn phục vụ sản xuất điện trong tương lai, luận chứng kinh tế kỹ thuật các nhà máy điện Schiller và Lancing minh họa một sự thật đầy khích lệ, đó là các yêu cầu về tài chính chi cho việc giảm thiểu tiếng ồn của quạt trong giới hạn để có thể bố trí các nhà máy điện và khu vực phát triển nhà ở tương đối gần nhau không còn là cản trở không thể vượt qua.

Cùng với đó, khả năng cho phép tận dụng đất bỏ không trong phạm vi tương đối gần với các nhà máy điện (nhà máy điện đốt sinh khối cũng như truyền thống) để xây dựng nhà ở cũng rất đáng khích lệ: Theo tổ chức từ thiện Chiến dịch Bảo vệ Nông thôn Anh (Campaign to Protect Rural England –  CPRE), thì vào thời điểm năm 2012, nước Anh có đủ đất bỏ không chưa dùng tới để có thể xây dựng khoảng 1,5 triệu ngôi nhà mới.

Quan sát từ xa

Có lẽ ngành sản xuất điện sẽ học được kinh nghiệm từ các lĩnh vực công nghiệp khác, mà ở đó cho đến nay, công nghệ quạt êm (QFT) đã được đón nhận hết sức nồng nhiệt, vì họ mong mỏi tìm giải pháp thay thế cho các phương pháp giảm âm truyền thống mang tính “chữa cháy”.

Công ty sản xuất thép Corus (Luân Đôn, Anh) đã lắp đặt công nghệ quạt êm trên ba quạt ly tâm lớn tại nhà máy Scunthorpe ở Anh, mức tiết kiệm về chi phí vốn, so với các bộ giảm âm truyền thống được xác định bằng khoảng 1,3 triệu USD; khoản tiết kiệm từ việc giảm điện năng tiêu thụ là khoảng 300.000 USD/năm.

Cũng vậy, công nghệ quạt êm đã được lắp đặt cho 5 quạt gió công suất 1,4 MW tại nhà máy lọc dầu BP ở Chicago, Mỹ. Công nghệ này đã thay thế thiết bị giảm âm truyền thống trước đây được sử dụng để làm giảm tiếng ù ù của quạt nhưng lại làm giảm hiệu suất và làm tăng chi phí hoạt động.

Đáng chú ý là mặc dù mỗi chiếc quạt của nhà máy lọc dầu có kích cỡ bằng tòa nhà 2 tầng nhưng Trung tâm INVC lại điều hành từ xa công việc ở Chicago. Các kĩ sư tại hiện trường ở Mỹ đã nhận được sự chỉ đạo từ trụ sở của Trung tâm INVC ở Anh.

Thật vậy, bởi vì công nghệ quạt êm học được kinh nghiệm từ khoa học âm học, nên nhóm nghiên cứu ở Trung tâm INVC nhiều khi có thể chẩn đoán mà chỉ cần dựa trên bằng chứng âm thanh hoặc video, các bằng chứng này hiện nay thường được cung cấp qua điện thoại thông minh. Một khi đã xác lập được tính tương thích với công nghệ quạt êm, họ có thể thiết kế các phương tiện hỗ trợ khí động lực học dựa trên thông số kĩ thuật cụ thể của quạt.

Tất cả dường như quá dễ dàng. Và có lẽ đó lại là lý do vì sao công nghệ quạt êm chưa được triển khai mạnh trong lĩnh vực sản xuất điện với tốc độ mà lẽ ra có thể thực hiện – người ta cứ nghĩ rằng giá phải trả cho sự lặng yên là rất lớn, tốn kém và đòi hỏi thiết kế nhiều - thậm chí ngay cả khi ở một số nơi, công nghệ quạt êm đã được thiết lập như một thông lệ cho loại vấn đề tiếng ồn này.

Tuy nhiên, trong điều kiện ngành điện đang nỗ lực hướng tới một tương lai xanh hơn – và tất cả các tác động liên quan đến chi phí, sử dụng năng lượng, sử dụng đất, v.v., thì điều hoàn toàn logic là công nghệ quạt êm sẽ đóng vai trò quan trọng trong cách ngành điện quản lý tiếng ồn trong những năm tới.
 

• 25/09/2013 02:48
• Theo KHCNĐ
• 14031