NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MÁY NÉN KHÍ VÀ TỜI TRỤC MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH ThS Vũ ThếNam ThS Vũ Tuấn Anh ThS Phạm Thanh Liêm Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin Năng lượng nhân tố chủ chốt, đóng vai trò quan trọng hoạt động tổ chức doanh nghiệp Việc thiếu hụt lượng chi phí dành cho lượng ngày tăng dần trở thành thách thức không nhỏ quốc gia doanh nghiệp việc đảm bảo đáp ứng nguồn lượng phục vụ cho mục tiêu tăng trưởng phát triển Trong việc tìm kiếm nguồn lượng mới, lượng tái tạo hay lượng thay phải nhiều thời gian việc quản lý lượng hiệu nhằm giảm tiêu hao lượng giảm chi phí lượng trở thành vấn đề thu hút quan tâm nhiều người tổ chức khác Đối với đơn vị ngành than lượng phục vụ cho sản xuất chủ yếu điện năng, dầu xăng Mỗi đơn vị sản xuất Tập đoàn có đặc thù riêng điều kiện địa chất mỏ phức tạp, công nghệ sản xuất khác nhau, thiết bị người phải làm việc môi trường khắc nghiệt có khí bụi nổ, ẩm ướt, nhiệt độ cao, không gian chật hẹp, thường xuyên phải di chuyển, chịu đe dọa nguy an toàn cao Trong khâu sản xuất đơn vị sản xuất than hầm lò, khâu vận tải mỏ, khâu khí nén thiết bị tham gia trực tiếp thực đào lò khai thác than, vận chuyển than liên tục Tỷ lệ tiêu thụ điện khâu chiếm tỷ lệ lớn 29% 15% hình Tiềm thực tiết kiệm lượng cho khâu theo đánh giá sơ tương đối lớn Chính vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu thực trạng hoạt động giải pháp kỹ thuật tiên tiến nâng cao hiệu vận hành an toàn thiết bị với sử dụng tiết kiệm lượng nhu cầu cấp bách cần thiết Hình Tỷ lệ tiêu thụ điện thiết bị phục vụ sản xuất than hầm lò (Nguồn: Nhiệm Vụ Bộ Công Thương năm 2013) Thực trạng hoạt động thiết bị máy nén khí tời trục mỏ than hầm lò 1.1 Máy nén khí trung tâm Các máy nén khí trung tâm tại các mỏ sử dụng loại 4L-20/8 Trung Quốc sản xuất với lưu lượng khí nén trạm 20m /phút, áp lực at, công suất động điện máy Pđm=132 kW Máy nén hoạt động liên tục 24h/24h, thông số máy nén khí sau: Kiểu: 4L-20/8, trục vít Động cơ: Không đồng pha kiểu rô to lồng sóc Loại: Y315M2 - Công suất: 132 kW Tốc độ quay: 740 v/p, f = 50Hz - Điện áp: 380/660 V-Y/∆, I=256/153 A - Áp lực nén: Cấp I:0,18÷0,22 Mpa; Cấp II: 0,88 Mpa Các đơn vị khai thác than hầm lò sử dụng máy nén khí với đặc điểm chung có nhiều trạm đặt vị trí khác để phục vụ sản xuất trạm lại có từ 2÷5 máy Chế độ vận hành máy nén khí chạy luân phiên, tùy thuộc vào nhu cầu mà số lượng máy vận hành với số lượng thích hợp Trong thời gian máy nén khí hoạt động có trạng thái: mang tải với công suất hoạt động trung bình Ptb=112,14÷130kW rã tải với công suất trung bình Ptb=19,29÷46,04kW tỷ lệ thời gian chạy trạng thái mang tải-rã tải thay đổi phụ thuộc lớn vào nhu cầu sử dụng khí nén Một số Công ty trang bị cuộn kháng giúp giảm dòng khởi động động máy nén khí (như Quang Hanh, Mạo Khê, Vàng Danh, Mông Dương v.v) Tuy nhiên, qua kết đo kiểm cho thấy dòng khởi động động cao, sau trình khởi động thiết bị tác dụng giúp tiết kiệm điện Vì chưa phải giải pháp tối ưu áp dụng cho máy nén khí - Hình Sơ đồ phân phối khí nén phục vụ sản xuất 1.2 Tời trục Các đơn vị sản xuất than hầm lò sử dụng nhiều loại trục tời khác (trong lò, mặt bằng, khu vực giếng) nhằm phục vụ hỗ trợ người bộ, vận tải người nguyên vật liệu Tổ hợp thiết bị điều khiển trục tời thường gồm: đảo chiều (vd loại PKB-300), hãm động (vd loại KДTB-300 BДTB-400), cắt trở rô to (vd loại БK3B-400, với biến trở ngâm dầu loại BЖP) Ngoài ra, sơ đồ hệ truyền động cần phải có khởi động từ đảo chiều phanh điện từ Khi khởi động, động phanh đồng thời đóng điện Các trục tời thường dẫn động động roto dây quấn, khởi động điều chỉnh tốc độ điều khiển cắt trở Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển chân giếng không liên tục nên trục tải vận hành chế độ ngắt quãng, thường xuyên phải khởi động hãm gây tổn thất nhiều lượng điện (hình 3) 3y 3y 2y 2y 1y 1y Hình Sơ đồ hệ truyền động trục tời mỏ khai thác than hầm lò Do sử dụng hệ thống điều khiển kiểu cũ, khởi động trực tiếp qua khởi động từ, hoạt động với hệ số mang tải nhỏ nên hầu hết động tời có hệ số công suất không cao (bảng 1), hệ số công suất ảnh hưởng đến thiết bị khác lưới điện ảnh hưởng đến trình truyền tải lượng lưới Khi hệ số công suất thấp làm tăng tổn hao đường truyền Bảng Tổng hợp kết đo kiểm công suất hệ số công suất tời trục đơn vị khai thác than hầm lò STT Thiết bị Công ty CP than Vàng Danh Công ty CP than Hà Lầm Xí nghiệp than Cao Thắng Công ty TNHH than Quang Hanh Vị trí Động tời trục giếng Vàng Danh Tời trục giếng phụ cánh gà tây Vàng Danh Tời trục giếng ngầm trục -51 Tời kéo goòng EKO D30 (Pđm=30kW) Tời trục mặt cửa lò +27 Tời trục hầm lò – PX VT lò Pđm (kW) Ptb (kw) Hệ số cosφ % mang tải 132 80,375 0,57 60,0 255 125,91 0,87 49,38 55 16,15 0,71 29,36 30 6,25 0,31 20,83 55 52,28 0.62 95,05 45 16,5 0,68 36,67 (Nguồn: Kết kiểm toán lượng đơn vị) Ngoài ra, hệ thống tời trục giếng mỏ hầm lò với công suất động từ trung bình tới lớn hầu hết vận hành theo tính chất tải không liên tục (Hình 4) Hệ số công suất thấp, trình khởi động hãm xảy liên tục gây tổn thất điện lớn, giảm tuổi thọ bối dây động khởi động nhiều lần, giảm tuổi thọ cấu momen khởi động lớn Đây nhược điểm loại tời trục với công nghệ điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở rôto, điều khiển dừng tời hãm tời cách hãm động động phanh khí để dừng hẳn tời Vì vậy, khâu có tiềm tiết kiệm lượng cần nghiên cứu hỗ trợ giải pháp Hình Biểu đồ Công suất tời giếng ngầm mức -51 Công ty Cổ phần than Hà Lầm - Vinacomin Đề xuất giải pháp đánh giá tiềm tiết kiệm Từ thực trạng hoạt động thiết bị máy nén khí tời trục mỏ hầm lò, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu đánh giá tính khả thi áp dụng giải pháp điều khiển truyền động điện nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị, tiết kiệm điện năng, dễ dàng vận hành cho người công nhân,cụ thể sau: 2.1 Đối với máy nén khí trung tâm 4L-20/8 * Giải pháp đề xuất: Theo kết đo kiểm, phân tích số liệu trạng vận hành máy nén khí trung tâm 4L-20/8 (132kW) mỏ khai thác than hầm lò Dữ liệu công suất lúc chạy có tải không tải thống kê bảng đây: Bảng Tổng hợp kết đo kiểm công suất hệ số công suất máy nén khí đơn vị khai thác than hầm lò Đơn vị Vị trí Công suất (kW) Cosφ Có tải Không tải Có tải Không tải Mặt +110 117,10 đông Vàng Danh Mỏ Hồng Thái Mặt +30 130,18 Máy số 3Mỏ Đồng MB+131 Đông 115,11 Vông Vàng Danh Mỏ Cao Thắng Cái Đá 119,56 Mỏ than 86 Mặt +55 117,09 Mỏ Dương Mặt +38 118,85 Huy Mỏ Quang Máy số 3-Trạm 112,14 Mỏ Vàng Danh 46,04 0,76 0,68 29,20 0,83 0,38 19,43 0,82 0,23 27,94 24,09 0,79 0,93 0,32 0,83 19,29 0,82 0,27 36,23 0,75 0,34 Hanh Mỏ than 790 MB+27 Mặt +57 128,54 41,09 0,83 0,59 (Nguồn: Kết kiểm toán lượng đơn vị) Với đặc điểm máy nén khí hoạt động phụ thuộc vào mức tải sử dụng, phụ tải tiêu thụ nhiều khí nén máy hoạt động liên tục, nhu cầu sử dụng khí nén không lớn khí nén bình tích áp, áp suất bình tích áp tăng tăng đến giá trị áp suất đặt máy chuyển sang chế độ chạy rã tải Lúc khí nén không cấp vào bình động chạy thời điểm động chạy không tải Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng khí nén mà thời gian chạy không tải dài hay ngắn Kết phân tích số liệu đo kiểm cho thấy với tỷ lệ thời gian chạy không tải động hoạt động với công suất Ptb=19,29÷46,04kW, khoảng thời gian có hội tiết kiệm điện lớn có giải pháp hợp lý Với trạng vậy, giải pháp tiết kiệm điện cho máy nén khí ứng dụng thiết bị điện tử công suất phân tích là: khởi động mềm, biến tần Powerboss, chi tiết sau: - Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm): + Khởi động mềm có tác dụng làm giảm dòng khởi động động cơ, sau trình khởi động thiết bị chức giúp tiết kiệm điện Máy nén khí có chế độ làm việc không tải với công suất hoạt động trung bình Ptb=19,29÷46,04kW Thời gian làm việc không tải phụ thuộc vào mức độ tải tiêu thụ, khoảng thời gian hoạt động non tải khởi động mềm lại khả điều chỉnh công suất hoạt động làm giảm điện tiêu thụ ích Vì vậy, giả thiết lắp khởi động mềm máy nén khí 4L-20/8 chưa phải giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm điện - Đối với giải pháp lắp thiết bị biến tần: + Biến tần đạt hiệu cao phương diện tiết kiệm điện điều chỉnh tốc độ động Tuy nhiên, giả thuyết việc lắp đặt biến tần điều chỉnh tốc độ cho máy nén khí không tối ưu vì: giảm tốc độ động cơ, dẫn tới cấu tay quay cấp dầu bôi trơn cho pittong làm việc không đảm bảo, không cung cấp đủ dầu bôi trơn cho hệ thống pittong Điều nguy hiểm không đủ dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, xuất ma sát lớn sinh nhiệt gây phá huỷ hệ thống xylanh-pittong Với đặc điểm công nghệ vận hành máy nén khí 4L-20/8 trình chạy không tải, tốc độ động không thay đổi để đảm bảo cấu tay quay làm việc ổn định đủ lực văng nhằm mục đích cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, lắp biến tần vào giải pháp không tối ưu để tiết kiệm lượng - Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất Powerboss: + Do yếu tố công nghệ máy nén khí 4L-20/8 chạy không tải, tốc độ động phải không thay đổi để đảm bảo cấu tay quay làm việc ổn định đủ lực văng nhằm mục đích cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong Giải pháp sử dụng powerboss liên tục điều chỉnh điện áp đến động cách điều khiển thay đổi điểm mở Thyristors Điều khiển tác động liên tục thay đổi điện áp đặt lên động phần mềm điều khiển tích hợp sẵn vi điều khiển Vì vậy, powerboss tự động điều chỉnh công suất động nén khí theo nhu cầu tải thực tế, từ làm giảm điện tiêu thụ thời điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động không thay đổi suốt trình hoạt động Tại thời điểm làm việc không tải tiết kiệm điện đồng thời không làm thay đổi tốc độ động cơ, đảm bảo cấu tay quay cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong làm việc ổn định Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm giải pháp trên, kết cho thấy giải pháp lắp điều khiển công suất Powerboss cho máy nén khí loại 4L-20/8 hợp lý phương diện kỹ thuật đầu tư * Tiềm tiết kiệm: Theo kết đo kiểm phân tích lựa chọn giải pháp cho máy nén khí 4L-20/8, ước tính tiềm tiết kiệm sơ đầu tư Powerboss cho máy nén khí mỏ Vàng Danh, Hồng Thái, Đồng Vông, Kết tính toán sơ tiềm tổng hợp bảng đây: Bảng Tiềm tiết kiệm điện lắp thiết bị điều khiển công suất cho máy nén khí 4L-20/8 CPTK ĐNTK TT Đơn vị Vị trí (1.000đ/nă (kWh/năm) m) Công ty than Mặt +110 36.918 55.377 Vàng Danh đông Vàng Danh Công ty than Mặt +30 42.215 63.323 Hồng Thái Công ty than MB+131 Đông 40.318 60.477 Đồng Vông Vàng Danh Xí nghiệp than Mặt +55 40.837 61.256 86 Công ty than Mặt +38 36.737 55.106 Dương Huy Công ty than Máy số - trạm 40.337 60.506 Quang Hanh MB+27 Như vậy, theo kết tính toán sơ lượng điện tiết kiệm thực đầu tư thiết bị powerboss dao động từ 32.785÷42.215kWh tương ứng với chi phí tiết kiệm đạt từ 49,178÷63,323 triệu đồng/năm Lượng tiết kiệm tùy thuộc vào đặc điểm hoạt động yêu cầu công nghệ tiêu thụ khí nén riêng đơn vị Vì vậy, theo đánh giá tiềm tiết kiệm lượng giải pháp lắp powerboss cho máy nén khí 4L-20/8 hoàn toàn khả thi 2.2 Đối với thiết bị tời trục * Giải pháp đề xuất: Các tời trục thường sử dụng kéo đất đá lên đưa vật liệu xuống theo giếng nghiêng, cửa lò phụ Trục tời dẫn động động roto dây quấn, khởi động điều chỉnh tốc độ điều khiển đóng/cẳt cấp điện trở phụ Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển chân giếng không liên tục nên trục tải vận hành chế độ ngắt quãng, thường xuyên phải khởi động hãm gây tổn thất nhiều lượng điện Kết đo kiểm bảng cho thấy công suất hoạt động trung bình tời trục Ptb=6,25÷125,91kW; phần trăm mang tải động tùy theo tải thực tế từ 20,83÷60,0% Như vậy, tời trục thường hoạt động non tải trình làm việc Vì giải pháp tiết kiệm điện áp dụng lắp khởi động mềm, powerboss biến tần cho tời trục, chi tiết sau: - Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất powerboss: Thiết bị tự động điều chỉnh công suất động tời trục theo nhu cầu tải thực tế dựa nguyên lý cấp lượng điện áp phù hợp cho động cơ, dẫn tới làm giảm điện tiêu thụ thời điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động không thay đổi suốt trình hoạt động Đối với trình làm việc tời trục lúc thả tải lúc kéo tải tốc độ phải thay đổi để phù hợp với tải đoạn đường dốc trình kéo tải tời Như việc ứng dụng lắp đặt cho tời trục thiết bị powerboss gặp khó khăn không hợp lý điều khiển - Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm, cuộn kháng, đổi nối sao-tam giác): Thiết bị có tác dụng làm giảm dòng khởi động động cơ, sau trình khởi động thiết bị chức giúp tiết kiệm điện - Đối với giải pháp lắp biến tần: Khi lắp biến tần cho động tời, toán điều chỉnh tốc độ động phù hợp với tải biến thiên hành trình kéo thả tải giải triệt để Trong trình thả tải, biến tần hãm dừng động theo phương pháp hãm động tiêu tán lượng điện trở nhiệt hãm tái sinh (phát lượng lưới) nhờ mạch hãm tái sinh biến tần (hình 5) Hình Mô hình kết hợp biến tần điều khiển động trục tời có hãm tái sinh trả lượng lưới Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm giải pháp trên, kết cho thấy giải pháp lắp biến tần để điều khiển trục tời hợp lý phương diện kỹ thuật tiềm tiết kiệm đem lại đầu tư * Tiềm tiết kiệm: Tổng hợp tiềm tiết kiệm điện áp dụng giải pháp lắp biến tần cho tời trục tính toán bảng Bảng 4.Tiềm tiết kiệm điện lắpbiến điều khiển trục tời Pđm Ptb (kW) (kW) TT Vị trí Động tời trục giếng Vàng Danh Tời trục giếng phụ cánh gà tây Vàng Danh Tời trục ngầm -51 Hà Lầm Tời trục mặt cửa lò +27 Quang Hanh Tời trục hầm lò- PX VT lò Quang Hanh Tiết Tiết kiệm kiệm (%) (kWh) 132 80,38 6,23 59.209,9 255 125,92 7,35 55 16,15 5,51 134.946, 21.828,4 55 52,28 4,12 16.326,5 45 16,50 3,31 10.731,0 Qua bảng tổng hợp tiềm tiết kiệm áp dụng biến tần cho trục tời ta thấy: lắp biến tần cho tời lượng điện tiết kiệm dao động từ 3,31% đến 7,35%, lượng tiết kiệm thay đổi tùy thuộc vào loại tời hoạt động tời Theo kết tính toán tiềm tiết kiệm đầu tư biến tần vào điều khiển vận hành tời trục hầm lò, ước tính điện tiết kiệm từ 10.731÷134.946 kWh/năm tương đương chi phí tiết kiệm 15,023÷188,924 triệu/năm Thời gian hoàn vốn giản đơn khoảng gần năm, giải pháp tiết kiệm đề xuất cho tời theo phân tích hiệu kỹ thuật - kinh tế hoàn toàn khả thi Kết luận Theo kết phân tích ước tính tiềm tiết kiệm cho thiết bị tời trục, máy nén khí 20 đơn vị khai thác than hầm lò Kết hợp theo dõi trình làm việc thiết bị theo công nghệ sản xuất biến thiên công suất động tời trục, máy nén khí ca sản xuất Biện pháp tiết kiệm lượng ứng dụng thiết bị điều khiển công nghệ tiên tiến có sử dụng thiết bị điện tử công suất phân tích nghiên cứu đề xuất sau: - Đối với trục tời: Giải pháp lắp biến tần có tính hãm tái sinh để điều khiển tốc độ động giúp tiết kiệm điện, ổn định lưới điện khu vực, nâng cao hiệu làm việc, kéo dài tuổi thọ động - Đối với máy nén khí 4L-20/8: Giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất Powerboss cho máy nén khí giúp tiết kiệm điện năng, nâng cao hiệu suất làm việc, kéo dài tuổi thọ động Tài liệu tham khảo: [1] Báo cáo Phát triển công nghiệp toàn cầu 2011 Tổ chức Phát triển công nghiệp Liên Hợp Quốc (UNIDO) công bố ngày 7/3/2012 Hà Nội [2] Luật Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu - 2010 [3] Bộ tiêu chuẩn ISO 50001:2011 tổ chức ISO www.ISO.org ... tần cho tời trục tính toán bảng Bảng 4.Tiềm tiết kiệm điện lắpbiến điều khiển trục tời Pđm Ptb (kW) (kW) TT Vị trí Động tời trục giếng Vàng Danh Tời trục giếng phụ cánh gà tây Vàng Danh Tời trục. .. Động tời trục giếng Vàng Danh Tời trục giếng phụ cánh gà tây Vàng Danh Tời trục giếng ngầm trục -51 Tời kéo goòng EKO D30 (Pđm=30kW) Tời trục mặt cửa lò +27 Tời trục hầm lò – PX VT lò Pđm (kW)... kiệm áp dụng biến tần cho trục tời ta thấy: lắp biến tần cho tời lượng điện tiết kiệm dao động từ 3,31% đến 7,35%, lượng tiết kiệm thay đổi tùy thuộc vào loại tời hoạt động tời Theo kết tính toán