Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa chế độ việc của quạt gió chính mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm xác định chế độ làm việc tối ưu của các quạt gió chính trong những ngày mỏ làm việc và các ngày mỏ nghỉ làm việc, nhằm đảm bảo an toàn môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần có được cơ sở để điều chỉnh quy định hiện hành phù hợp với thực tế sản xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa chế độ việc của quạt gió chính mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT =======o0o======= NGUYỄN CAO KHẢI TỐI ƢU HOÁ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Khai thác mỏ Mã sô: 9520603 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
Công trình đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Khai thác hầm lò Khoa Mỏ, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS. NGUT. Trần Xuân Hà Phản biện 1: PGS. TS Phùng Mạnh Đắc, Hội KHCN mỏ Việt Nam Phản biện 2: TS Nguyễn Anh Tuấn, Tập đoàn công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam Phản biện 3: TS Trần Tú Ba, Viện KHCN mỏ - Vinacomin Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá Luận án cấp Trƣờng tại Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi.........giờ.......ngày.......tháng.......năm 2018 Địa chỉ tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Luận án Để đảm bảo cho một mỏ than hầm lò hoạt động bình thường cần thiết phải đưa vào mỏ một lượng gió sạch nhất định suốt 24/24 giờ hàng ngày. Lượng gió yêu cầu được xác định theo tính toán bằng tổng nhu cầu lưu lượng gió cho các khâu trong dây chuyền công nghệ khai thác mỏ như: Lò chợ khấu than, lò chuẩn bị, các hầm bơm, trạm điện, bù đắp lượng gió bị tiêu hao mất mát trong hệ thống các đường lò và được đưa vào mỏ nhờ một hoặc một số quạt gió chính. Chế độ làm việc của các quạt gió chính được xác định trên cơ sở tạo ra lưu lượng gió cần thiết đưa vào mỏ và chi phí điện năng để duy trì chế độ làm việc này của các quạt gió chính là rất lớn, theo đánh giá chiếm khoảng 25% tổng chi phí điện năng cho toàn bộ các khâu trong dây chuyền công nghệ mỏ. Một thực tế là nhu cầu gió khác nhau giữa ngày sản xuất với các ngày dừng các hoạt động sản xuất, và khác nhau ngay trong một ca sản xuất ở từng khâu công nghệ khác nhau. Tuy nhiên, ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh hiện nay, các quạt gió chính đều hoạt động theo một chế độ làm việc cố định, tức là luôn cung cấp vào mỏ một lượng gió cố định trong suốt thời gian các ngày trong năm, dẫn đến dư thừa một lượng gió lớn không cần thiết ở những ngày mỏ dừng các hoạt động sản xuất và ở những khoảng thời gian không đòi hỏi nhu cầu lượng gió như tính toán hiện nay, gây lãng phí lớn điện năng tiêu thụ. Chế độ làm việc của quạt gió chính liên quan trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng. Xác định một chế độ làm việc tối ưu, vừa thỏa mãn cung cấp đủ lượng gió cần thiết theo kế hoạch sản xuất của mỏ, vừa giảm tối đa lãng phí điện năng tiêu thụ là nhu cầu thực tế, nhất là trog bối cảnh các mỏ than hầm lò ngày càng đóng vai trò lớn trong việc đáp ứng nhu cầu sản lượng theo Quy hoạch phát triển ngành Than. Chính vì vậy, đề tài luận án: “Tối ưu hóa chế độ việc của quạt gió chính mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh” là cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tế. 2. Mục tiêu nghiên cứu của Luận án Xác định chế độ làm việc tối ưu của các quạt gió chính trong những ngày mỏ làm việc và các ngày mỏ nghỉ làm việc, nhằm đảm bảo an toàn môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần có được cơ sở để điều chỉnh quy định hiện hành phù hợp với thực tế sản xuất. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án: Chế độ làm việc của các quạt gió chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: Các mỏ than hầm lò điển hình vùng Quảng Ninh. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án Ý nghĩa khoa học: - Kết quả nghiên cứu của luận án đã luận giải một cách khoa học mối liên hệ giữa lưu lượng gió yêu cầu của mỏ và kế hoạch tổ chức sản xuất của mỏ trong ngày làm việc, trong những ngày nghỉ để làm cơ sở xác định chế độ làm việc của các quạt gió chính, đảm bảo an toàn và sử dụng điện tiết kiệm hiệu quả, góp phần giảm giá thành khai thác than. - Xây dựng phương pháp luận về tối ưu hoá chế độ làm việc của các quạt gió chính ở mỏ than hầm lò nhằm đáp ứng yêu cầu thông gió mỏ. Tự động hóa chế độ làm việc của các quạt gió chính theo yêu cầu nhờ sử dụng biến tần.
Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của Luận án áp dụng cho các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của công tác thông gió mỏ. - Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở để nghiên cứu bổ sung, chỉnh sửa các quy định trong công tác thông gió chung của mỏ than hầm lò. 5. Điểm mới của Luận án - Xác định được nhu cầu gió sạch cho mỏ than hầm lò phụ thuộc vào kế hoạch sản xuất, tức là phụ thuộc vào thời gian trong ngày làm việc, trong ngày nghỉ; - Lựa chọn được giải pháp tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; - Xây dựng được sơ đồ tổng quát và sơ đồ thuật toán tự động điều chỉnh chế độ làm việc của quạt gió chính nhờ sử dụng biến tần; - Xây dựng chương trình tính toán hiệu quả khi sử dụng biến tần để tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính. 6. Luận điểm bảo vệ của luận án - Lượng gió cần thiết cho mỏ khi sản xuất bình thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi các yếu tố đó thay đổi trong ngày làm việc và ngày nghỉ thì lượng gió cần thiết đưa vào mỏ cũng thay đổi; - Chế độ làm việc tối ưu của quạt gió chính cần thay đổi theo kế hoạch sản xuất của mỏ. Chế độ này đạt được nhờ vào việc lập trình từ thiết bị biến tần. 7. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục đích nêu trên, luận án thực hiện các nội dung sau: - Tổng quan về chế độ làm việc hợp lý của quạt gió chính; - Nghiên cứu xác định lưu lượng gió yêu cầu và xác lập các khung giờ cho mỏ than hầm lò theo thời gian giữa ngày mỏ làm việc với ngày mỏ nghỉ làm việc; - Nghiên cứu lựa chọn các tham số để tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính. Nghiên cứu lựa chọn và tính toán phương án tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính; - Nghiên cứu áp dụng thử nghiệm tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than Hà Lầm, Quảng Ninh. Các phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để thực hiện luận án là: Phương pháp khảo sát đo đạc, thống kê tổng hợp, phân tích và so sánh; Phương pháp toán – tin (giải tích đồ thị); Phương pháp tra cứu chuyên khảo; Phương pháp tối ưu hoá (sử dụng phần mềm tính toán thông gió); Phương pháp thực nghiệm ở mỏ than hầm lò. 8. Cấu trúc nội dung của Luận án: Luận án có kết cấu gồm 4 chương Chƣơng 1: Tổng quan về chế độ làm việc của quạt gió chính; Chƣơng 2: Hiện trạng thông gió và nhu cầu gió sạch của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; Chƣơng 3: Tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh; Chƣơng 4: Nghiên cứu áp dụng thử nghiệm tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than Hà Lầm. 9. Bố cục của Luận án: Ngoài phần mở đầu của luận án, luận án được trình bày trong 4 chương, kết luận, các công trình đã công bố và danh sách các tài liệu tham khảo. Với nội dung trình bày trong 152 trang đánh máy khổ giấy A 4 gồm:
80 hình vẽ, 29 bảng. Các kết quả chính của Luận án được công bố trên 15 bài báo trên các Tạp chí, kỷ yếu Hội nghị Quốc tế trong và ngoài nước. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH 1.1. Đặc điểm chung về quạt gió chính ở mỏ than hầm lò 1.2. Chế độ làm việc của các quạt gió chính Ví dụ: trên hình 1.1 giới thiệu cách xác định chế độ làm việc của một quạt hướng trục loại 2K56-No18. h, mmH2O h = 0,101.Q 2 360 A7 320 A6 280 A5 240 A4 80% 85% 70% 200 hA3 = 178 A3 60% 160 B h = 145,8 B 120 o A2 o 80 o A1 40 o o o o 0 0 10 20 30 50 60 70 80 90 Q, m³/s QB = 38m³/s QA3= 41.8m³/s Hình 1.1. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính 2K56-No18 Với điểm B là điểm yêu cầu, điểm A3 là điểm làm việc hợp lý của quạt 1.3. Tổng quan về tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính 1.3.1. Tổng quan về tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính trên thế giới 1. Phương pháp giảm sức cản mạng gió mỏ Đối với phương án này là được áp dụng các giải pháp trực tiếp làm giảm sức cản các đường lò mỏ hoặc đơn giản sơ đồ thông gió, nhằm giảm hạ áp mỏ. Việc giảm sức cản mỏ sẽ thay đổi và đưa mỏ về trường hợp có điều kiện thông gió dễ hơn. Quạt gió sẽ làm việc hiệu quả hơn và tiết kiệm được chi phí điện năng. 2. Phương pháp giảm rò gió và điều chỉnh lưu lượng gió hợp lý giữa các khu vực khai thác của mỏ Đối với phương án này là sử dụng các cửa gió (cửa chắn gió hoặc cửa điều tiết gió) có chất lượng đảm bảo hiệu quả trong việc chắn gió hay điều tiết gió, với tiêu chí giảm tối đa lưu lượng gió rò trong mỏ, nâng cao hiệu quả phân phối điều tiết gió giữa các khu vực khai thác và giảm lượng gió rò của mỏ. 3. Phương pháp sử dụng quạt gió có cơ cấu tự điều chỉnh góc lắp cánh Phương án này được thực hiện bằng các giải pháp là sử dụng thay thế loại quạt với công nghệ cũ (góc lắp cánh của bánh công tác cố định) bằng các loại quạt có tính năng kỹ thuật tiên tiến (loại quạt có cơ cấu tự điều chỉnh chế độ làm việc của quạt với góc lắp cánh của bánh công tác bất kỳ. Ví dụ quạt VOA). 4. Phương pháp sử dụng biến tần để điều chỉnh chế độ làm việc của quạt Phương án này được thực hiện bằng việc sử dụng biến tần để điều chỉnh tự động chế độ làm việc của quạt gió nhờ nguyên lý điều chỉnh dòng điện vào dẫn
đến làm thay đổi tốc độ vòng quay của quạt gió. (phương án này có thể giảm tiêu thụ điện năng tới 40%). 1.3.2. Tổng quan về tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính ở Việt Nam 1. Phương pháp giảm sức cản và đơn giản sơ đồ mạng gió mỏ Đối với phương án này, hầu hết các mỏ hầm lò ở nước ta khó thực hiện. Do bản chất phương án này là hiệu quả kinh tế không cao, chi phí quá lớn khi phải chống xén hoặc đào mới đường lò để tăng tiết diện và trực tiếp làm giảm sức cản đường lò. Hiện một số mỏ cũng đã thực hiện việc chống xén mở rộng diện tích đường lò, lập kế hoạch khai thác phù hợp cũng như áp dụng các công nghệ khai thác tiên tiến để nâng cao năng suất và giảm số lò chợ khai thác, các giải pháp này với mục đính chính là tăng năng suất, giảm giá thành khai thác, cải thiện sức lao động của công nhân, nhưng đã gián tiếp thực hiện tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính. 2. Phương pháp giảm rò gió trong mỏ Đối với phương án giảm rò gió trong mỏ, ở các mỏ cũng đã thường xuyên thực hiện nâng cấp các cửa gió và thành chắn. Tuy nhiên về hiệu quả còn ở mức độ nhất định, chất lượng các cửa gió nhìn chung vẫn còn kém nên hiệu quả không được cao. Việc đầu tư lắp đặt loại cửa gió có cơ cấu đóng mở cửa tự động chưa được đầu tư nhiều, do đây là loại cửa có độ rò gió rất thấp (thậm chí dưới 1m3/s), nhưng chi phí quá cao. 3. Phương án sử dụng biến tần để điều khiển chế độ làm việc của quạt Hiện nay ở một số mỏ đã đầu tư mua sắm thiết bị biến tần, như Công ty than Hòn Gai, Hà Lầm, Khe Chàm, Thống Nhất,... Nhưng đến trước thời điểm NCS nghiên cứu, do nhiều nguyên nhân và chưa được đầu tư nghiên cứu nên mục đích của các mỏ đầu tư biến tần là dùng để khởi động các quạt thay cho khởi động mềm, việc đầu tư biến tần chỉ giúp cho các mỏ thực hiện đảo ca làm việc của các quạt gió chính trong trạm thường xuyên hơn. Chính vì vậy, không phát huy được ưu điểm của loại hình công nghệ thiết bị biến tần. 1.4. Kết luận chƣơng 1 1.4.1. Kết luận 1- Việc tối ưu chế độ làm việc của các quạt gió chính là công việc thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Trên thế giới hiện nay, việc tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính bằng việc áp dụng tổng hợp các giải pháp, trong đó đặc biệt là giải pháp sử dụng biến tần để tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió theo nhu cầu thực tế của mỏ theo thời gian là tương đối phổ biến. 2- Đối với nước ta, hiện nay các loại quạt gió chính đều là loại quạt không có chức năng tự điều chỉnh được góc lắp cánh. Vì vậy, chế độ làm việc của quạt bị cố định 24/24h trong tất cả các ngày. Việc nghiên cứu tối ưu chế độ làm việc của quạt gió mới dừng lại ở giải pháp xử lý việc rò gió và một phần ở giải pháp giảm thiểu sức cản đường lò. Do vậy, việc nghiên cứu giải pháp để tối ưu chế độ làm việc của các quạt gió chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quang Ninh thực sự có tiềm năng, thực tiễn và tính khả thi cao. 1.4.2. Những vấn đề tập chung nghiên cứu của luận án Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của Chương 1, hướng nghiên cứu chính của đề tài luận án là nghiên cứu nhu cầu gió thực tế của mỏ trong các thời điểm ở các khung giờ khác nhau trong những ngày mỏ làm việc cũng như ngày mỏ
nghỉ. Từ đó, lựa chọn giải pháp tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió để đáp ứng phù hợp theo nhu cầu gió sạch của mỏ. CHƢƠNG 2: HIỆN TRẠNG THÔNG GIÓ VÀ NHU CẦU GIÓ SẠCH CỦA CÁC MỎ THAN HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH 2.1. Đặc điểm khai thác các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh 2.2. Hiện trạng thông gió và chế độ làm việc của các quạt gió chính 2.2.1. Đánh giá về sơ đồ thông gió - Phương pháp thông gió: Các mỏ đều sử dụng phương pháp thông gió hút. - Sơ đồ thông gió: Sơ đồ mạng gió của các mỏ thì hầu hết đều ở dạng phức tạp và rất phức tạp. Các mỏ đều phải sử dùng nhiều trạm quạt để thông gió. 2.2.2. Đánh giá về hiệu quả thông gió mỏ Các lò chợ đều có hướng gió đi từ mức dưới lến mức trên; Lưu lượng gió vào lò chợ chủ yếu là đảm bảo và thừa, một số thiếu do quản lý đóng mở cửa gió không tốt. Các lò chợ nhìn chung có điều kiện vi khí hậu là đảm bảo. Các công trình thông gió nhìn chung được xây dựng đạt yêu cầu, đảm bảo chất lượng và đủ điều kiện hoạt động. 2.2.3. Đánh giá về chế độ làm việc của các quạt gió chính Hầu hết các quạt gió chính đều là loại quạt mới được đầu tư, do Trung Quốc sản xuất nên chất lượng còn tốt. Chế độ làm việc của các quạt gió chính đều tạo ra lưu lượng gió vượt so với yêu cầu. Góc làm việc dự trữ của các quạt nhìn chung vẫn còn, có quạt còn tới trên 3 góc lắp cánh dự trữ. Đánh giá về chi phí điện năng riêng cho thông gió mỏ: Trong khai thác than hầm lò, điện năng tiêu thụ cho thông gió (cho quạt gió chính, chưa tính quạt gió cục bộ) chiếm khoảng 25,4% tổng điện năng cho tất cả các quá trình công nghệ. Trị số năng lượng riêng cho thông gió tính cho các mỏ dao động trong khoảng từ 1,88kWh/T ÷ 6,75kWh/T. Chi phí điện năng đơn vị cho thông gió mỏ ở các mỏ than hầm lò chủ yếu lớn hơn 3, trung bình là 3,9 kWh/T. 2.3. Nghiên cứu xác định nhu cầu gió thực tế cho mỏ 2.3.1. Lưu lượng gió tính toán áp dụng cho các mỏ hiện nay Hiện nay, ở các mỏ khi tính toán lưu lượng gió cho mỏ đều áp dụng và lựa chọn lưu lượng gió theo yếu tố Qmax và lấy Qm là một hằng số để đưa vào mỏ trong suốt cả thời gian 24/24h và cho tất cả các ngày làm việc và không làm việc. 2.3.2. Mối quan hệ giữa lưu lượng gió cho mỏ với kế hoạch sản xuất  Nghiên cứu công tác tổ chức sản xuất của các mỏ ChiÒu Thêi gian thùc hiÖn mét chu kú TT Tªn c«ng viÖc Ký hiÖu dµi Ca 1 Ca 2 Ca 3 (m) 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 1 Cñng cè lß 70 VL VL VL VL VL VL VL VL 2 Khoan lç m×n g-¬ng 58,25 3 Khoan lç m×n h¹ trÇn VL VL 46,65 VL VL VL N¹p, næ m×n g-¬ng, th«ng giã VL 4 VL VL 5 N¹p næ m×n th«ng giã h¹ trÇn 35 VL 6 VL ChuyÓn vËt liÖu VL VL VL 23,25 7 Söa nãc, ®Èy dÇm tiÕn g-¬ng, t¶i than VL VL di chuyÓn gi¸ chèng VL VL 8 Thu håi than nãc 11,65 VL 9 Di chuyÓn m¸ng cµo 0 Hình 2.1. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống giá khung
- Trên cơ sở tổ chức sản xuất ở các lò chợ và gương lò chuẩn bị như hiện nay ở các mỏ, thì thời gian nổ mìn khấu than ở các hộ tiêu thụ gió bị trải đều (như hình 2.1) và chiếm tới 19,5 giờ trong mỗi ngày tương ứng mỗi ca có tới 6,5 giờ. - Trong một năm có khoảng 65 ÷ 66 ngày mỏ nghỉ không làm việc. Thông thường đối với các mỏ tối đa có khoảng 300 ngày làm việc. - Các ngày nghỉ không làm việc là các thời điểm mỏ không cần nhu cầu gió như tính toán theo số liệu các yếu tố max về lưu lượng như hiện nay.  Mối quan hệ giữa lưu lượng gió cho mỏ với kế hoạch khai thác Phân tích kế hoạch sản xuất ở các mỏ ta thấy: Nhu cầu gió sạch cho mỏ được chia thành 3 mức theo 3 khung giờ: 1- Khung giờ (thời gian) cao điểm: Là thời gian mỏ có nhu cầu về cung cấp gió sạch là lớn nhất (là lưu lượng gió cần đưa vào mỏ như tính toán hiện nay), như các thời điểm: nổ mìn tách phá than, đất đá ở lò chợ và gương lò chuẩn bị, đây là thời điểm xuất khí độc hại, nhiệt,… lớn nhất. 2- Khung giờ (thời gian) trung điểm: Là thời gian mỏ có nhu cầu về gió sạch không nhất thiết phải là lớn nhất, đó là các thời điểm chỉ diễn ra các hoạt động như: giao ca, chống giữ củng cố, vận tải than và đất đá,... trong ngày làm việc. 3- Khung giờ (thời gian) thấp điểm: Là thời gian mỏ có nhu cầu cần gió sạch là thấp nhất. Là thời gian mỏ không hoạt động sản xuất (trong các ngày nghỉ). Đây là thời điểm mỏ chỉ cần một lượng gió sạch vừa đủ để xử lý khí độc hại thẩm thấu từ trong đất đá xung quanh đường lò ra không khí mỏ. 2.3.3. Xác định lƣu lƣợng gió thực cho mỏ ở các khung giờ 2.3.3.1. Lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ (những thời gian) cao điểm Những thời gian cao điểm là những thời gian có nhu cầu gió sạch lớn nhất, lưu lượng gió cần cho mỏ được tính toán như hiện nay ở các mỏ đang áp dụng. Lưu lượng gió cho mỏ: Qcđ = 100%.Qmax 3.3.3.2. Lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ (những thời gian) thấp điểm 1. Xác định nhu cầu gió của mỏ theo cơ sở lý thuyết Thời gian thấp điểm là thời gian trong các ngày mỏ nghỉ. Để xác định lưu lượng gió cho mỏ trong các thời điểm này, ta tính toán so sánh lưu lượng gió của lò chợ và gương lò đào trong các thời gian ngày mỏ nghỉ làm việc với thời gian cao điểm trong ngày làm việc. - Đối với các lò chợ: Kết quả tính toán giá trị lưu lượng gió và tỷ lệ gió cần thiết trong các ngày nghỉ làm việc so với ngày làm việc như bảng 2.1. Bảng 2.1. Kết quả tính toán so sánh lưu lượng gió các loại lò chợ trong trường hợp nghỉ làm việc với ngày làm việc q, TT A, T/24h I K C Co Qnghỉ, m3/s Qlv, m3/s Tỷ lệ, % m3/T-24h 1 1,00 60 0,0007 1,1 0,5 0 0,15 1,00 15,28 2 1,25 400 0,0058 1,1 0,5 0 1,27 8,33 15,28 3 1,50 1000 0,0174 1,1 0,5 0 3,82 25,00 15,28 4 1,75 1200 0,0243 1,1 0,5 0 5,35 35,00 15,28 - Đối với trường hợp tính cho lò chuẩn bị: Kết quả tính toán giá trị lưu lượng gió và tỷ lệ gió cần thiết trong các ngày nghỉ làm việc so với ngày làm việc như trong các bảng 2.2. Bảng 2.2. Kết quả tính toán so sánh lưu lượng gió các loại lò chuẩn bị trong trường hợp ngày nghỉ và ngày làm việc
TT r S A I k C Co Qnghi Qlv Tỷ lệ (%) 1 2,1 10 33,6 0,0005 1 0,5 0 0,0972 5 1,94 2 1,4 10 22,4 0,0003 1 0,5 0 0,0648 5 1,30 3 0,8 30 38,4 0,0006 1 0,5 0 0,1111 15 0,74 4 1,6 20 51,2 0,0007 1 0,5 0 0,1481 10 1,48 5 1,6 30 76,8 0,0011 1 0,5 0 0,2222 15 1,48 2. Độ xuất khí trong ngày làm việc với ngày nghỉ Hình 2.2. Biểu đồ sự xuất khí metan trong lò chợ ở mỏ than trong ngày nghỉ Sự xuất khí được ghi lưu hầu hết dưới dạng như trên hình 2.2. 3. Lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ thấp điểm (ngày nghỉ) Qua kết quả tính toán nhu cầu gió của mỏ và kết quả đánh giá độ thoát khí giữa ngày làm việc và ngày nghỉ cho thấy: - Theo tính toán nhu cầu gió trong những ngày nghỉ chỉ bằng khoảng 15,3% lưu lượng gió cần thiết cho mỏ trong thời gian cao điểm. - Theo độ xuất khí thì lưu lượng gió cần cho mỏ trong ngày nghỉ bằng lượng gió tương ứng để xử lý với lượng khí tối đa bằng 50% so với ở thời gian cao điểm. - Theo Quy chuẩn Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01:2011/BCT có quy định tại mục 4, điều 48, thuộc chương 3, quy phạm an toàn trong thông gió mỏ, thì khi thực hiện công tác đảo chiều gió theo quy phạm đối với những mỏ cho phép, yêu cầu là hệ thống đảo chiều gió phải đảm bảo đáp ứng được ít nhất là 60% lưu lượng gió so với chế độ thuận chiều. Nhu cầu gió cho mỏ ở những ngày nghỉ chỉ cần thực hiện bằng 60% lưu lượng gió trong thời gian cao điểm: QTh.đ = 60%QC.đ = 60%Qmax. 3.3.3.3. Lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ (những thời gian) trung điểm 1. Kết quả tính lưu lượng gió ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh
Hình 2.3. Biểu đồ tỷ lệ lưu lượng gió theo yếu tố nổ mìn khấu tách than-đất đá so với các yếu tố còn lại ở một số mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh Trường hợp lưu lượng gió lấy theo yếu tố thứ hai sẽ chỉ bằng khoảng từ 45 ÷ 52% lưu lượng gió lấy theo yếu tố max (yếu tố lớn nhất). Kết quả ở một số mỏ như trong hình 2.3. Ngoài ra khi xét về ảnh hưởng của 2 loại hộ tiêu thụ gió là các lò chợ và gương lò đào (chuẩn bị), thì lưu lượng gió chiếm một tỷ lệ chủ yếu trong tổng lưu lượng gió cho mỏ từ 60,51 -:- 87,64%. 2. Đánh giá sự xuất khí độc hại khi nổ mìn khấu than Sự xuất khí độc hại như CH4 khi nổ mìn so với khi không nổ mìn khấu như trong hình 2.4. Hình 2.4. Biểu đồ sự xuất khí trong lò chợ trong ngày làm việc Các mỏ khai thác than hầm lò trên thế giới, khi nghiên cứu đánh giá tỷ lệ xuất các chất khí của các hộ tiêu thụ gió cũng cho thấy lượng khí xuất ra không khí mỏ cũng chủ yếu từ các lò chợ và gương lò đào. Chiếm khoảng 65 -:- 75%; Còn lại 25 -:- 35% là từ các khu vực khác. 3. Lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ trung điểm Từ các cơ sở lý luận trên cho thấy trong các thời gian trung điểm, nhu cầu gió cho mỏ QTh.đ chỉ cần thực hiện bằng 80% lưu lượng gió trong thời gian cao điểm. 2.4. Kết luận chƣơng 2 1- Hầu hết các mỏ khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh đều có sơ đồ thông gió là phức tạp và rất phức tạp. Đặc biệt là đa phần các mỏ phải sử dụng trên 01 trạm quạt gió chính để thông gió cho mỏ. 2-. Nhu cầu gió sạch cho mỏ thực tế phụ thuộc vào kế hoạch sản xuất của mỏ, nhu cầu này có thể được phân thành 3 khung giờ (thời điểm): - Khung giờ cao điểm: QC.đ = Qmax = 100% lưu lượng như tính toán hiện nay ở các mỏ đang thực hiện. - Khung giờ trung điểm: QTr.đ = 80% QC.đ. - Khung giờ thấp điểm: QTh.đ = 60% QC.đ. 3- Việc tối ưu chế độ làm việc của quạt gió để thực hiện cung cấp gió sạch cho mỏ theo nhu cầu thực tế ở từng thời điểm hoạt động sản xuất của mỏ là cần thiết, góp phần giảm chi phí thông gió mỏ là hoàn toàn có cơ sở.
CHƢƠNG 3: TỐI ƢU HÓA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH 3.1. Xác định các tham số tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính 3.1.1. Nguyên lý xác định chế độ làm việc của các quạt gió chính Nguyên lý chung, để xác định được chế độ làm việc hợp lý của các quạt gió chính, trước tiên ta phải tiến hành thực hiện được các nội dung sau: - Xác định được lượng gió chung vào mỏ; - Phân phối gió trên sơ đồ gió (giản đồ thông gió); - Tính hạ áp các luồng gió và cân bằng hạ áp các luồng gió mỏ. - Xác định quạt gió làm việc ở một chế độ với thông số kỹ thuật là: tốc độ vòng quay của trục quạt và góc lắp cánh của bánh công tác, các thông số này phải hợp lý để quạt tạo ra được một năng lực thông gió phù hợp: + Lưu lượng quạt tạo ra phải thỏa mãn lưu lượng yêu cầu vào mỏ: Q ct ≥ Qyc; + Hạ áp quạt tạo ra phải thỏa mãn hạ áp yêu cầu của mỏ: hct ≥ hyc. Việc xác định chế độ làm việc của quạt gió chính được áp dụng trong các trường hợp cụ thể: - Đối với các sơ đồ thông gió mỏ chỉ có một quạt làm việc đơn độc; - Đối với các sơ đồ thông gió mỏ gồm nhiều quạt làm việc. 3.1.2. Xác định các tham số tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính 3.1.2.1. Cơ sở xây dựng bài toán tối ưu chế độ công tác của quạt gió chính Quan điểm mới của đề tài về thông gió mỏ: Quạt gió làm việc phải bảo đảm các nhu cầu thông gió là cung cấp đủ lưu lượng gió sạch cho các hộ tiêu thụ gió để đảm bảo: - Đảm bảo an toàn; - Đảm bảo tạo được điều kiện vi khí hậu dễ chịu; - Đảm bảo tốc độ gió phải nằm trong giới hạn cho phép; - Quạt gió chính phải làm việc liên tục 24h/24h giờ với chế độ làm việc phù hợp với nhu cầu thực tế của mỏ. - Ngoài các quan điểm từ trước đến nay về thông gió mỏ thì đề tài bổ sung thêm quan điểm mới: Tiêu tốn điện năng là nhỏ nhất. Vì vậy, chế độ làm việc của quạt gió được điều chỉnh hoạt động phù hợp với thực tiễn sản xuất (kế hoạch trong ngày, đặc biệt là giữa ngày làm việc và ngày nghỉ) để tạo ra lưu lượng gió vừa đủ để đáp ứng được các yêu cầu về thông gió mỏ, tránh lãng phí do dư thừa gió làm tăng chi phí giá thành thông gió mỏ. 3.1.2.2. Xác định các tham số tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính Để có một chế độ làm việc của một quạt gió chính, ta phải căn cứ vào các thông số kỹ thuật sau: Đối với quạt hướng trục là các thông số Tốc độ vòng quay của trục quạt, Góc lắp cánh của bánh công tác. Đối với quạt ly tâm thông số kỹ thuật là tốc độ vòng quay của trục quạt. Để có được các thông số kỹ thuật của chế độ làm việc của một quạt gió thì ta phải xác định được các tham số hay các hàm phụ thuộc: - Lưu lượng gió cho các lò chợ (ΣQLC) - Lưu lượng gió cho các lò chuẩn bị (ΣQcb) - Lưu lượng gió cho các hầm trạm (ΣQht) - Lưu lượng gió rò của mỏ (ΣQrg). - Hệ số rò gió tại trạm quạt (kr) - Sức cản của mạng gió là tham số liên quan gây ra tổn thất hạ áp (Rm)
- Hệ số kể đến lưu lượng gió dư do điểm công tác của quạt cao hơn điểm yêu cầu (kd): kd = Qq/Qyc Như vậy, để đánh giá hiệu quả của công tác thông gió mỏ, yếu tố đảm bảo kỹ thuật theo yêu cầu là hàng đầu, đây là yếu tố thỏa đáng về các mục tiêu yêu cầu của thông gió mỏ là tạo môi trường làm việc an toàn. Yếu tố xác định tính hiệu quả về kinh tế, nghĩa là chi phí cho thông gió mỏ là nhỏ nhất, tức là khi tính toán thông gió mỏ ta phải tối ưu hóa (tăng chi phí hữu ích, giảm chi phí vô ích). Tuy nhiên, việc tối ưu hóa một tham số có hiệu quả hay không, hoặc hiệu quả của việc tối ưu hóa đó đạt được ở mức độ nào lại phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện cụ thể. Đặc điểm các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh là đã qua nhiều giai đoạn phát triển mỏ, việc tối ưu chế độ công tác của quạt gió sẽ bị hạn chế, do phương án tối ưu một số tham số sẽ cho hiệu quả thấp, thậm chí không cho kết quả. Để xác định tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính, ta đánh giá trên các chỉ tiêu sau: - Chỉ tiêu kỹ thuật: Góc lắp cánh bánh công tác; Tốc độ vòng quay của trục quạt; - Chỉ tiêu kinh tế: Lưu lượng gió quạt tạo ra; Lượng điện tiêu thụ. Trong giới hạn của đề tài luận án, NCS nghiên cứu tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh như sau: 1. Các giải pháp nâng cao hiệu quả thông gió các mỏ thường áp dụng - Xây dựng và sửa chữa các công trình thông gió mỏ; - Thường xuyên sửa chữa bảo dưỡng thiết bị thông gió; - Xây dựng kế hoạch khai thác để đơn giản sơ đồ thông gió giúp cho việc quản lý điều chỉnh hệ thống thông gió mỏ đơn giản hơn; - Cải tạo mạng gió mỏ; - Thay thế các quạt cũ bằng các loại quạt mới có tính năng kỹ thuật ưu việt. 2. Các tham số có thể tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió a) Sức cản các đường lò mỏ Giải pháp này không hiệu quả, do chi phí kinh tế quá lớn. Do vậy, chỉ được thực hiện áp dụng khi kết hợp với các mục đích chính khác như: diện tích đường lò quá nhỏ phải chống xén để phục vụ vận tải, do yêu cầu về an toàn,... b) Rò gió trong mỏ Đây là giải pháp hiện nay các mỏ thường xuyên phải thực hiện. Việc xử lý giảm rò gió qua cửa gió và thành chắn là vấn đề được các mỏ rất quan tâm và thường xuyên thực hiện. Giải pháp này có tính khả thi ngoài việc nâng cao hiệu quả thông gió mỏ còn có một ý nghĩa về đảm bảo công tác an toàn cho mỏ. c) Độ chênh lưu lượng giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu của quạt Khi tính toán lựa chọn điểm làm việc của quạt, luôn phải đảm bảo một nguyên tắc là lưu lượng gió quạt làm việc phải thỏa mãn lưu lượng gió yêu cầu: Qct ≥ Qyc. Hiện nay, thông thường chế độ làm việc của các quạt gió chính thường có Qct > Qyc. Mục tiêu của giải pháp giảm lượng gió chênh do độ chênh giữa điểm công tác với điểm yêu cầu là đưa chế độ công tác của quạt đạt ở trạng thái có Qct = Qyc. Biện pháp này ở các mỏ chưa được thực hiện do yếu tố công nghệ. d) Lưu lượng gió không cần thiết trong ngày nghỉ và giờ không cao điểm Giảm lưu lượng gió không cần thiết vào mỏ do nhu cầu mỏ không hoạt động sản xuất cao điểm là: Trong những ngày mỏ nghỉ sản xuất; Và những thời gian
mỏ không hoạt động sản xuất cao điểm. Đây là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến chi phí cho thông gió mỏ. Biện pháp này ở các mỏ chưa được thực hiện. 3.1.2.3. Chọn tham số để tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính 1. Độ chênh giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu của quạt Tối ưu hóa độ chênh của điểm làm việc so với điểm yêu cầu, hay là hệ số dư gió do điểm công tác của quạt so với điểm yêu cầu. Mục đính của việc tối ưu là: - Giảm hiệu số: (Qct - Qyc) → 0 - Hay giảm hệ số: kđc = (Qct/Qyc) →1 Trong đó: kđc -Là hệ số giữa lưu lượng gió công tác của quạt với lưu lượng gió của điểm yêu cầu; Qct -Lưu lượng gió của quạt tạo ra ở chế độ làm việc, m3/s; Qyc -Lưu lượng gió của quạt cần phải tạo ra, m3/s. 2. Lưu lượng gió không cần thiết trong ngày nghỉ và giờ không cao điểm Tối ưu hóa lưu lượng gió không cần thiết vào mỏ ở những khung giờ không cao điểm. Như vậy ta có hệ số kể đến sự giảm lưu lượng gió của quạt trong các thời gian không cao điểm điểm: ktw  Q C .đ  Q Tr . đ  Q Th . đ Q yc Trong đó: ktư -Hệ số giảm lưu lượng gió của quạt khi tối ưu so với lưu lượng gió của quạt khi không tối ưu; ΣQC.đ-Tổng lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ cao điểm trong một năm, m3/s; ΣQTr.đ-Tổng lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ trung điểm trong một năm, m3/s; ΣQTh.đ- Tổng lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ thấp điểm trong một năm, m3/s; ΣQyc-Tổng lưu lượng gió cho mỏ khi chưa tối ưu trong một năm, m3/s. 3.2. Xây dựng phƣơng pháp luận tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió 3.2.1. Tối ưu độ chênh do điểm làm việc với điểm yêu cầu Độ chênh do điểm làm việc với điểm yêu cầu, sẽ gây ra độ chênh (độ dư) về lưu lượng và hạ áp khi quạt làm việc so với yêu cầu. 3.2.1.1. Cơ sở xác định độ chênh của điểm công tác so với điểm yêu cầu - Tính giá trị lưu lượng và hạ áp yêu cầu quạt cần tạo ra (Qyc và hyc) để xác định điểm yêu cầu (Byc) trên đồ thị đường đặc tính của quạt gió. - Tính phương trình đường đặc tính mỏ (h = R.Q2) để xác định xây dựng đường đặc tính mỏ h = R.Q2 và dựng (vẽ) trên đồ thị đường đặc tính của quạt gió. - Sau đó từ điểm yêu cầu ta chọn chế độ làm việc của quạt hay còn gọi là điểm làm việc hợp lý của quạt gió (điểm Act). Và các bước tính toán đó được thể hiện như trên hình 3.1. Với các quạt gió hiện nay ở nước ta điểm làm việc là phải thỏa mãn được điểm yêu cầu với chi phí kinh tế nhỏ nhất, tức là giá trị điểm công tác phải tạo ra năng lực thỏa mãn yêu cầu: Act ≥ Byc. Như vậy, có thể xảy ra: - Điểm Act = Byc. Như vậy có độ chênh bằng không và đã là tối ưu nhất. - Điểm Act > Byc. Độ chênh cần được tối ưu.
P (pa) 3400 70 74 h=R*Q² 78 2800 78 71 81 70 2200 65 hct=1798 Act 60 hyc=1631 Byc 1000 +5° +2.5° 400 0° -2.5° -5° 15 20 25 Qyc=28 30 Qct=30.3 35 40 Q(m³/s) Hình 3.1. Đồ thị xác định độ chênh lưu lượng do điểm làm việc của quạt với điểm yêu cầu 3.2.1.2. Xác định lưu lượng gió tối ưu Lưu lượng gió có thể tối ưu qua độ chênh của điểm công tác so với điểm yêu cầu như trong hình 3.2. Hình 3.2. Biểu đồ đánh giá hiệu quả có thể tối ưu độ chênh giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu của một số quạt gió chính Như vậy, đối với các quạt gió chính đang sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Việc tối ưu chế độ làm việc của quạt gió thông qua giải pháp tối ưu độ chênh giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu, có thể giảm lưu lượng gió được từ 5 ÷ 40 m3/s, tương ứng với tỷ lệ giảm tối đa là từ 27,8% đến 46,8% Tỷ lệ độ chênh của quạt tăng khi chế độ làm việc của quạt càng ở góc lắp cánh nhỏ. 3.2.2. Tối ưu lượng gió không cần thiết trong khung giờ không cao điểm 3.2.2.1. Lưu lượng gió tối ưu Chế độ quạt làm việc với công suất đảm bảo lưu lượng gió đưa vào mỏ theo 3 chế độ tương ứng với 3 khung giờ như sau: 1- Khung giờ cao điểm Ở khung giờ cao điểm, chế độ làm việc của quạt đưa lưu lượng gió vào mỏ bằng 100% lưu lượng gió tính toán lớn nhất theo thiết kế như hiện nay (QC.đ = Qmax). 2- Khung giờ trung điểm Ở khung giờ trung điểm, chế độ làm việc của quạt đưa lưu lượng gió vào mỏ bằng 80% lưu lượng gió tính toán lớn nhất theo thiết kế (QTr.đ = 80%QC.đ). 3- Khung giờ thấp điểm
Ở khung giờ thấp điểm (ngày mỏ không làm việc), chế độ làm việc của quạt đưa lưu lượng gió vào mỏ bằng 60% lưu lượng gió tính toán lớn nhất theo thiết kế (QTh.đ = 60%QC.đ). 3.2.2.2. Xác định thời gian tối ưu lượng gió vào mỏ Qua phân tích và nghiên cứu các hộ tiêu thụ gió đối với hệ thống thông gió của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, ta xác định được các thời điểm có thể giảm được lưu lượng gió vào mỏ. Các thời gian giảm được lưu lượng gió vào mỏ phụ thuộc vào cách bố trí lập biểu đồ tổ chức chu kỳ sản xuất của mỏ, khi các thời gian cao điểm, trung điểm và thấp điểm của tất cả các hộ tiêu thụ gió (lò chợ, gương lò chuẩn bị) trùng lặp được với nhau. Đây sẽ là cơ sở để tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính. Thời gian tối ưu lượng gió vào mỏ được nghiên cứu tại mục 2.3.2 của chương 2, kết quả như sau: 1- Khung giờ cao điểm Đây là thời gian diễn ra không nhiều, tuy nhiên hiện nay ở các mỏ chưa có chế độ quan tâm để tính toán giảm thời gian cao điểm, các thời gian nổ mìn khấu tách than và đất đá diễn ra ở các lò chợ và các gương lò đào vẫn xen kẽ nhau và rất ít trùng lặp (chỉ có những hộ tiêu thụ gió có đặc điểm công nghệ như nhau thì mới trùng lặp), nên thực tế tổng thời gian này chiếm chủ yếu trong các ngày làm việc, kết quả tính toán thời gian cao điểm chiếm khoảng 19,5 giờ/ngày. Thời gian này nếu tính trong một năm như sau: 300 ngày x 19,5h = 5850 h/năm 2- Khung giờ trung điểm Thực tế các mỏ khung giờ cao điểm của các hộ tiêu thụ gió lại sen kẽ nhau và ít trùng lặp. Vì vậy, thời gian trung điểm ở đây chỉ chọn các thời gian 1,0 giờ cuối ca (thời gian củng cố) và 0,5 giờ giao ca ở đầu mỗi ca để thực hiện tính toán, một ngày đêm chỉ có khoảng 4,5 giờ/ngày đêm (thời gian này có thể tăng, nếu sắp xếp các thời điểm nổ mìn khấu tách than và đất đá ở các ca trong các lò chợ và gương lò đào trùng lặp nhau). Tổng thời gian trung điểm được tính trong một năm: 300 ngày x 4,5 h = 1350 h/năm 3- Khung giờ thấp điểm Toàn bộ thời gian trong các ngày mỏ nghỉ làm việc. Tổng thời gian thấp điểm được tính trong một năm sẽ là: 65 ngày x 24h = 1560 h/năm 3.3. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính 3.3.1. Các phương án tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính 3.3.1.1. Sử dụng quạt có cơ cấu tự điều chỉnh góc lắp cánh của bánh công tác Để khắc phục nhược điểm của các loại quạt như ở nước ta đang sử dụng, nhiều nước đã sản xuất ra các loại quạt có tính năng tự điều chỉnh góc lắp cánh theo góc lắp cánh bất kỳ và việc điều chỉnh chế độ góc lắp cánh được thực hiện ngay cả khi quạt đang làm việc. Ví dụ như quạt VOA của Nga có đường đặc tính quạt như trên hình 3.3. Khi thay đổi góc lắp cánh của bánh công tác, quạt không nhất thiết phải ngừng hoạt động, mà việc thay đổi góc lắp cánh được thực hiện ngay cả khi quạt đang vận hành (đang làm việc). Nguyên lý hoạt động là nhờ có một giá liên kết (mâm) các cánh của quạt với hệ thống điều chỉnh bằng điện, nên khi cần thay đổi góc lắp cánh của bánh công tác ta điều khiển để thay đổi đồng thời tất cả các cánh một cách từ từ, do vậy việc điều chỉnh chế độ của góc lắp cánh không ảnh
hưởng đến quá trình hoạt động của quạt gió. Đặc biệt, ta có thể đặt chế độ làm việc của quạt ở bất kỳ một góc lắp cánh nào mà ta muốn. Đối với loại quạt này ta thay đổi được chế độ làm việc của quạt như ví dụ sau:  Đối với độ chênh của điểm công tác với điểm yêu cầu: - Với quạt không có cơ cấu tự động điều khiển góc lắp cánh: θ = 40o; Qct = 257m3/s; hct = 304 mmH2O; Nct = 965 kW/h; - Với quạt có cơ cấu tự động điều khiển góc lắp cánh: θ = 36o; Qct/A = 243 3 m /s; hct/A = 272 mmH2O; Nct/A= 825 kW/h Như vậy, hiệu quả cho ta thấy là giảm tiêu thụ điện năng của giải pháp trong trường hợp này là từ 965kW/h xuống còn 825kW/h.  Đối với những thời điểm mỏ không làm việc Ví dụ loại quạt VOA-3.0, như trên hình 3.3, nếu ở thời điểm các ngày làm việc việc chế độ làm việc của quạt sẽ là góc lắp cánh là 400 (nếu là quạt không tự động điều khiển được góc lắp cánh). Ngày nghỉ tính giảm 40% thì sẽ tương ứng với quạt làm việc ở góc lắp cánh của bánh công tác là 15,2 độ. Ví dụ: - Với quạt không có cơ cấu tự động điều khiển góc lắp cánh: θ = 40o; Qct = 257m3/s; hct = 304 mmH2O; Nct = 965 kW/h; - Với quạt có cơ cấu tự động điều khiển góc lắp cánh: θ = 15,2o; Qct/A = 145 3 m /s; hct/A = 109 mmH2O; Nct/A= 275 kW/h Như vậy, hiệu quả cho ta thấy là giảm tiêu thụ điện năng của giải pháp trong trường hợp này là từ 965kW/h xuống còn 275kW/h. Việc sử dụng loại quạt có cơ cấu tự động điều chỉnh được góc lắp cánh của bánh công tác sẽ cho hiệu quả cao. Tuy nhiên loại quạt này vẫn có nhược điểm là: Không thực hiện được việc tự động hóa điều khiển chế độ làm việc của quạt một cách liên hoàn, con người vẫn phải trực tiếp điều khiển để thay đổi chế độ của quạt gió. Cộng với chi phí sẽ rất lớn và lãng phí, nếu các mỏ thay đổi toàn bộ các quạt gió hiện đang sử dụng. N, kW 1200 45 o 1000 Nct Nct 40 o Nyc=Nct/A Nyc=Nct/A 36 o 800 35 o 600 30 o 400 25 o No No 20 o 15 o 200 2 h=R.Q 350 hct Act 300 hyc=hct/A Byc=Act/A 250 45 o 40 o 200 35 o o 32,3 30 o 150 25 o 20 o ho Ao 15 o 100 50 50 100 200 Qyc=Qct/A Qct 300 0 Qo Q, m3/s Hình 3.3. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt VOA-3.0, n = 750v/ph
3.3.1.2. Sử dụng biến tần để điều khiển tự động chế độ công tác của quạt 1. Tổng quan về ứng dụng biến tần Việc sử dụng biến tần trong việc điều khiển động cơ điện hiện nay là một giải pháp công nghệ tiên tiến mang lại nhiều lợi ích. Ngày nay biến tần đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp. Nguyên lý hoạt động của biến tần như hình 3.4. Bản chất là biến tần thay đổi dòng đầu vào dẫn đến thay đổi tốc độ vòng quay. Sử dụng biến tần sẽ có những ưu điểm sau: - Giảm dòng khởi động; - Để dùng điều khiển tại chỗ, từ xa theo quá trình; - Nhỏ gọn, tiếng ồn thấp, các thông số cơ bản đều được hiển thị. - Góp phần giảm chi phí sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị. - Biến tần có thể điều khiển được nhiều động cơ. - Biến tần làm tăng hệ số cos (thường khoảng 0,96), tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới điện. Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần * Đối với máy bơm nƣớc và quạt gió Đối với máy bơm nước và quạt gió là những máy có mô men tải thay đổi theo tốc độ vòng quay như sau: - Lưu lượng (m3/s) tỷ lệ bậc nhất với tốc độ (v/ph) và tần số dòng điện (Hz); - Áp suất (Pa) tỷ lệ bình phương tốc độ; - Công suất điện tiêu thụ (kW) tỷ lệ lập phương với tốc. 2 3 Q1 n1 f1 h1  n1  p1  n1          Q2 n2 f 2 h2  n2  p2  n2  Ở đây: Q1, h1, P1 -lưu lượng, áp suất và công suất điện tương ứng với số vòng quay định mức của động cơ (n1, vg/ph). Q2, h2, P2 -lưu lượng, hạ áp, công suất điện ứng với tốc độ vòng quay được điều chỉnh (n2). 2. Ứng dụng biến tần vào việc tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió Hiệu quả của việc sử dụng biến tần cho quạt gió mỏ được đánh giá như sau: - Giảm tiêu hao năng lượng điện khi khởi động quạt (không tăng dòng khởi động). - Giúp ổn định dòng (trong trường hợp điện áp đầu vào không ổn định) để quạt và thiết bị hoạt động êm, ổn định, tăng tuổi thọ của quạt cùng các thiết bị. - Điều chỉnh chế độ làm việc của quạt gió một cách tự động theo yêu cầu. 3.3.2. Lựa chọn phương án tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính Với ưu nhược điểm của hai loại công nghệ trên đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng ở các mỏ hầm lò trên thế giới với kết quả đã được kiểm nghiệm và cho thấy hiệu quả nổi trội của việc sử dụng biến vào việc điều khiển chế độ làm việc của quạt gió. Như trên hình 3.5 là mối phụ thuộc sự thay đổi công suất tiêu thụ của động cơ quạt với lưu lượng tương ứng với phương án được biểu diễn thông qua các đường cong tương ứng.
P/P H 1,0 0,9 0,8 0,7 1 2 0,6 0,5 3 0,4 4 0,3 0,2 0,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Q/QH Hình 3.5. Mối phụ thuộc sự thay đổi công suất của động cơ với lưu lượng - Đường cong 1: Tương ứng với phương án điều tiết (các cửa gió và cửa điều chỉnh,…) nhằm giảm sự rò gió và điều tiết lưu lượng gió phù hợp giữa các khu vực trong hệ thống thông gió mỏ. - Đường cong 2: Tương ứng với phương án thay đổi góc lắp cánh của bánh công tác của quạt gió (sử dụng quạt có cơ cấu tự điều chỉnh góc lắp cánh của bánh công tác). - Đường cong 3: Tương ứng với phương án sử dụng biến tần cho động cơ không đồng bộ 3 pha. - Đường cong 4: Biểu diễn mối phụ thuộc sự thay đổi công suất tiêu thụ điện năng của động cơ quạt với lưu lượng, tương ứng với phương án sử dụng biến tần cho động cơ đồng bộ 3 pha. Xét 2 phương án: Đề tài luận án lựa chọn phương án sử dụng biến tần để tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính. 3.4. Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính 3.4.1. Xây dựng sơ đồ tổng quát Với việc sử dụng biến tần kết hợp các thiết bị công nghệ phụ trợ để tạo và lập trình chế độ tự động điều khiển hoạt động thông gió cho mỏ, thì ta có sơ đồ tổng quan như hình 3.6. Màn hình vận hành Các đầu đo cảm biến: khí CH4, CO2, vgió, Scs, to,... Bộ điều khiển trung tâm PLC Tủ cầu giao điện cấp biến tần và quạt gió Biến tần Quạt gió mỏ Hình 3.6. Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển tự động mạng gió mỏ
3.4.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán Với hệ thống tự động điều khiển chế độ quạt gió chính và giám sát mạng gió mỏ, ta có biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển quạt như trên hình 3.7. Và sơ đồ thuật toán chương trình như trên hình 3.8. Quat khong dung bien tan Qkbt>=QC.d an (1) nt QC.d bie ng du Quat bien tan su uu k hi (2) QTr.d (3) en toi Mi Quat bien tan QTh.d Quat bien tan Thoi gian thap diem Thoi gian trung diem Thoi gian cao diem Hình 3.7. Biểu đồ minh họa miền tối ưu lưu lượng gió khi sử dụng biến tần để tối ưu chế độ làm việc của quạt gió Bắt đầu S Ngày làm việc Đ S Giờ cao điểm CH4
- Xác định hiệu quả tiêu thụ điện năng (ηp) 3.5.2.2. Thiết lập chương trình giải bài toán tối ưu Với điều kiện phát triển tin học giai đoạn như ngày nay (Công nghệ 4.0), NCS đã thiết lập chương trình giải bài toán“Tối ưu chế độ làm việc của quạt gió chính”. Giao diện phần mềm như trên hình 3.10. Hình 3.10. Giao diện phần mềm tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính 3.6. Kết luận chƣơng 3 1- Đối với các mỏ than hầm lò vùng Quang Ninh, có nhiều nguyên nhân làm cho chế độ làm việc của quạt gió bị tăng lên. Tuy nhiên có 2 nguyên nhân mà hiện nay chưa được đề cập: Độ chênh của điểm làm việc với điểm yêu cầu (Qlv≥Qct); Giảm lưu lượng gió trong các khung giờ không cao điểm. 2- Nhu cầu gió sạch cho các mỏ than hầm lò phụ thuộc vào kế hoạch sản xuất thực tế của mỏ. Hiện nay, với kế hoạch sản xuất thực tế cho thấy nhu cầu gió sạch cho mỏ có thể phân làm 3 mức với thời gian như sau: - Khung giờ cao điểm: Với nhu cầu gió sạch là lớn nhất là Q C.đ tương ứng với lượng thời gian khoảng: 19,5 giờ/ngày x 300 ngày = 5850 giờ/năm. - Khung giờ trung điểm: Với nhu cầu gió sạch là QTr.đ = 0,8.QC.đ tương ứng với lượng thời gian khoảng: 4,5 giờ/ngày x 300 ngày = 1350 giờ/năm. - Khung giờ thấp điểm: Với nhu cầu gió sạch là thấp nhất có QTh.đ = 0,6.QC.đ tương ứng với lượng thời gian khoảng: 65 ngày/năm = 1560 giờ/năm. 3- Có nhiều phương án tối ưu chế độ làm việc của quạt gió, nhưng phương án sử dụng biến tần để tối ưu chế độ làm việc của quạt gió (tối ưu độ chênh của chế độ làm việc của quạt với điểm yêu cầu; tối ưu chế độ làm việc của quạt trong các khung giờ, đặc biệt là trong các ngày nghỉ), đảm bảo quy định an toàn môi trường và sử dụng điện hiệu quả trong điều kiện ở các mỏ than hầm lò vùng Quang Ninh hiện nay là hợp lý và cho hiệu quả nhất. 4- Việc áp dụng chương trình tin học (phần mềm) để giải bài toán tối ưu chế độ làm việc của quạt gió là có cơ sở giúp cho việc đánh giá hiệu quả của phương án sử dụng biến tần. Ngoài ra, giúp cho việc tính toán đơn giản, rút ngắn thời gian tính toán, cho kết quả chính xác và đảm bảo có độ tin cậy cao.