Tiết kiệm năng lượng cho Máy nén khí và Tời trục trong Mỏ hầm lò

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.. Sơ đồ hệ truyền động trục tời tại m

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 hiện đang là một nhân tố chủ chốt, đóng vai trò quan trọng trong mọi hoạt động của các tổ chức doanh nghiệp Việc thiếu hụt năng lượng và chi phí dành cho năng lượng ngày càng tăng dần trở thành một thách thức không nhỏ đối với mỗi quốc gia và các doanh nghiệp trong việc đảm bảo đáp ứng các nguồn năng lượng phục vụ cho những mục tiêu tăng trưởng và phát triển Trong khi việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo hay năng lượng thay thế sẽ phải mất nhiều thời gian thì việc quản lý năng lượng hiệu quả nhằm giảm tiêu hao năng lượng và giảm chi phí năng lượng đang trở thành một vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều người và các tổ chức khác nhau

Đối với các đơn vị ngành than thì năng lượng phục vụ cho sản xuất chủ yếu

là điện năng, dầu và xăng Mỗi đơn vị sản xuất trong Tập đoàn đều có những đặc thù riêng do điều kiện địa chất mỏ phức tạp, công nghệ sản xuất khác nhau, thiết bị và con người phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt có khí và bụi

nổ, ẩm ướt, nhiệt độ cao, không gian chật hẹp, thường xuyên phải di chuyển, chịu đe dọa bởi các nguy cơ mất an toàn cao

Trong các khâu sản xuất của đơn vị sản xuất than hầm lò, khâu vận tải mỏ, khâu khí nén là những thiết bị tham gia trực tiếp trong thực hiện đào lò và khai thác than, vận chuyển than liên tục Tỷ lệ tiêu thụ điện năng của các khâu này chiếm tỷ lệ lớn lần lượt là 29% và 15% như trong hình 1 Tiềm năng thực hiện tiết kiệm năng lượng cho các khâu này theo đánh giá sơ bộ là tương đối lớn Chính vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu thực trạng hoạt động và các giải pháp kỹ thuật tiên tiến hiện đại để nâng cao hiệu quả vận hành an toàn các thiết bị đi cùng với sử dụng tiết kiệm năng lượng là một nhu cầu cấp bách và cần thiết

Hình 1 Tỷ lệ tiêu thụ điện của các thiết bị phục vụ sản xuất than hầm lò

(Nguồn: Nhiệm Vụ Bộ Công Thương năm 2013)

1 Thực trạng hoạt động của các thiết bị máy nén khí và tời trục mỏ than hầm lò.

Các máy nén khí trung tâm tại các mỏ đang sử dụng là loại 4L-20/8 của Trung Quốc sản xuất với lưu lượng khí nén mỗi trạm là 20m3 /phút, áp lực 8 at, công suất của động cơ điện mỗi máy là Pđm=132 kW Máy nén hoạt động liên tục 24h/24h, thông số của máy nén khí như sau:

- Kiểu: 4L-20/8, trục vít

- Động cơ: Không đồng bộ 3 pha kiểu rô to lồng sóc

- Loại: Y315M2 - 8

- 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

là có nhiều trạm đặt ở các vị trí khác nhau để phục vụ sản xuất và mỗi trạm lại

có từ 2÷5 máy Chế độ vận hành các máy nén khí được chạy luân phiên, tùy thuộc vào nhu cầu mà số lượng máy được vận hành với số lượng thích hợp Trong thời gian máy nén khí hoạt động có 2 trạng thái: mang tải với công suất hoạt động trung bình Ptb=112,14÷130kW và rã tải với công suất trung bình Ptb=19,29÷46,04kW và tỷ lệ thời gian chạy ở trạng thái mang tải-rã tải thay đổi phụ thuộc rất lớn vào nhu cầu sử dụng khí nén

Một số Công ty đã trang bị cuộn kháng giúp giảm dòng khởi động của động cơ máy nén khí (như Quang Hanh, Mạo Khê, Vàng Danh, Mông Dương .v.v) Tuy nhiên, qua kết quả đo kiểm cho thấy dòng khởi động của động cơ vẫn còn cao, sau quá trình khởi động thiết bị này không có tác dụng giúp tiết kiệm điện Vì vậy đây chưa phải là giải pháp tối ưu áp dụng cho máy nén khí

Hình 2 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 nhau (trong lò, ngoài mặt bằng, các khu vực giếng) nhằm phục vụ hỗ trợ người đi bộ, vận tải người và nguyên vật liệu

Tổ hợp thiết bị điều khiển trục tời thường gồm: bộ đảo chiều (vd loại PKB-300), bộ hãm động năng (vd loại KДTB-300 hoặc BДTB-400), bộ cắt trở

rô to (vd loại БK3B-400, với biến trở ngâm dầu loại BЖP) Ngoài ra, trong các

sơ đồ hệ truyền động còn cần phải có khởi động từ đảo chiều và phanh điện từ Khi khởi động, cả động cơ và phanh được đồng thời đóng điện Các trục tời thường được dẫn động bằng động cơ roto dây quấn, khởi động và điều chỉnh tốc

độ bằng bộ điều khiển cắt trở Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển ra chân giếng không liên tục nên các trục tải vận hành trong chế độ ngắt quãng, thường xuyên phải khởi động và hãm gây tổn thất nhiều năng lượng điện (hình 3)

3y

3y

2y

2y

1y

1y

Hình 3 Sơ đồ hệ truyền động trục tời tại 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 các động cơ tời đều có hệ số công suất không cao (bảng 1), hệ số công suất này ảnh hưởng đến thiết bị khác cùng lưới điện và ảnh hưởng đến quá trình truyền tải năng lượng trên lưới Khi

hệ số công suất thấp làm tăng tổn hao trên đường truyền

Bảng 1 Tổng hợp kết quả đo kiểm công suất và hệ số công suất của các tời

trục tại các đơn vị khai thác than hầm lò

(kW)

P tb

(kw)

Hệ số cosφ

% mang tải

1 Công ty CP than Vàng Danh

Động cơ tời trục giếng

Tời trục giếng phụ cánh gà

2 Công ty CP than Hà Lầm Tời trục giếng chính ngầm trục -51 55 16,15 0,71 29,36

3 Xí nghiệp than

Cao Thắng

Tời kéo goòng EKO D30

4

Công ty TNHH

than Quang

Hanh

Tời trục mặt bằng cửa lò

Tời trục hầm lò – PX VT

(Nguồn: Kết quả kiểm toán năng lượng các đơn vị)

Ngoài ra, hệ thống tời trục giếng chính tại các mỏ hầm lò với công suất động cơ từ trung bình tới lớn hầu hết vận hành theo tính chất tải không liên tục (Hình 4) Hệ số công suất rất thấp, quá trình khởi động và hãm xảy ra liên tục gây tổn thất điện năng lớn, giảm tuổi thọ bối dây động cơ do khởi động nhiều lần, giảm tuổi thọ cơ cấu cơ do momen khởi động lớn Đây chính là nhược điểm của các loại tời trục với công nghệ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở rôto, điều khiển dừng tời hoặc hãm tời bằng cách hãm động năng của động cơ và phanh cơ khí để dừng hẳn tời Vì vậy, đây là một trong những khâu có tiềm năng tiết kiệm năng lượng cần được nghiên cứu hỗ trợ giải pháp

Hình 4 Biểu đồ Công suất tời giếng ngầm chính mức -51 Công ty Cổ phần

than Hà Lầm - Vinacomin

2 Đề xuất giải pháp và đánh giá tiềm năng tiết kiệm.

Từ thực trạng hoạt động của thiết bị máy nén khí và tời trục mỏ hầm lò, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu và đánh giá tính khả thi áp dụng các giải pháp điều khiển truyền động điện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, tiết kiệm điện năng, dễ dàng vận hành cho người công nhân,cụ thể như sau:

2.1 Đối với máy nén khí trung tâm 4L-20/8

* Giải pháp đề xuất:

Theo kết quả đo kiểm, phân tích số liệu và hiện trạng vận hành của các máy nén khí trung tâm 4L-20/8 (132kW) tại các mỏ khai thác than hầm lò Dữ liệu về công suất lúc chạy có tải và không tải được thống kê trong bảng 2 dưới đây:

Bảng 2 Tổng hợp kết quả đo kiểm công suất và hệ số công suất của các máy

nén khí tại các đơn vị khai thác than hầm lò

Có tải Không tải Có tải Không tải

Mỏ Vàng Danh Mặt bằng +110 đông Vàng Danh 117,10 46,04 0,76 0,68

Mỏ Hồng Thái Mặt bằng +30 130,18 29,20 0,83 0,38

Vông

Máy số 3-MB+131 Đông Vàng Danh

Mỏ Dương

Mỏ Quang Máy số 3-Trạm 112,14 36,23 0,75 0,34

Hanh MB+27

Mỏ than 790 Mặt bằng +57 128,54 41,09 0,83 0,59

(Nguồn: Kết quả kiểm toán năng lượng các đơn vị)

Với đặc điểm của máy nén khí hoạt động phụ thuộc vào mức tải sử dụng, nếu các phụ tải tiêu thụ nhiều khí nén thì máy sẽ hoạt động liên tục, còn khi nhu cầu sử dụng khí nén không lớn khí được nén trong bình tích áp, áp suất trong bình tích áp tăng và khi tăng đến giá trị áp suất đặt thì máy sẽ chuyển sang chế

độ chạy rã tải Lúc này khí nén không được cấp vào bình nhưng động cơ vẫn chạy và đây là thời điểm động cơ chạy không tải Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng khí nén mà thời gian chạy không tải dài hay ngắn Kết quả phân tích số liệu đo kiểm cho thấy với tỷ lệ thời gian chạy không tải động cơ hoạt động với công suất Ptb=19,29÷46,04kW, vì vậy đây là khoảng thời gian có cơ hội tiết kiệm điện năng rất lớn khi có giải pháp hợp lý Với hiện trạng như vậy, giải pháp tiết kiệm điện cho các máy nén khí có thể ứng dụng thiết bị điện tử công suất như phân tích ở trên là: khởi động mềm, biến tần hoặc Powerboss, chi tiết như sau:

- Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm):

+ Khởi động mềm chỉ có tác dụng làm giảm dòng khởi động của động cơ, sau quá trình khởi động thiết bị này không có chức năng giúp tiết kiệm điện năng Máy nén khí có chế độ làm việc không tải với công suất hoạt động trung bình là Ptb=19,29÷46,04kW Thời gian làm việc không tải phụ thuộc vào mức độ tải tiêu thụ, trong khoảng thời gian hoạt động non tải này khởi động mềm lại không có khả năng điều chỉnh công suất hoạt động làm giảm điện năng tiêu thụ không có ích Vì vậy, giả thiết lắp khởi động mềm đối với máy nén khí 4L-20/8 chưa phải là giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm điện

- Đối với giải pháp lắp thiết bị biến tần:

+ Biến tần chỉ đạt hiệu quả cao về phương diện tiết kiệm điện năng khi điều chỉnh tốc độ động cơ Tuy nhiên, giả thuyết của việc lắp đặt biến tần điều chỉnh tốc độ cho máy nén khí là không tối ưu vì: khi giảm tốc độ động cơ, dẫn tới cơ 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 này rất nguy hiểm do khi không

đủ dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, sẽ xuất hiện ma sát lớn và sinh nhiệt gây phá huỷ hệ thống xylanh-pittong Với đặc điểm công nghệ vận hành của máy nén khí 4L-20/8 trong quá trình chạy không tải, tốc độ động cơ không được thay đổi để đảm bảo cơ cấu tay quay làm việc ổn định và đủ lực văng nhằm mục đích cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, như vậy lắp biến tần vào đây là giải pháp không tối ưu để tiết kiệm năng lượng

- Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất Powerboss:

+ Do yếu tố công nghệ của máy nén khí 4L-20/8 khi chạy không tải, tốc độ động cơ phải không được thay đổi để đảm bảo cơ cấu tay quay làm việc ổn định

và 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 cơ bằng cách điều khiển thay đổi điểm mở của Thyristors Điều khiển tác động liên tục thay đổi điện áp đặt lên động cơ do phần mềm điều khiển được tích hợp sẵn trong một bộ

vi điều khiển Vì vậy, powerboss sẽ tự động điều chỉnh công suất của động cơ nén khí theo nhu cầu tải thực tế, từ đó làm giảm điện năng tiêu thụ tại các thời điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động cơ không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động Tại các thời điểm làm việc không tải sẽ tiết kiệm điện năng đồng thời không làm thay đổi tốc độ động cơ, đảm bảo cơ cấu tay quay cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong làm việc ổn định

Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm đối với các giải pháp như trên, kết quả cho thấy giải pháp lắp bộ điều khiển công suất Powerboss cho máy nén khí loại 4L-20/8 là hợp lý nhất về phương diện kỹ thuật khi đầu tư

* Tiềm năng tiết kiệm:

Theo kết quả đo kiểm và phân tích lựa chọn giải pháp cho máy nén khí 4L-20/8, chúng tôi ước tính tiềm năng tiết kiệm sơ bộ khi đầu tư Powerboss cho các máy nén khí tại mỏ Vàng Danh, Hồng Thái, Đồng Vông, Kết quả tính toán

sơ bộ tiềm năng được tổng hợp trong bảng 3 dưới đây:

Bảng 3 Tiềm năng tiết kiệm điện khi lắp thiết bị điều khiển công suất cho

máy nén khí 4L-20/8

CPTK (1.000đ/nă m)

1 Công ty than Vàng Danh Mặt bằng +110 đông Vàng Danh 36.918 55.377

2 Công ty than Hồng Thái Mặt bằng +30 42.215 63.323

3 Công ty than Đồng Vông MB+131 Đông Vàng Danh 40.318 60.477

4 Xí nghiệp than 86 Mặt bằng +55 40.837 61.256

5 Công ty than Dương Huy Mặt bằng +38 36.737 55.106

6 Công ty than Quang Hanh Máy số 3 - trạm MB+27 40.337 60.506

Như vậy, theo kết quả tính toán sơ bộ thì năng lượng điện tiết kiệm được khi thực hiện đầu tư thiết bị powerboss dao động từ 32.785÷42.215kWh tương ứng với chi phí tiết kiệm đạt được từ 49,178÷63,323 triệu đồng/năm Lượng tiết kiệm tùy thuộc vào đặc điểm hoạt động và yêu cầu công nghệ tiêu thụ khí nén riêng của từng đơn vị Vì vậy, theo đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng thì giải pháp lắp powerboss cho máy nén khí 4L-20/8 là hoàn toàn khả thi

2.2 Đối với thiết bị tời trục

* Giải pháp đề xuất:

Các tời trục thường được sử dụng kéo đất đá lên trên và đưa vật liệu xuống theo các giếng nghiêng, cửa lò phụ Trục tời được dẫn động bằng động cơ roto dây quấn, khởi động và điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều khiển đóng/cẳt các cấp điện trở phụ Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển ra chân giếng không liên tục nên các trục tải vận hành trong chế độ ngắt quãng, thường xuyên phải khởi động và hãm gây tổn thất nhiều năng lượng điện Kết quả đo kiểm như bảng 1 cũng cho thấy công suất hoạt động trung bình của các tời trục là Ptb=6,25÷125,91kW; phần trăm mang tải của động cơ tùy theo tải thực tế từ 20,83÷60,0% Như vậy, các tời trục thường hoạt động non tải trong quá trình làm việc của mình Vì vậy giải pháp tiết kiệm điện năng có thể áp dụng là lắp khởi động mềm, bộ powerboss hoặc biến tần cho các tời trục, chi tiết như sau:

- Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất powerboss: Thiết

bị này tự động điều chỉnh công suất của động cơ tời trục theo nhu cầu tải thực tế dựa trên nguyên lý cấp lượng điện áp phù hợp cho động cơ, dẫn tới làm giảm điện năng tiêu thụ tại các thời điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động

cơ không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động Đối với quá trình làm việc của tời trục lúc thả tải và lúc kéo tải tốc độ phải thay đổi để phù hợp với tải trên cả đoạn đường dốc quá trình kéo tải của tời Như vậy việc ứng dụng lắp đặt cho các tời trục thiết bị powerboss sẽ gặp khó khăn do không hợp lý về điều khiển

- Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm, cuộn kháng, đổi nối sao-tam giác): Thiết bị này chỉ có tác dụng làm giảm dòng

khởi động của động cơ, sau quá trình khởi động thiết bị này không có chức năng giúp tiết kiệm điện

- Đối với giải pháp lắp biến tần: Khi lắp biến tần cho các động cơ tời,

bài toán về điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với tải biến thiên trên cả hành trình kéo và thả tải được giải quyết triệt để Trong quá trình thả tải, biến tần sẽ hãm dừng động cơ theo phương pháp hãm động năng tiêu tán năng lượng trên điện trở nhiệt hoặc hãm tái sinh (phát năng lượng về lưới) nhờ mạch hãm tái sinh trong biến tần (hình 5)

Hình 5 Mô hình kết hợp biến tần điều khiển động cơ trục tời có hãm tái

sinh trả năng lượng về lưới

Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm đối với các giải pháp như trên, kết quả cho thấy giải pháp lắp biến tần để điều khiển trục tời là hợp lý nhất

về phương diện kỹ thuật và tiềm năng tiết kiệm đem lại khi đầu tư

* Tiềm năng tiết kiệm:

Tổng hợp tiềm năng tiết kiệm điện năng khi áp dụng giải pháp lắp biến tần cho các tời trục được tính toán như bảng 4

Bảng 4.Tiềm năng tiết kiệm điện khi lắpbiến điều khiển trục tời

(kW)

P tb

(kW)

Tiết kiệm (%)

Tiết kiệm (kWh)

1 Động cơ tời trục giếng chính Vàng Danh 132 80,38 6,23 59.209,9

2 Tời trục giếng phụ cánh gà tây Vàng Danh 255 125,92 7,35 134.946,0

3 Tời trục ngầm chính -51 Hà Lầm 55 16,15 5,51 21.828,4

4 Tời trục mặt bằng cửa lò +27 Quang Hanh 55 52,28 4,12 16.326,5

5 Tời trục hầm lò- PX VT lò 1 Quang Hanh 45 16,50 3,31 10.731,0

Qua bảng tổng hợp tiềm năng tiết kiệm khi áp dụng biến tần cho trục tời

ta thấy: khi lắp biến tần cho tời thì lượng điện tiết kiệm dao động từ 3,31% đến 7,35%, lượng tiết kiệm này thay đổi tùy thuộc vào loại tời và hoạt động của tời Theo kết quả tính toán tiềm năng tiết kiệm khi đầu tư biến tần vào điều khiển và vận hành tời trục hầm lò, ước tính điện năng tiết kiệm được 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 4 năm, như vậy giải pháp tiết kiệm đề xuất cho các tời theo phân tích hiệu quả kỹ thuật - kinh tế là hoàn toàn khả thi

3 Kết luận

Theo kết quả phân tích và ước tính tiềm năng tiết kiệm cho các thiết bị như tời trục, máy nén khí tại 20 đơn vị khai thác than hầm lò Kết hợp theo dõi quá trình làm việc của thiết bị theo từng công nghệ sản xuất và sự biến thiên công suất của động cơ tời trục, máy nén khí của từng ca sản xuất Biện pháp tiết kiệm năng lượng ứng dụng các thiết bị điều khiển công nghệ tiên tiến hiện nay có sử dụng thiết bị điện tử công suất được phân tích và nghiên cứu đề xuất như sau:

- Đối với trục tời: Giải pháp lắp biến tần có tính năng hãm tái sinh để điều khiển tốc độ động cơ giúp tiết kiệm điện, ổn định lưới điện khu vực, nâng cao hiệu quả làm việc, kéo dài tuổi thọ động cơ

- Đối với máy nén khí 4L-20/8: Giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất Powerboss cho các máy nén khí giúp tiết kiệm điện năng, nâng cao hiệu suất làm việc, kéo dài tuổi thọ động cơ

Tài liệu tham khảo:

[1] Báo cáo Phát triển công nghiệp toàn cầu 2011 do Tổ chức Phát triển công nghiệp Liên Hợp Quốc (UNIDO) công bố ngày 7/3/2012 tại Hà Nội.

[2] Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả - 2010.

[3] Bộ tiêu chuẩn ISO 50001:2011 của tổ chức ISO và www.ISO.org.