Tóm tắt Luận án Tối u hoá chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

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: Qct ≥ 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, m 3 /s; Qyc -Lưu lượng gió của quạt cần phải tạo ra, m 3 /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:      yc đThđTrđC tw Q QQQ k ... 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, m 3 /s; ΣQTr.đ-Tổng lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ trung điểm trong một năm, m 3 /s; ΣQTh.đ- Tổng lưu lượng gió cho mỏ ở khung giờ thấp điểm trong một năm, m 3 /s; ΣQyc-Tổng lưu lượng gió cho mỏ khi chưa tối ưu trong một năm, m 3 /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. 400 1000 2200 3400 15 20 40 Q(m³/s) P (pa) 0° -2.5° -5° +2.5° +5° 60 65 70 71 78 81 78 74 70 Qct=30.3 Byc Act Qyc=2825 hyc=1631 h=R*Q² 3530 2800 hct=1798 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 = 257m 3 /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 m 3 /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 = 257m 3 /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 m 3 /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 Q, m3/s 1200 1000 600 400 200 350 300 250 200 150 100 50 50 100 200 300 45o 40o 35o 30o 25o 20o 15 o 15 o 20o 25o 30o 35o 40o 45o 0 32,3 o Byc=Act/A Act h=R.Q 2 Qyc=Qct/A Qct Nct Nyc=Nct/A Nyc=Nct/A Nct hct hyc=hct/A Qo ho Ao 36o 800 No No 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 1 2 1 2 1 f f n n Q Q  2 2 1 2 1        n n h h 3 2 1 2 1        n n p p 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. 0,80,2 0,4 0,6 0,8 0,9 1,0 0,7 0,6 1,0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,1 0 Q/QH P/PH 1 2 3 4 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, t o,... 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. QTh.d QTr.d QC.d Qkbt>=QC.d Thoi gian thap diem Quat bien tan Thoi gian trung diem Thoi gian cao diem Quat bien tan Quat bien tan Quat khong dung bien tan (1) (3) (2) M ien to i u u k hi su du ng bi en ta n 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 Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán chương trình sử dụng biến tần điều khiển tối ưu chế độ làm việc của quạt gió mỏ 3.5. Chƣơng trình giải bài toán tối ƣu 3.5.1. Quy trình tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió 3.5.2. Thiết lập chương trình tính toán tối ưu chế độ làm việc của quạt gió 3.5.2.1. Thiết lập các thuật giải xác định các tham số tối ưu - Xác định tần số dòng điện (f), tốc độ vòng quay của trục quạt (n) và lưu lượng gió (Q) tối ưu - Xác định hạ áp (h) tối ưu - Xác định công suất (p) tiêu thụ tối ưu - Xác định hiệu quả tối ưu về lưu lượng gió (ηQ) Chạy 100% công suất Chạy 80% công suất CH4<1%,CO2<0,75% . CH4<1% CO2<0,75% . Giờ cao điểm Chạy 100% công suất Bắt đầu Ngày làm việc S Đ Chạy 60% công suất Chạy 100% công suất Kết thúc Đ Đ S Đ S S - 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