Nghiên cứu giải pháp nâng cao tính an toàn tia lửa của mạch điều khiển khởi động từ trong mỏ than hầm lò

• Tác giả: Vũ Thành Thái
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hữu Phúc
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải Pháp Nâng Cao An Toàn Tia Lửa Cho Mạch Điều Khiển Khởi Động Từ Trong Mỏ Than
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Địa điểm: Quảng Ninh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐIỆN HẠ ÁP SỬ DỤNG TRONG MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
• 1.1. Đăc điểm chung mạng điện hạ áp mỏ hầm lò
• 1.1.1. Hệ thống cung cấp điện trên phạm vi mỏ
• 1.1.2. Hệ thống cung cấp điện trong nội bộ các đơn vị khai thác than hầm lò
• 1.2. Môi trường hầm lò
• 1.3. Tổ chức cung cấp điện hạ áp trong các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
• 1.3.1. Cung cấp điện
• 1.3.2. Cung cấp điện cho các khu khai thác
• 1.4. Phương pháp tổ chức cung cấp điện
• 1.4.1. Cấp điện qua giếng
• 1.4.2. Cấp điện qua lỗ khoan
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH AN TOÀN TIA LỬA CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG TỪ PHÒNG NỔ SỬ DỤNG TRONG MỎ THAN HẦM LÒ
• Kết luận, kiến nghị

I. Tổng quan về an toàn điện trong mạch điều khiển khởi động từ

Trong ngành công nghiệp khai thác than, an toàn điện là một yếu tố vô cùng quan trọng nhằm bảo vệ người lao động và thiết bị. Mạch điều khiển khởi động từ được sử dụng để điều khiển các động cơ điện trong môi trường khai thác than, nơi có nhiều rủi ro điện như cháy nổ khí mê tan. Các thiết bị điện cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nhằm giảm thiểu nguy cơ xảy ra tai nạn. Theo thống kê, nhiều vụ tai nạn lao động trong ngành khai thác than liên quan đến việc không đảm bảo an toàn điện, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản. Do đó, việc cải thiện giải pháp an toàn cho các mạch điều khiển khởi động từ là cần thiết để bảo vệ an toàn cho người lao động và tăng cường hiệu quả sản xuất.

1.1. Đặc điểm của mạch điều khiển khởi động từ

Mạch điều khiển khởi động từ trong môi trường khai thác than thường sử dụng các thiết bị như khởi động từ phòng nổ để đảm bảo an toàn. Các khái động từ này được thiết kế đặc biệt để chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt, bao gồm áp suất cao và nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, nhiều mạch điều khiển hiện tại vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu an toàn điện tối ưu. Việc sử dụng mạch an toàn tia lửa trong khởi động từ có thể giúp giảm thiểu các rủi ro về cháy nổ. Một số loại mạch điều khiển hiện tại vẫn sử dụng công nghệ cũ, dẫn đến nguy cơ cao về rủi ro điện. Cần có các nghiên cứu và cải tiến để nâng cao tính an toàn của mạch điều khiển trong ngành khai thác than.

II. Giải pháp nâng cao an toàn tia lửa cho mạch điều khiển

Để nâng cao an toàn điện cho mạch điều khiển khởi động từ trong môi trường khai thác than, cần triển khai các giải pháp an toàn cụ thể. Một trong những giải pháp quan trọng là cải tạo và nâng cấp các mạch điều khiển hiện tại, thay thế các thiết bị không đạt tiêu chuẩn. Việc áp dụng công nghệ điều khiển tiên tiến giúp tăng cường khả năng bảo vệ cho các thiết bị điện, đồng thời giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố. Ngoài ra, việc đào tạo nhân viên về an toàn lao động và quy trình vận hành thiết bị cũng rất cần thiết. Các thiết bị điện cần phải được kiểm tra định kỳ để đảm bảo không xảy ra sự cố do lỗi kỹ thuật. Tất cả các biện pháp này không chỉ giúp nâng cao an toàn lao động mà còn đảm bảo hiệu quả sản xuất trong ngành khai thác than.

2.1. Cải tiến thiết bị và quy trình vận hành

Cải tiến thiết bị điện là một trong những giải pháp cần thiết để nâng cao an toàn điện trong mạch điều khiển. Các thiết bị cần phải được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn quốc tế, đảm bảo khả năng chống cháy nổ, đặc biệt trong môi trường có khí mê tan. Quy trình vận hành cũng cần phải được cập nhật và điều chỉnh để phù hợp với thực tế làm việc tại các mỏ than. Việc sử dụng mạch điều khiển từ xa với tính năng an toàn cao sẽ giúp giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Bên cạnh đó, cần có các biện pháp bảo vệ như cầu dao tự động và hệ thống cảnh báo để phát hiện sớm các sự cố có thể xảy ra.

III. Đánh giá hiệu quả của các giải pháp an toàn

Đánh giá hiệu quả của các giải pháp nâng cao an toàn điện trong mạch điều khiển khởi động từ là rất quan trọng. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro mà còn cải thiện hiệu quả sản xuất. Theo thống kê, việc áp dụng giải pháp an toàn đã giảm thiểu đáng kể số vụ tai nạn lao động trong ngành khai thác than. Các thiết bị điện được cải tiến đã hoạt động ổn định hơn, giảm thiểu sự cố và tăng cường độ tin cậy trong quá trình vận hành. Việc nâng cao an toàn lao động không chỉ mang lại lợi ích cho người lao động mà còn cho cả doanh nghiệp, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất.

3.1. Tác động đến an toàn lao động và sản xuất

Tác động của các giải pháp an toàn đến an toàn lao động và sản xuất là rất rõ ràng. Khi các mạch điều khiển được cải tiến và áp dụng công nghệ mới, số vụ tai nạn lao động đã giảm đáng kể. Điều này không chỉ bảo vệ sức khỏe cho người lao động mà còn giúp tăng cường tinh thần làm việc và hiệu quả sản xuất. Các doanh nghiệp cũng nhận thức được tầm quan trọng của việc đầu tư vào an toàn điện, từ đó có những chính sách hợp lý để bảo vệ người lao động và tài sản. Việc duy trì một môi trường làm việc an toàn sẽ tạo ra sự ổn định và phát triển bền vững cho ngành khai thác than.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, đặc biệt là than hầm lò tại Việt Nam, đang phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Tại vùng mỏ Quảng Ninh, việc nâng cao sản lượng than đòi hỏi đầu tư mở rộng khai thác và trang bị các thiết bị điện phòng nổ hiện đại, trong đó khởi động từ phòng nổ đóng vai trò quan trọng trong điều khiển các động cơ điện. Tuy nhiên, môi trường làm việc trong mỏ than hầm lò luôn tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ khí mê tan với nồng độ từ 5% đến 15% CH4, gây ra nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng trong quá khứ, như vụ cháy nổ khí mê tan tại Công ty than Mạo Khê năm 1999 làm chết 19 người, hay vụ cháy nổ tại Công ty than Khe Chàm năm 2008 làm chết 11 người.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá và nâng cao tính an toàn tia lửa của mạch điều khiển khởi động từ phòng nổ sử dụng trong mỏ than hầm lò, nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và tai nạn lao động. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các khởi động từ phòng nổ hạ áp đang sử dụng tại các mỏ than hầm lò lớn ở Việt Nam, đặc biệt là vùng Quảng Ninh, trong khoảng thời gian gần đây. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc đảm bảo an toàn lao động, nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản trong ngành khai thác than hầm lò.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật về an toàn điện trong môi trường có nguy cơ cháy nổ, bao gồm:

• Lý thuyết an toàn tia lửa (Ex i I): Phương pháp hạn chế năng lượng đầu ra của mạch điện để tránh phát sinh tia lửa có thể gây cháy nổ trong môi trường khí mê tan.
• Tiêu chuẩn TCVN 7079 và IEC 60079: Quy định về thiết kế, chế tạo và lắp đặt thiết bị điện phòng nổ, đặc biệt là dạng bảo vệ không xuyên nổ (Ex d), bảo vệ tăng cường (Ex e), và bảo vệ đổ đầy vật liệu (Ex q, Ex m).
• Khái niệm về mạch điều khiển từ xa an toàn tia lửa: Mạch điện áp thấp được thiết kế để không phát sinh tia lửa trong quá trình vận hành, đảm bảo an toàn trong môi trường dễ cháy nổ.
• Khái niệm về mối ghép phòng nổ: Các mối nối vỏ thiết bị phải đảm bảo không cho ngọn lửa hoặc áp suất nổ lan truyền ra môi trường bên ngoài.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

• Phương pháp lý thuyết: Tổng hợp, phân tích các tài liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật trong nước và quốc tế về thiết bị điện phòng nổ và an toàn tia lửa.
• Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra, đánh giá thực trạng sử dụng các loại khởi động từ phòng nổ tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, bao gồm khảo sát mạch điều khiển và tính năng phòng nổ.
• Phương pháp thống kê và thu thập số liệu: Thu thập dữ liệu về số lượng, chủng loại khởi động từ, các vụ tai nạn liên quan đến thiết bị điện trong mỏ than từ năm 1995 đến 2020.
• Phân tích kỹ thuật và đánh giá an toàn: Đánh giá điều kiện an toàn tia lửa của các mạch điều khiển từ xa hiện đang sử dụng, so sánh ưu nhược điểm của các loại khởi động từ do Trung Quốc, Việt Nam và Nga sản xuất.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây, tập trung vào các mỏ than hầm lò lớn tại Quảng Ninh, với dữ liệu thu thập từ các năm 1995 đến 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tỷ lệ sử dụng khởi động từ phòng nổ do Trung Quốc sản xuất chiếm 89,2%, Việt Nam 6,5%, Nga 4,4% trong các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh với tổng số 3203 thiết bị.
2. Các mạch điều khiển từ xa hiện nay chủ yếu sử dụng mạch thường không an toàn tia lửa, chỉ một số ít khởi động từ loại QJZ của Trung Quốc được trang bị mạch điều khiển an toàn tia lửa.
3. Tai nạn cháy nổ khí mê tan chiếm 2% số vụ nhưng gây 10,07% số người chết trong khai thác than hầm lò Việt Nam từ 1995 đến 2020, với trung bình mỗi năm khoảng 17,3 vụ tai nạn và 22,54 người chết.
4. Môi trường làm việc trong mỏ than hầm lò có độ ẩm cao, bụi than bám nhiều, và khí mê tan tồn tại liên tục, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tính an toàn của thiết bị điện, đặc biệt là các mạch điều khiển không an toàn tia lửa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến các vụ cháy nổ và tai nạn liên quan đến thiết bị điện là do các mạch điều khiển từ xa không đảm bảo an toàn tia lửa, sử dụng điện áp điều khiển 36V từ biến áp 660/1140/36V mà không có biện pháp hạn chế tia lửa. Ngoài ra, việc sử dụng các nút bấm phòng nổ không phù hợp với phân vùng khí mê tan (vùng 0) cũng làm tăng nguy cơ cháy nổ. So với các nghiên cứu quốc tế, như tại Nhật Bản, tỷ lệ tai nạn do thiết bị điện chiếm khoảng 30%, tương đồng với thực trạng Việt Nam, cho thấy tính cấp thiết trong việc nâng cao an toàn thiết bị điện trong mỏ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tỷ lệ khởi động từ theo nước sản xuất, biểu đồ số vụ tai nạn và số người chết theo nguyên nhân, cũng như bảng so sánh các loại khởi động từ và mạch điều khiển. Việc cải tiến mạch điều khiển sang dạng an toàn tia lửa sẽ giảm thiểu đáng kể nguy cơ cháy nổ, góp phần nâng cao an toàn lao động và hiệu quả khai thác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp mạch điều khiển từ xa sang mạch an toàn tia lửa cho tất cả các khởi động từ phòng nổ đang sử dụng trong mỏ than hầm lò, nhằm giảm thiểu nguy cơ phát sinh tia lửa gây cháy nổ. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Các công ty khai thác than và nhà sản xuất thiết bị.
2. Thay thế và loại bỏ các khởi động từ không có mạch điều khiển an toàn tia lửa, đặc biệt là các loại QC83 và QBZ hiện đang phổ biến nhưng chưa đảm bảo an toàn. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Ban quản lý mỏ và đơn vị bảo trì.
3. Tăng cường kiểm tra, bảo trì định kỳ hệ thống cáp điện và các mối ghép phòng nổ, đảm bảo kín khít, không bị hư hỏng, tránh rò rỉ khí và tia lửa điện. Thời gian: liên tục hàng năm; Chủ thể: Đội ngũ kỹ thuật mỏ.
4. Đào tạo nâng cao nhận thức và kỹ năng an toàn điện cho công nhân và cán bộ quản lý, tập trung vào việc sử dụng đúng thiết bị phòng nổ và tuân thủ quy trình vận hành an toàn. Thời gian: hàng năm; Chủ thể: Ban an toàn lao động và các tổ chức đào tạo.
5. Áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt theo TCVN 7079 và IEC 60079 trong thiết kế, chế tạo và lắp đặt thiết bị điện phòng nổ, đảm bảo các thiết bị đạt yêu cầu về bảo vệ không xuyên nổ, mạch an toàn tia lửa và cơ cấu bắt chặt đặc biệt. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Nhà sản xuất và cơ quan quản lý kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các công ty khai thác than hầm lò: Nghiên cứu giúp nâng cao an toàn thiết bị điện, giảm thiểu tai nạn cháy nổ, từ đó bảo vệ tính mạng người lao động và tài sản.
2. Nhà sản xuất thiết bị điện phòng nổ: Tham khảo để cải tiến thiết kế, phát triển mạch điều khiển an toàn tia lửa phù hợp với môi trường khai thác than hầm lò.
3. Cơ quan quản lý an toàn lao động và kỹ thuật mỏ: Sử dụng làm cơ sở xây dựng quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn vận hành thiết bị điện trong mỏ.
4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, khai thác mỏ: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về an toàn điện trong môi trường nguy hiểm, phương pháp nâng cao tính an toàn tia lửa cho thiết bị điện phòng nổ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nâng cao tính an toàn tia lửa cho mạch điều khiển khởi động từ phòng nổ?
   Do môi trường mỏ than hầm lò chứa khí mê tan dễ cháy nổ, mạch điều khiển không an toàn tia lửa có thể phát sinh tia lửa điện gây cháy nổ, đe dọa tính mạng và tài sản.

2. Khởi động từ phòng nổ loại nào đang được sử dụng phổ biến nhất tại các mỏ than Quảng Ninh?
   Khởi động từ do Trung Quốc sản xuất chiếm khoảng 89,2% tổng số thiết bị, trong đó loại QJZ có mạch điều khiển an toàn tia lửa đang được dần thay thế.

3. Các tiêu chuẩn kỹ thuật nào áp dụng cho thiết bị điện phòng nổ trong mỏ than?
   Tiêu chuẩn TCVN 7079 và IEC 60079 quy định về thiết kế, chế tạo, lắp đặt và bảo trì thiết bị điện phòng nổ, bao gồm các dạng bảo vệ như Ex d, Ex e, Ex q, Ex m.

4. Nguyên nhân chính gây ra các vụ cháy nổ khí mê tan trong mỏ than là gì?
   Nguyên nhân chủ yếu là do mạch điều khiển điện không an toàn tia lửa, hệ thống thông gió kém, và sự tích tụ khí mê tan với nồng độ trong giới hạn cháy nổ.

5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu tai nạn cháy nổ liên quan đến thiết bị điện trong mỏ than?
   Sử dụng mạch điều khiển từ xa an toàn tia lửa, bảo trì hệ thống điện định kỳ, đào tạo nhân viên và áp dụng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật là các giải pháp hiệu quả.

Kết luận

• Nghiên cứu đã đánh giá thực trạng sử dụng khởi động từ phòng nổ tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, xác định phần lớn thiết bị do Trung Quốc sản xuất và đa số mạch điều khiển chưa an toàn tia lửa.
• Tai nạn cháy nổ khí mê tan tuy ít về số vụ nhưng gây thiệt hại lớn về người và tài sản, đòi hỏi nâng cao an toàn thiết bị điện.
• Các mạch điều khiển an toàn tia lửa là giải pháp kỹ thuật quan trọng để giảm thiểu nguy cơ cháy nổ trong môi trường khai thác than hầm lò.
• Đề xuất các giải pháp nâng cấp mạch điều khiển, thay thế thiết bị không an toàn, tăng cường bảo trì và đào tạo nhân lực nhằm đảm bảo an toàn lao động.
• Tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới trong thiết bị điện phòng nổ để nâng cao hiệu quả và an toàn khai thác than hầm lò trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị khai thác than và nhà sản xuất thiết bị cần phối hợp triển khai nâng cấp hệ thống điều khiển an toàn tia lửa trong vòng 1-2 năm tới để giảm thiểu rủi ro cháy nổ và tai nạn lao động.