Tổng quan nghiên cứu

Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, các nhà máy nhiệt điện đốt than vẫn đóng vai trò then chốt khi cung cấp khoảng 35% đến 40% tổng sản lượng điện quốc gia. Tuy nhiên, quá trình vận hành liên tục 24/7 của các lò hơi công suất lớn từ 300 MW đến 600 MW phát sinh một lượng phế thải tro xỉ khổng lồ, trong đó lượng xỉ đáy lò chiếm khoảng 10% đến 15% tổng lượng nhiên liệu đốt. Xỉ đáy lò rơi xuống phễu thu với nhiệt độ vượt quá 850 độ C và lập tức được ngâm vào máng nước làm nguội, tạo thành hỗn hợp xỉ ướt có tính mài mòn và ăn mòn hóa học cực kỳ khắc nghiệt. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống thiết bị cào xỉ tự động nhằm đảm bảo tính liên tục của chu trình phát điện.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội của tác giả Trần Quang Hà, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Thùy Dương, đã tập trung giải quyết bài toán: "Nghiên cứu thiết kế hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ của lò hơi chạy than trong nhà máy nhiệt điện". Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán động lực học, thiết kế tối ưu hóa cụm kết cấu cơ khí chịu tải nặng và phát triển hệ thống điều khiển tự động hóa giám sát quá trình vận hành.

Nghiên cứu được triển khai dựa trên các thông số vận hành thực tế tại các tổ máy nhiệt điện than ở miền Bắc Việt Nam và hoàn thành bảo vệ xuất sắc vào năm 2019. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và giá trị ứng dụng to lớn khi giúp giảm tỷ lệ sự cố dừng lò do kẹt xích xuống dưới 2%, đồng thời cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí đầu tư thiết bị so với phương án nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết tính toán máy nâng chuyển liên tục và cơ sở động lực học truyền động cơ khí chính xác theo tiêu chuẩn quốc tế DIN 22252 và ISO 610. Hai khung lý thuyết nòng cốt được vận dụng gồm:

Thứ nhất, lý thuyết tính toán lực cản chuyển động và lực căng chu tuyến trên băng tải xích cào xỉ. Hệ thống băng cào làm việc theo chu trình khép kín gồm nhánh có tải di chuyển ngập trong máng nước và nhánh không tải quay về qua các con lăn đổi hướng. Lý thuyết cân bằng tĩnh và động lực học được áp dụng để xác định chính xác lực căng tại từng điểm nút dọc theo chu tuyến xích, có xét đến hệ số cản ma sát giữa xỉ với đáy máng thép ướt và hệ số cản giữa kim loại với kim loại.

Thứ hai, lý thuyết độ bền mỏi và phương pháp phân tử hữu hạn (FEM) áp dụng trong phân tích ứng suất kết cấu trục truyền động và tai liên kết băng cào. Khung lý thuyết này cho phép mô phỏng chính xác sự tập trung ứng suất tại các vùng chuyển tiếp nguy hiểm khi hệ thống chịu tải trọng va đập liên tục.

Nghiên cứu tích hợp 4 khái niệm kỹ thuật cốt lõi: Lực căng chu tuyến cực đại ($S_1$), Hệ số điền đầy thể tích máng cào ($\psi$), Ứng suất uốn - xoắn tương đương trên trục dẫn động, và Thuật toán nhận diện quá tải tự động dựa trên phản hồi dòng điện động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ các thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống thải xỉ lò hơi than cám có năng suất vận chuyển danh định đạt từ 25 đến 30 tấn/giờ. Bộ dữ liệu khảo sát bao gồm 12 tổ hợp tải trọng làm việc từ chế độ không tải, định mức đến quá tải ngập xỉ 120%, cùng với 30 chu kỳ đo lường thông số cơ lý tính của xỉ đáy lò.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích dựa trên các kịch bản vận hành khắc nghiệt nhất của nhà máy nhiệt điện. Cỡ mẫu này được lựa chọn có chủ đích nhằm bao quát toàn bộ các trạng thái giới hạn về độ bền cơ học và động học của cơ cấu truyền động trong các điều kiện kẹt xỉ cục bộ.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích truyền thống và mô phỏng số 3D tiên tiến. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) là vì các chi tiết phức tạp như tai liên kết băng cào và bánh xích dẫn động chịu trạng thái ứng suất không gian đa chiều, các công thức giải tích cổ điển không thể đánh giá hết nguy cơ nứt mỏi cục bộ. Nhờ mô phỏng số, tác giả đã trực quan hóa được biểu đồ phân bố ứng suất von Mises, từ đó tối ưu hóa kích thước kết cấu, giúp tiết giảm 15% khối lượng kim loại chế tạo mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn vượt trên 2,0 lần. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán và hoàn thiện mô hình điều khiển được thực hiện nghiêm túc trong mốc thời gian 12 tháng từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 10 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán giải tích kết hợp mô phỏng số trên hệ thống băng tải xích cào tro xỉ tự động đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, phân tích lực căng chu tuyến cho thấy giá trị lực căng lớn nhất xuất hiện tại điểm tiếp xúc giữa xích kéo và đĩa xích dẫn động đạt xấp xỉ 145 kN. Trong đó, lực cản do ma sát giữa lớp xỉ ướt và tấm lót đáy máng thép chiếm tới 65% tổng trở lực chuyển động của toàn hệ thống, cao hơn 25% so với trạng thái vận chuyển vật liệu khô thông thường.

Thứ hai, kết quả kiểm nghiệm tai liên kết giữa thanh gạt cào xỉ và mắt xích tròn bằng phương pháp phần tử hữu hạn xác định được ứng suất uốn cục bộ cực đại đạt 182 MPa. Giá trị này hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn cho phép của vật liệu thép hợp kim 40Cr tôi cải thiện, mang lại hệ số an toàn độ bền tĩnh đạt 2,4 lần và độ bền mỏi đạt 1,8 lần.

Thứ ba, việc nghiên cứu thiết kế cụm bánh xích dẫn động 7 răng biên dạng cải tiến có các răng lắp ghép tháo rời giúp phân bố đều tải trọng lên từng mắt xích tiếp xúc. Kết cấu này giúp giảm 28% tốc độ mài mòn cơ học tại đỉnh răng và đáy răng so với kết cấu bánh xích liền khối truyền thống.

Thứ tư, thuật toán điều khiển tự động tích hợp giữa biến tần và bộ điều khiển lập trình logic (PLC) đã chứng minh khả năng xử lý sự cố vượt trội. Khi dòng điện tải vượt ngưỡng 130% định mức do kẹt xỉ lớn, hệ thống sẽ tự động kích hoạt chu trình đảo chiều xích trong 0,5 giây để giải phóng dị vật, giảm 85% nguy cơ đứt xích hoặc cháy động cơ dẫn động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng đột biến của lực cản chu tuyến là do xỉ đáy lò sau khi tôi lạnh trong nước bị vỡ vụn thành các hạt sắc cạnh có độ cứng cao, tạo ra hiện tượng nêm chặt giữa thanh cào và thành máng dẫn. Hiện tượng này giải thích lý do tại sao các hệ thống băng cào nhập khẩu nếu không được hiệu chỉnh hệ số ma sát ướt cho than nội địa Việt Nam thường bị quá tải sau 6 đến 8 tháng hoạt động.

Khi so sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành cơ khí luyện kim và nhiệt điện, giải pháp thiết kế của luận văn đạt hiệu suất truyền động trên 92%, tương đương với các hệ thống tiêu chuẩn của châu Âu nhưng có chi phí bảo trì và thay thế phụ tùng định kỳ thấp hơn khoảng 35%.

Để hỗ trợ công tác kiểm tra và nghiệm thu thực địa, các dữ liệu động lực học này có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ đường biểu diễn sự biến thiên lực căng xích qua 8 trạm con lăn đổi hướng, kết hợp với bảng thống kê ma trận ứng suất tương đương von Mises trên từng tiết diện nguy hiểm của trục dẫn động đường kính 120 mm. Mô hình trực quan này giúp đội ngũ kỹ sư giám sát dễ dàng phát hiện các điểm xung yếu về cơ học trước khi đưa thiết bị vào chế tạo hàng loạt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và tính toán thiết kế của luận văn, 4 giải pháp thực tiễn được đề xuất nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cho hệ thống cào xỉ đáy lò:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình thiết kế và chế tạo xích kéo chịu tải nặng theo tiêu chuẩn mác thép hợp kim tôi cứng bề mặt đạt độ sâu thấm cacbon từ 1,5 đến 2,0 mm. Mục tiêu nâng tuổi thọ làm việc của bộ xích tải từ 18 tháng lên trên 36 tháng liên tục. Giải pháp này cần được các doanh nghiệp cơ khí chế tạo và Viện Nghiên cứu Cơ khí áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế mới từ năm 2020 đến 2025.

Thứ hai, tích hợp hệ thống giám sát tải trọng thông minh sử dụng cảm biến mô men không tiếp xúc kết nối mạng truyền thông công nghiệp về phòng điều khiển trung tâm (DCS). Mục tiêu phát hiện sớm nguy cơ kẹt xỉ trước 5 giây và hạ tỷ lệ dừng máy đột xuất xuống dưới 1%. Đơn vị thực hiện là phòng kỹ thuật tự động hóa tại các nhà máy nhiệt điện với lộ trình lắp đặt thử nghiệm trong vòng 6 tháng.

Thứ ba, áp dụng công nghệ phun phủ hợp kim chống mòn nền crom-cacbit cho các tấm lót đáy máng cào và vành răng bánh xích dẫn động nhằm đạt độ cứng bề mặt trên 55 HRC. Hoạt động này do bộ phận bảo trì cơ khí thực hiện định kỳ trong các kỳ tiểu tu và đại tu tổ máy hàng năm.

Thứ tư, phát triển phần mềm mô đun hóa chuyên dụng để tự động hóa khâu tính toán thủy lực và cơ học cho các hệ thống băng tải xích cào tro xỉ công suất lớn từ 50 đến 100 tấn/giờ. Mục tiêu rút ngắn 60% thời gian thiết kế dự án mới từ 90 ngày xuống còn 35 ngày. Nhóm nghiên cứu thuộc bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chủ trì phát triển trong thời gian 12 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo đắt giá cho 4 nhóm đối tượng sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế cơ khí và cơ điện tử trong lĩnh vực thiết bị nâng chuyển và công nghiệp nặng. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tính toán lực căng chu tuyến, thiết kế trục then, bộ truyền bánh răng và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn chi tiết tai liên kết.

Nhóm thứ hai là cán bộ quản lý vận hành, kỹ sư bảo dưỡng tại các nhà máy nhiệt điện đốt than và nhà máy luyện kim. Tài liệu giúp người đọc nắm vững nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết cấu cơ khí, các dạng hư hỏng mài mòn điển hình và biện pháp xử lý sự cố tự động hóa của hệ thống thải xỉ đáy lò.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng. Đây là bài mẫu hoàn chỉnh về phương pháp kết hợp giữa lý thuyết cơ học tính toán cổ điển với công cụ mô phỏng số hiện đại và giải thuật điều khiển tự động trên PLC.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp chế tạo máy và đơn vị tổng thầu EPC cơ khí trong nước. Các đơn vị này có thể khai thác bộ thông số thiết kế và bản vẽ kỹ thuật trong luận văn để tự chủ công nghệ sản xuất, phục vụ nội địa hóa thiết bị phụ trợ nhà máy nhiệt điện và giảm 30% chi phí đầu tư so với nhập ngoại.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống băng tải xích cào tro xỉ tự động vận hành trong môi trường khắc nghiệt như thế nào?
Hệ thống phải làm việc liên tục 24/7 trực tiếp dưới đáy phễu lò hơi nhiệt độ trên 850 độ C. Máng cào chứa nước làm nguội xỉ tạo ra môi trường bùn xỉ hạt cứng có tính mài mòn cơ học cực lớn kết hợp ăn mòn hóa học ở dải pH từ 6 đến 9.

Tại sao cần kiểm nghiệm tai liên kết và trục dẫn động bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)?
Do thanh gạt và tai liên kết chịu tải trọng va đập và lực cản xỉ biến thiên đột ngột lên đến 145 kN. Phương pháp FEM giúp phát hiện chính xác các điểm tập trung ứng suất uốn cục bộ vượt ngưỡng 180 MPa, từ đó hiệu chỉnh hình học nhằm tránh hiện tượng gãy mỏi chi tiết.

Hệ thống điều khiển tự động nhận diện và xử lý sự cố kẹt xỉ ra sao?
Hệ thống sử dụng cảm biến đo dòng tải kết hợp thuật toán lập trình trên PLC. Khi phát hiện dòng động cơ vượt quá 130% định mức do kẹt xỉ, bộ điều khiển sẽ tự động phát tín hiệu cảnh báo và kích hoạt chu trình đảo chiều xích trong 0,5 giây để tự giải phóng dị vật.

Loại xích kéo nào được lựa chọn trong luận văn để đảm bảo độ bền tối ưu?
Luận văn lựa chọn loại xích tròn chịu mài mòn cường độ cao theo tiêu chuẩn DIN 22252 với bước xích chuẩn và giới hạn kéo đứt lớn. Xích được nhiệt luyện đạt độ cứng bề mặt cao nhằm chống mài mòn tốt trong môi trường nước lẫn xỉ hạt cứng.

Giải pháp thiết kế của luận văn mang lại hiệu quả kinh tế như thế nào?
Nghiên cứu giúp nội địa hóa hoàn toàn khâu thiết kế và chế tạo thiết bị trong nước, giúp cắt giảm từ 30% đến 40% giá thành đầu tư so với nhập khẩu từ nước ngoài, đồng thời giảm 35% chi phí bảo dưỡng định kỳ nhờ phụ tùng thay thế chủ động.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Trần Quang Hà đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ điện tử ứng dụng trong công nghiệp năng lượng thông qua 5 đóng góp chính:

  • Xác lập phương pháp tính toán lực căng chu tuyến và động lực học chuẩn xác cho hệ thống băng tải xích cào tro xỉ ướt đáy lò hơi nhiệt điện công suất lớn.
  • Thiết kế tối ưu hóa cụm trục dẫn động, bánh xích 7 răng tháo rời và tai liên kết chịu tải cao bằng công cụ giải tích kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn FEM với hệ số an toàn bền trên 2,4 lần.
  • Xây dựng sơ đồ thuật toán và giải pháp điều khiển tự động hóa tích hợp PLC/Biến tần với khả năng ngắt bảo vệ và đảo chiều thông minh trong vòng 0,5 giây khi quá tải.
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật phục vụ chế tạo nội địa hóa, giảm chi phí đầu tư thiết bị khoảng 30% đến 40% so với nhập khẩu nguyên chiếc.
  • Cung cấp nguồn tài liệu khoa học chuẩn mực kết hợp giữa thiết kế cơ khí chính xác và tự động hóa điều khiển cho ngành cơ khí chế tạo máy Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong vòng 12 đến 24 tháng tới là chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế và thử nghiệm tích hợp sâu trên các hệ thống giám sát SCADA nhà máy điện. Hãy liên hệ ngay với các đơn vị nghiên cứu cơ khí năng lượng và tác giả để nhận chuyển giao công nghệ thiết kế, tối ưu hóa hệ thống thải xỉ cho doanh nghiệp của bạn.