Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của chương trình mục tiêu quốc gia về tiết kiệm và hiệu quả năng lượng, tiêu thụ năng lượng sơ cấp của Việt Nam năm 2012 đạt khoảng 56,7 triệu TOE, trong đó than chiếm 25,6% phục vụ chủ yếu cho các nhà máy nhiệt điện. Với nhu cầu điện năng ngày càng tăng, quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 dự kiến tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đạt khoảng 75 GW. Tuy nhiên, than sử dụng thường có hàm lượng tro cao từ 31-32%, dẫn đến lượng tro xỉ thải ra chiếm 20-30% lượng than tiêu thụ. Do đó, hệ thống thu gom và vận chuyển tro xỉ đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc thu gom xỉ đáy lò mà còn góp phần giảm thiểu tác động môi trường.

Hiện nay, hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ trong các nhà máy nhiệt điện than công suất lớn chủ yếu được nhập khẩu đồng bộ từ nước ngoài. Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống này nhằm làm chủ công nghệ, nội địa hóa thiết bị, giảm chi phí và tăng hiệu quả vận hành là rất cần thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ cho lò hơi chạy than trong nhà máy nhiệt điện, với mục tiêu thiết kế hệ thống xích tải chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt như nhiệt độ lên đến 1000°C và môi trường ăn mòn do nước làm mát có chứa muối, axit.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán, thiết kế hệ thống trục, băng cào, bánh xích dẫn động và cụm con lăn đổi hướng cho nhà máy nhiệt điện có công suất từ 300 MW trở lên. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc giải mã công nghệ thiết kế hệ thống băng tải xích, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nội địa hóa thiết bị, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực cơ điện tử và truyền động cơ khí, bao gồm:

  • Lý thuyết tính toán lực căng xích theo chu tuyến: Phương pháp này giúp xác định phân bố lực căng dọc theo chiều dài xích tải, từ đó xác định lực căng lớn nhất để chọn loại xích phù hợp.
  • Lý thuyết ứng suất trong mắt xích hàn: Bao gồm ứng suất kéo, uốn và ứng suất tiếp xúc khi xích vòng qua con lăn đổi hướng, giúp đánh giá độ bền và tuổi thọ của xích.
  • Mô hình thiết kế bánh xích và con lăn đổi hướng: Xác định các thông số kỹ thuật như đường kính vòng chia, số răng, chiều dày vành răng, biên dạng răng bánh xích phù hợp với loại xích hàn mắt ô van bước lớn.
  • Khái niệm về hệ số ma sát và hệ số điền đầy: Các hệ số này được sử dụng để tính toán lực cản chuyển động của băng cào trong môi trường ướt và khô, ảnh hưởng đến lực căng xích.
  • Lý thuyết thiết kế trục dẫn động và băng cào: Tính toán kích thước, kiểm nghiệm độ bền mỏi, độ bền tĩnh và độ cứng của trục, cũng như thiết kế các chi tiết liên kết giữa băng cào và xích.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết tính toán và khảo sát thực tế tại các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tại Việt Nam như Quảng Ninh, Uông Bí, Thái Bình 1 và 2, Cẩm Phả. Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Thông số kỹ thuật và điều kiện làm việc thực tế của hệ thống băng tải xích cào tro xỉ.
  • Các tiêu chuẩn quốc tế về xích con lăn, xích hàn và bánh xích (ISO 606).
  • Các hệ số ma sát, tỉ trọng vật liệu và thông số môi trường được đo đạc và tham khảo từ tài liệu chuyên ngành.

Phương pháp phân tích chủ yếu là tính toán kỹ thuật dựa trên các công thức vật lý và cơ học, mô phỏng phân bố lực căng theo chu tuyến, kiểm nghiệm độ bền các chi tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống băng tải xích trong các nhà máy nhiệt điện than công suất từ 300 MW trở lên. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn khảo sát thực tế, tính toán thiết kế, mô phỏng và hoàn thiện bản vẽ kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố lực căng xích theo chu tuyến:
    Lực căng lớn nhất tại vị trí vào ăn khớp với đĩa xích dẫn đạt khoảng 16.243 kgf cho toàn bộ hệ thống, tương đương 8.122 kgf cho mỗi xích khi sử dụng hai xích kéo. Lực căng tối thiểu đảm bảo không làm nghiêng băng cào là 8.048 kgf, lực căng thực tế luôn lớn hơn giá trị này, đảm bảo vận hành ổn định.

  2. Lựa chọn xích phù hợp:
    Với hệ số an toàn 6, xích hàn 26x100 có lực kéo đứt 425 kN được chọn, đáp ứng yêu cầu lực kéo đứt yêu cầu tối thiểu 389,76 kN. Khi hệ số điền đầy tăng lên 0,8, hệ số an toàn vẫn đạt 5,23, đảm bảo độ bền và an toàn trong vận hành.

  3. Thiết kế bánh xích và con lăn đổi hướng:
    Bánh xích được thiết kế với răng có thể thay thế, phù hợp với xích hàn mắt ô van bước lớn, giúp giảm mài mòn và tăng tuổi thọ. Con lăn đổi hướng được thiết kế với vật liệu chống ăn mòn cho nhánh xích trên máng ướt, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất làm việc.

  4. Thiết kế hệ thống trục và băng cào:
    Trục dẫn động được tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi, độ bền tĩnh và độ cứng, đảm bảo chịu được mô men xoắn và lực căng xích lớn. Băng cào được thiết kế với kích thước tiêu chuẩn, có khả năng chịu nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn, đồng thời có các tấm vật liệu chống mài mòn và thu muối xen kẽ để tăng tuổi thọ.

Thảo luận kết quả

Phân bố lực căng theo chu tuyến cho thấy lực căng lớn nhất tập trung tại vị trí đĩa xích dẫn, phù hợp với nguyên lý truyền động cơ khí và các nghiên cứu tương tự trong ngành. Việc lựa chọn xích hàn 26x100 với hệ số an toàn cao cho thấy thiết kế đảm bảo an toàn và độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. So sánh với các hệ thống nhập khẩu, thiết kế này có thể đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tương đương, đồng thời giảm chi phí và tăng khả năng nội địa hóa.

Thiết kế bánh xích với răng thay thế và con lăn đổi hướng bằng vật liệu chống ăn mòn là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu mài mòn và hư hỏng trong môi trường nhiệt độ cao, ẩm ướt và có hóa chất ăn mòn. Thiết kế trục và băng cào được kiểm nghiệm kỹ lưỡng đảm bảo độ bền và độ cứng phù hợp, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu suất vận hành của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố lực căng theo chu tuyến, bảng tổng hợp lực căng tại các vị trí khác nhau và sơ đồ kết cấu bánh xích, con lăn đổi hướng để minh họa rõ ràng các kết quả tính toán và thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thử nghiệm hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ:
    Thực hiện chế tạo mẫu thử dựa trên thiết kế đã được tính toán, kiểm nghiệm tại các nhà máy nhiệt điện công suất từ 300 MW trở lên trong vòng 12 tháng để đánh giá hiệu quả và độ bền thực tế.

  2. Áp dụng vật liệu chống mài mòn và ăn mòn cho băng cào và con lăn đổi hướng:
    Sử dụng các loại thép hợp kim hoặc vật liệu phủ đặc biệt nhằm tăng tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo trì, với mục tiêu giảm tỷ lệ hỏng hóc xuống dưới 5% trong vòng 2 năm.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động cho trạm căng xích:
    Thiết kế và tích hợp bộ điều khiển PLC với cảm biến lực căng và nhiệt độ để tự động điều chỉnh lực căng xích, đảm bảo vận hành ổn định và an toàn, hoàn thành trong 6 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư vận hành và bảo trì:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống băng tải xích tự động, nhằm nâng cao năng lực nội bộ và giảm sự phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài, thực hiện liên tục trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và chế tạo thiết bị cơ điện tử:
    Luận văn cung cấp cơ sở kỹ thuật và phương pháp tính toán chi tiết để thiết kế hệ thống băng tải xích chịu nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn, giúp họ phát triển sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  2. Nhà quản lý và vận hành nhà máy nhiệt điện:
    Tham khảo để hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống băng tải xích cào tro xỉ, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.

  3. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các giải pháp xử lý tro xỉ hiệu quả, góp phần giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành cơ điện tử, kỹ thuật cơ khí:
    Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về thiết kế hệ thống truyền động cơ khí trong môi trường khắc nghiệt, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng thực hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ có ưu điểm gì so với các hệ thống khác?
    Hệ thống này vận chuyển liên tục, chịu được nhiệt độ cao đến 1000°C và môi trường ăn mòn, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu quả thu gom tro xỉ so với các phương pháp thủ công hoặc băng tải thông thường.

  2. Làm thế nào để chọn loại xích phù hợp cho hệ thống?
    Việc chọn xích dựa trên lực căng lớn nhất theo chu tuyến, lực kéo đứt thực nghiệm và hệ số an toàn. Xích hàn 26x100 được chọn trong nghiên cứu do đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc.

  3. Tại sao cần thiết kế bánh xích có răng thay thế?
    Bánh xích có răng thay thế giúp giảm chi phí bảo trì, dễ dàng thay thế khi mòn hoặc hư hỏng, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

  4. Hệ số ma sát ảnh hưởng như thế nào đến lực căng xích?
    Hệ số ma sát giữa xỉ và thép, thép và tấm lót trong môi trường ướt và khô ảnh hưởng trực tiếp đến lực cản chuyển động của băng cào, từ đó ảnh hưởng đến lực căng xích cần thiết để vận hành ổn định.

  5. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao và ăn mòn?
    Sử dụng vật liệu chịu nhiệt, chống ăn mòn cho các chi tiết như băng cào, con lăn; thiết kế hệ thống làm mát và bôi trơn phù hợp; đồng thời áp dụng hệ thống điều khiển tự động để duy trì lực căng và vận hành ổn định.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống băng tải xích tự động cào tro xỉ chịu được nhiệt độ lên đến 1000°C và môi trường ăn mòn trong nhà máy nhiệt điện than công suất từ 300 MW trở lên.
  • Phân bố lực căng xích theo chu tuyến được xác định chính xác, lực căng lớn nhất đạt 16.243 kgf cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.
  • Lựa chọn xích hàn 26x100 với hệ số an toàn cao đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc khắc nghiệt.
  • Thiết kế bánh xích có răng thay thế và con lăn đổi hướng bằng vật liệu chống ăn mòn giúp tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.
  • Đề xuất triển khai sản xuất thử nghiệm, áp dụng vật liệu chống mài mòn, phát triển hệ thống điều khiển tự động và đào tạo chuyển giao công nghệ để nâng cao hiệu quả và nội địa hóa thiết bị.

Tiếp theo, cần tiến hành chế tạo mẫu thử và kiểm nghiệm thực tế tại các nhà máy nhiệt điện để hoàn thiện thiết kế và chuẩn bị cho sản xuất đại trà. Để biết thêm chi tiết và nhận tư vấn thiết kế, vui lòng liên hệ với nhóm nghiên cứu.