Tổng quan luận án

Công tác thông gió mỏ hầm lò là khâu công nghệ thiết yếu nhằm duy trì môi trường làm việc an toàn, cung cấp đầy đủ dưỡng khí oxy, hòa loãng và đưa các loại khí độc hại, khí cháy nổ (đặc biệt là khí mêtan - $\text{CH}_4$) cùng bụi mỏ phát sinh trong quá trình sản xuất ra khỏi hầm lò. Trong cơ cấu chi phí vận hành mỏ than hầm lò, điện năng tiêu thụ cho hệ thống thông gió chiếm tỷ trọng rất lớn, ước tính khoảng 25% tổng chi phí điện năng của toàn bộ dây chuyền sản xuất mỏ.

Theo Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam được phê duyệt tại Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14 tháng 3 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ, sản lượng than thương phẩm toàn ngành được định hướng đạt khoảng 41 - 44 triệu tấn vào năm 2016; 47 - 50 triệu tấn vào năm 2020; 51 - 54 triệu tấn vào năm 2025 và 55 - 57 triệu tấn vào năm 2030. Cùng với việc gia tăng sản lượng, các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đang mở rộng quy mô, tiến xuống khai thác ở các tầng sâu dưới mức -300 m. Sự gia tăng chiều sâu và diện tích khai thác đòi hỏi nâng cao năng lực của các trạm quạt gió chính.

Khoảng trống nghiên cứu thực tiễn xuất phát từ việc các trạm quạt gió chính tại vùng than Quảng Ninh thường xuyên vận hành ở một chế độ cố định suốt 24/24 giờ trong tất cả các ngày trong năm. Trong khi đó, nhu cầu lưu lượng gió thực tế thay đổi rõ rệt giữa các ca sản xuất, giữa các công đoạn khấu than - đào lò và đặc biệt là giữa ngày làm việc với ngày dừng sản xuất (ngày nghỉ, ngày bảo dưỡng). Việc duy trì lưu lượng và hạ áp quạt ở mức cực đại trong thời gian mỏ không sản xuất dẫn đến tình trạng dư thừa lượng gió sạch không cần thiết, gây tổn thất điện năng nghiêm trọng. Trước thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về mối quan hệ định lượng giữa chế độ làm việc của quạt gió chính với kế hoạch tổ chức sản xuất mỏ nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.

Luận án "Tối ưu hoá chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh" được nghiên cứu sinh Nguyễn Cao Khải thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Xuân Hà tại Bộ môn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội (bảo vệ năm 2018, ngành Khai thác mỏ, mã số 9520603).

Mục tiêu nghiên cứu

Xác định chế độ làm việc tối ưu của các quạt gió chính trong những ngày mỏ làm việc bình thường cũng như khi mỏ nghỉ làm việc, nhằm đảm bảo an toàn môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần điều chỉnh quy định hiện hành về thông gió chung của mỏ than hầm lò, phù hợp với thực tế sản xuất.

Luận điểm bảo vệ

  1. Lượng gió cần thiết cho mỏ khi sản xuất bình thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi các yếu tố này thay đổi trong ngày làm việc và ngày nghỉ thì lượng gió cần thiết đưa vào mỏ cũng thay đổi.
  2. Chế độ làm việc tối ưu của quạt gió chính cần thay đổi theo kế hoạch sản xuất của mỏ. Chế độ này có thể đạt được nhờ lập trình cho thiết bị biến tần.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Chế độ làm việc của các quạt gió chính tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Các mỏ than hầm lò điển hình thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) tại khu vực Quảng Ninh (bao gồm các mỏ Cẩm Thành, Bắc Cọc Sáu, Hà Ráng thuộc Công ty than Hạ Long; Cao Thắng, Thành Công thuộc Công ty than Hòn Gai; Hồng Thái thuộc Công ty than Uông Bí; Mông Dương; Khe Chàm; Hà Lầm). Nghiên cứu thực nghiệm và triển khai lắp đặt hệ thống biến tần điều khiển được tiến hành trực tiếp tại trạm quạt gió chính mức +29 của Công ty Cổ phần Than Hà Lầm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển kỹ thuật thông gió hầm lò cho thấy các thiết bị quạt gió mỏ trên thế giới được chia thành hai nhóm chính: quạt ly tâm và quạt hướng trục.

  • Quạt ly tâm: Các thế hệ quạt ly tâm công suất lớn được phát triển từ cuối thập niên 1930 tại Liên Xô theo sơ đồ khí động học của Viện SAGI với các dòng quạt $\text{VS4}$, $\text{VS5}$ (đường kính cánh 4 - 5 m), tiếp đó là các dòng $\text{VSO}$, $\text{VSD}$ do Viện sĩ V. Spak thiết kế tại Donetsk. Các phiên bản sau gồm $\text{VS11}$, $\text{VSHS16}$, $\text{VSP16}$, $\text{VS-15}$ (sử dụng 2 động cơ độc lập 1000 và 1500 vòng/phút), $\text{VRSD-4,5}$ và $\text{VSD-47,5Y}$ (đường kính bánh công tác 4,7 m). Tại CHLB Đức, hãng TLT-Turbo chế tạo quạt ly tâm đường kính cánh tới 5,5 m, lưu lượng $100 \div 800\text{ m}^3/\text{s}$, hạ áp $100 \div 4000\text{ Pa}$, công suất động cơ từ $500 \div 12500\text{ kW}$.
  • Quạt hướng trục: Phát triển từ các dòng quạt $\text{VOK}$, $\text{VOKD}$, tiếp đến dòng $\text{VOKR}$ (đảo chiều gió bằng đổi chiều quay động cơ và hướng nghiêng cánh), dòng $\text{VOD}$ (thập niên 1970), dòng $\text{VOD-16}$ (hai bánh công tác quay ngược chiều nhau - hai cấp). Dòng quạt $\text{VOA}$ ra đời sau đó cho phép tự động điều chỉnh góc lắp cánh của bánh công tác ở bất kỳ góc độ nào ngay khi quạt đang vận hành. Tại Trung Quốc, các dòng quạt $2\text{K60}$, $2\text{K56}$, $2\text{K58}$, $1\text{K58}$, $\text{BD}$, $\text{FBCZ}$ và $\text{FBDCZ}$ ra đời với ưu thế tích hợp động cơ liền quạt, giá thành cạnh tranh.

Trên thế giới, 4 giải pháp tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính đã được áp dụng:

  1. Phương pháp giảm sức cản mạng gió mỏ: Mở rộng tiết diện đường lò, chống xén, tập trung diện khai thác để giảm số lượng lò chợ. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư rất cao (để giảm 10% sức cản thì phải chống xén toàn bộ mạng đường lò để tăng 4,5% tiết diện, nhưng lưu lượng $Q_m$ chỉ tăng 3,5%).
  2. Phương pháp giảm rò gió và điều tiết hợp lý: Nâng cao chất lượng cửa chắn gió, cửa điều tiết tự động để giảm lưu lượng gió rò rỉ.
  3. Phương pháp sử dụng quạt tự điều chỉnh góc lắp cánh: Điển hình là dòng quạt $\text{VOA}$, giúp giảm đến 30% điện năng tiêu thụ so với quạt có góc lắp cánh cố định.
  4. Phương pháp sử dụng biến tần điều khiển tốc độ động cơ: Điều chỉnh tần số dòng điện để thay đổi tốc độ quay của quạt theo nhu cầu lưu lượng thực tế, cho phép tiết kiệm điện năng tới 40%.

Tại Việt Nam, thống kê đến quý II năm 2017 tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh cho thấy có tổng cộng 136 tổ hợp quạt gió chính đang hoạt động:

STT Loại quạt gió chính Số lượng (chiếc)
1 $\text{BOKД}$ 2
2 $\text{BD}$ 24
3 $2\text{K56}$ 34
4 $2\text{K60}$ 8
5 $\text{FBDCZ}$ 58
6 Các loại khác 10
Tổng cộng 136

Tất cả các quạt gió chính đang vận hành ở vùng than Quảng Ninh đều là quạt hướng trục có góc lắp cánh bánh công tác cố định theo từng nấc định vị ($20^\circ, 25^\circ, 30^\circ, 35^\circ...$). Việc điều chỉnh góc cánh đòi hỏi phải dừng quạt, thao tác cơ khí thủ công phức tạp nên trên thực tế quạt luôn chạy ở một chế độ cố định suốt nhiều tháng hoặc cả năm. Thiết bị biến tần tuy đã được trang bị ở một số đơn vị (Hà Lầm, Hòn Gai, Khe Chàm, Thống Nhất) nhưng chỉ dùng vào mục đích khởi động mềm và hỗ trợ đảo ca quạt định kỳ, chưa từng được nghiên cứu lập trình để tự động điều chỉnh lưu lượng làm việc theo nhu cầu phụ tải thực tế của mỏ giữa ngày làm việc và ngày nghỉ. Luận án đã lựa chọn giải quyết trực tiếp khoảng trống công nghệ này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình giải tích

Động lực học thông gió mỏ dựa trên các mối quan hệ cơ bản giữa hạ áp ($h$), lưu lượng gió ($Q$), công suất tiêu thụ ($N$) và hiệu suất ($\eta$):

  • Năng lượng toàn phần của quạt: $$h_{tpq} = h_{tq} + h_{dq}$$ Trong đó $h_{tq}$ là phần hạ áp tĩnh, $h_{dq}$ là phần hạ áp động.

  • Đường đặc tính sức cản của mạng gió mỏ: $$h = R_m \cdot Q^2$$ Khi tính đến hệ số rò gió tại trạm quạt ($k_r$) và sức cản nội bộ thiết bị quạt ($R_{tbq}$): $$h = \left( k_g \cdot R_m + R_{tbq} \right) Q_q^2$$ Với $k_g = \frac{1}{k_r^2}$ và $R_{tbq} = \frac{a \cdot \pi}{D^4}$ ($a$ là hệ số dạng quạt và rãnh gió, $D$ là đường kính quạt).

  • Phương trình giải tích biểu diễn đường đặc tính khí động học của quạt: $$H = a + bQ + cQ^2$$ Hoặc đối với quạt có đường đặc tính dạng yên ngựa lồi lõm: $$H = a + bQ + cQ^2 + dQ^3$$ Điểm công tác hợp lý ($A$) là giao điểm của đường đặc tính hạ áp quạt và đường đặc tính mạng gió mỏ, nằm trong miền sử dụng công nghiệp được giới hạn bởi hạ áp $h_M \le 0,9 h_{max}$ và hiệu suất $\eta_N \ge 0,6$.

  • Đối với quạt làm việc liên hợp:

    • Ghép nối tiếp: Lưu lượng qua các quạt bằng nhau ($Q_{bq} = Q_1 = Q_2 = ... = Q_n$), hạ áp tổng cộng bằng tổng các hạ áp riêng phần: $$h_{bq} = h_{q1} + h_{q2} + ... + h_{qn}$$
    • Ghép song song: Hạ áp của các quạt bằng nhau ($h_{bq} = h_{q1} = h_{q2} = ... = h_{qn}$), lưu lượng tổng cộng bằng tổng lưu lượng các quạt: $$Q_{bq} = \sum_{i=1}^n Q_{qi}$$ Sức cản nội bộ thiết bị quạt ghép song song được tính theo: $$R_{bq} = \frac{R_{tbq}}{n^2}$$
    • Phương pháp đồ thị giải tích xác định điểm công tác của hai quạt làm việc liên hợp song song xa nhau trên cơ sở phương pháp đường đặc tính thu gọn của mạng ngoài (phương pháp V. Umansk).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa toán học và thực nghiệm công nghiệp:

  1. Phương pháp khảo sát đo đạc, thống kê tổng hợp và phân tích: Thu thập số liệu khí tượng, điều kiện vi khí hậu, nồng độ khí cháy nổ ($\text{CH}_4$), lưu lượng gió, áp suất và điện năng tiêu thụ tại các mỏ than hầm lò điển hình vùng Quảng Ninh.
  2. Phương pháp toán - tin và giải tích đồ thị: Chuyển đổi các họ đường đặc tính khí động học của quạt và mạng gió mỏ thành các phương trình giải tích; lập trình thuật toán xác định điểm công tác tối ưu.
  3. Phương pháp tối ưu hóa năng lượng: Xây dựng mô hình tính toán tần số làm việc của biến tần tương ứng với lưu lượng yêu cầu ở các khung thời gian sản xuất và dừng sản xuất.
  4. Phương pháp thực nghiệm công nghiệp: Lắp đặt tủ biến tần, bộ điều khiển lập trình và thiết bị đo kiểm tại trạm quạt mức +29 mỏ than Hà Lầm để kiểm chứng mô hình lý thuyết.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chế độ làm việc của quạt gió chính

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về phân loại quạt gió mỏ, các đường đặc tính năng lượng $h = f_1(Q)$, công suất $N = f_2(Q)$, hiệu suất $\eta = f_3(Q)$, miền sử dụng công nghiệp và các phương pháp giải bài toán xác định điểm công tác của quạt khi làm việc độc lập hoặc làm việc liên hợp (song song gần, song song xa, nối tiếp).

Chương này phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về 4 nhóm giải pháp tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió mỏ: giảm sức cản mạng gió, giảm rò gió, sử dụng quạt tự điều chỉnh góc cánh và sử dụng biến tần điều khiển tốc độ quay. Phân tích hiện trạng 136 trạm quạt gió chính tại vùng than Quảng Ninh năm 2017 khẳng định toàn bộ đều là quạt hướng trục vận hành cố định thông số góc cánh, chưa khai thác khả năng điều tiết lưu lượng bằng biến tần, dẫn đến lãng phí điện năng lớn trong các khoảng thời gian phụ tải thông gió giảm.

Chương 2: Hiện trạng thông gió và nhu cầu gió sạch của các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 2 trình bày tổng quan điều kiện địa chất, trữ lượng than và đặc điểm mạng gió hầm lò vùng than Quảng Ninh:

  • Tổng trữ lượng và tài nguyên than tính đến 31/12/2015 là 48,88 tỷ tấn, trong đó vùng Quảng Ninh chiếm 2,218 tỷ tấn trữ lượng và 4,068 tỷ tấn tài nguyên. Trữ lượng huy động vào quy hoạch đạt 2,172 tỷ tấn.
  • Cấu tạo địa chất phức tạp, chỉ có 29% số vỉa có cấu trúc đơn giản. Hệ thống đứt gãy phát triển mạnh: vùng Bảo Đài có 24 đứt gãy, vùng Mạo Khê có 21 đứt gãy, vùng Hòn Gai - Cẩm Phả có 70 đứt gãy lớn cùng nhiều phay phá biên độ nhỏ.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               TỔNG TÀI NGUYÊN VÀ TRỮ LƯỢNG THAN VÙNG QUẢNG NINH                   |
|                                 (4.068.460 nghìn tấn)                             |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
|   TRỮ LƯỢNG ĐÃ THĂM DÒ CHẮC CHẮN/TIN CẬY |          TÀI NGUYÊN DỰ TÍNH/DỰ BÁO     |
|             (2.218.617 nghìn tấn)        |            (1.849.843 nghìn tấn)       |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
|       TRỮ LƯỢNG HUY ĐỘNG QUY HOẠCH       |        TÀI NGUYÊN DỰ BỊ QUY HOẠCH      |
|             (1.200.858 nghìn tấn)        |              (971.929 nghìn tấn)       |
+------------------------------------------+----------------------------------------+

Khảo sát hệ thống thông gió tại các mỏ Cẩm Thành, Bắc Cọc Sáu, Hà Ráng, Cao Thắng, Thành Công, Hồng Thái, Mông Dương, Khe Chàm và Hà Lầm cho thấy:

  • Hệ số sử dụng không khí hữu ích còn thấp, tổn thất rò gió qua các công trình thông gió và bế dốc còn cao.
  • Nhu cầu gió sạch của mỏ được tính toán theo các yếu tố: số người làm việc đồng thời lớn nhất, lượng khí nổ phát sinh, độ xuất khí mêtan ($\text{CH}_4$), chế độ bụi và thiết bị điện trong hầm lò.
  • Đánh giá sự xuất khí $\text{CH}_4$ và nhu cầu lưu lượng gió thực tế giữa ngày làm việc và ngày nghỉ theo phân loại mỏ (loại I, loại II, loại III và siêu hạng): Trong những ngày nghỉ hoặc dừng sản xuất, lượng khí $\text{CH}_4$ thoát ra từ than vỡ vụn và quá trình khấu than giảm mạnh; các thiết bị cơ giới tạm ngừng; số lượng công nhân trong mỏ rất ít. Do đó, nhu cầu lưu lượng gió thực tế đưa vào mỏ trong ngày nghỉ giảm đáng kể so với ngày sản xuất cao điểm nhưng vẫn hoàn toàn thỏa mãn các tiêu chuẩn an toàn vi khí hậu và nồng độ khí cháy nổ theo quy chuẩn hiện hành.

Chương 3: Tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 3 xây dựng phương pháp luận và các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính:

  • Xác định các tham số tối ưu:
    1. Độ chênh lệch giữa điểm làm việc thực tế và điểm yêu cầu: Do góc cánh quạt chỉ định vị theo các góc cố định, điểm công tác của quạt ($A$) thường nằm cao hơn điểm yêu cầu thiết kế ($B$), tạo ra một lượng gió dư thừa liên tục.
    2. Lượng gió dư thừa trong giờ không cao điểm và ngày nghỉ: Lượng gió cung cấp vượt quá nhu cầu thực tế khi mỏ dừng hoạt động khai thác than.
  • Lựa chọn giải pháp công nghệ: So sánh 4 phương án tối ưu, luận án khẳng định giải pháp ứng dụng thiết bị biến tần để điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ quạt gió chính là giải pháp tối ưu nhất về mặt kinh tế - kỹ thuật, không làm gián đoạn sản xuất và không đòi hỏi can thiệp cơ khí phức tạp.
  • Thuật toán và chương trình tính toán:
    • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ thuật toán tự động điều chỉnh tần số biến tần tương ứng với lưu lượng yêu cầu của từng chế độ sản xuất.
    • Thiết lập chương trình phần mềm giải bài toán tối ưu, xác định chính xác tần số cài đặt biến tần (từ $50\text{ Hz}$ xuống các mức tần số thấp hơn như $42\text{ Hz}$, $38\text{ Hz}$...), tính toán công suất tiết giảm, lượng điện năng tiết kiệm và thời gian hoàn vốn đầu tư.
    • Ứng dụng phần mềm tính toán chế độ tối ưu cho các trạm quạt cụ thể: quạt $2\text{K56-No24}$ mỏ than Bắc Cọc Sáu; hệ thống quạt liên hợp $\text{FBDCZ-8-No20}$ và $\text{BD-II-4-No12}$ tại mỏ than Hồng Thái; quạt $\text{FBDCZ-8-No30}$ tại mỏ than Hà Lầm.

Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than Hà Lầm

Chương 4 trình bày kết quả ứng dụng thử nghiệm công nghiệp tại trạm quạt gió chính mức +29 mỏ than Hà Lầm:

  • Thông số kỹ thuật trạm quạt thử nghiệm: Quạt gió chính hướng trục hai cấp đối quay $\text{FBDCZ-8-No30}$, trang bị 2 động cơ điện công suất $2 \times 500\text{ kW}$, điện áp $6\text{ kV}$, tích hợp tủ biến tần $\text{GVF}$, hệ thống điều khiển PLC Logo và màn hình giám sát LCD.
  • Quy trình điều khiển vận hành: Thiết lập chế độ làm việc của quạt ở tần số $50\text{ Hz}$ trong các ngày sản xuất bình thường và tự động chuyển sang chế độ giảm tần số trong các ngày nghỉ, ngày dừng khấu than theo kế hoạch.
  • Kết quả đo đạc an toàn môi trường: Nồng độ khí $\text{CH}_4$, khí độc và các chỉ tiêu vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió) tại các găng lò, lò chợ và luồng gió thải chung trong những ngày nghỉ khi giảm công suất quạt đều nằm trong giới hạn an toàn cho phép theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò (QCVN 01:2011/BCT).
  • Hiệu quả kinh tế: Việc giảm tốc độ quạt bằng biến tần trong các khoảng thời gian dừng sản xuất giúp giảm đáng kể công suất tiêu thụ của động cơ $2 \times 500\text{ kW}$, tiết kiệm hàng trăm nghìn kWh điện năng mỗi năm, mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt với thời gian thu hồi vốn đầu tư thiết bị biến tần nhanh chóng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý thuyết và khoa học

  1. Xác định được quy luật biến thiên nhu cầu gió sạch của mỏ than hầm lò phụ thuộc vào kế hoạch tổ chức sản xuất (theo ca sản xuất, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ, các giai đoạn trong tuần), làm sáng tỏ cơ sở khoa học để chuyển đổi phương thức vận hành quạt gió từ chế độ cố định sang chế độ điều khiển linh hoạt.
  2. Xây dựng phương pháp luận và mô hình toán - tin giải tích đồ thị cho phép xác định chính xác điểm công tác tối ưu, khắc phục độ chênh lệch giữa điểm làm việc của quạt với điểm yêu cầu của mạng gió mỏ.
  3. Xây dựng sơ đồ thuật toán tự động hóa quá trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió chính thông qua thiết bị biến tần.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp

  1. Lựa chọn thành công giải pháp kỹ thuật sử dụng biến tần để điều khiển quạt gió chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, chứng minh tính khả thi và độ an toàn tuyệt đối qua thử nghiệm công nghiệp tại trạm quạt mức +29 mỏ than Hà Lầm.
  2. Xây dựng chương trình phần mềm hỗ trợ tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của trạm quạt gió mỏ.
  3. Cung cấp cơ sở khoa học thực tiễn để kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước và Tập đoàn TKV xem xét bổ sung, điều chỉnh các quy định, quy chuẩn hiện hành về công tác thông gió mỏ than hầm lò, cho phép áp dụng chế độ thông gió giảm công suất hợp lý trong thời gian mỏ dừng sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát và thử nghiệm trên đối tượng quạt gió chính hướng trục (đặc biệt là dòng quạt hai cấp $\text{FBDCZ}$ và $2\text{K56}$) tại vùng than Quảng Ninh; việc thử nghiệm điều khiển giảm tần số chủ yếu áp dụng trong các khung thời gian mỏ nghỉ sản xuất hoặc ngày cuối tuần do quy định nghiêm ngặt của quy chuẩn an toàn thông gió hiện hành khi đang có ca sản xuất.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu áp dụng hệ thống điều khiển biến tần tự động theo thời gian thực (closed-loop control) kết nối trực tiếp với mạng lưới cảm biến đo gió và nồng độ khí tự động (hệ thống SCADA mỏ) trong suốt cả ca sản xuất khi công nghệ giám sát đạt độ tin cậy tuyệt đối.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ làm việc cho các tổ hợp quạt gió chính làm việc liên hợp phức tạp có khoảng cách xa nhau ở các mỏ than có diện khai thác sâu và rộng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị cao đối với:

  • Cán bộ quản lý kỹ thuật, kỹ sư thông gió tại các mỏ than hầm lò: Tham khảo quy trình tính toán, phương pháp lựa chọn và cài đặt thông số biến tần cho các trạm quạt gió chính nhằm tiết kiệm chi phí điện năng.
  • Các viện nghiên cứu và đơn vị tư vấn thiết kế mỏ (VIMS, IMSAT...): Ứng dụng mô hình giải tích và phần mềm tối ưu hóa vào công tác lập dự án thiết kế mới hoặc cải tạo nâng cấp hệ thống thông gió mỏ hầm lò.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Khai thác mỏ, Cơ điện mỏ: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên đề về khí động lực học mỏ và tiết kiệm năng lượng trong công nghệ khai thác hầm lò.
  • Cơ quan quản lý an toàn công nghiệp (Cục Kỹ thuật an toàn và Môi trường công nghiệp - Bộ Công Thương): Tham khảo cơ sở thực nghiệm để cập nhật, hoàn thiện các quy chuẩn kỹ thuật an toàn thông gió mỏ than.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu các chủng loại quạt gió chính đang hoạt động tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh như thế nào?

Theo số liệu thống kê của TKV năm 2017 được công bố trong luận án, toàn vùng than Quảng Ninh có 136 tổ hợp quạt gió chính. Trong đó, dòng quạt $\text{FBDCZ}$ chiếm số lượng lớn nhất với 58 chiếc (42,6%), tiếp theo là dòng quạt $2\text{K56}$ với 34 chiếc (25%), dòng quạt $\text{BD}$ có 24 chiếc (17,6%), dòng quạt $2\text{K60}$ có 8 chiếc (5,9%), dòng quạt $\text{BOKД}$ có 2 chiếc (1,5%) và các loại quạt khác chiếm 10 chiếc (7,4%). Toàn bộ đều là quạt hướng trục có góc lắp cánh cố định.

2. Vì sao nhu cầu gió sạch của mỏ trong ngày nghỉ lại giảm so với ngày làm việc nhưng vẫn đảm bảo an toàn?

Trong ngày làm việc bình thường, lượng gió yêu cầu phải tính toán để hòa loãng khí $\text{CH}_4$ sinh ra liên tục từ quá trình đập vỡ than tại lò chợ, lượng khí độc từ nổ mìn, bụi mỏ và cấp khí thở cho số lượng lớn công nhân. Trong ngày nghỉ hoặc dừng sản xuất, quá trình khấu than và nổ mìn tạm dừng nên lượng xuất khí $\text{CH}_4$ giảm mạnh, lượng bụi không phát sinh và số người dưới hầm lò rất ít. Việc giảm lưu lượng quạt tương ứng với sự sụt giảm nguồn phát thải vẫn duy trì nồng độ các chất khí độc hại dưới ngưỡng quy chuẩn cho phép.

3. Nguyên lý tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần cho quạt gió chính được thực hiện ra sao?

Công suất tiêu thụ của động cơ quạt gió tỷ lệ thuận với bậc ba của tốc độ quay ($N \sim n^3$), trong khi lưu lượng gió tỷ lệ thuận với tốc độ quay ($Q \sim n$). Khi sử dụng biến tần để giảm tần số nguồn điện từ $50\text{ Hz}$ xuống các mức thấp hơn (như $42\text{ Hz}$ hoặc $38\text{ Hz}$), tốc độ quay của quạt giảm, lưu lượng gió giảm tương ứng nhưng công suất điện năng tiêu thụ giảm rất nhanh theo hàm bậc ba, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng so với việc giữ nguyên tốc độ quạt.

4. Trạm quạt thử nghiệm tại Công ty Than Hà Lầm có những đặc tính kỹ thuật gì?

Nghiên cứu thử nghiệm được tiến hành tại trạm quạt gió mức +29 mỏ than Hà Lầm. Trạm sử dụng quạt hướng trục hai cấp đối quay mã hiệu $\text{FBDCZ-8-No30}$, dẫn động bằng 2 động cơ điện công suất $2 \times 500\text{ kW}$, tích hợp tủ điện điều khiển, tủ biến tần trung thế $\text{GVF}$, bộ điều khiển PLC Logo và giao diện giám sát LCD.

5. Vì sao các phương pháp tối ưu hóa truyền thống như giảm sức cản mạng gió lại ít được áp dụng độc lập để tiết kiệm điện?

Phương pháp giảm sức cản mạng gió đòi hỏi phải mở rộng diện tích tiết diện đường lò hoặc đào thêm các đường lò thông gió mới song song. Chi phí thi công đào lò và chống xén là cực kỳ tốn kém. Về mặt khí động học, để giảm 10% sức cản mạng gió phải tăng 4,5% tiết diện toàn bộ các đường lò nhưng lưu lượng gió chỉ tăng được khoảng 3,5%. Do đó, giải pháp này chỉ được kết hợp thực hiện khi có yêu cầu cấp thiết về công nghệ khai thác hoặc vận tải chứ không thể triển khai đơn thuần vì mục đích tối ưu hóa năng lượng quạt.

Kết luận

Luận án "Tối ưu hoá chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh" của NCS. Nguyễn Cao Khải đã giải quyết thấu đáo bài toán tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho hệ thống thông gió mỏ than hầm lò. Công trình đã luận giải thành công mối quan hệ định lượng giữa nhu cầu lưu lượng gió sạch với biểu đồ tổ chức sản xuất thực tế giữa ngày làm việc và ngày nghỉ. Việc đề xuất và thử nghiệm thành công giải pháp điều khiển tự động trạm quạt gió chính bằng biến tần tại mỏ than Hà Lầm khẳng định hiệu quả tiết kiệm điện năng vượt trội mà vẫn đảm bảo tuyệt đối các chỉ tiêu an toàn khí mỏ. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho công tác thiết kế, vận hành mỏ hầm lò và điều chỉnh các quy chuẩn an toàn thông gió mỏ tại Việt Nam.