Tiết kiệm năng lượng cho Máy nén khí và Tời trục trong Mỏ hầm lò

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MÁY NÉN KHÍ VÀ TỜI TRỤC
MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH
ThS. Vũ ThếNam
ThS. Vũ Tuấn Anh
ThS. Phạm Thanh Liêm
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin
Năng lượng hiện đang là một nhân tố chủ chốt, đóng vai trò quan trọng
trong mọi hoạt động của các tổ chức doanh nghiệp. Việc thiếu hụt năng lượng và
chi phí dành cho năng lượng ngày càng tăng dần trở thành một thách thức không
nhỏ đối với mỗi quốc gia và các doanh nghiệp trong việc đảm bảo đáp ứng các
nguồn năng lượng phục vụ cho những mục tiêu tăng trưởng và phát triển. Trong
khi việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo hay năng lượng
thay thế sẽ phải mất nhiều thời gian thì việc quản lý năng lượng hiệu quả nhằm
giảm tiêu hao năng lượng và giảm chi phí năng lượng đang trở thành một vấn đề
thu hút được sự quan tâm của nhiều người và các tổ chức khác nhau.
Đối với các đơn vị ngành than thì năng lượng phục vụ cho sản xuất chủ yếu
là điện năng, dầu và xăng. Mỗi đơn vị sản xuất trong Tập đoàn đều có những
đặc thù riêng do điều kiện địa chất mỏ phức tạp, công nghệ sản xuất khác nhau,
thiết bị và con người phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt có khí và bụi
nổ, ẩm ướt, nhiệt độ cao, không gian chật hẹp, thường xuyên phải di chuyển,
chịu đe dọa bởi các nguy cơ mất an toàn cao.
Trong các khâu sản xuất của đơn vị sản xuất than hầm lò, khâu vận tải mỏ,
khâu khí nén là những thiết bị tham gia trực tiếp trong thực hiện đào lò và khai
thác than, vận chuyển than liên tục. Tỷ lệ tiêu thụ điện năng của các khâu này
chiếm tỷ lệ lớn lần lượt là 29% và 15% như trong hình 1. Tiềm năng thực hiện
tiết kiệm năng lượng cho các khâu này theo đánh giá sơ bộ là tương đối lớn.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu thực trạng hoạt động và các giải pháp kỹ
thuật tiên tiến hiện đại để nâng cao hiệu quả vận hành an toàn các thiết bị đi
cùng với sử dụng tiết kiệm năng lượng là một nhu cầu cấp bách và cần thiết.
Hình 1. Tỷ lệ tiêu thụ điện của các thiết bị phục vụ sản xuất than hầm lò

(Nguồn: Nhiệm Vụ Bộ Công Thương năm 2013)
1. Thực trạng hoạt động của các thiết bị máy nén khí và tời trục mỏ than
hầm lò.
1.1. Máy nén khí trung tâm


Các máy nén khí trung tâm tại các mỏ đang sử dụng là loại 4L-20/8 của
Trung Quốc sản xuất với lưu lượng khí nén mỗi trạm là 20m 3 /phút, áp lực 8 at,
công suất của động cơ điện mỗi máy là Pđm=132 kW. Máy nén hoạt động liên
tục 24h/24h, thông số của máy nén khí như sau:
Kiểu:
4L-20/8, trục vít
Động cơ:
Không đồng bộ 3 pha kiểu rô to lồng sóc.
Loại:
Y315M2 - 8.
Công suất:
132 kW.
Tốc độ quay:
740 v/p, f = 50Hz
- Điện áp:
380/660 V-Y/∆, I=256/153 A.
- Áp lực nén:
Cấp I:0,18÷0,22 Mpa; Cấp II: 0,88 Mpa.
Các đơn vị khai thác than hầm lò sử dụng máy nén khí với đặc điểm chung
là có nhiều trạm đặt ở các vị trí khác nhau để phục vụ sản xuất và mỗi trạm lại
có từ 2÷5 máy. Chế độ vận hành các máy nén khí được chạy luân phiên, tùy
thuộc vào nhu cầu mà số lượng máy được vận hành với số lượng thích hợp.
Trong thời gian máy nén khí hoạt động có 2 trạng thái: mang tải với công suất
hoạt động trung bình Ptb=112,14÷130kW và rã tải với công suất trung bình

Ptb=19,29÷46,04kW và tỷ lệ thời gian chạy ở trạng thái mang tải-rã tải thay đổi
phụ thuộc rất lớn vào nhu cầu sử dụng khí nén.
Một số Công ty đã trang bị cuộn kháng giúp giảm dòng khởi động của
động cơ máy nén khí (như Quang Hanh, Mạo Khê, Vàng Danh, Mông Dương
.v.v). Tuy nhiên, qua kết quả đo kiểm cho thấy dòng khởi động của động cơ vẫn
còn cao, sau quá trình khởi động thiết bị này không có tác dụng giúp tiết kiệm
điện. Vì vậy đây chưa phải là giải pháp tối ưu áp dụng cho máy nén khí.
-

Hình 2. Sơ đồ phân phối khí nén phục vụ sản xuất
1.2. Tời trục
2


Các đơn vị sản xuất than hầm lò sử dụng nhiều loại trục tời khác nhau
(trong lò, ngoài mặt bằng, các khu vực giếng) nhằm phục vụ hỗ trợ người đi bộ,
vận tải người và nguyên vật liệu.
Tổ hợp thiết bị điều khiển trục tời thường gồm: bộ đảo chiều (vd. loại
PKB-300), bộ hãm động năng (vd. loại KДTB-300 hoặc BДTB-400), bộ cắt trở
rô to (vd. loại БK3B-400, với biến trở ngâm dầu loại BЖP). Ngoài ra, trong các
sơ đồ hệ truyền động còn cần phải có khởi động từ đảo chiều và phanh điện từ.
Khi khởi động, cả động cơ và phanh được đồng thời đóng điện. Các trục tời
thường được dẫn động bằng động cơ roto dây quấn, khởi động và điều chỉnh tốc
độ bằng bộ điều khiển cắt trở. Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển ra chân
giếng không liên tục nên các trục tải vận hành trong chế độ ngắt quãng, thường
xuyên phải khởi động và hãm gây tổn thất nhiều năng lượng điện (hình 3).
3y
3y
2y
2y

1y
1y

Hình 3. Sơ đồ hệ truyền động trục tời tại mỏ khai thác than hầm lò
Do sử dụng hệ thống điều khiển kiểu cũ, khởi động trực tiếp qua khởi động
từ, hoạt động với hệ số mang tải nhỏ nên hầu hết các động cơ tời đều có hệ số
công suất không cao (bảng 1), hệ số công suất này ảnh hưởng đến thiết bị khác
cùng lưới điện và ảnh hưởng đến quá trình truyền tải năng lượng trên lưới. Khi
hệ số công suất thấp làm tăng tổn hao trên đường truyền.
Bảng 1. Tổng hợp kết quả đo kiểm công suất và hệ số công suất của các tời
trục tại các đơn vị khai thác than hầm lò
STT

Thiết bị

1

Công ty CP than
Vàng Danh

2
3
4

Công ty CP than
Hà Lầm
Xí nghiệp than
Cao Thắng
Công ty TNHH
than Quang

Hanh

Vị trí
Động cơ tời trục giếng
chính Vàng Danh
Tời trục giếng phụ cánh gà
tây Vàng Danh
Tời trục giếng chính ngầm
trục -51
Tời kéo goòng EKO D30
(Pđm=30kW)
Tời trục mặt bằng cửa lò
+27
Tời trục hầm lò – PX VT
lò 1

Pđm
(kW)

Ptb
(kw)

Hệ số
cosφ

%
mang tải

132

80,375

0,57

60,0

255

125,91

0,87

49,38

55

16,15

0,71

29,36

30

6,25

0,31

20,83

55

52,28

0.62

95,05

45

16,5

0,68

36,67

(Nguồn: Kết quả kiểm toán năng lượng các đơn vị)
3


Ngoài ra, hệ thống tời trục giếng chính tại các mỏ hầm lò với công suất
động cơ từ trung bình tới lớn hầu hết vận hành theo tính chất tải không liên tục
(Hình 4). Hệ số công suất rất thấp, quá trình khởi động và hãm xảy ra liên tục
gây tổn thất điện năng lớn, giảm tuổi thọ bối dây động cơ do khởi động nhiều
lần, giảm tuổi thọ cơ cấu cơ do momen khởi động lớn. Đây chính là nhược điểm
của các loại tời trục với công nghệ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở
rôto, điều khiển dừng tời hoặc hãm tời bằng cách hãm động năng của động cơ và
phanh cơ khí để dừng hẳn tời. Vì vậy, đây là một trong những khâu có tiềm năng
tiết kiệm năng lượng cần được nghiên cứu hỗ trợ giải pháp.
Hình 4. Biểu đồ Công suất tời giếng ngầm chính mức -51 Công ty Cổ phần

than Hà Lầm - Vinacomin
2. Đề xuất giải pháp và đánh giá tiềm năng tiết kiệm.
Từ thực trạng hoạt động của thiết bị máy nén khí và tời trục mỏ hầm lò, nhóm
tác giả đã tiến hành nghiên cứu và đánh giá tính khả thi áp dụng các giải pháp
điều khiển truyền động điện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, tiết kiệm
điện năng, dễ dàng vận hành cho người công nhân,cụ thể như sau:
2.1. Đối với máy nén khí trung tâm 4L-20/8
* Giải pháp đề xuất:
Theo kết quả đo kiểm, phân tích số liệu và hiện trạng vận hành của các máy
nén khí trung tâm 4L-20/8 (132kW) tại các mỏ khai thác than hầm lò. Dữ liệu về
công suất lúc chạy có tải và không tải được thống kê trong bảng 2 dưới đây:
Bảng 2. Tổng hợp kết quả đo kiểm công suất và hệ số công suất của các máy
nén khí tại các đơn vị khai thác than hầm lò
Đơn vị

Vị trí

Công suất (kW)
Cosφ
Có tải Không tải Có tải Không tải

Mặt bằng +110
117,10
đông Vàng Danh
Mỏ Hồng Thái Mặt bằng +30
130,18
Máy số 3Mỏ
Đồng
MB+131
Đông 115,11

Vông
Vàng Danh
Mỏ Cao Thắng Cái Đá
119,56
Mỏ than 86
Mặt bằng +55
117,09
Mỏ
Dương
Mặt bằng +38
118,85
Huy
Mỏ
Quang Máy số 3-Trạm 112,14
Mỏ Vàng Danh

4

46,04

0,76

0,68

29,20

0,83

0,38

19,43

0,82

0,23

27,94
24,09

0,79
0,93

0,32
0,83

19,29

0,82

0,27

36,23

0,75

0,34


Hanh
Mỏ than 790

MB+27
Mặt bằng +57

128,54

41,09

0,83

0,59

(Nguồn: Kết quả kiểm toán năng lượng các đơn vị)
Với đặc điểm của máy nén khí hoạt động phụ thuộc vào mức tải sử dụng,
nếu các phụ tải tiêu thụ nhiều khí nén thì máy sẽ hoạt động liên tục, còn khi nhu
cầu sử dụng khí nén không lớn khí được nén trong bình tích áp, áp suất trong
bình tích áp tăng và khi tăng đến giá trị áp suất đặt thì máy sẽ chuyển sang chế
độ chạy rã tải. Lúc này khí nén không được cấp vào bình nhưng động cơ vẫn
chạy và đây là thời điểm động cơ chạy không tải. Tùy thuộc vào nhu cầu sử
dụng khí nén mà thời gian chạy không tải dài hay ngắn. Kết quả phân tích số
liệu đo kiểm cho thấy với tỷ lệ thời gian chạy không tải động cơ hoạt động với
công suất Ptb=19,29÷46,04kW, vì vậy đây là khoảng thời gian có cơ hội tiết
kiệm điện năng rất lớn khi có giải pháp hợp lý. Với hiện trạng như vậy, giải
pháp tiết kiệm điện cho các máy nén khí có thể ứng dụng thiết bị điện tử công
suất như phân tích ở trên là: khởi động mềm, biến tần hoặc Powerboss, chi tiết
như sau:
- Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm):
+ Khởi động mềm chỉ có tác dụng làm giảm dòng khởi động của động cơ,
sau quá trình khởi động thiết bị này không có chức năng giúp tiết kiệm điện
năng. Máy nén khí có chế độ làm việc không tải với công suất hoạt động trung

bình là Ptb=19,29÷46,04kW. Thời gian làm việc không tải phụ thuộc vào mức độ
tải tiêu thụ, trong khoảng thời gian hoạt động non tải này khởi động mềm lại
không có khả năng điều chỉnh công suất hoạt động làm giảm điện năng tiêu thụ
không có ích. Vì vậy, giả thiết lắp khởi động mềm đối với máy nén khí 4L-20/8
chưa phải là giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm điện.
- Đối với giải pháp lắp thiết bị biến tần:
+ Biến tần chỉ đạt hiệu quả cao về phương diện tiết kiệm điện năng khi điều
chỉnh tốc độ động cơ. Tuy nhiên, giả thuyết của việc lắp đặt biến tần điều chỉnh
tốc độ cho máy nén khí là không tối ưu vì: khi giảm tốc độ động cơ, dẫn tới cơ
cấu tay quay cấp dầu bôi trơn cho pittong làm việc không đảm bảo, không cung
cấp đủ dầu bôi trơn cho hệ thống pittong. Điều này rất nguy hiểm do khi không
đủ dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, sẽ xuất hiện ma sát lớn và sinh nhiệt gây
phá huỷ hệ thống xylanh-pittong. Với đặc điểm công nghệ vận hành của máy
nén khí 4L-20/8 trong quá trình chạy không tải, tốc độ động cơ không được thay
đổi để đảm bảo cơ cấu tay quay làm việc ổn định và đủ lực văng nhằm mục đích
cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong, như vậy lắp biến tần vào đây là giải pháp
không tối ưu để tiết kiệm năng lượng.
5


- Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất Powerboss:
+ Do yếu tố công nghệ của máy nén khí 4L-20/8 khi chạy không tải, tốc độ
động cơ phải không được thay đổi để đảm bảo cơ cấu tay quay làm việc ổn định
và đủ lực văng nhằm mục đích cấp dầu bôi trơn cho hệ thống pittong. Giải pháp
sử dụng powerboss liên tục điều chỉnh điện áp đến động cơ bằng cách điều
khiển thay đổi điểm mở của Thyristors. Điều khiển tác động liên tục thay đổi
điện áp đặt lên động cơ do phần mềm điều khiển được tích hợp sẵn trong một bộ
vi điều khiển. Vì vậy, powerboss sẽ tự động điều chỉnh công suất của động cơ
nén khí theo nhu cầu tải thực tế, từ đó làm giảm điện năng tiêu thụ tại các thời
điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động cơ không thay đổi trong suốt

quá trình hoạt động. Tại các thời điểm làm việc không tải sẽ tiết kiệm điện năng
đồng thời không làm thay đổi tốc độ động cơ, đảm bảo cơ cấu tay quay cấp dầu
bôi trơn cho hệ thống pittong làm việc ổn định.
Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm đối với các giải pháp như
trên, kết quả cho thấy giải pháp lắp bộ điều khiển công suất Powerboss cho máy
nén khí loại 4L-20/8 là hợp lý nhất về phương diện kỹ thuật khi đầu tư.
* Tiềm năng tiết kiệm:
Theo kết quả đo kiểm và phân tích lựa chọn giải pháp cho máy nén khí
4L-20/8, chúng tôi ước tính tiềm năng tiết kiệm sơ bộ khi đầu tư Powerboss cho
các máy nén khí tại mỏ Vàng Danh, Hồng Thái, Đồng Vông,...Kết quả tính toán
sơ bộ tiềm năng được tổng hợp trong bảng 3 dưới đây:
Bảng 3. Tiềm năng tiết kiệm điện khi lắp thiết bị điều khiển công suất cho
máy nén khí 4L-20/8
CPTK
ĐNTK
TT
Đơn vị
Vị trí
(1.000đ/nă
(kWh/năm)
m)
Công ty than Mặt bằng +110
1
36.918
55.377
Vàng Danh
đông Vàng Danh
Công ty than
2
Mặt bằng +30

42.215
63.323
Hồng Thái
Công ty than MB+131 Đông
3
40.318
60.477
Đồng Vông
Vàng Danh
Xí nghiệp than
4
Mặt bằng +55
40.837
61.256
86
Công ty than
5
Mặt bằng +38
36.737
55.106
Dương Huy
Công ty than Máy số 3 - trạm
6
40.337
60.506
Quang Hanh
MB+27
6

Như vậy, theo kết quả tính toán sơ bộ thì năng lượng điện tiết kiệm được
khi thực hiện đầu tư thiết bị powerboss dao động từ 32.785÷42.215kWh tương
ứng với chi phí tiết kiệm đạt được từ 49,178÷63,323 triệu đồng/năm. Lượng tiết
kiệm tùy thuộc vào đặc điểm hoạt động và yêu cầu công nghệ tiêu thụ khí nén
riêng của từng đơn vị. Vì vậy, theo đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng thì
giải pháp lắp powerboss cho máy nén khí 4L-20/8 là hoàn toàn khả thi.
2.2. Đối với thiết bị tời trục
* Giải pháp đề xuất:
Các tời trục thường được sử dụng kéo đất đá lên trên và đưa vật liệu
xuống theo các giếng nghiêng, cửa lò phụ. Trục tời được dẫn động bằng động cơ
roto dây quấn, khởi động và điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều khiển đóng/cẳt các
cấp điện trở phụ. Do lượng vật liệu (than, đất đá) chuyển ra chân giếng không
liên tục nên các trục tải vận hành trong chế độ ngắt quãng, thường xuyên phải
khởi động và hãm gây tổn thất nhiều năng lượng điện. Kết quả đo kiểm như
bảng 1 cũng cho thấy công suất hoạt động trung bình của các tời trục là
Ptb=6,25÷125,91kW; phần trăm mang tải của động cơ tùy theo tải thực tế từ
20,83÷60,0%. Như vậy, các tời trục thường hoạt động non tải trong quá trình
làm việc của mình. Vì vậy giải pháp tiết kiệm điện năng có thể áp dụng là lắp
khởi động mềm, bộ powerboss hoặc biến tần cho các tời trục, chi tiết như sau:
- Đối với giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất powerboss: Thiết
bị này tự động điều chỉnh công suất của động cơ tời trục theo nhu cầu tải thực tế
dựa trên nguyên lý cấp lượng điện áp phù hợp cho động cơ, dẫn tới làm giảm
điện năng tiêu thụ tại các thời điểm tương ứng, đồng thời đảm bảo tốc độ động
cơ không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động. Đối với quá trình làm việc của
tời trục lúc thả tải và lúc kéo tải tốc độ phải thay đổi để phù hợp với tải trên cả
đoạn đường dốc quá trình kéo tải của tời. Như vậy việc ứng dụng lắp đặt cho các
tời trục thiết bị powerboss sẽ gặp khó khăn do không hợp lý về điều khiển.
- Đối với giải pháp làm giảm dòng khởi động (lắp khởi động mềm,
cuộn kháng, đổi nối sao-tam giác): Thiết bị này chỉ có tác dụng làm giảm dòng
khởi động của động cơ, sau quá trình khởi động thiết bị này không có chức năng

giúp tiết kiệm điện.
- Đối với giải pháp lắp biến tần: Khi lắp biến tần cho các động cơ tời,
bài toán về điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với tải biến thiên trên cả hành
trình kéo và thả tải được giải quyết triệt để. Trong quá trình thả tải, biến tần sẽ
hãm dừng động cơ theo phương pháp hãm động năng tiêu tán năng lượng trên
điện trở nhiệt hoặc hãm tái sinh (phát năng lượng về lưới) nhờ mạch hãm tái
sinh trong biến tần (hình 5).
7


Hình 5. Mô hình kết hợp biến tần điều khiển động cơ trục tời có hãm tái
sinh trả năng lượng về lưới
Như vậy, qua việc phân tích ưu nhược điểm đối với các giải pháp như
trên, kết quả cho thấy giải pháp lắp biến tần để điều khiển trục tời là hợp lý nhất
về phương diện kỹ thuật và tiềm năng tiết kiệm đem lại khi đầu tư.
* Tiềm năng tiết kiệm:
Tổng hợp tiềm năng tiết kiệm điện năng khi áp dụng giải pháp lắp biến
tần cho các tời trục được tính toán như bảng 4.
Bảng 4.Tiềm năng tiết kiệm điện khi lắpbiến điều khiển trục tời
Pđm
Ptb
(kW) (kW)

TT Vị trí
1
2
3
4
5

Động cơ tời trục giếng chính Vàng
Danh
Tời trục giếng phụ cánh gà tây
Vàng Danh
Tời trục ngầm chính -51 Hà Lầm
Tời trục mặt bằng cửa lò +27
Quang Hanh
Tời trục hầm lò- PX VT lò 1
Quang Hanh

Tiết
Tiết kiệm
kiệm
(%)
(kWh)

132

80,38

6,23

59.209,9

255

125,92

7,35

55

16,15

5,51

134.946,
0
21.828,4

55

52,28

4,12

16.326,5

45

16,50

3,31

10.731,0

Qua bảng tổng hợp tiềm năng tiết kiệm khi áp dụng biến tần cho trục tời
ta thấy: khi lắp biến tần cho tời thì lượng điện tiết kiệm dao động từ 3,31% đến
7,35%, lượng tiết kiệm này thay đổi tùy thuộc vào loại tời và hoạt động của tời.
Theo kết quả tính toán tiềm năng tiết kiệm khi đầu tư biến tần vào điều khiển và

vận hành tời trục hầm lò, ước tính điện năng tiết kiệm được từ 10.731÷134.946
8


kWh/năm tương đương chi phí tiết kiệm 15,023÷188,924 triệu/năm. Thời gian
hoàn vốn giản đơn khoảng gần 4 năm, như vậy giải pháp tiết kiệm đề xuất cho
các tời theo phân tích hiệu quả kỹ thuật - kinh tế là hoàn toàn khả thi.
3. Kết luận
Theo kết quả phân tích và ước tính tiềm năng tiết kiệm cho các thiết bị như tời
trục, máy nén khí tại 20 đơn vị khai thác than hầm lò. Kết hợp theo dõi quá trình
làm việc của thiết bị theo từng công nghệ sản xuất và sự biến thiên công suất của
động cơ tời trục, máy nén khí của từng ca sản xuất. Biện pháp tiết kiệm năng
lượng ứng dụng các thiết bị điều khiển công nghệ tiên tiến hiện nay có sử dụng
thiết bị điện tử công suất được phân tích và nghiên cứu đề xuất như sau:
- Đối với trục tời: Giải pháp lắp biến tần có tính năng hãm tái sinh để điều
khiển tốc độ động cơ giúp tiết kiệm điện, ổn định lưới điện khu vực, nâng cao
hiệu quả làm việc, kéo dài tuổi thọ động cơ.
- Đối với máy nén khí 4L-20/8: Giải pháp lắp thiết bị điều khiển công suất
Powerboss cho các máy nén khí giúp tiết kiệm điện năng, nâng cao hiệu suất
làm việc, kéo dài tuổi thọ động cơ.
Tài liệu tham khảo:
[1] Báo cáo Phát triển công nghiệp toàn cầu 2011 do Tổ chức Phát triển công
nghiệp Liên Hợp Quốc (UNIDO) công bố ngày 7/3/2012 tại Hà Nội.
[2] Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả - 2010.
[3] Bộ tiêu chuẩn ISO 50001:2011 của tổ chức ISO và www.ISO.org.

9