Ứng dụng matlab mô phỏng quá trình biến thiên suất tiêu thụ điện năng cho một số thiết bị chính trong mỏ hầm lò

ỨNG DỤNG MATLAB MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN THIÊN SUẤT TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG CHO MỘT SỐ THIẾT BỊ CHÍNH TRONG MỎ HẦM LÒ
ThS. Vũ Thế Nam
Ks. Trần Trung Hiếu
Ks. Phạm Thanh Liêm
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin
Công tác vận tải trong điều kiện khai thác xuống sâu ngày càng phức tạp. Điện năng cho khâu vận tải ngày càng chiếm tỷ lệ cao. Xác định mức tiêu thụ điện năng hợp lý cho các thiết bị vận tải là vấn đề cấp thiết để phục vụ công tác: lập kế hoạch sản xuất hàng năm và dài hạn, giám sát và phân phối điện năng, làm công cụ quản lý việc sử dụng điện và làm căn cứ cho quy hoạch điện, giải bài toán cân bằng năng lượng.
Trong thực tế sản xuất việc xác định suất tiêu thụ điện năng của thiết bị là cực kỳ khó khăn, ngày nay với công cụ phần mềm mô phỏng Matlap ta có thể tìm hiểu biến thiên suất tiêu thụ điện năng tương ứng với một số điều kiện thực tế. 
1. TỔNG QUAN VỀ SUẤT TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG ĐỐI VỚI THIẾT BỊ ĐƠN LẺ
1.1. Xác định thành phần tiêu thụ điện năng của từng thiết bị.
	Suất tiêu thụ điện năng (STTĐN) là giá trị về mức tiêu hao điện năng để sản xuất một đơn vị sản phẩm. Suất tiêu thụ điện năng của thiết bị trong một chu trình sản xuất được tạo nên từ ba yếu tố:
- Tiêu hao điện năng cho quá trình quá độ của thiết bị:
+ Động cơ 1 chiều: khởi động không tải hoặc có tải, hãm động năng có tải.
+ Động cơ không đồng bộ: khởi động có tải hãm ngược hoặc hãm động năng.
- Tiêu hao điện năng trong quá trình biến đổi. Thành phần này tỷ lệ thuận với sản lượng và có quan hệ với các yếu tố:
+ Đặc tính kỹ thuật của thiết bị.
+ Đặc điểm của công nghệ.
+ Tính chất nguyên vật liệu.
+ Số lượng và chất lượng sản phẩm: 
Hình 1. Biểu đồ chu trình sản xuất
X: Quá trình quá độ
Y: Quá trình biến đổi (hoạt động có tải)
 Z: Quá trình vận hành không tải
- Tổn thất điện năng khi vận hành không tải: Thành phần này không phụ thuộc vào số lượng sản phẩm mà nó chỉ phụ thuộc vào hai yếu tố:
+ Công suất không tải: Tổn thất điện năng này tỷ lệ thuận với công suất không tải.
+ Thời gian chạy máy.
1.2 Phương pháp mô hình hóa đối tượng để xác định STTĐN.
Qua phân tích trên ta thấy trong một chu chình sản xuất các yếu tố ảnh hưởng đến STTĐN luôn luôn biến đổi theo các điều kiện thực tế: năng suất, thời gian, cung độ vận chuyển, góc công tác .v.v. Do đó việc tính toán STTĐN trong thực tế là khó khăn
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc mô hình hóa các đối tượng biến đổi có thể dễ dàng thực hiện được trên phần mềm, trong đó các yếu tố biến đổi được thể hiện qua các hàm toán học. Phương pháp này được tiến hành qua các bước như hình 2.
Hình 2. Các bước tiến hành mô phỏng đối tượng
2. ỨNG DỤNG SIMULINK MATLAB MÔ PHỎNG BIẾN THIÊN SUẤT TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ CHÍNH.
	Công tác vận tải trong ngành than chủ yếu sử dụng bốn thiết bị chính là: băng tải, máng cào, tầu điện và tời kéo. Trong đó điện năng tiêu thụ của các thiết bị này thay đổi chủ yếu theo ba yếu tố thực tế là: chiều dài tuyến, góc dốc hoạt động và năng suất vận chuyển. Để tìm hiểu ảnh hưởng từ 3 yếu tố đó ta tiến hành xây dựng mô hình hóa cho từng đối tượng.
2.1. Phương pháp tính toán STTĐN đối với các thiết bị
2.1.1. Xác định STTĐN cho máng cào
* Công suất yêu cầu trung bình thực tế của máng cào:
	(2-1)
Trong đó:
	 - Tốc độ xích máng cào, m/s;
	 - Lực kéo của máng cào, kG.
* STTĐ máng cào, với chế độ tải , góc dốc, chiều dài xác lập:
	(2-2)
Trong đó: 
	- Công suất yêu cầu trung bình thực tế của máng cào, kW;
	- Năng suất thực tế của máng cào, t/h;
	 - Hiệu suất động cơ;;
 - Hiệu suất mạng điện cấp cho máng cào lấy .
2.1.2. Xác định STTĐN cho băng tải
* Công suất yêu cầu của băng tải
	(2-3)
Trong đó: 	
 - Tốc độ dây băng m/s;
 - Lực kéo của băng chuyền, kG;
* Suất tiêu thụ điện năng của băng tải
	(2-4)
Trong đó: 	
 - Công suất yêu cầu trung bình thực tế của băng tải;
 Qbt - Năng suất thực tế của băng tải;
- Hiệu suất động cơ;
- Hiệu suất mạng điện .
2.2 Xây dựng mô hình.
Bài báo này trình bày chi tiết phương pháp xác định sự thay đổi STTĐN cho băng tải. Đối với máng cào, tời trục và tầu điện ta có thể tiến hành làm tương tự, bài báo không trình bầy lại mà chỉ nêu kết quả mô phỏng.
Để xây dựng mô hình tính toán bằng SIMULINK, trước hết phải xây dựng được các hàm toán học mô tả quá trình tính toán STTĐN.
* Năng suất định mức của băng chuyền:
	(2-5)
ktc - Hệ số này được tính với góc tự chảy (42o) của than
	(2-6)
kgd - Hệ số tính đến ảnh hưởng giảm năng suất do góc dốc;
 - Chiều rộng dây băng, m;
- Tốc độ dây băng, m/s;
 - Trọng lượng thể tích của than vận tải trên băng, t/m3;
Hình 3. Sơ đồ khối tính toán năng suất của băng chuyền
* Tải trọng than trên một mét dài băng:
	(2-7)
 - Năng suất thực tế của băng chuyền, t/h;
v - tốc độ băng tải, m/s;
* Trọng lượng 1m dài của dây băng:
Trọng lượng này ta có thể tính bằng công thức sau hoặc có thể dùng đo đếm thực tế để xác định trọng lượng 1m dây băng.
	(2-8)
 - Chiều dầy mặt dưới vỏ bọc, mm;
 - Chiều dầy mặt trên vỏ bọc, mm;
 - Số lớp;
* Trọng lượng dài của các con lăn thuộc nhánh có tải và không tải:
 	(2-9)
Gp, Gx- Trọng lượng phần quay của các con lăn nhánh có tải và nhánh không tải;
Lp, Lx - Khoảng cách giữa các con lăn nhánh có tải và nhánh không tải;
Hình 4. Sơ đồ khối tính toán tải trọng than trên một mét dài băng
* Sức cản thành phần 1-2 của nhánh không tải:
	(2-10)
 - Sức cản thành phần nhánh không tải;
 - Chiều dài băng tải, m;
 - Góc dốc đặt băng tải;
 - Hệ số sức cản truyền động, tra bảng 2.8;
* Sức cản thành phần 3-4 của nhánh có tải:
	(2-11)
* Các ứng suất của dây băng:
	 	(2-12)
	(2-13)
	(2-14)
	 	(2-15)
 - Hệ số tính đến dự trữ lực ma sát, lấy = 1,2¸1,25
 - Cơ số logarit tự nhiên e = 2,71;
 - hệ số ma sát của dây băng ở tang;
- góc ôm của dây băng với tang truyền động.
Để xác định STTĐN băng tải trong điều kiện cụ thể nêu ở bảng 9 lấy = 1,2, = 0,3, = 2100 ta có :
	 	(2-16)
Giải hệ phương trình:
 	(2-17)
* Xác định lực kéo của băng chuyền:
	 	 (2-18)
* Công suất yêu cầu của băng chuyền:
	 	(2-19)
 - Tốc độ dây băng m/s;
 - Lực kéo của băng chuyền, kG;
Hình 5. Sơ đồ khối tính toán công suất thực tế
2.3. Ứng dụng mô phỏng theo điều kiện thực tế.
Từ mô hình xây dựng kết hợp với các số liệu trên thực tế ta tiến hành mô phòng đối với băng chuyền, máng cào có các thông số sau.
Bảng 1. Thông số kỹ thuật máng cào
TT
Chi tiết / Thông số
Đơn vị
Giá trị
1
Năng suất
tấn/h
80
2
Đầu máy
Kích cỡ
mm
530x1705x1755
Hộp giảm tốc
Tỷ số truyền
24
Động cơ
kW
15
3
Máng
Kích cỡ
mm
480x260x1200
Bước máng
mm
1200
4
Thanh gạt
Kích cỡ
mm
30x50x250
Trọng lượng riêng
kg/m3
7790
Bước thanh gạt
mm
800
Trọng lượng theo mét dài
kg/m
45
5
Xích tải
Số lượng
Sợi
2
Khoảng cách giữa 2 dây xích
mm
310
Loại xích
mm
F14x50
Lực kéo an toàn
kg
Trọng lượng 1 mắt xích
kg
0,3
Bước mắt xích
mm
50
Số mắt xích trên 1m dài
cái
55,55
Bảng 2. Thông số kỹ thuật băng tải
TT
Thông số
Giá trị
1
Công suất động cơ
2x55kW
2
Năng suất định mức
150t/h
3
Chiều rộng băng
1m
4
Chiều dài băng tải
250m
5
Tốc độ băng
2,04m/s
6
Trọng lượng 3 con lăn nhánh có tải
46kg
7
Khoảng cách giữa các con lăn nhánh có tải
0,9m
8
Trọng lượng 1 con lăn nhánh không tải
42
9
Khoảng cách giữa các con lăn nhánh không tải
2,7m
10
Góc đặt băng
0o
a) Kết quả mô phỏng suất tiêu thụ khi sản lượng băng chuyền và máng cào thay đổi theo thực tế (chiều dài vận tải 180m và góc dốc không đổi, năng suất của máng cào bằng 80/150 năng suất băng chuyển)
(a)	(b)
Hình 6. Đồ thị sản lượng (a) và STTĐN (b) trong 1 ca sản xuất của băng chuyền
(a)	(b)
Hình 6. Đồ thị sản lượng (a) và STTĐN (b) trong 1 ca sản xuất của máng cào
Suất tiêu thụ điện năng luôn luôn tỷ lệ nghịch với sản lượng. Trong một ca sản xuất sản lượng vào đầu ca, cuối ca và thời gian nghỉ rất thấp. Do thiết bị điện được vận hành liên tục nên vào lúc sản lượng thấp thì STTĐN cao. Mặc dù máng cào cùng các điều kiện vận hành nhưng do năng suất không cao, ma sát lớn nên suất tiêu thụ điện năng của máng cào luôn lớn hơn so với băng tải suất tiêu thụ máng cào lúc lớn nhất lên đến 6,45kWh/t trong khi suất tiêu thụ lúc lớn nhất của băng tải chỉ lên đến 4,15kWh/t. Như vậy nếu cùng vận chuyển một sản lượng giống nhau thì suất tiêu thụ điện năng của máng cào lớn hơn 3,1 lần so với băng tải.
b) Kết quả mô phỏng suất tiêu thụ khi sản lượng vận tải thay đổi theo thực tế, chiều dài thay đổi từ 180m xuống còn 90m và góc dốc đặt thiết bị không đổi
(a)	(b)
Hình 8. Đồ thị STTĐN băng chuyền dài (a) và máng cào (b) trong 1 ca sản xuất
Suất tiêu thụ điện năng giảm tỷ lệ với chiều dài tuyến vận tải giảm, khi băng chuyền dài 90m STTĐN là 2,05 kWh/tấn, khi máng cào dài 90m STTĐN là 3,4 kWh/tấn
c) Kết quả mô phỏng suất tiêu thụ khi sản lượng vận tải thay đổi theo thực tế, chiều dài tuyến vận tải là 180m và góc dốc đặt băng thay đổi từ 00 lên 150
(a)	(b)
Hình 8. Đồ thị STTĐN băng chuyền dài 200m (a) và dài 100m (b) trong 1 ca sản xuất
Suất tiêu thụ điện năng tăng lên khi góc vận chuyển thay đổi lên 150 nhưng STTĐN lớn nhất lại giảm do thế năng của thiết bị vận tải tăng khi góc lắp đặt tăng lên.
3. KẾT LUẬN
- Thực hiện vận hành thiết bị với năng suất lớn nhất để suất tiêu thụ điện là nhỏ nhất.
- Ưu tiên vận thực hiện vận tải bằng băng tải để giảm tối đa điện năng tiêu thụ trên sản phẩm.
- Thiết kế chiều dài tuyến vận tải băng chuyền càng ngắn thì suất tiêu thụ điện năng càng nhỏ.
- Góc đặt băng càng dốc thì điện năng tiêu thụ trên một đơn vị sản phẩm càng lớn.
- Việc tính toán trước được suất tiêu thụ điện năng sẽ quyết định được việc lựa chọn thiết kế hệ thống vận tải, vì vậy cần đi tới áp dụng phương pháp mô phỏng để hộ trợ công tác thiết kế được tốt hơn.
Tài liệu tham khảo.
1 - TS. Phùng Mạnh Đắc. Khảo sát và đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong các hộ tiêu thụ trọng điểm vùng Quảng Ninh, xây dựng một số mô hình trong Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Viện KHCN Mỏ-Vinacomin 2010.
2 - Ths. Vũ Thế Nam. Nghiên cứu xác định suất tiêu hao điện năng cho các khâu sản xuất của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Viện KHCN Mỏ - Vinacomin 2011.