Ứng dụng Matlab mô phỏng quá trình biến thiên suất tiêu thụ điện năng của băng chuyền sử dụng vận tải trong ngành mỏ

ỨNG DỤNG MATLAB MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN THIÊN SUẤT TIÊU <br /> THỤ ĐIỆN NĂNG CỦA BĂNG CHUYỀN SỬ DỤNG VẬN TẢI TRONG <br /> NGÀNH MỎ<br /> ThS. Vũ Thế Nam<br /> Ks. Trần Trung Hiếu<br /> Ks. Phạm Thanh Liêm; Ks. Lê Quang Tuấn<br /> Viên Khoa hoc Công nghê Mo­Vinacomin<br /> ̣ ̣ ̣ ̉<br /> Xác định mức tiêu thụ  điện năng hợp lý của một thiết bị điện trong Mỏ  để:  <br /> lập kế hoạch sản xuất hàng năm và dài hạn, giám sát và phân phối điện năng, làm  <br /> công cụ quản lý việc sử dụng điện và làm căn cứ cho quy hoạch điện, giải bài toán  <br /> cân bằng năng lượng.<br /> Trong thực tế  sản xuất công việc xác định suất tiêu thụ điện năng của thiết  <br /> bị là cực kỳ khó khăn, ngày nay với công cụ phần mềm mô phỏng Matlap ta có thể  <br /> tìm hiểu biến thiên suất tiêu thụ điện năng tương ứng với một số điều kiện thực tế.  <br /> 1. TỔNG QUAN VỀ SUẤT TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG ĐỐI VỚI THIẾT BỊ ĐƠN <br /> LẺ<br /> 1.1. Xác định thành phần tiêu thụ điện năng của từng thiết bị.<br /> Suất tiêu thụ điện năng (STTĐN) là giá trị về mức tiêu hao điện năng để sản <br /> xuất một đơn vị  sản phẩm. Xác định STTĐN nhằm đánh giá hiệu quả  sử  dụng <br /> điện, từ đó đề  xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng làm giảm chi phí sản xuất  <br /> sản phẩm. Đối với các đơn vị trong ngành Mỏ thì suất tiêu thụ điện còn là chỉ  tiêu <br /> tổng hợp để  lập kế  hoạch hàng năm về  nhu cầu sử  dụng điện năng, ngoài ra còn <br /> làm công cụ cho việc giám sát, phân phối và quản lý lưới điện và thiết kế cung cấp <br /> điện cho các mỏ than.<br /> <br /> * Suất tiêu thụ  điện năng của thiết bị <br /> trong một chu trình sản xuất được tạo  Thành phần tiêu thụ điện<br /> nên từ ba yếu tố:<br /> ­ Tiêu hao điện năng cho quá trình quá độ <br /> của thiết bị: Tiêu hao <br /> Tiêu hao  Tổn thất <br /> điện <br /> + Động cơ  1 chiều: khởi động không  điện cho  điện <br /> trong quá <br /> quá trình  năng khi <br /> tải hoặc có tải, hãm động năng có tải. trình biến <br /> quá độ vận hành<br /> + Động cơ không đồng bộ: khởi động  đổi<br /> có tải hãm ngược hoặc hãm động năng.<br /> Hình 1.1. Thành phần tiêu thụ điện <br /> ­ Tiêu hao điện năng trong quá trình biến  năng<br /> đổi.  Thành phần này có quan hệ  với các <br /> <br /> 1<br /> yếu tố:<br /> + Đặc tính kỹ thuật của thiết bị. P Biểu đồ1 chu trình s<br />   ản xuất<br /> <br /> + Đặc điểm của công nghệ.<br /> X Y Z<br /> + Tính chất nguyên vật liệu.<br /> + Số lượng và chất lượng sản phẩm: <br /> Thành phần này tỷ  lệ  thuận với số  lượng <br /> sản phẩm.<br /> 0 t<br /> ­ Tổn thất điện năng khi vận hành: Thành <br /> phần này không phụ  thuộc vào số  lượng  Hình 1.2. Biểu đồ chu trình sản <br /> sản phẩm mà nó chỉ phụ thuộc vào hai yếu  xuất<br /> tố . X: Quá trình quá độ<br /> + Công suất không tải: Tổn thất điện  Y: Quá trình biến đổi (hoạt động <br /> năng này tỷ  lệ  thuận với công suất không  có tải)<br /> tải.<br /> Z: Quá trình vận hành không tải<br /> + Thời gian chạy máy.<br /> 1.2 Các phương pháp xác định STTĐN<br /> <br /> Qua phân tích trên ta thấy có rất <br /> Phương pháp xác định STTĐN<br /> nhiều thành phần và yếu tố  tác động <br /> đến STTĐN của thiết bị  trong  mỏ. Vì <br /> vậy cần tìm hiểu và lựa chọn phương <br /> pháp   xác   định   STTĐN   hợp   lý.   Các <br /> phương pháp xác định hiện đang được  Cân bằng  Thực <br /> Thống kê<br /> sử dụng (hình 1.3) riêng nghiệm<br /> <br /> Ngày nay cùng với sự  phát triển <br /> của khoa học kỹ  thuật, việc mô hình <br /> hóa các đối tượng biến đổi có thể  dễ <br /> dàng thực hiện được trên phần mềm,  Hình 1.3. Các phương pháp xác định <br /> trong đó các yếu tố biến đổi được thể  STTĐN                   hiện đang sử <br /> hiện qua các hàm toán học. dụng<br /> <br /> Vì vậy việc xác định STTĐN được bổ sung thêm một phương pháp nữa là mô  <br /> hình hóa đối tượng. Phương pháp này được tiến hành qua các bước như  sau (hình <br /> 1.4):<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br />  Các bước tiến hành mô phỏng đối tượng<br /> <br /> Mô hình  Nhập <br /> hóa đối  thông số <br /> Nhập mô  Kiểm tra, <br /> tượng  yếu tố <br /> hình vào  in kết <br /> bằng các  biến đồi <br /> Simulink quả<br /> hàm toán  theo thực <br /> học tế<br /> <br /> <br /> Hình 1.4. Các bước tiến hành mô phỏng đối tượng<br /> 2. ỨNG DỤNG SIMULINK MATLAB MÔ PHỎNG BIẾN THIÊN SUẤT TIÊU <br /> THỤ ĐIỆN NĂNG CỦA BĂNG CHUYỀN.<br /> Điện năng tiêu thụ  của băng chuyền thay đổi chủ  yếu theo ba yếu tố  thực tế <br /> là: chiều dài, góc dốc và năng suất băng chuyền. Để  tìm hiểu ảnh hưởng từ  3 yếu  <br /> tố đó ta tiến hành xây dựng mô hình.<br /> 2.1 Xây dựng mô hình.<br /> Bài báo này trình bày phương pháp xác định sự  thay đổi STTĐN cho băng tải. <br /> Để  xây dựng mô hình tính toán bằng SIMULINK, trước hết phải xây dựng được  <br /> các hàm toán học mô tả quá trình tính toán STTĐN.<br /> * Năng suất định mức của băng chuyền:<br /> Qbc ktc .k gd .B 2 .v.d , t / h; (1)<br /> ktc ­ Hệ số này được tính với góc tự chảy (42o) của than<br /> 42<br /> ktc 576.tg ( ) 221 (2)<br /> 2<br /> kgd ­ Hệ số tính đến ảnh hưởng giảm năng suất do góc dốc;<br /> B  ­ Chiều rộng dây băng, m;<br /> v ­ Tốc độ dây băng, m/s;<br /> d  ­ Trọng lượng thể tích <br /> của   than   vận   tải   trên   băng, <br /> t/m3;<br /> <br /> <br /> Hình 2.1.Sơ đồ khối tính <br /> toán năng suất của <br /> băng chuyền<br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> * Tải trọng than trên một mét dài băng:<br /> Qbc<br /> g , kG / m (3)<br /> 3,6.v<br /> Qbc  ­ Năng suất thực tế của băng chuyền, t/h;<br /> v ­ tốc độ băng tải, m/s;<br /> * Trọng lượng 1m dài của dây băng:<br /> Trọng lượng này ta có thể  tính bằng công thức sau hoặc có thể  dùng đo đếm <br /> thực tế để xác định trọng lượng 1m dây băng.<br /> g0 1,1.B.(1,25.i d ' d ' ' ), kG / m (4)<br /> d '  ­ Chiều dầy mặt dưới vỏ bọc, mm;<br /> d ' '  ­ Chiều dầy mặt trên vỏ bọc, mm;<br /> i  ­ Số lớp;<br /> <br /> * Trọng lượng dài của các con lăn thuộc nhánh có tải và không tải:<br /> Gp Gx (5)<br /> g , kG / m gx , kG / m<br /> p Lp<br />       Lx<br /> Gp, Gx­ Trọng lượng phần quay của các con lăn nhánh có tải và nhánh không <br /> tải;<br /> Lp, Lx ­ Khoảng cách giữa các con lăn nhánh có tải và nhánh không tải;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4<br />  Hình 2.2. Sơ đồ khối tính toán tải trọng than trên một mét dài băng<br /> <br /> <br /> * Sức cản thành phần 1­2 của nhánh không tải:<br /> F1 ( g0 g x ) L. . cos g 0..L.sin , kG;<br /> 2 (6)<br /> F1 2  ­ Sức cản thành phần nhánh không tải;<br /> L  ­ Chiều dài băng tải, m;<br /> <br />  ­  Góc dốc đặt băng tải;<br />  ­ Hệ số sức cản truyền động, tra bảng 2.8;<br /> * Sức cản thành phần 3­4 của nhánh có tải:<br /> F3 4 (g g0 g p ).L. . cos (g g 0 ).L. sin , kG (7)<br /> * Các ứng suất của dây băng:<br /> S2 S1 F1 2 , kG   (8)<br /> S3 1,05.S 2 , kG (9)<br /> S4 S3 F3 4 , kG (10)<br /> S4 S1.e , kG                (11)<br /> kdt  ­ Hệ số tính đến dự trữ lực ma sát, lấy  kdt  = 1,2 1,25<br /> e  ­ Cơ số logarit tự nhiên e = 2,71;<br /> <br />  ­ hệ số ma sát của dây băng ở tang;<br /> <br /> 5<br />  ­ góc ôm của dây băng với tang truyền động.<br /> Để  xác định STTĐN băng tải trong điều kiện cụ  thể  nêu  ở  bảng 9 lấy  kdt  = <br /> 1,2,   = 0,3,   = 2100 ta có :<br /> e 3             (12)<br /> Giải hệ phương trình:<br /> S4 1,05( S1 F1 2 ) F3 4<br />   (13)<br /> S4 3S1<br /> * Xác định lực kéo của băng chuyền:<br /> S 4 S1<br /> F0 , kG             (14)<br /> 1 0,05<br /> <br /> * Công suất yêu cầu của băng chuyền:<br /> v.F0<br /> P , kW           (15)<br /> 102<br /> v  ­ Tốc độ dây băng m/s;<br /> F0  ­ Lực kéo của băng chuyền, kG;<br /> <br /> * Suất tiêu thụ điện năng của băng chuyền:<br /> P<br /> Dbt , kWh / t          (16)<br /> Qbt . đc . m<br /> <br /> P  ­ Công suất yêu cầu trung bình thực tế của băng chuyền, kW;<br /> Qbt ­ Năng suất thực tế của băng chuyền, t/h;<br /> đc ­ Hiệu suất động cơ;<br /> m ­ Hiệu suất mạng điện;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br />  Hình 2.3. Sơ đồ khối tính toán công suất thực tế<br /> * Mô hình tổng thể:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.4. Kết quả xây dựng mô hình tổng thể<br /> 2.2. Ứng dụng mô phỏng theo điều kiện thực tế.<br /> Từ  mô hình xây dựng kết hợp với các số  liệu trên thực tế  ta tiến hành mô <br /> phòng đối với băng chuyền có các thông số sau.<br /> TT Thông số Giá trị<br /> 1 Công suất động cơ 2x55kW<br /> 2 Năng suất định mức 150t/h<br /> 3 Chiều rộng băng 1m<br /> 4 Chiều dài băng tải 250m<br /> 5 Tốc độ băng 2,04m/s<br /> 6 Trọng lượng 3 con lăn nhánh có tải 46kg<br /> 7 Khoảng cách giữa các con lăn nhánh có tải 0,9m<br /> 8 Trọng lượng 1 con lăn nhánh không tải 42<br /> <br /> 7<br />  9 Khoảng cách giữa các con lăn nhánh không tải 2,7m<br /> 10 Góc đặt băng 0o<br /> <br /> a) Kết quả  mô phỏng suất tiêu thụ  khi sản lượng băng chuyền thay đổi theo thực  <br /> tế, chiều dài băng 250m và góc dốc đặt băng không đổi<br /> <br /> <br /> <br /> <br />   <br /> (a) (b)<br /> Hình 2.6: Đồ thị sản lượng (a) và STTĐN (b) trong 1 ca sản xuất<br /> Suất tiêu thụ  điện năng luôn luôn tỷ  lệ  nghịch với sản lượng. Trong một ca  <br /> sản xuất sản lượng vào đầu ca, cuối ca và thời gian nghỉ  rất thấp. Do băng luôn  <br /> phải hoạt động nên vào lúc sản lượng thấp STTĐN trên một đơn vị sản phẩm là rất <br /> cao. Suất tiêu thụ điện năng vào giờ nghỉ cao nhất lên đến 5,75 kWh/tấn.<br /> b) Kết quả  mô phỏng suất tiêu thụ  khi sản lượng băng chuyền thay đổi theo thực  <br /> tế, chiều dài băng thay đổi từ 250m xuống còn 100m và góc dốc đặt băng không đổi<br /> <br /> <br /> <br /> <br />  <br /> (a) (b)<br /> Hình 2.7: Đồ thị STTĐN băng chuyền dài 200m (a) và dài 100m (b) trong 1 ca <br /> sản xuất<br /> Suất tiêu thụ điện năng giảm tỷ lệ với chiều dài băng giảm, khi băng chuyền <br /> dài   200m   STTĐN   là   4,53   kWh/tấn,   khi   băng   chuyền   dài   100m   STTĐN   là   2,25  <br /> kWh/tấn<br /> c) Kết quả  mô phỏng suất tiêu thụ  khi sản lượng băng chuyền thay đổi theo thực  <br /> tế, chiều dài băng thay đổi và góc dốc đặt băng thay đổi<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br />   <br /> (a) (b)<br /> Hình 2.8: Đồ thị STTĐN khi góc dốc băng chuyền là 5o (a) và 20o (b) trong 1 ca<br /> Suất tiêu thụ điện năng tăng tỷ  lệ khi góc dốc lắp băng tăng từ 5o lên 20o. Khi <br /> băng chuyền có góc dốc 5o  STTĐN nhỏ  nhất là 0,106 kWh/tấn, khi góc lắp băng <br /> thay đổi lên 20o STTĐN nhỏ nhất tăng lên 0,38 kWh/tấn<br /> 3. KẾT LUẬN<br /> ­ Thực hiện vận hành thiết bị với năng suất lớn nhất để  suất tiêu thụ  điện là  <br /> nhỏ nhất.<br /> ­ Thiết kế  chiều dài tuyến vận tải băng chuyền càng ngắn thì suất tiêu thụ <br /> điện năng càng nhỏ .<br /> ­ Góc đặt băng càng dốc thì điện năng tiêu thụ trên một đơn vị sản phẩm càng <br /> lớn.<br /> ­ Việc tính toán trước được suất tiêu thụ  điện năng sẽ  quyết định được việc  <br /> lựa chọn thiết kế  hệ  thống băng tải, vì vậy cần đi tới áp dụng phương pháp mô <br /> phỏng để hộ trợ công tác thiết kế được tốt hơn.<br /> Tai liêu tham khao.<br /> ̀ ̣ ̉<br /> ̣<br /> 1 ­ TS. Phung Manh Đăc. Kh<br /> ̀ ́ ảo sát và đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong  <br /> các hộ tiêu thụ trọng điểm vùng Quảng Ninh, xây dựng một số  mô hình trong Tập  <br /> đoàn Công nghiệp Than ­ Khoáng sản Việt Nam về sử dụng năng lượng tiết kiệm <br /> và hiệu quả. Viên KHCN Mo­Vinacomin 2010.<br /> ̣ ̉<br /> 2 ­ Ths. Vũ Thế Nam. Nghiên cứu xác định suất tiêu hao điện năng cho các khâu sản  <br /> xuất của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. Viên KHCN Mo ­ Vinacomin 2011.<br /> ̣ ̉<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 9<br />