I. Hướng dẫn tổng quan thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy
Việc thiết kế hệ thống cung cấp điện cho một nhà máy luyện kim đen là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn. Một đồ án cung cấp điện nhà máy thép hoàn chỉnh không chỉ đảm bảo vận hành ổn định mà còn tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn điện trong nhà máy công nghiệp. Mục tiêu của bài viết này là phân tích chi tiết các bước thực hiện, từ thu thập số liệu ban đầu, xác định phụ tải tính toán, đến việc lựa chọn phương án thiết kế mạng cao áp và hạ áp. Tài liệu gốc từ Đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp một cơ sở dữ liệu vững chắc về các phân xưởng, từ phân xưởng luyện gang, lò Martin, đến các phân xưởng cán nóng, cán nguội, với các yêu cầu phụ tải khác nhau. Các yêu cầu cung cấp điện cho nhà máy luyện kim rất khắt khe, đặc biệt với các hộ tiêu thụ loại I như lò hồ quang điện, đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện gần như tuyệt đối. Do đó, việc phân tích kỹ lưỡng các số liệu ban đầu như công suất đặt của từng phân xưởng, sơ đồ mặt bằng, và các thông số từ nguồn cấp (điện áp 35kV/22kV, công suất ngắn mạch 270MVA) là bước khởi đầu không thể thiếu. Một thuyết minh thiết kế cung cấp điện chi tiết sẽ dựa trên những dữ liệu này để đưa ra các giải pháp khả thi, từ đó tiến hành so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu nhất, đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả và bền vững trong dài hạn.
1.1. Phân tích yêu cầu cung cấp điện cho nhà máy luyện kim
Các yêu cầu cung cấp điện cho nhà máy luyện kim có tính đặc thù cao do đặc điểm của phụ tải. Tài liệu nghiên cứu phân loại rõ các hộ tiêu thụ: các phân xưởng chính như luyện gang, lò Martin, cán phôi, cán nóng, cán nguội, và trạm bơm thuộc hộ loại I, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao nhất. Trong khi đó, phân xưởng sửa chữa cơ khí và ban quản lý thuộc hộ loại III. Việc phân loại này là cơ sở để quyết định số lượng máy biến áp tại mỗi trạm biến áp phân xưởng. Cụ thể, các hộ loại I cần được cấp điện từ trạm có ít nhất hai máy biến áp để đảm bảo cung cấp liên tục ngay cả khi một máy gặp sự cố. Ngược lại, hộ loại III chỉ cần một máy biến áp. Yêu cầu tính toán của đồ án môn học cung cấp điện này bao gồm ba phần chính: xác định phụ tải tính toán, thiết kế mạng điện cao áp và thiết kế mạng điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí.
1.2. Dữ liệu ban đầu và các thông số thiết kế trọng yếu
Dữ liệu đầu vào là nền tảng của toàn bộ quá trình thiết kế. Theo tài liệu, nhà máy được cấp điện từ nguồn 35kV hoặc 22kV, với dung lượng ngắn mạch 270MVA và khoảng cách từ nguồn là 9km. Các số liệu chi tiết về công suất đặt của từng phân xưởng được liệt kê trong Bảng 1.1, ví dụ PX luyện gang (4000 kW), PX lò Martin (3500 kW). Đặc biệt, phụ tải lò hồ quang điện trong các phân xưởng luyện kim là loại phụ tải nặng nề, phi tuyến, gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng của mạng điện xí nghiệp. Ngoài ra, sơ đồ mặt bằng nhà máy (Hình 1.1) và danh sách thiết bị chi tiết của phân xưởng sửa chữa cơ khí (Bảng 1.2) cung cấp thông tin không gian và kỹ thuật cần thiết để xác định tâm phụ tải và bố trí sơ đồ cung cấp điện nhà máy công nghiệp.
II. Thách thức cốt lõi Tính toán phụ tải nhà máy luyện kim
Xác định chính xác phụ tải tính toán là bước quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn công suất thiết bị và chi phí đầu tư. Việc tính toán phụ tải nhà máy luyện kim phải xét đến chế độ vận hành đa dạng của hàng trăm thiết bị. Có nhiều phương pháp được áp dụng, nhưng không phải phương pháp nào cũng cho kết quả tối ưu. Phương pháp theo hệ số nhu cầu (Knc) tuy đơn giản nhưng kém chính xác, thường chỉ dùng để ước tính sơ bộ. Trong khi đó, phương pháp theo hệ số cực đại (Kmax) và công suất trung bình (Ptb) được ưu tiên sử dụng trong các đồ án cung cấp điện nhà máy thép chuyên sâu vì độ chính xác cao hơn, có xét đến chế độ làm việc và số lượng thiết bị hiệu quả (nhq). Việc áp dụng đúng phương pháp sẽ giúp tránh tình trạng chọn thiết bị quá lớn gây lãng phí vốn đầu tư, hoặc chọn thiết bị quá nhỏ không đáp ứng được yêu cầu vận hành, gây quá tải và giảm tuổi thọ. Quá trình tính toán không chỉ dừng lại ở từng phân xưởng mà còn phải tổng hợp cho toàn nhà máy để xác định công suất yêu cầu tại điểm đấu nối với hệ thống điện quốc gia.
2.1. Các phương pháp xác định phụ tải tính toán phổ biến
Tài liệu gốc đã trình bày ba phương pháp chính để xác định phụ tải tính toán. Phương pháp thứ nhất là theo công suất đặt (Pđặt) và hệ số nhu cầu (Knc), với công thức Ptt = Knc * ∑Pđặt. Phương pháp này nhanh nhưng độ tin cậy không cao. Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong đồ án, là dựa trên hệ số cực đại (Kmax) và công suất trung bình (Ptb). Công thức tính là Ptt = Kmax * Ptb. Phương pháp này đòi hỏi phải phân tích chế độ làm việc của lưới điện thông qua việc tính toán số thiết bị hiệu quả (nhq), giúp phản ánh đúng hơn đặc tính vận hành của nhóm phụ tải. Phương pháp thứ ba là dựa vào suất phụ tải trên một đơn vị diện tích, thường dùng khi thiếu thông tin chi tiết về thiết bị. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào mức độ chi tiết của dữ liệu đầu vào và giai đoạn thiết kế.
2.2. Áp dụng tính toán cho phân xưởng và toàn nhà máy
Quá trình tính toán phụ tải nhà máy luyện kim được thực hiện chi tiết cho từng nhóm thiết bị trong phân xưởng sửa chữa cơ khí, sau đó tổng hợp cho toàn phân xưởng và cuối cùng là toàn nhà máy. Ví dụ, phân xưởng sửa chữa cơ khí được chia thành 6 nhóm phụ tải, mỗi nhóm được tính toán Ptt, Qtt riêng biệt. Sau khi có phụ tải của tất cả các phân xưởng, bước tiếp theo là xác định phụ tải tính toán toàn nhà máy bằng cách tổng hợp đồng thời công suất tác dụng và phản kháng, có xét đến hệ số đồng thời. Kết quả cuối cùng là cơ sở để thiết kế mạng cao áp và lựa chọn máy biến áp trung tâm. Bên cạnh đó, việc xác định tâm phụ tải điện cũng được thực hiện để tối ưu hóa vị trí đặt trạm biến áp, giảm thiểu tổn thất điện năng trên đường dây.
III. Phương pháp thiết kế mạng điện cao áp cho toàn nhà máy
Sau khi xác định phụ tải, bước tiếp theo là thiết kế điện cho xí nghiệp công nghiệp ở cấp điện áp cao. Đây là xương sống của toàn bộ hệ thống, quyết định độ tin cậy và hiệu quả kinh tế. Việc lựa chọn cấp điện áp truyền tải (35kV hoặc 22kV) và cấu trúc mạng điện là những quyết định đầu tiên. Tài liệu đã so sánh hai phương án chính: sử dụng Trạm biến áp trung tâm (TBATT) và sử dụng Trạm phân phối trung tâm (TPPTT). Mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng về vốn đầu tư, chi phí vận hành và độ linh hoạt. Tiếp theo là chọn máy biến áp cho nhà máy, bao gồm cả máy biến áp chính và các máy biến áp phân xưởng. Công suất máy biến áp phải được chọn dựa trên phụ tải tính toán và có xét đến khả năng quá tải sự cố. Việc lựa chọn dây dẫn và cáp điện cũng phải tuân theo các tiêu chuẩn về mật độ dòng kinh tế và điều kiện phát nóng. Toàn bộ quá trình này phải được thể hiện chi tiết qua các bản vẽ AutoCAD cung cấp điện, mô tả rõ ràng sơ đồ đi dây và vị trí lắp đặt thiết bị.
3.1. Lựa chọn sơ đồ cung cấp điện nhà máy công nghiệp
Hai phương án cấu trúc mạng cao áp được đề xuất: Phương án sử dụng Trạm biến áp trung tâm (TBATT) 35/10kV và phương án sử dụng Trạm phân phối trung tâm (TPPTT) ở cấp 35kV. Với phương án TBATT, điện áp được hạ xuống 10kV và phân phối đến các trạm biến áp phân xưởng (TBAPX). Ưu điểm là giảm chi phí cho các TBAPX nhưng tăng tổn thất trên lưới 10kV. Ngược lại, phương án TPPTT phân phối trực tiếp điện áp 35kV đến các TBAPX. Ưu điểm là giảm tổn thất điện năng, tăng độ tin cậy nhưng vốn đầu tư ban đầu cao hơn do chi phí xây dựng TPPTT. Việc lựa chọn phương án cuối cùng phải dựa trên một bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật toàn diện.
3.2. Tiêu chí chọn máy biến áp cho nhà máy và phân xưởng
Việc chọn máy biến áp cho nhà máy tuân thủ các nguyên tắc nghiêm ngặt. Số lượng máy biến áp (1 hoặc 2) phụ thuộc vào loại hộ tiêu thụ (loại I hay III). Công suất định mức của máy biến áp (Sđm) được chọn dựa trên điều kiện vận hành bình thường Sđm ≥ Stt / (N * khc) và phải thỏa mãn điều kiện kiểm tra quá tải khi sự cố Sđm ≥ Sttsc / kqt. Trong đó, Sttsc là công suất cấp khi có sự cố, kqt là hệ số quá tải cho phép (thường là 1.4). Ví dụ, với Trạm B1 cấp cho phân xưởng luyện gang (loại I), tài liệu đã tính toán và chọn hai máy biến áp công suất 1600 kVA mỗi máy để đảm bảo độ tin cậy.
3.3. Quy trình lựa chọn dây dẫn và cáp điện trung thế
Việc lựa chọn dây dẫn và cáp điện cho mạng trung áp được thực hiện dựa trên mật độ dòng điện kinh tế (Jkt). Tiết diện kinh tế được tính bằng công thức Fkt = Ilvmax / Jkt. Từ đó, chọn tiết diện dây chuẩn gần nhất với Fkt. Sau khi chọn, cáp phải được kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng dài hạn k * Icp ≥ Ilvmax và đặc biệt là điều kiện phát nóng khi sự cố (ví dụ đứt một lộ cáp trong đường dây lộ kép), khi đó dòng điện sự cố Isc = 2 * Ilvmax. Các tính toán trong tài liệu gốc cho thấy việc lựa chọn cáp từ TBATT đến các TBAPX đều được kiểm tra cẩn thận để đảm bảo vận hành an toàn trong mọi chế độ.
IV. Bí quyết so sánh kinh tế kỹ thuật và tính ngắn mạch
Lựa chọn phương án tối ưu không chỉ dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn phải xét đến hiệu quả kinh tế trong suốt vòng đời dự án. Quá trình này bao gồm việc xác định tổng vốn đầu tư cho từng phương án, bao gồm chi phí cho máy biến áp, máy cắt, dây cáp và các thiết bị đóng cắt và bảo vệ khác. Song song đó, việc tính toán tổn thất điện năng hàng năm (ΔA) trên máy biến áp và đường dây là yếu tố quyết định chi phí vận hành. Phương án được chọn là phương án có hàm chi phí tính toán hàng năm thấp nhất. Sau khi chọn được phương án, bước quan trọng tiếp theo là tính toán ngắn mạch hệ thống điện. Mục đích là để kiểm tra sức bền nhiệt và ổn định động của các thiết bị đã chọn, đảm bảo chúng có thể chịu được dòng ngắn mạch cực đại mà không bị hư hỏng. Đây là một bước kiểm tra an toàn bắt buộc trong mọi thuyết minh thiết kế cung cấp điện chuyên nghiệp, đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra.
4.1. Phân tích vốn đầu tư và tổn thất điện năng các phương án
Tài liệu gốc đã tiến hành so sánh 4 phương án thiết kế khác nhau. Vốn đầu tư được tính toán chi tiết trong Bảng 3.8, dựa trên đơn giá và số lượng từng loại thiết bị (MBA, máy cắt, cáp). Tổn thất điện năng (ΔA) được tính riêng cho máy biến áp và đường dây. Kết quả từ Bảng 3.18 cho thấy các phương án sử dụng TPPTT (Phương án 2, 4) có vốn đầu tư cao hơn nhưng tổn thất điện năng lại thấp hơn đáng kể so với các phương án dùng TBATT (Phương án 1, 3). Cụ thể, Phương án 4 được lựa chọn làm phương án thiết kế cuối cùng vì có tổng chi phí vận hành và tổn thất là nhỏ nhất, đảm bảo hiệu quả kinh tế lâu dài mặc dù vốn đầu tư ban đầu cao hơn.
4.2. Quy trình tính toán ngắn mạch hệ thống điện cao áp
Mục đích của việc tính toán ngắn mạch hệ thống điện là xác định giá trị dòng ngắn mạch ba pha tại các điểm khác nhau trong mạng điện (ví dụ tại thanh cái TPPTT và phía cao áp các TBAPX). Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng sơ đồ thay thế, tính toán điện kháng của hệ thống, đường dây và máy biến áp. Dòng ngắn mạch ổn định (IN) và dòng ngắn mạch xung kích (Ixk) được tính toán. Ví dụ, tại điểm N1 (thanh cái TPPTT), dòng ngắn mạch tính được là 2,39 kA và dòng xung kích là 6,089 kA. Các giá trị này là cơ sở để kiểm tra và lựa chọn các thiết bị đóng cắt và bảo vệ như máy cắt, cầu chì, dao cách ly.
4.3. Kiểm tra các thiết bị điện theo điều kiện ngắn mạch
Tất cả các thiết bị chính trong mạng cao áp như cáp điện, máy cắt, thanh góp đều phải được kiểm tra lại theo điều kiện làm việc khi có ngắn mạch. Cáp trung áp được kiểm tra ổn định nhiệt, đảm bảo tiết diện thực tế lớn hơn tiết diện ổn định nhiệt yêu cầu (F ≥ Fodn). Máy cắt được kiểm tra theo dòng cắt định mức (Icắt ≥ I''), dòng ổn định động định mức (Iodd ≥ Ixk), và dòng ổn định nhiệt định mức (Iodn). Bảng 3.23 và 3.24 trong tài liệu gốc trình bày chi tiết kết quả kiểm tra, xác nhận rằng tất cả các thiết bị được lựa chọn đều thỏa mãn điều kiện làm việc an toàn khi xảy ra ngắn mạch, đảm bảo tính sống còn của hệ thống cung cấp điện.
V. Kết luận đồ án cung cấp điện nhà máy thép và triển vọng
Báo cáo thiết kế hệ thống cung cấp điện cho một nhà máy luyện kim đen đã hoàn thành xuất sắc các yêu cầu đặt ra, từ phân tích phụ tải đến lựa chọn phương án tối ưu và kiểm tra an toàn hệ thống. Phương án được chọn (sử dụng Trạm phân phối trung tâm và 7 trạm biến áp phân xưởng) đã chứng minh được tính ưu việt về mặt kinh tế - kỹ thuật trong dài hạn. Việc tính toán ngắn mạch hệ thống điện và kiểm tra các thiết bị đã đảm bảo hệ thống có khả năng hoạt động an toàn và ổn định. Các giải pháp như bù công suất phản kháng và xây dựng hệ thống nối đất và chống sét hiệu quả là những bước tiếp theo cần được triển khai để hoàn thiện hệ thống. Tầm quan trọng của an toàn điện trong nhà máy công nghiệp luôn được đặt lên hàng đầu. Một hệ thống được thiết kế tốt không chỉ cung cấp đủ năng lượng mà còn bảo vệ con người và tài sản trước các rủi ro về điện. Đồ án này là một tài liệu tham khảo giá trị, cung cấp một phương pháp luận rõ ràng và các bước tính toán chi tiết cho các kỹ sư trong lĩnh vực cung cấp điện công nghiệp.
5.1. Tổng kết phương án thiết kế tối ưu đã được lựa chọn
Phương án 4, sử dụng một Trạm phân phối trung tâm (TPPTT) cấp điện áp 35kV cho 7 Trạm biến áp phân xưởng (TBAPX), đã được lựa chọn. Mặc dù có vốn đầu tư ban đầu cao nhất (11.370 Tr.đ), phương án này có tổng tổn thất điện năng hàng năm thấp nhất (550.529 kWh), dẫn đến hàm chi phí tính toán tổng thể tối ưu nhất. Quyết định này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét chi phí vận hành và hiệu quả năng lượng trong suốt vòng đời dự án, thay vì chỉ tập trung vào chi phí đầu tư ban đầu. Sơ đồ cung cấp điện nhà máy công nghiệp này đảm bảo độ tin cậy cao và tổn thất thấp, phù hợp với yêu cầu của một nhà máy luyện kim hiện đại.
5.2. Tầm quan trọng của an toàn điện trong nhà máy công nghiệp
An toàn điện là yếu tố không thể xem nhẹ. Ngoài việc lựa chọn và kiểm tra các thiết bị bảo vệ như máy cắt, aptomat, cầu chì, một hệ thống cung cấp điện hoàn chỉnh cần có hệ thống nối đất và chống sét đạt chuẩn. Hệ thống nối đất đảm bảo an toàn cho người vận hành khi có sự cố chạm vỏ thiết bị, trong khi hệ thống chống sét bảo vệ các thiết bị đắt tiền khỏi các xung điện áp cao do sét gây ra. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn về an toàn điện trong nhà máy công nghiệp là trách nhiệm cốt lõi, đảm bảo môi trường làm việc an toàn và giảm thiểu rủi ro vận hành.
