Đồ án môn học: Thiết kế cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp - ĐH Điện lực

Đồ án môn học cung cấp điện thiết kế cung cấp điện cho một xí nghiệp công nghiệp 2 chi tiết các bước tính toán phụ tải, chọn máy biến áp và khí cụ điện.

• Tác giả: Phạm Mai Minh Phương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Anh Tuân
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Thiết kế cung cấp điện cho một xí nghiệp công nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế cung cấp điện xí nghiệp công nghiệp

Thiết kế cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp là quá trình lập kế hoạch hệ thống điện nhằm đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định, an toàn và hiệu quả cho hoạt động sản xuất. Mục tiêu chính là xây dựng mạng lưới điện phù hợp với nhu cầu phụ tải, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định ngành điện. Thiết kế bao gồm phân tích phụ tải, lựa chọn thiết bị, bố trí mạng điện và tính toán tổn thất. Một phương án thiết kế tốt phải cân bằng giữa chi phí đầu tư, độ tin cậy vận hành và khả năng mở rộng trong tương lai. Việc ứng dụng công nghệ tiên tiến như hệ thống SCADA hay thiết bị đo lường thông minh ngày càng phổ biến trong các dự án hiện đại.

1.1. Vai trò của hệ thống cung cấp điện trong xí nghiệp

Hệ thống cung cấp điện đóng vai trò nền tảng trong vận hành xí nghiệp công nghiệp, đảm bảo liên tục sản xuất và an toàn lao động. Nó cung cấp năng lượng cho tất cả thiết bị sản xuất, hệ thống chiếu sáng, điều hòa không khí và hệ thống điều khiển. Một hệ thống điện ổn định giúp giảm thiểu thời gian chết máy, nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, hệ thống điện còn hỗ trợ các quy trình tự động hóa, kiểm soát chất lượng và quản lý năng lượng hiệu quả. Việc thiết kế hệ thống điện phù hợp với đặc thù sản xuất là yếu tố quyết định đến hiệu quả kinh tế và cạnh tranh của doanh nghiệp.

1.2. Các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Thiết kế hệ thống cung cấp điện phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế như TCVN 9208:2012, IEC 60364 và NFPA 70. Các tiêu chuẩn này quy định về mức điện áp cho phép, dung lượng thiết bị, phương pháp lắp đặt và bảo vệ an toàn. Ngoài ra, tiêu chuẩn thiết kế còn bao gồm yêu cầu về độ tin cậy, chất lượng điện năng (ổn định điện áp, tần số, sóng hài) và khả năng chống sét. Việc tuân thủ tiêu chuẩn không chỉ đảm bảo an toàn vận hành mà còn giúp hệ thống điện hoạt động ổn định trong mọi điều kiện. Các tiêu chuẩn cũng quy định về khoảng cách an toàn, vật liệu cách điện và phương pháp thử nghiệm thiết bị.

II. Phân tích nhu cầu phụ tải và hiện trạng xí nghiệp

Phân tích nhu cầu phụ tải là bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế hệ thống cung cấp điện. Nó bao gồm việc xác định công suất đỉnh, đặc tính phụ tải theo thời gian và phân loại phụ tải (tĩnh lực, chiếu sáng, điều hòa). Dữ liệu phụ tải được thu thập từ hồ sơ sản xuất, khảo sát thực tế và phân tích biểu đồ phụ tải. Việc phân tích hiện trạng hệ thống điện hiện hữu giúp xác định những hạn chế về dung lượng, tổn thất điện năng và nguy cơ quá tải. Phân tích cũng bao gồm đánh giá hệ thống bảo vệ, hệ thống đất và khả năng chống sét của nhà máy.

2.1. Phương pháp xác định phụ tải tính toán

Phụ tải tính toán được xác định thông qua phương pháp hệ số đồng thời và hệ số nhu cầu. Hệ số đồng thời (ks) phản ánh mức độ sử dụng đồng thời của các thiết bị trong cùng một nhóm phụ tải. Hệ số nhu cầu (kc) thể hiện tỷ lệ giữa phụ tải cực đại và tổng công suất định mức của thiết bị. Công thức tính phụ tải tính toán Ptt = ks × kc × ΣPđm. Đối với phụ tải chiếu sáng, phương pháp chiếu sáng điểm hoặc chiếu sáng đều được áp dụng tùy thuộc vào diện tích nhà xưởng. Việc tính toán chính xác phụ tải giúp lựa chọn thiết bị phù hợp, tránh đầu tư thừa hoặc thiếu.

2.2. Đánh giá hiện trạng hệ thống điện

Hiện trạng hệ thống điện được đánh giá thông qua khảo sát thực tế, phân tích hồ sơ kỹ thuật và đo đạc các thông số vận hành. Các yếu tố quan trọng bao gồm dung lượng biến áp, cáp điện, hệ thống bảo vệ và tình trạng cách điện. Việc đánh giá cũng bao gồm phân tích tổn thất điện năng trên đường dây, biến áp và các thiết bị phụ. Dữ liệu thu thập từ hệ thống đo lường (đồng hồ đo điện, thiết bị ghi dữ liệu) giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống. Kết quả đánh giá là cơ sở để đề xuất cải tạo, nâng cấp hoặc thiết kế mới hệ thống cung cấp điện.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống cung cấp điện tối ưu

Thiết kế hệ thống cung cấp điện tối ưu dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa chi phí đầu tư, độ tin cậy vận hành và khả năng mở rộng. Phương pháp luận bao gồm việc lựa chọn sơ đồ nối điện phù hợp (sơ đồ hình tia, sơ đồ vòng, sơ đồ hỗn hợp), tính toán dung lượng biến áp, lựa chọn cáp điện và thiết bị bảo vệ. Việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng như ETAP, DIALux hay AutoCAD giúp tối ưu hóa thiết kế và mô phỏng vận hành. Phương pháp cũng bao gồm việc thiết kế hệ thống đất, chống sét và hệ thống chiếu sáng an toàn. Kết quả thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy (N-1), chất lượng điện năng và khả năng chống chịu sự cố.

3.1. Lựa chọn sơ đồ nối điện phù hợp

Sơ đồ nối điện quyết định đến độ tin cậy và tính kinh tế của hệ thống. Sơ đồ hình tia đơn giản, dễ vận hành nhưng độ tin cậy thấp do không có dự phòng. Sơ đồ vòng cho phép cung cấp điện liên tục khi xảy ra sự cố trên một đoạn đường dây. Sơ đồ hỗn hợp kết hợp ưu điểm của cả hai loại, phù hợp cho các xí nghiệp có quy mô lớn. Lựa chọn sơ đồ dựa trên phân tích nhu cầu phụ tải, yêu cầu độ tin cậy và khả năng đầu tư. Việc tính toán dung lượng dự phòng (N-1) giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục trong mọi tình huống.

3.2. Tính toán dung lượng biến áp và cáp điện

Dung lượng biến áp được tính toán dựa trên phụ tải tính toán, hệ số đồng thời và hệ số nhu cầu. Công thức tính dung lượng biến áp S = Ptt/(cosφ × η), trong đó cosφ là hệ số công suất, η là hiệu suất biến áp. Việc lựa chọn biến áp có dung lượng dư thừa giúp đáp ứng nhu cầu mở rộng trong tương lai. Tính toán cáp điện bao gồm xác định tiết diện dựa trên dòng điện định mức, điều kiện lắp đặt và tổn thất điện áp cho phép. Phần mềm tính toán như Cable HV giúp tối ưu hóa lựa chọn cáp. Việc lựa chọn thiết bị bảo vệ (aptomat, cầu chì) phải phù hợp với dung lượng cáp và khả năng chịu tải ngắn mạch.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế sản xuất

Thiết kế cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp là quá trình phức tạp đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tế và ứng dụng công nghệ tiên tiến. Một phương án thiết kế thành công phải đảm bảo cung cấp điện ổn định, an toàn và hiệu quả kinh tế. Việc áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật, sử dụng phần mềm chuyên dụng và tuân thủ quy trình thiết kế giúp nâng cao chất lượng dự án. Kết quả thiết kế có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất thép, chế biến thực phẩm, dệt may hay sản xuất ô tô. Việc thường xuyên cập nhật công nghệ và tiêu chuẩn mới giúp duy trì hiệu quả vận hành hệ thống điện trong suốt vòng đời dự án.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Hiệu quả kinh tế kỹ thuật của dự án được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như thời gian hoàn vốn, tỷ suất sinh lời nội bộ (IRR) và giá thành điện năng. Việc so sánh giữa các phương án thiết kế giúp lựa chọn phương án tối ưu về chi phí đầu tư và vận hành. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bao gồm tổn thất điện năng, chi phí bảo trì và khả năng mở rộng. Việc áp dụng hệ thống quản lý năng lượng theo tiêu chuẩn ISO 50001 giúp tối ưu hóa tiêu thụ điện năng. Đánh giá hiệu quả cũng bao gồm phân tích rủi ro và đề xuất biện pháp giảm thiểu rủi ro trong vận hành.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát hệ thống điện, tích hợp hệ thống năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió) và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong dự đoán sự cố. Việc thiết kế hệ thống điện thông minh (Smart Grid) giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành. Ngoài ra, xu hướng sử dụng vật liệu siêu dẫn trong truyền tải điện và lưu trữ năng lượng (pin lithium-ion, flywheel) đang được nghiên cứu ứng dụng. Việc cập nhật thường xuyên các tiêu chuẩn quốc tế và công nghệ mới giúp hệ thống điện luôn đáp ứng yêu cầu sản xuất hiện đại và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN PHỤ TẢI VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG. Nhà máy, xí nghiệp sản xuất ra một hoặc nhiều loại sản phẩm trong quá trình hoạt động. Những sản phẩm này luôn luôn đòi hỏi tính cạnh tranh cao đặc biệt về giá thành. Trong giá thành sản phẩm, chi phí tiêu thụ điện năng và thời gian thu hồi vốn đầu tư đóng góp một phần đáng kể vào giá thành sản phẩm.

Chính vì lí do đó việc tính toán thiết kế cấp điện cho nhà máy xí nghiệp phải đặc biệt chú ý đến vốn đầu tư công trình và vấn đề tiết kiệm năng lượng tránh lãng phí với các thiết bị không cần thiết. Quan trọng hơn cả là việc xác định tâm của phụ tải chính xác để có được phương án đi dây tối ưu. Ngoài ra chúng ta còn phải tính đến khả năng phát triển của phụ tải nhà máy xí nghiệp trong tương lai. Để làm được tất cả những nhiệm vụ đó thì bước đầu tiên cần làm là xác định phụ tải tính toán cho toàn xí nghiệp.

Để xác định được phụ tải tính toán của toàn nhà máy trước hết ta cần xác định phụ tải tính toán ở từng phân xưởng và khu vực. Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu quả phát nhiệt hoặc mức độ hủy hoại cách điện. Nói cách khác, phụ tải tính toán cũng đốt nóng thiết bị lên tới nhiệt độ tương tự như phụ tải thực tế gây ra, vì vậy chọn các thiết bị theo phụ tải tính toán sẽ đảm bảo an toàn cho thiết bị về mặt phát nóng. Phụ tải tính toán được sử dụng để lựa chọn và kiểm tra các thiết bị trong hệ thống cung cấp điện như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ.

tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng, tổn thất điện áp; lựa chọn dung lượng bù công suất phản kháng. Phụ tải tính toán phụ thuộc vào các yếu tố như: công suất, số lượng, chế độ làm việc của các thiết bị điện, trình độ và phương thức vận hành hệ thống. Vì vậy xác định chính xác phụ tải tính toán là một nhiệm vụ khó khăn nhưng rất quan trọng. Bởi vì nếu phụ tải tính toán xác định được nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ giảm tuổi thọ các thiết bị điện, có khi dẫn đến sự cố cháy nổ, rất nguy hiểm.

Nếu phụ tải tính toán lớn hơn thực tế nhiều thì các thiết bị điện (đóng ngắt, máy biến áp .) và tiết diện dây dẫn sẽ phải làm lớn hơn , được chọn sẽ quá lớn so với yêu cầu, do đó gây lãng phí. • Các phương pháp xác định phụ tải tính toán. Do tính chất quan trọng như vậy nên từ trước tới nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và có nhiều phương pháp tính toán phụ tải điện. Song vì phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đã trình bày ở trên nên cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nào hoàn toàn chính xác và tiện lợi.

Những phương pháp đơn giản thuận tiện cho việc tính toán thì lại thiếu chính xác, còn nếu nâng cao được độ chính xác, xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố thì khối lượng tính toán lại rất lớn, phức tạp, thậm chí là không thực hiện được trong thực tế. Tùy thuộc đặc điểm của từng loại phụ tải, có thể áp dụng những phương pháp sau: - Phương pháp tính theo hệ số nhu cầu. - Phương pháp tính theo công suất trung bình. - Phương pháp tính theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm.

- Phương pháp tính theo suất phụ tải trên đơn vị diện tích sản xuất. • Xác định phụ tải tính toán phân xưởng. Trong một phân xưởng thường có nhiều thiết bị có công suất và chế độ làm việc khác nhau, muốn xác định phụ tải tính toán chính xác cần phải phân nhóm thiết bị. Việc phân nhóm các thiết bị tuân theo các nguyên tắc sau: - Mỗi nhóm có n thiết bị (n < 12) để đảm bảo số thiết bị trong 1 nhóm là không quá nhiều vì số đầu ra các tủ động lực thường ≤12.

1 - Các thiết bị trong cùng 1 nhóm phải gần nhau để giảm chiều dài đường dây hạ áp, tiết kiệm được vốn đầu tư, tổn thất trên các đường dây hạ áp trong phân xưởng. - Chế độ làm việc của các thiết bị trong cùng 1 nhóm nên giống nhau để việc xác định phụ tải tính toán được chính xác hơn và thuận lợi cho việc lựa chọn phương thức cung cấp điện cho nhóm. - Tổng công suất đặt các nhóm nên tương đương nhau để giảm chủng loại các tủ động lực cần dùng trong phân xưởng và toàn nhà máy. Tuy nhiên rất khó để thỏa mãn cùng một lúc các nguyên tắc trên, do đó khi thiết kế phải tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của phụ tải để lựa chọn phương án phù hợp nhất.

Xác định phụ tải tính toán của các phân xưởng. Xác định phụ tải động lực. ✓ Công thức xác định phụ tải động lực theo hệ số nhu cầu và công suất đặt được thể hiện như sau: 𝑃đ𝑙 = 𝐾𝑛𝑐. tan 𝜑 ( kVAr ) 𝑆đ𝑙 = √(𝑃đ𝑙 )2 + (𝑄đ𝑙 )2 (kVA) Trong đó: • Pđl : công suất tác dụng động lực ( kW ) • Pđ : công suất đặt ( kW ) • Knc : hệ số nhu cầu • Qđl : công suất phản kháng động lực ( kVAr ) • Tan 𝜑 : ứng với cos𝜑 đặc trưng cho nhóm thiết bị Tính toán động lực cho phân xưởng điện phân: 𝑃đ𝑙 = 𝐾𝑛𝑐.

tan 𝜑 = 171 x 1,169 = 199,92 ( kVAr ) 𝑆đ𝑙 = √(𝑃đ𝑙 )2 + (𝑄đ𝑙 )2 = √(171)2 + (199,92)2 = 263,08 (kVA) Tính toán động lực cho các phân xưởng còn lại, ta có bảng sau: Bảng 1. Bảng tính toán phụ tải động lực toàn xí nghiệp. Tên phân xưởng và phụ Pđ Pđl Qđl Sđl n knc cosφ tanφ tải kW kW kVAr kVA 1 Phân xưởng điện phân 300 0,57 0,65 1,17 171 199,92 263,08 2 Phân xưởng Rơn gen 800 0,62 0,55 1,52 496 753,17 901,82 3 Phân xưởng đúc 550 0,43 0,76 0,86 236,5 202,25 311,18 4 Phân xưởng oxyt nhôm 370 0,44 0,64 1,2 162,8 195,46 254,38 5 Khí nén 250 0,54 0,53 1,6 135 216 254,72 6 Máy bơm 300 0,52 0,62 1,26 156 197,42 251,61 7 Phân xưởng đúc 800 0,41 0,68 1,08 328 353,67 482,35 8 Phân xưởng cơ khí – rèn 550 0,43 0,56 1,48 236,5 349,89 422,32 9 Xem dữ liệu phân xưởng 550 0,43 0,56 1,48 236,5 349,89 422,32 10 Lò hơi 800 0,43 0,78 0,8 344 275,98 441,03 11 Kho nhiên liệu 10 0,57 0,8 0,75 5,7 4,28 7,13 Kho vật liệu vôi cloruua 12 300 0,62 0,67 1,11 186 206,09 277,61 ( bột tẩy trắng ) 13 Xưởng năng lượng 800 0,43 0,72 0,96 344 331,57 477,78 14 Nhà điều hành, nhà ăn 550 0,44 0,87 0,57 242 137,15 278,16 15 Garaoto 25 0,5 0,82 0,7 12,5 8,73 15,24 TỔNG 6955 3292,5 3781,44 5060,73 2 1. Xác định phụ tải chiếu sáng và thông thoáng.

Tính phụ tải chiếu sáng và ổ cắm. Trong thiết kế chiếu sáng, vấn đề quan trọng là đáp ứng yêu cầu về độ rọi và hiệu quả chiếu sáng của chiếu sáng đối với thị giác. Ngoài độ rọi, hiệu quả của chiếu sáng còn phụ thuộc vào quang thông, màu sắc chiếu sáng, sự lựa chọn hợp lý các chóp đèn, sự bố trí chiếu sáng vừa đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế, mỹ thuật. Thiết kế chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Không bị lóa mắt - Không lóa do phản xạ - Không có bóng tối - Phải có độ rọi đồng đều - Phải đảm bảo độ sáng đủ và ổn định - Phải tạo ra được ánh sáng gần giống với ánh sáng với ban ngày Các hệ thống chiếu sáng bao gồm chiếu sáng chung (chiếu sáng cho toàn phân xưởng), chiếu sáng cục bộ (chiếu sáng cho các thiết bị) và chiếu sáng kết hợp (kết hợp giữa cục bộ và chung).

Do yêu cầu thị giác cần phải làm việc chính xác, nơi mà các thiết bị chiếu sáng mặt phẳng nghiêng và không tạo ra các bóng tối sâu Với các nhà xưởng sản xuất công nghiệp thường là chiếu sáng chung, khi cần tăng cường ánh sáng tại điểm làm việc đã có chiếu sáng cục bộ. Nên thiết kế cho các xí nghiệp công nghiệp thường sử dụng hệ thống chiếu sáng kết hợp. Các phân xưởng máy chỉ được chiếu sáng bằng đèn sợi đốt, nếu chiếu sáng bằng đèn tuýp sẽ gây cho công nhân hiện tượng mỏi mệt, chóng mặt, hoa mắt, dẫn tới tai nạn lao động, gây thứ phẩm phế phẩm. Còn với các phân xưởng thiết kế, phòng thí nghiệm, kho nhiên liệu, phòng hành chính thì ta sẽ dùng bóng tuýp.

Và thường ít dùng đèn huỳnh quang vì đèn huỳnh quang có tần số là 50Hz thường gây ra ảo giác không quay cho các động cơ nguyên hiểm cho người vận hành. Do đó đèn sợi đốt thường được người ta sử dụng nhiều hơn ở các xí nghiệp. Bên cạnh đó cũng cần phải xác định ổ cắm phù hợp cho xí nghiệp, bố trí đèn thường được bố trí theo các góc của hình vuông hay hình chữ nhật Có 2 cách xác định phụ tải chiếu sáng công nghiệp: ✓ Xác định phụ tải chiếu sáng của phân xưởng xác định theo suất chiếu sáng trên đơn vị diện tích 𝑃𝑐𝑠 = 𝑃0. tan 𝜑 ( kVAr ) Bóng đèn sợi đốt có : Cos𝜑 = 1 ; tan 𝜑 = 0 → Qcs = 0 Vì dùng đèn sợi đốt để chiếu sáng nên Qcs = 0 ( kVAr ) Trong đó : • Pcs : công suất chiếu sáng ( kW ) → Chọn công suất chiếu sáng cho phân xưởng là P0 = 0,015 (kW/m2) • P0 : Suất phụ tải trên 1m2 đơn vị diện tích ( W/m2 ), P0 phụ thuộc vào yêu cầu chiếu sáng cho từng phân xưởng.

• D : diện tích phân xưởng ( m2 ) D = a × b ( m2 ) • Qcs : công suất phản kháng chiếu sáng ( kVAr ) 3 Hình 1. Hình vẽ kích thước chi tiết các phân xưởng trong nhà máy trên thực tế. ✓ Xác định phụ tải chiếu sáng của phân xưởng xác định theo phương pháp hệ số sử dụng. Phương pháp này theo trình tự: 1.

Xác định độ treo cao đèn H = h – h1 – h2 Trong đó: • h – độ cao của nhà xưởng • h1 – khoảng cách từ trần đến bóng đèn • h2 – độ cao mặt bàn làm việc 2. Xác định khoảng cách giữa 2 đèn kề nhau Với loại đèn dùng để chiếu sáng cho phân xưởng sản xuất nên chọn khoảng cách giữa các đèn được xác định là : L = 1,5 h 3. Xác định quang thông của đèn k.