Đồ án môn học: Thiết kế phần điện trong nhà máy thủy điện 300MW
Đồ án kỹ thuật nghiên cứu phần điện trong nmđtba, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.
Trường đại học
Trường Đại Học Điện LựcChuyên ngành
Công Nghệ Kỹ Thuật Điện, Điện TửNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Đồ án môn họcPhí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Hướng dẫn tổng quan đồ án phần điện nhà máy thủy điện
Một đồ án phần điện nhà máy thủy điện là một công trình nghiên cứu kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp toàn diện kiến thức chuyên ngành. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ thống điện an toàn, ổn định và kinh tế cho một nhà máy thủy điện. Đồ án này đóng vai trò nền tảng, biến đổi năng lượng sơ cấp từ thủy năng thành điện năng và hòa vào lưới điện quốc gia. Đối tượng nghiên cứu cụ thể trong tài liệu gốc là một nhà máy thủy điện có công suất đặt 300 MW, bao gồm 3 tổ máy, mỗi tổ có công suất 100 MW. Nhiệm vụ của nhà máy là cung cấp điện cho các phụ tải ở hai cấp điện áp chính: 110 kV và 220 kV, đồng thời kết nối và phát công suất dư thừa lên hệ thống điện 220kV. Việc thiết kế phần điện nhà máy thủy điện không chỉ dừng lại ở việc lựa chọn thiết bị. Nó bao gồm một chuỗi các bước tính toán chi tiết, từ phân tích cân bằng công suất, đề xuất sơ đồ nối điện, cho đến tính toán ngắn mạch và lựa chọn các khí cụ bảo vệ. Mỗi quyết định thiết kế đều phải dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt và được chứng minh bằng các số liệu tính toán cụ thể. Quá trình này đảm bảo nhà máy có thể vận hành hiệu quả trong mọi chế độ, kể cả khi có sự cố. Tài liệu tham khảo chính, đồ án của sinh viên Mai Xuân Minh, cung cấp một lộ trình chi tiết qua 6 chương, giải quyết từng khía cạnh của bài toán thiết kế. Từ việc chọn máy phát, tính toán phụ tải, chọn máy biến áp, phân tích kinh tế - kỹ thuật, cho đến việc thiết kế hệ thống tự dùng, tất cả đều được trình bày một cách logic và có cơ sở khoa học.
1.1. Phân tích các thông số đầu vào cho việc thiết kế điện
Bước khởi đầu của mọi đồ án thiết kế là phân tích và hệ thống hóa các thông số đầu vào. Đây là cơ sở để thực hiện mọi tính toán sau này. Theo đề tài, nhà máy có công suất đặt là 300 MW, gồm 3 tổ máy 100 MW. Các phụ tải chính bao gồm: phụ tải cấp điện áp trung 110 kV với Pmax = 110 MW (cosφ=0,9) và phụ tải cấp điện áp cao 220 kV với Pmax = 60 MW (cosφ=0,88). Nhà máy được nối với hệ thống 220kV bằng đường dây kép dài 60 km, với công suất hệ thống là 3000 MVA. Các thông số quan trọng khác bao gồm phụ tải tự dùng (αtd = 0,5%) và bảng biến thiên công suất chi tiết theo từng khung giờ trong ngày. Việc hiểu rõ các dữ liệu này giúp xác định yêu cầu vận hành của nhà máy.
1.2. Mục tiêu và yêu cầu cốt lõi của đồ án thiết kế điện
Mục tiêu trọng tâm của đồ án là xây dựng một phương án thiết kế phần điện hoàn chỉnh và tối ưu. Các yêu cầu cốt lõi bao gồm: (1) Đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định cho các phụ tải theo biểu đồ đã cho. (2) Hệ thống phải vận hành an toàn, tin cậy, đặc biệt là khả năng chịu đựng và cô lập sự cố ngắn mạch. (3) Tối ưu hóa về mặt kinh tế, nghĩa là lựa chọn phương án có vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm thấp nhất trong các phương án khả thi về kỹ thuật. (4) Lựa chọn các thiết bị điện (máy phát, máy biến áp, máy cắt, dao cách ly) phù hợp với các thông số tính toán và tiêu chuẩn ngành. Cuối cùng, kết quả phải được thể hiện qua các bản vẽ kỹ thuật, đặc biệt là sơ đồ nối điện chính toàn nhà máy.
II. Phương pháp tính cân bằng công suất nhà máy thủy điện
Tính toán cân bằng công suất là chương đầu tiên và quan trọng nhất trong một đồ án phần điện nhà máy thủy điện. Nó xác định luồng công suất trong mọi thời điểm, từ máy phát đến các phụ tải và hệ thống. Quá trình này bắt đầu bằng việc lựa chọn máy phát điện. Dựa trên công suất 100 MW/tổ máy, loại máy phát được chọn là CB-1500-170-96 với công suất biểu kiến định mức Sđm = 117,65 MVA. Tiếp theo, công suất phát ra của toàn nhà máy (STNM(t)) tại các thời điểm khác nhau được tính toán dựa trên bảng biến thiên phụ tải. Song song đó, công suất tự dùng (STD(t)), tức phần điện năng tiêu thụ cho chính hoạt động của nhà máy, cũng được xác định. Theo tính toán, công suất tự dùng của nhà máy thủy điện này là không đổi, ở mức 1,76 MVA. Bước tiếp theo là tính toán công suất tiêu thụ của các phụ tải ở hai cấp điện áp 110kV (SUT(t)) và 220kV (SUC(t)). Công thức tính dựa trên phần trăm phụ tải và công suất cực đại của từng cấp. Cuối cùng, công suất phát về hệ thống (SVHT(t)) được xác định bằng cách lấy tổng công suất phát trừ đi tổng công suất tiêu thụ của phụ tải và tự dùng. Kết quả từ bảng tổng hợp công suất cho thấy nhà máy luôn phát công suất dương về hệ thống, chứng tỏ vai trò cung cấp điện quan trọng của nó. Dựa trên các kết quả này, các phương án sơ đồ nối điện được đề xuất, so sánh để chọn ra phương án tối ưu nhất.
2.1. Kỹ thuật tính toán phụ tải các cấp điện áp và tự dùng
Việc tính toán phụ tải các cấp điện áp và phụ tải tự dùng là nền tảng cho cân bằng công suất. Công suất phụ tải (S(t)) tại thời điểm t được tính theo công thức: S(t) = (P%(t) * Pmax) / cosφ. Áp dụng công thức này, phụ tải cấp 110kV biến thiên từ 85,56 MVA đến 122,22 MVA. Phụ tải cấp 220kV biến thiên từ 40,91 MVA đến 68,18 MVA. Đối với công suất tự dùng, công thức được sử dụng là: STD(t) = (α% * PđmH * n) / cosφTD. Với hệ số tự dùng α = 0,5% và 3 tổ máy, công suất tự dùng được tính toán là 1,76 MVA và được coi là hằng số trong suốt các giờ vận hành. Các số liệu này là đầu vào trực tiếp để xác định lượng công suất cần phát và truyền tải.
2.2. Nguyên tắc đề xuất và so sánh các phương án sơ đồ nối điện
Từ kết quả cân bằng công suất, các phương án sơ đồ nối điện được xây dựng. Nguyên tắc chính là đảm bảo độ tin cậy, linh hoạt và kinh tế. Do có 2 cấp điện áp 110kV và 220kV, việc sử dụng máy biến áp tự ngẫu (MBATN) làm liên lạc được ưu tiên để giảm tổn thất. Đồ án đã đề xuất 3 phương án. Phương án 1 sử dụng 2 bộ MF-MBATN liên lạc và 1 bộ MF-MBA 2 cuộn dây cho phía 110kV. Các phương án 2 và 3 có cấu trúc phức tạp hơn, sử dụng nhiều loại máy biến áp hơn. Sau khi so sánh, Phương án 1 được lựa chọn vì có ưu điểm vận hành đơn giản, linh hoạt, đảm bảo cung cấp điện liên tục và có cấu trúc gọn nhẹ, dễ quản lý hơn, làm cơ sở cho các bước tính toán kinh tế - kỹ thuật tiếp theo.
III. Cách chọn máy biến áp và tính toán kinh tế kỹ thuật
Sau khi có sơ đồ nối điện, bước tiếp theo trong thiết kế phần điện nhà máy thủy điện là lựa chọn và tính toán cho máy biến áp (MBA). Đây là các thiết bị trọng yếu, quyết định hiệu quả truyền tải và chi phí đầu tư. Dựa trên phương án 1 đã chọn, hệ thống cần hai loại MBA chính: MBA hai cuộn dây cho sơ đồ bộ máy phát-biến áp (MF-MBA) và MBA tự ngẫu (MBATN) làm nhiệm vụ liên lạc. Công suất truyền qua MBA bộ (T3) được xác định là 117,06 MVA. Dựa trên điều kiện Sđm ≥ SđmH, MBA loại TДЦ 125 MVA, 121/13,8 kV được chọn. Đối với máy biến áp liên lạc, chúng đảm nhận phần công suất còn lại. Công suất định mức của MBATN được chọn theo công thức SđmAT ≥ SđmH / α. Với hệ số có lợi α = 0,5, công suất yêu cầu là 235,3 MVA. Do đó, hai MBATN loại ATДЦTH 250 MVA, 230/121/13,8 kV được lựa chọn. Một phần cực kỳ quan trọng là kiểm tra khả năng quá tải của MBA khi có sự cố, ví dụ như hỏng một MBA bộ hoặc một MBATN. Các tính toán cho thấy các MBA được chọn đều đáp ứng điều kiện quá tải cho phép (k_qtsc ≤ 1,4), đảm bảo hệ thống vẫn vận hành ổn định. Cuối cùng, tính toán kinh tế - kỹ thuật được thực hiện để lượng hóa chi phí của phương án. Vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm là hai chỉ tiêu chính được xem xét.
3.1. Phân bố công suất và chọn máy biến áp liên lạc MBA bộ
Việc phân bố công suất cho các MBA là một bài toán tối ưu. Trong sơ đồ bộ, MBA T3 mang tải gần như bằng phẳng, bằng công suất định mức của một tổ máy phát trừ đi phần tự dùng. Công suất này là 117,06 MVA. Phần công suất phức tạp hơn thuộc về hai máy biến áp tự ngẫu AT1 và AT2. Chúng phải xử lý đồng thời luồng công suất từ các máy phát còn lại lên hai cấp điện áp 110kV và 220kV, cũng như luồng công suất phát lên hệ thống. Bảng phân bố công suất cho thấy công suất qua các cuộn cao (SCC), trung (SCT) và hạ (SCH) của MBATN thay đổi liên tục theo biểu đồ phụ tải, thậm chí có thời điểm công suất đảo chiều ở cuộn trung áp. Lựa chọn loại MBA TДЦ 125 và ATДЦTH 250 dựa trên các tính toán này.
3.2. Kiểm tra điều kiện quá tải MBA trong các kịch bản sự cố
Độ tin cậy của hệ thống được đánh giá qua khả năng vận hành trong điều kiện sự cố. Đồ án xem xét 3 kịch bản sự cố nghiêm trọng: (1) Hỏng 1 bộ MF-MBA T3; (2) Hỏng 1 MBATN khi phụ tải trung áp cực đại; (3) Hỏng 1 MBATN khi phụ tải trung áp cực tiểu. Trong mỗi kịch bản, công suất được phân bố lại. MBA còn lại phải chịu tải cao hơn bình thường. Ví dụ, khi hỏng MBA T3, MBATN còn lại phải cấp bù cho phụ tải 110kV, khiến cuộn hạ của nó mang tải 117,06 MVA, tương ứng hệ số quá tải kqt = 0,94 < 1,4. Các kịch bản khác cũng cho kết quả tương tự, khẳng định các MBA đã chọn đủ khả năng chịu đựng quá tải sự cố và hệ thống có đủ công suất dự phòng để bù đắp phần thiếu hụt.
3.3. Các chỉ tiêu kinh tế Vốn đầu tư và chi phí vận hành
Phương án tối ưu phải cân bằng giữa kỹ thuật và kinh tế. Vốn đầu tư (V) được tính bằng tổng vốn đầu tư cho MBA (VB) và vốn đầu tư cho thiết bị phân phối (VTBPP). Theo tính toán, tổng vốn đầu tư cho phương án đã chọn là 83,44 tỷ đồng. Chi phí vận hành hàng năm (P) bao gồm hai thành phần chính: chi phí khấu hao và sửa chữa lớn (P1) và chi phí do tổn thất điện năng hàng năm trong MBA (P2). Với định mức khấu hao α% = 8,4% và giá thành điện năng 1500 đ/kWh, tổng chi phí vận hành hàng năm được tính là 19,92 tỷ đồng. Các con số này là cơ sở để so sánh và ra quyết định cuối cùng về phương án thiết kế.
IV. Bí quyết tính toán ngắn mạch và chọn khí cụ điện tối ưu
An toàn vận hành là ưu tiên hàng đầu trong thiết kế nhà máy điện, và tính toán ngắn mạch là công cụ để đảm bảo điều đó. Mục đích của việc này là xác định giá trị dòng điện ngắn mạch lớn nhất có thể xảy ra tại các điểm khác nhau trong hệ thống. Dòng điện này là cơ sở để lựa chọn các khí cụ điện như máy cắt, dao cách ly, thanh góp, đảm bảo chúng có thể chịu đựng và cắt được dòng sự cố mà không bị phá hủy. Trong đồ án, các điểm ngắn mạch nguy hiểm nhất được xác định bao gồm: điểm N1 trên thanh góp 220kV, N2 trên thanh góp 110kV, N3 và N3' tại đầu cực máy phát 13,8kV, và N4 ở mạch tự dùng. Kết quả tính toán cho thấy dòng ngắn mạch xung kích (ixk) có thể lên tới 84,54 kA tại đầu cực máy phát và 144,36 kA ở mạch tự dùng. Dựa trên các giá trị này, quá trình chọn khí cụ điện được tiến hành. Máy cắt phải có dòng cắt định mức lớn hơn dòng ngắn mạch, và dòng ổn định động định mức lớn hơn dòng xung kích. Ví dụ, cho cấp 220kV, máy cắt 3AQ1 với dòng cắt 40kA và dòng ổn định động 100kA đã được chọn, đáp ứng hoàn toàn yêu cầu. Tương tự, dao cách ly, thanh dẫn, và máy biến áp đo lường cũng được lựa chọn và kiểm tra cẩn thận theo các điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt.
4.1. Xác định các điểm ngắn mạch và kết quả tính toán
Việc lựa chọn điểm tính toán ngắn mạch phải bao quát các vị trí mà dòng sự cố có thể đạt giá trị cực đại, gây nguy hiểm cho thiết bị. Sơ đồ trong Hình 4.1 của tài liệu gốc đã chỉ rõ các điểm tính toán chiến lược: N1 (thanh góp 220kV), N2 (thanh góp 110kV), N3/N3' (đầu cực máy phát 13,8kV) và N4 (mạch tự dùng). Tại mỗi điểm, nguồn cung cấp dòng ngắn mạch bao gồm cả từ các máy phát của nhà máy và từ hệ thống điện bên ngoài. Kết quả tính toán ngắn mạch 3 pha đối xứng là thông số quan trọng nhất, với dòng siêu quá độ (I''N) và dòng xung kích (ixk) được xác định. Ví dụ, tại điểm N1, I''N = 8,12 kA và ixk = 20,67 kA. Tại N2, I''N = 13,38 kA và ixk = 34,06 kA. Những con số này là kim chỉ nam cho việc lựa chọn thiết bị ở các chương sau.
4.2. Lựa chọn máy cắt dao cách ly dựa trên dòng ngắn mạch
Máy cắt (MC) và dao cách ly (DCL) là các khí cụ bảo vệ và đóng cắt chính. Việc lựa chọn phải tuân thủ nghiêm ngặt các điều kiện: Uđm ≥ Ulưới, Iđm ≥ Icb, Iôđđ ≥ ixk, và Icắt ≥ I''N. Đối với cấp điện áp 220kV, máy cắt loại 3AQ1 được chọn với Uđm = 245kV, Iđm = 4kA, Icắt = 40kA, iôđđ = 100kA, hoàn toàn vượt trội so với yêu cầu tính toán (Icb = 0,44kA, I''N = 8,11kA, ixk = 20,67kA). Tương tự, dao cách ly SGC-245/1250 được chọn cho cấp 220kV. Quy trình tương tự được áp dụng cho cấp 110kV và cấp điện áp máy phát 13,8kV, đảm bảo tất cả các thiết bị đóng cắt đều có đủ khả năng chịu đựng và vận hành an toàn khi có sự cố.
4.3. Hướng dẫn chọn thanh dẫn và máy biến áp đo lường
Thanh dẫn (thanh góp) và máy biến áp đo lường (BI, BU) cũng phải được chọn dựa trên dòng làm việc và dòng ngắn mạch. Thanh dẫn cứng đầu cực máy phát 13,8kV được chọn là loại đồng hình máng, tiết diện 1785 mm2, có khả năng chịu dòng cho phép 7000A, lớn hơn dòng cưỡng bức 4920A. Thanh dẫn cũng được kiểm tra điều kiện ổn định động và dao động riêng. Đối với máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện áp (BU), chúng phải có cấp điện áp và dòng/áp định mức phù hợp. Quan trọng hơn, BI phải chịu được dòng ngắn mạch về mặt động và nhiệt. Ví dụ, BI TH-220-3T cấp 220kV có dòng ổn định động 90kA, lớn hơn nhiều so với dòng xung kích 20,67kA, do đó đảm bảo an toàn.
V. Thiết kế chi tiết sơ đồ cung cấp điện tự dùng cho NMTĐ
Hệ thống cung cấp điện tự dùng là một hạng mục không thể thiếu trong đồ án phần điện nhà máy thủy điện. Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ công suất nhỏ (khoảng 0,5% trong trường hợp này), hệ thống này lại có vai trò sống còn, cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thiết bị phụ trợ, hệ thống điều khiển, bảo vệ, chiếu sáng, và thông tin liên lạc. Sự cố trong hệ thống tự dùng có thể khiến toàn bộ nhà máy ngừng hoạt động. Do đó, yêu cầu cao nhất đối với sơ đồ này là độ tin cậy và khả năng cung cấp điện liên tục. Sơ đồ tự dùng trong đồ án được thiết kế để nhận nguồn từ nhiều phía, đảm bảo luôn có điện trong mọi tình huống. Nguồn chính được lấy từ đầu cực các máy phát. Nguồn dự phòng có thể được lấy từ lưới điện bên ngoài hoặc từ máy phát diesel dự phòng (nếu có). Việc thiết kế bao gồm lựa chọn máy biến áp tự dùng (cả MBA tự dùng riêng cho từng tổ máy và MBA tự dùng chung cho toàn nhà máy), tính toán và lựa chọn các khí cụ bảo vệ hạ áp như máy cắt không khí (ACB) và aptomat (MCCB, MCB). Sơ đồ phải được thiết kế với khả năng chuyển đổi nguồn tự động (ATS) để khi mất nguồn chính, nguồn dự phòng sẽ được kết nối ngay lập tức, giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện cho các phụ tải quan trọng.
5.1. Phân tích sơ đồ nối điện và chọn máy biến áp tự dùng
Sơ đồ nối điện tự dùng được thiết kế theo nguyên tắc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhất. Nguồn làm việc được lấy trực tiếp từ thanh cái đầu cực 13,8kV của các máy phát thông qua các máy biến áp tự dùng riêng và chung. Nguồn dự phòng thường được lấy từ lưới điện địa phương hoặc hệ thống. Việc lựa chọn máy biến áp tự dùng dựa trên tổng công suất tính toán của các phụ tải tự dùng. Dựa vào tài liệu gốc, các máy biến áp tự dùng riêng và chung được lựa chọn với các thông số phù hợp để giảm điện áp từ 13,8kV xuống cấp điện áp hạ thế tiêu chuẩn (thường là 0,4kV) để cấp cho các tủ phân phối. Việc phân chia thành MBA tự dùng riêng và chung giúp tăng tính linh hoạt và độ tin cậy.
5.2. Tính toán và lựa chọn máy cắt aptomat cho mạch tự dùng
Tương tự như hệ thống chính, việc lựa chọn khí cụ điện cho sơ đồ tự dùng cũng phải dựa trên tính toán dòng làm việc và dòng ngắn mạch. Điểm ngắn mạch N4 trên thanh góp hạ áp 0,4kV là điểm có dòng ngắn mạch rất lớn. Dựa vào giá trị này, các thiết bị bảo vệ như máy cắt tổng (ACB) cho các tủ phân phối chính và các aptomat nhánh (MCCB, MCB) cho từng lộ phụ tải được lựa chọn. Các thiết bị này phải có khả năng cắt dòng ngắn mạch lớn để đảm bảo an toàn cho hệ thống và con người. Ví dụ, đồ án đã chọn máy cắt hợp bộ và các loại aptomat có dòng cắt định mức phù hợp với kết quả tính toán, đảm bảo khả năng bảo vệ tin cậy cho toàn bộ hệ thống điện tự dùng của nhà máy.