I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Điện Nhà máy Nhiệt điện 220 MW
Đồ án thiết kế điện nhà máy nhiệt điện 220 MW là một công trình nghiên cứu toàn diện trong lĩnh vực kỹ thuật điện công suất. Dự án được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Điện, Bộ môn Hệ Thống Điện, nhằm thiết kế hệ thống điện cho nhà máy phát điện với công suất định mức 220 MW. Nhà máy được trang bị 4 tổ máy phát điện mỗi tổ 55 MW, với điện áp định mức 10,5 kV. Thiết kế nhà máy nhiệt điện bao gồm các phần chính: cân bằng công suất, chọn máy biến áp, tính toán ngắn mạch, lựa chọn thiết bị, và tối ưu hóa kinh tế. Dự án kết nối hệ thống bằng hai lộ đường dây 220 kV, mỗi lộ dài 76 km, với hệ thống tổng công suất 2200 MVA. Đây là bài học thực tiễn quan trọng về thiết kế hệ thống điện công suất cao cho các kỹ sư điện trong ngành công nghiệp năng lượng.
1.1. Mục đích và phạm vi của đồ án
Mục đích chính của đồ án là thiết kế toàn bộ phần điện nhà máy bao gồm từ máy phát điện đến các điểm tiêu thụ. Phạm vi thiết kế bao gồm: chọn loại máy phát điện phù hợp, thiết kế mạch điện cao áp, chọn máy biến áp, thiết bị bảo vệ, và hệ thống tự dùng. Đồ án tập trung vào tối ưu hóa kinh tế và đảm bảo an toàn hoạt động. Các phụ tải bao gồm: phụ tải cấp điện áp máy phát 14,4 MW, phụ tải điện áp trung 110 kV 75 MW, và phụ tải tự dùng 8% tổng công suất.
1.2. Các số liệu ban đầu và điều kiện thiết kế
Số liệu ban đầu của đồ án quy định: 4 tổ máy phát 55 MW/tổ ở 10,5 kV, kết nối với hệ thống 2200 MVA qua hai lộ dây 220 kV (76 km/lộ). Dự trữ công suất hệ thống là 14%, điện kháng ngắn mạch 0,56. Nhà máy phải cấp điện cho hai nhóm phụ tải chính với biểu đồ tải khác nhau theo giờ. Các trạm địa phương sử dụng máy cắt điện với dòng cắt 20 kA, thời gian cắt 0,3 giây, tiết diện cáp đồng tối thiểu 70 mm².
II. Thiết kế Sơ đồ Nối dây và Cân bằng Công suất
Thiết kế sơ đồ nối dây là bước quan trọng nhất trong đồ án thiết kế nhà máy nhiệt điện. Sơ đồ nối dây phải đảm bảo linh hoạt vận hành, độ tin cậy cao, và dễ bảo dưỡng. Cân bằng công suất được thực hiện để xác định công suất phát vào hệ thống trong các chế độ vận hành khác nhau. Công suất tự dùng nhà máy được xác định là 8% công suất định mức. Phụ tải địa phương tại nhà máy được chia thành hai cấp: phụ tải cấp máy phát (14,4 MW) và phụ tải cấp trung áp 110 kV (75 MW). Biểu đồ phụ tải theo giờ được lập chi tiết, giúp xác định dòng điện và kiểm tra thiết bị. Công suất phát của nhà máy biến đổi từ 75% đến 100% công suất định mức theo các thời kỳ trong ngày, yêu cầu tối ưu hóa vận hành của các tổ máy.
2.1. Cân bằng công suất toàn nhà máy
Cân bằng công suất được tính toán chi tiết cho tất cả các chế độ vận hành. Công suất toàn bộ bằng tổng công suất phụ tải địa phương cộng công suất tự dùng. Biểu đồ phụ tải được xây dựng theo từng thời đoạn: 0-8h (75%), 8-12h (85%), 12-14h (100%), 14-20h (100%), 20-24h (70%). Công suất phát vào hệ thống được xác định bằng công suất định mức trừ đi công suất tự dùng và tổn thất. Chế độ vận hành tối ưu được xác định dựa trên đặc tính tiêu hao nhiên liệu của từng tổ máy, đảm bảo hiệu suất kinh tế cao nhất.
2.2. Phương án nối dây đề xuất
Sơ đồ nối dây được thiết kế với cấu trúc đơn giản, an toàn, kinh tế. Cấu trúc chủ yếu bao gồm: thanh góp chính nối với máy phát điện qua máy cắt, máy biến áp nâng áp từ 10,5 kV lên 220 kV. Thiết bị bảo vệ bao gồm máy cắt điện, máy cắt ngắn mạch, máy cắt cách ly đặt hợp lý. Hệ thống tự dùng được cấp từ máy biến áp riêng, có máy biến áp dự phòng đảm bảo độ tin cậy.
III. Chọn Máy biến áp và Tính toán Tổn thất Công suất
Chọn máy biến áp là một trong những quyết định thiết kế quan trọng nhất trong đồ án thiết kế nhà máy nhiệt điện 220 MW. Máy biến áp phải có công suất đủ lớn để vận hành bình thường và cưỡng bức. Công suất định mức của máy biến áp được xác định dựa trên công suất định mức nhà máy (220 MVA) với hệ số an toàn thích hợp. Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng là cơ sở để tối ưu hóa kinh tế. Tổn thất gồm hai phần: tổn thất khi không tải và tổn thất khi tải. Phân phối công suất giữa các máy biến áp được tính để chúng làm việc ở chế độ hiệu suất cao nhất. Kiểm tra chế độ làm việc bình thường và cưỡng bức đảm bảo máy biến áp không quá tải khi sự cố xảy ra.
3.1. Lựa chọn loại và công suất máy biến áp
Máy biến áp nâng áp từ 10,5 kV lên 220 kV được chọn với công suất định mức tương ứng công suất nhà máy. Công suất máy biến áp tự dùng được xác định riêng cho hệ thống tự dùng cấp 1 và cấp 2. Tiêu chí lựa chọn bao gồm: hiệu suất cao, tổn thất thấp, khả năng cơ và nhiệt độ bảo vệ phù hợp. Máy biến áp được chọn có dự phòng để đảm bảo an toàn khi một máy bị sự cố.
3.2. Tính toán tổn thất điện năng hàng năm
Tổn thất điện năng hàng năm được tính dựa trên biểu đồ tải từng giờ trong ngày. Tổn thất khi không tải nhân với số giờ trong năm (8760h), cộng với tổn thất khi tải tính từng thời đoạn. Công thức tính sử dụng hệ số công suất và dòng điện tương ứng. Kết quả tổn thất được dùng tính toán kinh tế để xác định phương án tối ưu với chi phí vận hành thấp nhất.
IV. Tính toán Ngắn mạch và Tối ưu hóa Kinh tế
Tính toán ngắn mạch là bước then chốt để lựa chọn các thiết bị điện chính của nhà máy. Dòng ngắn mạch được tính tại các điểm chính: tại máy phát điện (N1), sau máy biến áp (N2), tại thanh góp trung áp (N3), tại phụ tải địa phương (N4). Phương pháp tính sử dụng điện kháng tương đương của hệ thống và các thiết bị. Dòng ngắn mạch xác định tiêu chí lựa chọn máy cắt điện, máy cắt ngắn mạch, và thiết bị bảo vệ khác. Tối ưu hóa kinh tế được thực hiện bằng cách so sánh chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm. Tiêu chí lựa chọn phương án tối ưu dựa trên tổng chi phí hiện tại, kết hợp các điều kiện kỹ thuật và kinh tế.
4.1. Xác định dòng ngắn mạch tại các điểm chính
Tại điểm N1 (máy phát): Dòng ngắn mạch được tính từ điện kháng tạm thời của máy phát. Tại điểm N2 (sau máy biến áp): Dòng phụ thuộc vào điện kháng máy biến áp và hệ thống. Tại điểm N3 (thanh góp 110 kV): Dòng được tính từ công suất ngắn mạch hệ thống. Tại điểm N4 (phụ tải): Dòng phụ thuộc vào loại phụ tải. Các dòng này được kiểm tra so với dòng cắt của máy cắt điện (20 kA) để đảm bảo an toàn.
4.2. Tính toán kinh tế và lựa chọn phương án tối ưu
Vốn đầu tư bao gồm chi phí máy biến áp và thiết bị phân phối. Chi phí vận hành hàng năm bao gồm tổn thất điện năng và chi phí bảo dưỡng. Tổng chi phí hiện tại được tính bằng vốn đầu tư cộng giá trị hiện tại của chi phí vận hành. Phương án tối ưu là phương án có tổng chi phí thấp nhất, đáp ứng tất cả điều kiện kỹ thuật. Kết quả tối ưu cung cấp cơ sở quyết định thiết kế cho nhà máy.
