I. Tổng quan đồ án tốt nghiệp phần điện nhà máy nhiệt điện 4x100MW
Đồ án tốt nghiệp phần điện nhà máy nhiệt điện 4x100MW thuộc chuyên ngành Hệ thống điện tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi công suất 4x100MW là loại hình nhà máy điện lớn, có nhiệm vụ cung cấp điện cho lưới điện quốc gia thông qua cấp điện áp 220kV. Tổng công suất phát toàn nhà máy đạt 400MW, với hệ thống máy phát điện xoay chiều ba pha công suất 100MW mỗi tổ máy. Nhà máy được nối với hệ thống điện 220kV bằng đường dây kép dài 120km. Công suất ngắn mạch tính đến thanh gắp phía hệ thống là 5000MVA, đảm bảo độ ổn định cao khi vận hành. Tỷ lệ tự dùng của nhà máy là 7% với hệ số công suất cosφ = 0,82. Phần điện nhà máy bao gồm nhiều hạng mục quan trọng: cân bằng công suất, lựa chọn phương án nối dây, tính toán chọn máy biến áp, tính toán ngắn mạch, chọn khí cụ điện và tính toán công suất tự dùng.
1.1. Vai trò của nhà máy nhiệt điện trong hệ thống điện
Nhà máy nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia. Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu cho toàn bộ nền kinh tế và đời sống xã hội. Nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng cao do quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Nhà máy nhiệt điện 4x100MW có công suất lớn, đáp ứng nhu cầu cung cấp điện ổn định cho các phụ tải công nghiệp và dân sinh. Việc thiết kế phần điện nhà máy đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật mang lại hiệu quả kinh tế lớn cho nền kinh tế quốc dân.
1.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của nhà máy 4x100MW
Nhà máy nhiệt điện 4x100MW gồm 4 tổ máy phát điện, mỗi tổ công suất 100MW. Phụ tải cấp điện áp máy phát có Pmax = 24MW, cosφ = 0,83, bao gồm 4 kép x 3MW x 3km và 6 đơn x 2MW x 3km. Phụ tải cấp điện áp trung áp 110kV có Pmax = 180MW với hai đường dây kép x 70MW và một đường dây đơn x 40MW. Tại địa phương dùng máy cắt hợp bộ với dòng cắt Icắt = 21kA và thời gian cắt tcắt = 0,7 giây, cáp nhôm vỏ PVC tiết diện nhỏ nhất 70mm².
II. Phân tích các bài toán thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện
Thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện 4x100MW bao gồm nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp cần giải quyết. Bài toán cân bằng công suất đòi hỏi tính toán chính xác công suất phát của từng tổ máy theo các giờ trong ngày, xem xét biến thiên phụ tải qua bảng biểu thiên công suất. Phương án nối dây là bài toán quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy cung cấp điện và hiệu quả kinh tế. Ba phương án nối dây chính được phân tích so sánh: phương án 1 nối trực tiếp máy phát với máy biến áp tự ngẫu, phương án 2 sử dụng bộ máy biến áp riêng biệt cho từng tổ máy, phương án 3 kết hợp cả hai cấu trúc. Mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng về mặt kinh tế và kỹ thuật. Bài toán ngắn mạch cần tính toán dòng ngắn mạch ba pha, ngắn mạch hai pha và ngắn mạch một pha đất tại các vị trí quan trọng trên sơ đồ điện. Việc lựa chọn khí cụ điện phải đảm bảo chịu được dòng ngắn mạch lớn nhất trong các trường hợp sự cố.
2.1. Bài toán cân bằng công suất và biến thiên phụ tải
Cân bằng công suất là bài toán cơ bản trong thiết kế phần điện nhà máy. Bảng biến thiên công suất thể hiện tỷ lệ phần trăm công suất phát theo các khung giờ từ 0-24 giờ. Công suất phát điện PĐP dao động từ 70% đến 100%, công suất tổ máy PTA từ 80% đến 100%, công suất nhà máy PTNM từ 80% đến 100%. Phụ tải phía 110kV chiếm tỷ trọng lớn nhất với Pmax = 180MW, trong khi phụ tải máy phát có Pmax = 24MW. Việc tính toán cân bằng chính xác giúp tối ưu hóa vận hành nhà máy.
2.2. So sánh các phương án nối dây nhà máy
Phương án 1 sử dụng cấu trúc đơn giản, số lượng thiết bị ít nhưng khi sự cố máy biến áp tự ngẫu, công suất phải truyền qua hai lần biến áp gây tổn thất lớn. Phương án 2 khắc phục nhược điểm này bằng cách sử dụng máy biến áp riêng biệt cho từng tổ máy, luôn đảm bảo cung cấp đủ công suất khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên số lượng thiết bị lắp đặt vào cấp điện áp 220kV tăng làm vốn đầu tư cao hơn. Phương án 3 có dòng ngắn mạch phía 10,5kV lớn, không có lợi về mặt kinh tế khi chọn khí cụ điện.
III. Phương pháp tính toán và lựa chọn thiết bị điện nhà máy
Phương pháp tính toán phần điện nhà máy nhiệt điện 4x100MW tuân thủ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia. Tính toán chọn máy biến áp tự ngẫu dựa trên công suất định mức của tổ máy phát điện và hệ số dự phòng. Máy biến áp nâng áp 110/220kV được lựa chọn phù hợp với công suất truyền tải tối đa qua cuộn trung áp. Tính toán ngắn mạch bao gồm xác định dòng ngắn mạch ba pha đối xứng và ngắn mạch một pha đất tại các vị trí then chốt: thanh gắp 10,5kV, thanh gắp 110kV và thanh gắp 220kV. Công thức tính dòng ngắn mạch sử dụng phương pháp suy giảm nguồn và impedance của các phần tử trong mạch tương đương. Lựa chọn khí cụ điện như máy cắt, dao cách ly, cầu chì phải thỏa mãn điều kiện dòng cắt, điện áp định mức và dòng nhiệt ổn định. Tính toán công suất tự dùng với α = 7% giúp xác định công suất tiêu thụ nội bộ nhà máy phục vụ các động cơ bơm, quạt và hệ thống phụ trợ.
3.1. Tính toán ngắn mạch và chọn máy biến áp
Tính toán ngắn mạch sử dụng sơ đồ tương đương với các impedance của máy phát, máy biến áp và đường dây truyền tải. Dòng ngắn mạch lớn nhất thường xuất hiện tại vị trí thanh gắp 10,5kV khi xảy ra ngắn mạch ba pha. Công suất ngắn mạch của hệ thống 220kV là 5000MVA. Máy biến áp tự ngẫu được chọn với công suất danh định phù hợp, tỷ số biến 10,5/110/220kV. Dòng điện làm việc bình thường và dòng điện công bộ được tính toán chi tiết cho từng mạch điện trong các chế độ vận hành khác nhau.
3.2. Lựa chọn khí cụ điện và tính toán kinh tế kỹ thuật
Lựa chọn khí cụ điện dựa trên các tiêu chí: điện áp định mức phải lớn hơn hoặc bằng điện áp lưới, dòng điện định mức phải lớn hơn dòng điện làm việc lớn nhất, dòng cắt định mức phải lớn hơn dòng ngắn mạch. Máy cắt hợp bộ tại địa phương có Icắt = 21kA và tcắt = 0,7 giây. Phân tích kinh tế kỹ thuật so sánh các phương án nối dây dựa trên chi phí đầu tư ban đầu, tổn thất điện năng hàng năm và độ tin cậy cung cấp điện. Phương án tối ưu đảm bảo cân bằng giữa hiệu quả kinh tế và yêu cầu kỹ thuật.
IV. Kết luận và ứng dụng đồ án phần điện nhà máy nhiệt điện
Đồ án tốt nghiệp phần điện nhà máy nhiệt điện 4x100MW hoàn thành đầy đủ các nội dung thiết kế theo yêu cầu. Kết quả tính toán cân bằng công suất cho thấy nhà máy vận hành ổn định với biến thiên phụ tải hợp lý trong ngày. Phương án nối dây được lựa chọn tối ưu đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhất và chi phí đầu tư hợp lý. Máy biến áp được tính toán chọn đúng công suất và thông số kỹ thuật, đáp ứng yêu cầu vận hành dài hạn. Tính toán ngắn mạch xác định chính xác dòng ngắn mạch tại các vị trí quan trọng, làm cơ sở chọn khí cụ điện phù hợp. Thiết bị phân phối ngoài trời và trạm hạ áp 10/0,4kV được thiết kế theo tiêu chuẩn, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Các bản vẽ thiết kế bao gồm sơ đồ điện chính, sơ đồ nối đất, sơ đồ thiết bị phân phối ngoài trời và trạm hạ áp hoàn chỉnh. Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho việc thiết kế nhà máy nhiệt điện công suất lớn tại Việt Nam.
4.1. Các kết quả đạt được của đồ án
Đồ án đạt được nhiều kết quả quan trọng: xác định được công suất cân bằng cho 4 tổ máy theo biến thiên phụ tải 24 giờ, lựa chọn phương án nối dây tối ưu qua so sánh 3 phương án, tính toán chọn máy biến áp tự ngẫu và nâng áp phù hợp. Dòng ngắn mạch được tính toán chính xác tại các cấp điện áp 10,5kV, 110kV và 220kV. Khí cụ điện được chọn thỏa mãn điều kiện kỹ thuật. Trạm hạ áp 10/0,4kV được thiết kế cấp điện cho khu dân cư. Tất cả bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh.
4.2. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển
Đồ án có giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực thiết kế nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam. Phương pháp tính toán và lựa chọn thiết bị áp dụng được cho các nhà máy nhiệt điện công suất tương tự. Kết quả đồ án hỗ trợ kỹ sư trong quá trình lập dự án đầu tư và thiết kế kỹ thuật thi công. Hướng phát triển bao gồm áp dụng phần mềm mô phỏng hệ thống điện hiện đại, tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và tối ưu hóa vận hành nhà máy bằng trí tuệ nhân tạo.