Nghiên Cứu Và Đề Xuất Giải Pháp Tiết Kiệm Điện Năng Hiệu Quả Trong Các Nhà Máy Xi Măng

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp ngành điện tự động công nghiệp nghiên cứu và tìm hiểu một số giải pháp tiết kiệm điện, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Nguyễn Hữu Minh
• Người hướng dẫn: Th.S Đỗ Thị Hồng Lý
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu và tìm hiểu một số giải pháp tiết kiệm điện năng ở Việt Nam. Đề xuất một số giải pháp tiết kiệm điện năng trong các nhà máy xi măng
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
• 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG
• 1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
• 1.2.1. Tổn thất do kỹ thuật
• 1.2.1.1. Trong nhà máy phát điện
• 1.2.1.2. Trên đường dây truyền tải điện năng
• 1.2.1.3. Trên trạm biến áp
• 1.2.1.4. Trong các hộ tiêu thụ điện
• 1.2.1.4.1. Trong các cơ quan công sở hành chính văn phòng
• 1.2.1.4.2. Trong các hộ gia đình
• 1.2.1.4.3. Trong các nhà máy, xí nghiệp
• 1.2.2. Tổn thất do sóng hài
• 1.2.3. Tổn thất do quản lý
• 1.2.3.1. Tổn thất do hệ thống tính toán không hoàn chỉnh
• 1.2.3.2. Do thiết bị đo lường
• 1.2.3.3. Do năng lực của người làm công tác quản lý điện năng

Tóm tắt

I. Tầm quan trọng của tiết kiệm điện năng trong nhà máy xi măng

Tiết kiệm điện năng là vấn đề cấp thiết trong các nhà máy xi măng do nhu cầu sử dụng điện lớn và chi phí điện năng cao. Việc tiết kiệm điện không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng cần được nghiên cứu và áp dụng để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng điện. Nghiên cứu tiết kiệm điện đã chỉ ra rằng, việc quản lý năng lượng hiệu quả có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng trong quá trình sản xuất.

1.1. Nguyên nhân gây tổn thất điện năng

Các nguyên nhân chính gây tổn thất điện năng trong nhà máy xi măng bao gồm: hệ thống điện lạc hậu, thiết bị không đồng bộ, và quy trình sản xuất chưa tối ưu. Tổn thất do kỹ thuật như điện trở đường dây, hiệu ứng vầng quang, và sóng hài cũng góp phần làm tăng chi phí điện năng. Việc quản lý năng lượng kém hiệu quả dẫn đến lãng phí điện năng, đặc biệt trong các giờ cao điểm.

1.2. Tác động môi trường và kinh tế

Việc tiết kiệm điện năng không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn giảm tác động môi trường. Các nhà máy xi măng sử dụng nhiều năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, gây phát thải khí nhà kính. Áp dụng công nghệ tiết kiệm điện và năng lượng tái tạo có thể giảm đáng kể lượng khí thải, góp phần phát triển bền vững.

II. Giải pháp tiết kiệm điện năng trong nhà máy xi măng

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong nhà máy xi măng bao gồm cải tiến hệ thống điện, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và áp dụng công nghệ hiện đại. Nghiên cứu tiết kiệm điện đã đề xuất các giải pháp như sử dụng động cơ hiệu suất cao, hệ thống bù công suất phản kháng, và quản lý năng lượng thông minh. Việc tối ưu hóa năng lượng không chỉ giảm chi phí điện năng mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Cải tiến hệ thống điện

Cải tiến hệ thống điện trong nhà máy là giải pháp quan trọng để giảm tổn thất điện năng. Việc thay thế các thiết bị cũ bằng thiết bị hiệu suất cao, sử dụng hệ thống bù công suất phản kháng, và tối ưu hóa đường dây truyền tải có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng. Công nghệ tiết kiệm điện như biến tần và hệ thống điều khiển tự động cũng được khuyến khích áp dụng.

2.2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Tối ưu hóa quy trình sản xuất là giải pháp hiệu quả để tiết kiệm điện năng. Việc điều chỉnh chế độ làm việc của các thiết bị, sử dụng động cơ hiệu suất cao, và kiểm soát phụ tải điện giúp giảm lãng phí điện năng. Đề xuất tiết kiệm năng lượng bao gồm việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống quản lý năng lượng tích hợp và sử dụng năng lượng tái tạo.

III. Đề xuất và ứng dụng thực tiễn

Các đề xuất tiết kiệm năng lượng trong nhà máy xi măng cần được áp dụng dựa trên nghiên cứu và thực tiễn. Việc sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió có thể giảm đáng kể chi phí điện năng. Quản lý năng lượng thông minh và hệ thống giám sát điện năng giúp theo dõi và điều chỉnh hiệu quả sử dụng điện. Hiệu quả năng lượng không chỉ phụ thuộc vào công nghệ mà còn vào ý thức và sự hợp tác của các bên liên quan.

3.1. Sử dụng năng lượng tái tạo

Sử dụng năng lượng tái tạo là giải pháp bền vững để giảm chi phí điện năng và bảo vệ môi trường. Các nhà máy xi măng có thể lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và gió để cung cấp một phần điện năng cần thiết. Nghiên cứu tiết kiệm điện đã chỉ ra rằng, việc kết hợp năng lượng tái tạo với hệ thống điện hiện có có thể giảm đáng kể chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

3.2. Quản lý năng lượng thông minh

Quản lý năng lượng thông minh là giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa sử dụng điện năng. Hệ thống giám sát và điều khiển tự động giúp theo dõi và điều chỉnh phụ tải điện trong thời gian thực. Đề xuất tiết kiệm năng lượng bao gồm việc áp dụng các phần mềm quản lý năng lượng và đào tạo nhân viên để nâng cao hiệu quả sử dụng điện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò then chốt trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa và là tiền đề phát triển mọi ngành kinh tế quốc dân tại Việt Nam. Tuy nhiên, trước bối cảnh các nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch sơ cấp (than đá, dầu mỏ, khí đốt) ngày càng cạn kiệt, cùng với điều kiện thủy văn mùa khô làm suy giảm công suất phát của các nhà máy thủy điện, hệ thống cung cấp điện thường xuyên rơi vào tình trạng quá tải và thiếu hụt nguồn cung. Thực trạng sử dụng điện lãng phí, tư duy tiêu dùng thiếu kiểm soát cùng sự tồn tại của hệ thống máy móc, dây chuyền công nghệ lạc hậu, quá hạn sử dụng đã khiến tổn thất điện năng ở mức cao, buộc ngành điện phải áp dụng biện pháp cắt điện luân phiên, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất công nghiệp và đời sống sinh hoạt.

Trước thực tế đó, tiết kiệm điện năng được xác định là một quốc sách dài hạn xuyên suốt toàn bộ quá trình truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và tìm hiểu một số giải pháp tiết kiệm điện năng ở Việt Nam. Đề xuất một số giải pháp tiết kiệm điện năng trong các nhà máy xi măng" được sinh viên Nguyễn Hữu Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Đỗ Thị Hồng Lý tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, khóa tốt nghiệp năm 2018) nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Phân tích các nguyên nhân kỹ thuật và nguyên nhân quản lý gây tổn thất điện năng trong hệ thống điện (từ khâu phát điện, truyền tải, phân phối đến các hộ tiêu thụ công nghiệp và dân dụng).
2. Tổng hợp, đánh giá thực trạng tổn thất điện năng và tình hình thực hiện các chương trình tiết kiệm điện tại Việt Nam.
3. Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất xi măng theo phương pháp khô bằng lò quay và đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật, quản lý nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng điện trong các nhà máy xi măng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống tổn thất điện năng trên lưới điện và các cụm thiết bị tiêu thụ công suất lớn trong công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nhà máy sản xuất xi măng tại Việt Nam, đặc biệt là hai phân đoạn trọng yếu: hệ thống lò nung clinker và hệ thống nghiền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng các lập luận kỹ thuật dựa trên các công thức tính toán và chỉ số vật lý của hệ thống điện:

• Chất lượng và độ lệch điện áp: Đánh giá thông qua độ lệch điện áp $\Delta U = \frac{U - U_{dm}}{U_{dm}} \times 100%$ và độ dao động điện áp giữa các giá trị cực trị ($U_{max} - U_{min}$ yêu cầu $< 1%$).
• Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải: Xác định tổn thất công suất tác dụng qua công thức $\Delta P = 3I^2 R$ và tổn thất công suất phản kháng $\Delta Q = 3I^2 X$ do sự tồn tại của điện trở ($R$) và điện kháng ($X$) trên dây dẫn.
• Tổn thất vầng quang điện: Phát sinh trên các đường dây có cấp điện áp siêu cao áp ($U \ge 110\text{ kV}$) khi cường độ điện trường bề mặt vượt ngưỡng tới hạn, tính theo công thức: $$P_{vq} = U^2 \cdot g_0$$ (Trong đó $g_0$ là điện dẫn của 1 km chiều dài đường dây).
• Tổn thất trong máy biến áp: Phân tách thành hai thành phần chính:
  • Tổn thất không đổi (tổn thất sắt trong lõi từ): $\Delta S_{Fe} = \Delta P_{Fe} + j\Delta Q_{Fe}$, phụ thuộc vào đặc tính thép từ tính và được xác định qua thí nghiệm không tải.
  • Tổn thất thay đổi (tổn thất đồng trên cuộn dây): $\Delta S_{Cu} = \Delta P_{Cu} + j\Delta Q_{Cu}$, tỷ lệ với bình phương dòng điện phụ tải và điện áp ngắn mạch ($U_{nm}%$) xác định qua thí nghiệm ngắn mạch.
• Tác động của sóng hài: Đánh giá hiện tượng gia tăng tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản, gây phát nhiệt quá mức trên máy biến áp, giảm mô-men và hiệu suất của máy điện quay, gây phá hủy chất điện môi của tụ điện và làm sai lệch thiết bị đo đếm, bảo vệ.

Về cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật, tác giả dẫn chiếu:

• Chỉ thị số 19/2005/CT-TTg ngày 02/06/2005 của Thủ tướng Chính phủ về việc thực hiện tiết kiệm trong sử dụng điện.
• Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09:2013/BXD quy định mức hiệu suất tối thiểu của động cơ điện 3 pha phục vụ trong các công trình và nhà xưởng.
• Tiêu chuẩn kỹ thuật máy biến áp JEM1474.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết kỹ thuật điện, thống kê số liệu thực tế từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), khảo sát sơ đồ công nghệ chu trình nung - nghiền xi măng và so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các giải pháp thay thế thiết bị hiệu suất cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tầm quan trọng của việc tiết kiệm điện năng

Chương này tập trung phân loại và làm rõ các nhóm nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hao hụt điện năng trong hệ thống:

• Tổn thất kỹ thuật trong khâu sản xuất, truyền tải và biến áp:
  • Tại nhà máy điện: Chất lượng điện năng kém, dao động điện áp và sự thiếu hụt độ tin cậy cung cấp điện.
  • Trên đường dây: Tổn hao nhiệt do điện trở, điện kháng dây dẫn; hiện tượng bù thừa công suất phản kháng vào giờ thấp điểm gây quá áp tại các điểm nút mạng; mạng lưới phân phối cũ nát, chắp vá, bán kính cấp điện hạ thế vượt chuẩn ($> 0,8\text{ km}$) và hiện tượng phóng điện vầng quang trên lưới cao áp.
  • Tại trạm biến áp: Tổn thất dòng điện xoáy Foucault, từ trễ trong lõi sắt và tổn thất nhiệt trên cuộn dây quấn sơ cấp/thứ cấp.
• Tổn thất kỹ thuật tại các hộ tiêu thụ:
  • Cơ quan, công sở và hộ gia đình: Hiện tượng thiết bị hoạt động non tải, không ngắt nguồn trong giờ nghỉ, thói quen sử dụng chiếu sáng/làm mát lãng phí; mạng điện chiếu sáng công cộng bật tắt không theo mùa và mật độ giao thông.
  • Nhà máy, xí nghiệp: Biểu đồ phụ tải có độ chênh lệch cực đại - cực tiểu quá lớn; động cơ điện chọn dư công suất dẫn đến vận hành non tải dài hạn; dòng khởi động trực tiếp quá lớn gây sụt áp lưới và sốc cơ khí; hiện tượng bám cáu cặn trên thành ống trao đổi nhiệt của lò hơi.
  • Tác động của sóng hài bậc cao: Làm tăng điện trở xoay chiều của cáp dẫn, gây quá nhiệt máy biến áp và dao động mô-men xoắn trên trục rô-to động cơ.
• Tổn thất do quản lý và kinh doanh điện năng:
  • Hệ thống cấp điện áp trung gian phức tạp: Tồn tại đan xen nhiều cấp điện áp lịch sử gồm 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV (do ảnh hưởng của thiết bị Liên Xô cũ tại miền Bắc và thiết bị Mỹ, Nhật, Pháp tại miền Nam), gây tổn hao qua nhiều tầng biến đổi trung gian.
  • Thiết bị đo đếm: Công tơ thiếu đồng bộ, quá hạn kiểm định; lựa chọn máy biến dòng (TI) làm việc ở điểm bão hòa từ dẫn đến sai số lớn; hiện tượng đấu sai cực tính dây pha - trung tính hoặc gian lận can thiệp làm hãm công tơ.
  • Mô hình tổ chức: Tồn tại mô hình thầu khoán điện nông thôn trung gian, thiếu biểu giá phạt công suất phản kháng đồng bộ và tình trạng thất thoát hóa đơn.

Tình hình tiết kiệm điện năng ở Việt Nam

Tác giả tổng hợp bức tranh thực tế về nỗ lực giảm tổn thất điện năng tại Việt Nam:

• Chỉ số tổn thất điện năng quốc gia: Năm 2010, tỷ lệ tổn thất điện năng của Việt Nam ở mức rất cao là 25,05% (vượt xa mức chuẩn 4% - 6% của thế giới), sau đó giảm dần xuống mức 11,05% nhờ chương trình mục tiêu giảm tổn thất 1%/năm. EVN đặt mục tiêu hạ tỷ lệ tổn thất lưới truyền tải và phân phối xuống dưới 10% vào năm 2020 (mỗi năm giảm bình quân 0,35%).
• Kết quả chương trình tiết kiệm điện năm 2014: Toàn quốc tiết kiệm được 714,8 triệu kWh (đạt 123% so với kế hoạch 581 triệu kWh). Cơ cấu đóng góp gồm:
  • Chiếu sáng sinh hoạt: Tiết kiệm 1,49% lượng tiêu thụ của khối, chiếm 42% tổng lượng điện tiết kiệm toàn quốc.
  • Khối hành chính sự nghiệp: Tiết kiệm 11% lượng tiêu thụ của khối, chiếm 20% tổng lượng điện tiết kiệm toàn quốc.
  • Chiếu sáng công cộng: Tiết kiệm 24,26% lượng tiêu thụ của khối, chiếm 13% tổng lượng điện tiết kiệm toàn quốc.
• Các giải pháp đã triển khai trên thực tế:
  • Nhà máy điện: Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 hiện đại hóa dây chuyền; toàn ngành nỗ lực giảm tỷ lệ điện tự dùng trong nhà máy từ mức 9% - 10% xuống còn 5% - 6%; phối hợp thủy điện - nhiệt điện theo mùa (mùa khô Thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang chạy 50% - 65% công suất, nhiệt điện chạy 80% - 95%).
  • Lưới truyền tải: Lắp đặt tụ bù ngang 110 kV tại các trạm 220/110 kV; đường dây 500 kV Bắc - Nam giúp giảm tổn thất truyền tải từ 9,92% (năm 1999) xuống còn 3,93% (năm 2008); thay thế cột gỗ/tre bằng cột bê tông và dây nhôm lõi thép tại nông thôn; ngành than vận hành 115 trạm biến áp di động phòng nổ trong hầm lò.
  • Hộ gia đình và công cộng: EVN triển khai chương trình bán trợ giá 1 triệu đèn compact cho 491.453 hộ tiêu thụ tại 3.006 xã/phường thuộc 64 tỉnh thành, tiết kiệm 45,9 triệu kWh/năm và giảm 30,1 MW công suất đỉnh phụ tải; chuyển đổi sang chấn lưu điện tử (tiết kiệm 30% điện so với chấn lưu sắt từ); Philips thí điểm 30 bộ đèn đường 2 cấp công suất (250W/150W) tại TP. Vũng Tàu.
  • Nhà máy, xí nghiệp: Công ty May xuất khẩu Hà Bắc lắp 1.400 bộ tiết kiệm điện trên máy may (đầu tư 300 triệu đồng, tiết kiệm 30 triệu đồng/tháng); Than Cọc Sáu lắp biến tần Danfoss ABN cho hệ thống sàng than 2,5 triệu tấn/năm; Điện lực Bắc Ninh lắp 1.098 công tơ 3 giá giúp KCN Châu Khê dịch chuyển phụ tải sang giờ thấp điểm, giảm 3 - 4 tỷ đồng tiền điện/tháng.

Đề xuất một số giải pháp tiết kiệm điện năng trong các nhà máy sản xuất xi măng

Khảo sát công nghệ cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng của ngành xi măng có thể đạt tới 50%. Trong quy trình sản xuất xi măng bằng lò quay phương pháp khô, hai khu vực tiêu hao năng lượng lớn nhất là hệ thống lò nung clinker và hệ thống nghiền, chiếm tới 97% tổng năng lượng toàn nhà máy.

Tác giả đề xuất 5 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

1. Ứng dụng hệ thống quản lý năng lượng và phần mềm giám sát tối ưu

• Lắp đặt hệ thống giám sát, đo đếm điện năng đa kênh tại các trạm điện, phân xưởng và phụ tải công suất lớn, kết nối mạng về phòng điều khiển trung tâm.
• Phần mềm thực hiện giám sát thông số thời gian thực, tự động phân tích chất lượng điện năng (trồi sụt áp, xung nhiễu, sóng hài), đưa ra cảnh báo sớm sự cố và phân bổ chi phí năng lượng chính xác cho từng công đoạn sản xuất.

2. Tối ưu hóa hệ thống động cơ điện

• Động cơ điện tiêu thụ khoảng 90% tổng lượng điện năng của nhà máy xi măng (chủ yếu là động cơ trung áp và hạ áp công suất lớn).
• Trong toàn bộ vòng đời động cơ, chi phí điện năng tiêu thụ chiếm 94% - 97%, trong khi chi phí mua sắm thiết bị và bảo dưỡng chỉ chiếm 3% - 6%.
• Áp dụng quy chuẩn QCVN 09:2013/BXD để lựa chọn động cơ 3 pha hiệu suất cao khi mua sắm mới hoặc thay thế các động cơ cũ vận hành trên 15 - 25 năm.
• Thực hiện đo kiểm định kỳ độ rung, độ ồn, nhiệt độ vỏ và dòng tải để bảo dưỡng cơ khí/ổ bi, giúp nâng cao hiệu suất thiết bị từ 10% đến 15%.

3. Loại bỏ tình trạng máy biến áp chạy non tải và sử dụng máy biến áp hiệu suất cao

• Phân bố lại phụ tải: Khi hệ thống có nhiều máy biến áp non tải (hiệu suất tối ưu của máy biến áp nằm trong dải tải 50% - 80%), thực hiện gom tải vào số lượng máy biến áp ít hơn và đưa máy dôi dư về trạng thái "dự phòng nguội", giúp cắt giảm tổn thất không tải liên tục.
• Sử dụng máy biến áp lõi hợp kim vô định hình (Amorphous): Giảm tới 75% tổn hao không tải so với thép Silic cán lạnh định hướng, đạt hiệu suất vận hành lên đến 99,5%.
• Sử dụng máy biến áp khô cuộn dây đúc nhựa epoxy: Tăng độ bền cách điện, giảm kích thước và loại bỏ nguy cơ cháy nổ dầu.

4. Giải pháp tiết kiệm năng lượng tại hệ thống lò nung

• Tháp trao đổi nhiệt: Ứng dụng thiết kế cyclone vỏ xoáy ốc 270 độ (nghiên cứu của Viện Thiên Tân - TCRDI) được tối ưu hóa qua mô phỏng khí động lực học CFD, giúp giảm trở lực khí nén và tăng hiệu quả thu hồi nhiệt từ khí thải lò quay.
• Buồng phân hủy (Calciner): Nơi tiêu thụ 60% tổng lượng nhiên liệu đốt của hệ thống lò. Cần tối ưu hóa kết cấu buồng đốt để nhiên liệu (than mịn, dầu HFO) cháy kiệt hoàn toàn, hạ nhiệt độ khí thải đầu ra và giảm nồng độ khí thải độc hại $\text{NO}_x$.
• Lò quay: Sử dụng loại lò quay ngắn hai bệ đỡ có tỷ lệ chiều dài trên đường kính $L/D < 12,5$, giúp giảm tổn thất tỏa nhiệt qua vỏ lò khoảng 16,7 kJ/kg clinker (tương đương 4 kcal/kg clinker).
• Vòi đốt: Thiết kế vòi đốt đa kênh điều chỉnh hình dạng ngọn lửa linh hoạt, hạ tỷ lệ gió sơ cấp (gió I) để giảm nhiệt tiêu hao và giảm phát thải $\text{NO}_x$.
• Ghi làm nguội clinker (Cooler): Chuyển đổi từ ghi làm nguội thế hệ III (hiệu suất thu hồi nhiệt 68% - 70%) sang ghi làm nguội không rò liệu kiểu hành tiến thế hệ IV (hiệu suất thu hồi nhiệt đạt trên 74%), giúp giảm tiêu hao nhiệt từ 61,9 đến 92,8 kJ/kg clinker (quy luật: tăng 1% hiệu suất thu hồi nhiệt sẽ giảm tiêu hao nhiệt khoảng 15,5 kJ/kg clinker).

5. Giải pháp tại hệ thống nghiền xi măng

• Công đoạn nghiền tiêu thụ khoảng 60% tổng lượng điện năng sản xuất xi măng.
• Lắp đặt máy phân ly hiệu suất cao kết hợp cụm thu hồi sản phẩm, cho phép tách sớm hạt mịn và tăng năng suất máy nghiền từ 10% đến 25%.
• Bổ sung thiết bị nghiền sơ bộ dạng máy cán ép con lăn để khống chế kích thước hạt liệu vào máy nghiền bi $< 3\text{ mm}$ (tối đa $< 5\text{ mm}$), giúp tăng sản lượng thêm 15% - 25%.
• Quy tắc chọn sơ đồ cán ép: Nếu tiêu hao điện đơn vị của máy cán ép $\le 6\text{ kWh/tấn}$ thì sử dụng hệ thống nghiền trước tuần hoàn; nếu tiêu hao điện $\ge 7\text{ kWh/tấn}$ thì áp dụng hệ thống nghiền liên hợp.
• Thay thế dần máy nghiền bi truyền thống bằng máy nghiền đứng con lăn hoặc máy nghiền Horomill để giảm suất tiêu hao điện năng trên mỗi tấn sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và chứng minh tính hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật thông qua các bảng số liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật cụ thể:

Bảng 1: So sánh hiệu quả kinh tế giữa động cơ tiêu chuẩn và động cơ hiệu suất cao (Công suất 100 HP, chạy đầy tải 8.000 giờ/năm)

Chỉ số kinh tế - kỹ thuật	Động cơ tiêu chuẩn	Động cơ hiệu suất cao	Mức chênh lệch / Hiệu quả
Hiệu suất vận hành	92,5%	95,5%	Tăng 3,0%
Giá thành mua sắm	5.756 USD	6.775 USD	Tăng 1.019 USD (~17,7%)
Chi phí điện vận hành hàng năm	50.000 USD/năm	45.000 USD/năm	Tiết kiệm 5.000 USD/năm
Thời gian hoàn vốn đầu tư thêm	-	-	Dưới 2 năm
Tổng giá trị tiết kiệm sau 10 năm	-	-	50.000 USD

Bảng 2: So sánh mức tổn hao công suất của các dòng máy biến áp

Chủng loại máy biến áp	Tổn hao không tải $P_0$ (W)	Tổn hao có tải $P_k$ (W)
Lõi từ hợp kim vô định hình (Amorphous)	245	2.800
Lõi tôn Silic hiệu suất cao	495	3.115
Lõi tôn Silic tiêu chuẩn JEM1474	896	5.702
Lõi tôn Silic loại tổn hao thấp tiêu chuẩn	1.110	5.910
Lõi tôn Silic sản xuất từ 30 năm trước	2.370	6.410

Bảng 3: Yêu cầu hiệu suất tối thiểu của động cơ điện 3 pha (Trích dẫn QCVN 09:2013/BXD)

Công suất định mức (kW)	Hiệu suất tối thiểu động cơ 2 cực (%)	Hiệu suất tối thiểu động cơ 4 cực (%)
1,1	82,2	83,8
5,5	88,5	89,2
15,0	91,3	91,8
45,0	93,7	93,9
90,0	95,3	95,1
160,0	95,8	95,8
315,0	96,4	96,5
630,0	96,9	97,1

Hiệu quả kinh tế thực chứng tại doanh nghiệp

• Tại Công ty Xi măng Bút Sơn: Động cơ quạt hút mã hiệu 1268 có công suất 2.400 kW, điện áp 6.000 V vận hành 8.000 giờ/năm (phân bổ thời gian chạy ở mức 100%, 70% và 50% lưu lượng lần lượt là 20%, 50% và 30% thời gian; đơn giá điện 1.000 VNĐ/kWh):
  • Vận hành điều tiết gió bằng van tiết lưu (damper): Chi phí tiền điện là 16 tỷ VNĐ/năm.
  • Vận hành điều tiết bằng biến tần trung áp Toshiba: Chi phí tiền điện giảm xuống còn 8 tỷ VNĐ/năm.
  • Mức tiết kiệm đạt gần 8 tỷ VNĐ/năm (xấp xỉ tổng chi phí đầu tư mua sắm bộ biến tần trung áp).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc hệ thống hóa toàn diện các nguyên nhân gây tổn thất điện từ vĩ mô đến vi mô, đồng thời liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống điện với các giải pháp công nghệ nhiệt - cơ - điện trong dây chuyền sản xuất xi măng lò quay hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Do giới hạn thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp (trong vòng 3 tháng) và hạn chế về điều kiện tiếp cận thiết bị đo chuyên dụng tại hiện trường, tác giả chưa thực hiện được các phép đo sóng hài, đo hệ số công suất thực tế theo chu kỳ ngày đêm cho từng phân xưởng cụ thể tại một nhà máy xi măng xác định.
• Hướng phát triển:
  • Xây dựng mô hình tính toán chi tiết việc thiết kế, lắp đặt bộ lọc sóng hài chủ động và tụ bù tự động cho các cụm biến tần công suất lớn trong nhà xưởng.
  • Tính toán mô phỏng động học quá trình nghiền và thu hồi nhiệt thừa phát điện (WHR - Waste Heat Recovery) để tận dụng khí thải lò nung cấp lại cho hệ thống điện nội bộ nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên các chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật năng lượng và Máy hóa phục vụ làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về chuyên đề tiết kiệm năng lượng công nghiệp.
• Kỹ sư vận hành, cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy xi măng, nhà máy luyện kim, chế biến khoáng sản trong việc tra cứu định mức hiệu suất động cơ theo QCVN 09:2013/BXD, phân tích bài toán kinh tế khi thay thế máy biến áp Amorphous và lắp đặt biến tần cho hệ thống quạt gió, máy cán ép.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chi phí mua sắm ban đầu của động cơ điện lại không phải là yếu tố quyết định chi phí vận hành?

Theo phân tích vòng đời thiết bị trong đồ án, chi phí năng lượng điện tiêu thụ trong suốt thời gian vận hành của động cơ chiếm tỷ trọng áp đảo từ 94% đến 97% tổng chi phí. Trong khi đó, chi phí mua sắm ban đầu và chi phí bảo trì định kỳ chỉ chiếm từ 3% đến 6%. Do đó, việc đầu tư thêm chi phí mua động cơ hiệu suất cao (thường chỉ cao hơn 15% - 20% giá mua) sẽ được hoàn vốn trong thời gian dưới 2 năm nhờ lượng điện năng tiết kiệm liên tục trong hàng chục năm vận hành tiếp theo.

2. Hai công đoạn nào tiêu hao nhiều năng lượng nhất trong nhà máy sản xuất xi măng lò quay phương pháp khô?

Hai công đoạn tiêu hao năng lượng lớn nhất là hệ thống lò nung clinker (bao gồm tháp trao đổi nhiệt, calciner, lò quay và ghi làm nguội) và hệ thống nghiền (nghiền nguyên liệu thô, nghiền than và nghiền xi măng). Hai khu vực này chiếm tới 97% tổng năng lượng (nhiệt năng và điện năng) cần thiết để sản xuất ra sản phẩm xi măng.

3. Việc ứng dụng biến tần trung áp cho động cơ quạt 1268 tại Công ty Xi măng Bút Sơn mang lại hiệu quả như thế nào?

Động cơ quạt 1268 có công suất 2.400 kW, cấp điện áp 6.000 V. Khi điều khiển lưu lượng gió qua van tiết lưu (damper), tiền điện hàng năm là hơn 16 tỷ VNĐ. Khi chuyển sang sử dụng biến tần trung áp Toshiba để điều khiển tốc độ quay của động cơ theo lưu lượng tải thực tế, chi phí tiền điện giảm xuống còn hơn 8 tỷ VNĐ/năm, giúp doanh nghiệp tiết kiệm gần 8 tỷ VNĐ/năm, tương đương với giá trị đầu tư thiết bị ban đầu.

4. Máy biến áp lõi hợp kim vô định hình (Amorphous) giảm tổn thất không tải ra sao so với các loại máy biến áp dùng thép Silic?

Số liệu đo kiểm so sánh cho thấy máy biến áp có lõi từ bằng hợp kim vô định hình có tổn hao không tải ($P_0$) chỉ 245 W, giảm tới 75% so với máy biến áp lõi tôn Silic hiệu suất cao (495 W), giảm gần 4 lần so với loại đạt chuẩn JEM1474 (896 W) và giảm gần 10 lần so với các dòng máy biến áp lõi tôn Silic cũ sản xuất từ 30 năm trước (2.370 W). Hiệu suất làm việc của máy biến áp vô định hình đạt mức 99,5%.

5. Ghi làm nguội clinker thế hệ IV mang lại ưu thế gì so với thế hệ III?

Ghi làm nguội clinker không rò liệu kiểu hành tiến thế hệ IV áp dụng công nghệ thông gió đơn nguyên theo hướng đứng, khắc phục hiện tượng clinker rơi lọt qua ghi làm tăng trở lực gió. Hiệu suất thu hồi nhiệt của thế hệ IV đạt trên 74% (so với 68% - 70% của thế hệ III), giúp giảm tiêu hao nhiệt từ 61,9 đến 92,8 kJ/kg clinker thành phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hữu Minh đã hoàn thành việc phân tích các dạng tổn thất điện năng về mặt kỹ thuật và quản lý trên hệ thống điện Việt Nam. Nghiên cứu đã tập trung làm rõ đặc thù tiêu thụ năng lượng của công nghệ sản xuất xi măng lò quay phương pháp khô, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ từ quản lý giám sát số liệu thời gian thực đến tối ưu hóa động cơ, máy biến áp, hệ thống nung clinker và dây chuyền nghiền. Các số liệu tính toán đối sánh kinh tế - kỹ thuật được trình bày cụ thể, minh chứng cho tính khả thi và tiềm năng tiết kiệm năng lượng to lớn trong các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp nặng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG 1.KHÁI QUÁT CHUNG Điện năng là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân, là tiền đề cho sự phát triển của đất nước. Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng được nâng cao, nên nhu cầu sử dụng điện năng trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng. Hiện nay, hầu hết các nguồn tài nguyên thiên nhiên như dầu mỏ, khí đốt, than đá…là nguồn nhiên liệu để sản xuất ra điện năng ngày càng trở nên khan hiếm do khai thác, sử dụng không hợp lý.

Mặt khác, do điều kiện kinh tế kỹ thuật của nước ta chưa phát triển mạnh nên các nhà máy phát điện chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng, đặc biệt vào mùa hè, do nước sông cạn nên các nhà máy thuỷ điện không phát hết công suất tối đa, cộng với tình hình sử dụng điện năng lãng phí tại các hộ tiêu thụ, quan niệm “Cứ dùng điện thoải mái nếu đủ sức trả tiền’’ đã thấm sâu vào nếp nghĩ của người dân cộng với việc sử dụng các máy móc thiết bị không đạt chuẩn chỉ tiêu kỹ thuật, đã quá thời hạn sử dụng gây hao tổn điện năng góp phần rất lớn dẫn đến tình trạng thiếu điện nghiêm trọng. Thiếu điện - dẫn tới phải luân phiên cắt điện tại nơi tiêu thụ làm ngưng trệ việc sản xuất gây tổn hao rất lớn về kinh tế, đồng thời sinh hoạt của người dân gặp nhiều khó khăn, nhất là trong mùa hè - với tình trạng nắng, nóng ngày càng gay gắt như hiện nay. Trước tình hình đó việc thực hiện “ Tiết kiệm điện năng’’ đã trở thành vấn đề hết sức nóng bỏng và cấp thiết đòi hỏi sự quan tâm, ý thức, và quyết tâm của các nhà máy, xí nghiệp doanh nghiệp, các hộ dùng điện…Sự căng thẳng và gia tăng giá nhiên liệu trong cân bằng năng lượng, lại càng khẳng định nhiệm vụ to lớn của việc thực hiện tiết kiệm điện năng. Muốn đưa ra 9 các giải pháp tiết kiệm điện, chúng ta phải đi nghiên cứu về các nguyên nhân gây tổn thất điện năng mà trong quá trình sử dụng và quản lý điện gây ra.

CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG. Tổn thất do kỹ thuật.Trong nhà máy phát điện. * Chất lượng điện kém được thể hiện bởi: Độ lệch điện áp (qU) là độ chênh lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Udm với điều kiện là tốc độ biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Udm/giây.100% U dm Độ dao động điện áp( U ) là tốc độ biến thiên từ U max đến U min .100% U dm Độ dao động điện áp phải nhỏ hơn 1%. *Độ tin cậy cung cấp điện: điện năng không được cung cấp liên tục thì một hệ thống điện như vậy không những không đưa lại hiệu quả kinh tế mà còn gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân.Trên đường dây truyền tải điện năng.

* Do điện trở và điện dung trên đường dây truyền tải. Để truyền tải điện năng từ nhà máy phát điện đến các nơi tiêu thụ ta phải sử dụng dây dẫn truyền tải, nên một phần điện năng bị tiêu hao do đốt nóng dây dẫn, do tạo ra các trường điện từ và các hiệu ứng khác. Vì bản thân dây dẫn luôn tồn tại một giá trị điện trở và điện kháng nào đó nên khi có dòng điện chạy qua chúng, bao giờ cũng có một tổn thất nhất định về công suất tác dụng P  3I 2 R và công suất phản kháng Q  3I 2 X. Như vậy một phần điện năng đã biến thành nhiệt năng toả ra môi trường.

* Chế độ sử dụng và bù công suất không cân bằng. 10 Chúng ta biết rằng bù công suất phản kháng là một giải pháp rất hữu hiệu để giảm tổn thất điện năng. Tuy nhiên trong thực tế phần lớn các thiết bị này không được trang bị các cơ cấu tự động điều chỉnh, nên thường dẫn đến hiện tượng không cân bằng công suất phản kháng. Hiện tượng bù thừa thường xảy ra khi phụ tải thấp, khi đó không những tổn thất điện năng không giảm mà ngược lại.

Thêm vào đó hiện tượng bù thừa còn dẫn đến sự quá áp ở một số điểm nút của mạng điện, làm giảm chất lượng điện và đôi khi gây hậu quả nghiêm trọng đối với các thiết bị điện. * Hệ thống đường dây truyền tải điện năng kém. Nước ta trước kia là một nước nông nghiệp lạc hậu, mới bước vào thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hóa đất nước. Để phục vụ cho sự nghiệp đổi mới này chúng ta cần phải có một hệ thống cung cấp điện lớn mạnh, đảm bảo cung cấp đầy đủ, an toàn nhu cầu tiêu thụ điện nhưng trên những hệ thống dây cũ chưa được thay thế thì so với nhu cầu cần truyền tải điện năng chúng không đảm bảo yêu cầu.

Các đường dây đó đã quá cũ nát và tiết diện quá nhỏ…vì vậy chất lượng truyền tải kém. Đồng thời, ở các vùng nông thôn, miền núi khi đời sống người dân còn thấp, họ tận dụng các đoạn dây thừa nối lại để sử dụng…làm chất lượng điện áp giảm sút, nhiều khi gây ra hiện tượng phóng điện giữa các mối nối…làm tổn thất khá nhiều điện năng. Chúng ta nhận thấy rằng, hệ thống các đường dây điện của ta quá cũ nát, cách bố trí đi dây nhiều nơi chưa hợp lý, hệ thống cột, xà, sứ cách điện…chưa đảm bảo chất lượng. Nước ta là một nước có khí hậu thay đổi thất thường, chính vì thế mà nó làm cho các hệ thống trên càng dễ hỏng hóc và gây ra nhiều sự cố.

Chính những thiết bị không đảm bảo yêu cầu đó gây ra rò điện làm tổn thất rất nhiều điện năng, đồng thời những sự cố trên đường 11 dây, hành lang đường dây điện không đảm bảo (cây cối mọc cao chạm vào đường dây điện) cũng làm tổn hao điện năng rất nhiều. * Do tổn thất vầng quang điện. Hiện tượng vầng quang điện là hiện tượng khi thời tiết ẩm ướt, dưới tác dụng của cường độ điện trường (E) đủ lớn, không khí xung quanh bị ôxi hoá và trở nên dẫn điện. Vầng quang điện gây ra tổn thất điện năng, khi điện áp đường dây lớn hơn điện áp tới hạn ( điện áp tới hạn là điện áp phát sinh vầng quang điện) thì xuất hiện vầng quang điện.

Thông thường khi điện áp U  110 (KV) thì mới có thể tính được tổn thất vầng quang điện. Pvq  U 2  g 0 g0: điện dẫn của 1 km chiều dài đường dây. Trên trạm biến áp. Ta đã biết cấu tạo chung của máy biến áp gồm hai phần chính là cuộn dây và lõi thép nên trong quá trình truyền tải năng lượng qua máy biến áp, một phần công suất tác dụng và công suất phản kháng bị tiêu hao trong máy, đó chính là tổn hao đồng trên điện trở của các dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp và tổn hao sắt từ trong lõi thép do dòng điện xoáy và do từ trễ, ngoài ra còn kể đến tổn hao do dòng điện xoáy trên vách thùng dầu và các bu lông lắp ghép.

Tổn thất công suất trong máy biến áp gồm hai phần chính: Phần không đổi và phần thay đổi. Phần tổn thất không đổi S Fe  PFe  jQFe không liên quan đến phụ tải của máy mà phụ thuộc vào từ thông chính. Tổn hao này phụ thuộc vào đặc tính của thép như suất tổn hao trong lá thép, từ cảm trong lá thép, bề dày và khối lượng của thép. Đó cũng chính là tổn thất khi công suất đưa ra phía thứ cấp máy biến áp, bằng không nếu ta bỏ qua tổn hao trên công suất tổn hao điện trở dây quấn sơ cấp do dòng không tải nhỏ và lúc đó toàn bộ công suất tổn hao được coi là tổn hao sắt từ trong lõi thép.

Vì 12 vậy tổn hao sắt từ trong lõi thép được xác định qua thí nghiệm không tải. Phần tổn thất công suất thay đổi U nm %.S dm SCu  PCu  jQCu  3. 2 100 Unm%: Số phần trăm điện áp rơi trên cảm kháng của cuộn dây của máy biến áp khi làm thí nghiệm ngắn mạch. Inm: Dòng điện ngắn mạch.

R: Điện trở cuộn dây máy biến áp. Thành phần này thay đổi theo dòng điện và công suất phụ tải của máy biến áp. Nó là phần tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp máy biến áp. Tổn thất này phụ thuộc vào tiết diện dây, điện trở suất và chiều dài dây, dòng điện phụ tải.

Khi phụ tải tăng thì tổn thất này cũng tăng lên. Khi phụ tải là định mức, tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây máy biến áp sẽ là định mức và bằng tổn thất công suất tác dụng lúc làm thí nghiệm ngắn mạch. Còn tổn thất công suất phản kháng trong cuộn dây của máy biến áp lấy bằng tổn thất tản từ. Trong các hộ tiêu thụ điện.

* Trong các cơ quan công sở hành chính văn phòng. Chúng ta biết rằng, hiện nay ở Việt Nam đang còn tồn tại một quan điểm hết sức lệch lạc và cần phải thay đổi cách nghĩ này. Đó là quan điểm sử dụng tài sản của cơ quan một cách thoải mái,trong đó việc sử dụng điện năng cũng vậy .Vì vậy mà hầu hết tình trạng sử dụng điện ở các cơ quan công sở nhà nước là rất lãng phí, nhiều người không có ý thức tiết kiệm: khi đi ra khỏi phòng điều hoà bật không tắt, bóng đèn không tắt, máy tính hầu như bật liên tục dù không dùng…có nhiều người còn mang đồ của gia đình đến cơ quan làm như là quần áo, giặt quần áo…để đỡ tốn tiền điện và nước ở nhà nhưng gây tổn thất cho nhà nước. Trong quá trình trang bị cơ sở vật chất, máy móc cho cơ quan, mọi người ít để ý đến vấn đề công suất, tình trạng khi đang sử dụng.

Điều này dẫn 13 đến tình trạng non tải khi mua thiết bị có công suất lớn hoặc không ngắt thiết bị trong giờ nghỉ gây tổn thất điện năng. Bên cạnh đó, ở một số nơi thì đường dây dẫn điện xuống cấp nghiêm trọng mà không tiến hành kiểm tra, xử lí như tình trạng cột, xà sứ xuống cấp nghiêm trọng, các mối nối lâu ngày bị rò điện. * Trong các hộ gia đình.