CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 1.1 Đặc điểm của quá trình sản xuất và phân phối điện năng Năng lượng điện là dạng năng lượng phổ biến do nó có thể truyền tải với hiệu suất cao và chi phí hợp lý. Ngoài ra, do dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác (nhiệt, cơ, hóa) nên điện năng được sử dụng khắp mọi nơi từ sản xuất đến tiêu dùng. Điện năng trong quá trình sản xuất và phân phối có một số đặc điểm chủ yếu sau: ▪ Điện năng sản xuất ra, nói chung, không tích trữ được (trừ một số trường hợp cá biệt với công suất nhỏ như pin, ắc-quy). Do đó, tại mọi thời điểm phải đảm bảo cân bằng giữa lượng điện sản xuất và tiêu thụ, có kể đến tổn thất do truyền tải và phân phối; ▪ Các quá trình điện cơ trong hệ thống điện xảy ra rất nhanh, đòi hỏi phải sử dụng rộng rãi các thiết bị tự động trong công tác vận hành, điều độ hệ thống điện nhằm đảm bảo hệ thống làm việc tin cậy và kinh tế; ▪ Công nghiệp điện lực là một trong những động lực của nhiều ngành kinh tế quốc dân.
Sản lượng điện hàng năm thể hiện mức độ phát triển kinh tế của đất nước; ▪ Việc sản xuất, truyền tải và cung cấp điện năng luôn luôn được thực hiện theo một kế hoạch chung trong khuôn khổ hệ thống điện. Điện năng được sản xuất chủ yếu dưới dạng điện xoay chiều với tần số 60Hz (tại Mỹ và Canada) hay 50Hz (tại châu Âu và các nước khác). Nhìn chung, hệ thống cung cấp điện bao gồm các khâu: phát điện, truyền tải, phân phối và cung cấp để đưa điện từ nơi sản xuất đến các hộ tiêu thụ và sử dụng điện (Hình 1. Để truyền tải điện năng đi xa với tổn thất điện áp và điện năng thấp thường sử dụng điện cao áp xoay chiều (đến 230kV) và siêu cao (trên 230kV).
Nhà máy phát điện 2. Đường dây truyền tải 3. Trạm biến áp tăng áp 4. Xí nghiệp công nghiệp 5.
Trạm biến áp giảm áp 6. Đường dây phân phối 7. Hộ tiêu thụ 9. Đường dây trên không Hình 1.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện. Để truyền tải điện năng với khoảng cách rất lớn (trên 500km), nhằm đạt được hiệu quả về kinh tế, điện áp một chiều siêu cao được sử dụng. Trường hợp này phải sử dụng các bộ biến đổi AC/DC ở đầu và cuối đường dây. Truyền tải bằng điện một chiều có ưu điểm là đường dây một chiều không có điện kháng và có khả năng truyền tải một lượng công suất lớn hơn khi sử dụng dây có cùng tiết diện so với truyền tải bằng điện xoay chiều.
Truyền tải bằng điện DC đặc biệt hiệu quả khi cần kết nối các hệ thống điện lớn ở cách xa nhau. Nhược điểm chính của truyền tải bằng điện một chiều là gây ra các hài bậc cao và cần phải lọc và bù công suất phản kháng với số lượng lớn ở hai đầu đường dây. Mạng liên kết làm cho việc sản xuất và truyền tải điện trở nên kinh tế và tin cậy hơn do năng lượng điện có thể truyền tải nhanh chóng từ vùng này sang vùng khác.2 Hệ thống điện Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới liên kết phức tạp (Hình 1.2) và có thể chia ra làm 4 phần: ▪ Nhà máy điện; ▪ Mạng truyền tải - truyền tải phụ; ▪ Mạng phân phối; ▪ Phụ tải điện. Sơ đồ nguyên lý các thành phần của hệ thống điện.1 Máy phát và nhà máy điện Máy phát là một trong các thành phần chủ yếu của hệ thống điện và thường là máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha.
Các hệ thống ngày nay sử dụng máy phát điện xoay chiều với các bộ kích từ quay (các bộ kích từ không có chổi góp). Hệ thống kích từ máy phát giúp cho điện áp máy phát không đổi và điều khiển công suất phản kháng. Các máy phát điện xoay chiều có thể phát công suất lớn điện áp cao (đến 30kV) và công suất đơn vị máy phát có thể thay đổi từ 50MW đến 1500MW. Tùy theo dạng nguồn năng lượng sơ cấp mà có các loại nhà máy điện khác nhau: a.
Nhà máy nhiệt điện Đây là một dạng nguồn điện kinh điển, đến nay vẫn còn chiếm tỷ lệ quan trọng trong tổng công suất nguồn nói chung. 15 Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện được trình bày ở Hình 1. Nhiên liệu (than đá, dầu) được đốt cháy trong buồng khí đốt nhằm đun sôi nước ở nồi hơi. Hơi nước từ nồi hơi với nhiệt độ và áp suất cao (khoảng 500C và 40Ata) được dẫn đến làm quay các cánh tuốc bin với tốc độ tương đối cao (từ 1800v/p đến 3600v/p).
Trục của tuốc bin gắn với trục máy phát điện, rôto của máy phát loại này thường là loại cực ẩn hai cực cho loại 3600v/p và 4 cực cho loại 1800v/p. Khi máy phát điện quay sẽ cảm ứng sinh ra điện. Nước qua tuốc bin sẽ ngưng tụ ở bình ngưng cùng với nước bổ sung được bơm nước đưa trở về nồi hơi. Nhà máy nhiệt điện có những đặc điểm sau: ▪ Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu và nguồn nước; ▪ Tính linh hoạt trong vận hành kém, khởi động và tăng phụ tải chậm; ▪ Hiệu suất thấp ( = 30-40 %); ▪ Khối lượng nhiên liệu sử dụng lớn, gây khói thải và ô nhiễm môi trường.
Bộ phận hâm nóng nước 2. Hệ thống nghiền nát 14. Bộ phận khử khí 4. Hệ thống nồi hơi 16.
Bộ phận tái hâm nước 19. Bình ngưng tụ 8. Bộ phận hâm nước 20. Bộ phận hâm nóng 21.
Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện. Nhà máy thủy điện Nhà máy thủy điện dùng năng lượng dòng chảy của nước làm quay tuốc bin nước để chạy máy phát điện (Hình 1. Tuốc bin nước vận hành ở áp suất thấp và tốc độ thấp. Máy phát của chúng thường là loại cực lồi có nhiều cực.1) Nhà máy thủy điện có các đặc điểm sau: ▪ Xây dựng gần nguồn nước nên thường xa phụ tải; ▪ Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn, chủ yếu thuộc về các công trình như đập chắn, hồ chứa ….; ▪ Thời gian xây dựng kéo dài; ▪ Chi phí sản xuất điện năng thấp; ▪ Thời gian khởi động máy ngắn; ▪ Hiệu suất cao ( = 80-90 %); ▪ Tuổi thọ cao.
Vào mùa nước lũ, có khả năng không khai thác hết nguồn thủy năng và phải xả qua đập tràn một lượng nước lớn dư thừa do điện năng chỉ có thể sản xuất theo yêu cầu của phụ tải. Để có thể tận dụng nguồn năng lượng này cần xây dựng loại nhà máy thủy điện tích năng (Hình 1. Vào mùa nước lũ khi khả năng phát điện của hệ thống điện dư thừa, máy phát điện của nhà máy thủy điện tích năng đóng vai trò như một máy bơm, bơm nước lên hồ chứa nước và vào mùa nước kiệt nước lại xả nước từ hồ chứa nước qua hệ thống đường ống làm quay máy phát điện, phát điện hòa vào hệ thống. Hộp kín dạng tròn 4.
Ống tháo nước 5. Tuốc bin nước Hình 1. Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện. Ống dẫn nước 7.
Ống bơm nước chính 3. Cửa xả nước 4. Hồ chứa nước 5. Nhà điều hành Hình 1.
Nhà máy thủy điện tích năng. Nhà máy tuốc bin khí Nhà máy tuốc bin khí sử dụng năng lượng sơ cấp là khí đốt thiên nhiên. Khí này được dẫn trực tiếp đến nhà máy thông qua hệ thống đường ống và khi khoảng cách truyền tải lớn, khí đốt thiên nhiên được hoá lỏng ở nhiệt độ –197oF. Ngày nay, các nhà máy tuốc bin khí thường sử dụng sơ đồ chu kỳ kết hợp với hiệu suất lên đến 60%.
Chu kỳ kết hợp bao gồm chu kỳ tuốc bin-gas (chu kỳ Brayton) và chu kỳ tuốc bin hơi (chu kỳ Rankine). Đầu tiên khí được đốt cháy và làm quay tuốc bin gas, sau đó khí được đốt nóng này được thu hồi và đi vào lò hơi, gia nhiệt nước nhằm cung cấp hơi áp suất cao để làm quay tuốc bin hơi (Hình 1. Tuốc bin-gas 8. Gas đốt cháy 11.
Bình ngưng 6. Sơ đồ nguyên lý nhà máy tuốc bin khí loại chu kỳ kết hợp. Nhà máy tuốc bin khí có các đặc điểm sau: ▪ Thời gian xây dựng ngắn (khoảng 2 năm); ▪ Chi phí sản xuất điện năng thấp; ▪ Thời gian khởi động máy ngắn; 18 ▪ Hiệu suất cao ( = 80-90 %); ▪ Ít gây ô nhiễm môi trường. Nhà máy điện diesel Nhà máy điện diesel sử dụng năng lượng sơ cấp là các động cơ diesel.
Các tổ máy phát diesel có công suất đơn vị không lớn (từ hàng trăm kVA đến vài MVA) và thường dùng làm nguồn dự phòng cho các tải bình thường sử dụng điện từ mạng địa phương hay cung cấp điện cho các phụ tải công suất nhỏ ở những nơi chưa có mạng lưới địa phương. Nhà máy điện diesel có các đặc điểm chính như sau: ▪ Gọn nhỏ, linh hoạt, tính cơ động cao; ▪ Thời gian khởi động ngắn; ▪ Giá thành điện năng cao; ▪ Công suất phát vừa và nhỏ. Các nhà máy điện năng lượng sạch Ngày nay, khi vấn đề bảo vệ môi trường được nhấn mạnh, các nguồn năng lượng khác đã được xem xét và đưa vào sử dụng như các nguồn năng lượng sạch: năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thủy triều và năng lượng sinh học. Năng lượng được sử dụng và phát triển mạnh trong tương lai gần là năng lượng nguyên tử.
❑ Nhà máy điện nguyên tử Nhà máy điện nguyên tử sản xuất điện năng từ nhiệt năng do phản ứng hạt nhân sinh ra. Nhiên liệu hạt nhân có khả năng tạo nhiệt năng rất cao, thường sử dụng ở những nơi khan hiếm nhiên liệu hay khó vận chuyển nhiên liệu tới. Ở nhà máy điện nguyên tử, nhiệt năng thu được trong quá trình phân hủy hạt nhân của các chất Uranium, Plutonium, Thorium… trong lò phản ứng, dùng để đun nóng nước. Nước bốc hơi lên và tiếp tục làm quay tuốc bin như trong trường hợp nhà máy nhiệt điện.
Lò phản ứng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện nguyên tử là lò phản ứng nước nhẹ (lò phản ứng nước áp lực hóa, lò phản ứng nước sôi) do dễ điều khiển và trong một số trường hợp có thể sử dụng uranium thiên nhiên.7 trình bày sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước áp lực hóa. Nguyên liệu được sử dụng trong trường hợp này là oxyt uranium (UO2) ở dạng quặng, tương thích với thiết bị làm lạnh bằng nước. Quặng nhiên liệu được chứa trong các thanh nhiên liệu mạ zircaloy.