Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán cung cấp điện cho nhà máy nhiệt điện" do sinh viên Bùi Tiến Đạt (lớp DC 2101, ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) thực hiện năm 2021 dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đoàn Phong.

Lý do chọn đề tài xuất phát từ vị trí của nhà máy điện trong hệ thống năng lượng quốc gia. Nhà máy điện giữ vai trò biến đổi các dạng năng lượng sơ cấp (than đá, dầu mỏ, khí đốt, thủy năng) thành điện năng. Mặc dù tỷ trọng sản xuất điện từ nhiệt điện không còn chiếm vị trí áp đảo như giai đoạn thập niên 1980, nhưng với thế mạnh tài nguyên nhiên liệu trong nước và đặc tính gánh phụ tải đáy (phụ tải nền) của hệ thống điện, việc củng cố và xây dựng mới các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi vẫn là yêu cầu thực tiễn cần thiết. Việc tính toán thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện là nhiệm vụ kỹ thuật nhằm tổng hợp, củng cố toàn diện kiến thức chuyên môn về cung cấp điện và hệ thống điện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các nội dung cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, chu trình biến đổi nhiệt năng thành điện năng và các đặc trưng vận hành chính.
  2. Thu thập số liệu, phân tích đồ thị phụ tải ngày và tính toán cân bằng công suất các cấp điện áp (phụ tải địa phương 10,5 kV, phụ tải trung áp 110 kV, tự dùng và lượng công suất phát về hệ thống 220 kV).
  3. Đề xuất các phương án sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện; so sánh kỹ thuật - kinh tế để lựa chọn phương án tối ưu.
  4. Tính toán, lựa chọn dung lượng và chủng loại máy biến áp chính (máy biến áp hai cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu); kiểm tra khả năng quá tải bình thường và quá tải sự cố của các máy biến áp.
  5. Tính toán dòng điện cưỡng bức trên các mạch và lựa chọn kháng điện phân đoạn cho cấp điện áp máy phát.
  6. Lập sơ đồ thay thế và tính toán dòng điện ngắn mạch siêu quá độ, dòng điện ngắn mạch duy trì và dòng điện xung kích tại các điểm ngắn mạch đặc trưng.
  7. Lựa chọn thiết bị điện, khí cụ điện, dây dẫn, thanh góp, thiết bị đo lường và thiết kế sơ đồ cấp điện tự dùng cho nhà máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện và các thiết bị phần điện của một nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có tổng công suất đặt 180 MW, gồm 3 tổ máy phát điện công suất $3 \times 60\text{ MW}$.
  • Phạm vi không gian: Trạm phân phối và phần điện nội bộ nhà máy điện kết nối với 3 cấp điện áp gồm cấp máy phát 10,5 kV, cấp trung áp 110 kV và đường dây kép 220 kV dài 97 km truyền tải công suất về hệ thống điện quốc gia (công suất ngắn mạch hệ thống 2800 MVA, dự trữ quay hệ thống 200 MVA).
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Đồ thị phụ tải giả định theo chu kỳ vận hành 24 giờ trong ngày (chia thành các khung giờ 0–8h, 8–14h, 14–20h, 20–24h hoặc 0–7h, 7–14h, 14–18h, 18–24h) với các hệ số công suất tương ứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các khung lý thuyết, công thức giải tích và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật điện:

  • Khung lý thuyết và công thức tính toán:
    • Lý thuyết cân bằng công suất tác dụng và công suất biểu kiến: $$P(t) = P_{\max} \cdot \frac{P%(t)}{100}, \quad S(t) = \frac{P(t)}{\cos\varphi}$$
    • Công thức tính công suất tự dùng theo tỷ lệ công suất đặt: $S_{td}(t) = \alpha S_{NM} (0{,}4 + 0{,}6 \frac{S_{NM}(t)}{S_{NM}})$ với $\alpha = 6{,}6%$.
    • Công thức cân bằng phát về hệ thống: $S_{vHT}(t) = S_{NM}(t) - [S_{dp}(t) + S_T(t) + S_{td}(t)]$.
    • Nguyên lý máy biến áp tự ngẫu với hệ số có lợi: $\alpha = \frac{U_C - U_T}{U_C} = \frac{220 - 110}{220} = 0{,}5$.
    • Lý thuyết ngắn mạch ba pha đối xứng trong hệ thống điện: Tính toán ngắn mạch theo phương pháp đơn giản sử dụng hệ đơn vị tương đối cơ bản kết hợp đường cong tính toán đối với nguồn máy phát và nguồn hệ thống công suất vô cùng lớn.
  • Các đại lượng cơ bản phục vụ tính toán ngắn mạch:
    • Công suất cơ bản: $S_{cb} = 100\text{ MVA}$.
    • Điện áp cơ bản lấy theo điện áp trung bình của các cấp mạng điện: $U_{cb1} = 10{,}5\text{ kV}$, $U_{cb2} = 115\text{ kV}$, $U_{cb3} = 230\text{ kV}$.
    • Dòng điện cơ bản tương ứng: $I_{cb1} = 5{,}5\text{ kA}$, $I_{cb2} = 0{,}502\text{ kA}$, $I_{cb3} = 0{,}251\text{ kA}$.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật điện: Đánh giá chế độ làm việc bình thường và các tình huống sự cố (hỏng 1 tổ máy phát, hỏng máy biến áp hai cuộn dây, hỏng 1 máy biến áp tự ngẫu).
    • Phương pháp biến đổi tương đương sơ đồ thay thế: Dùng các phép biến đổi sao - tam giác ($Y - \Delta$), tam giác - sao ($\Delta - Y$), và gập sơ đồ đối xứng để rút gọn mạng điện nhiều nhánh về dạng sơ đồ tối giản phục vụ xác định điện kháng tương đương đến điểm ngắn mạch.
    • Phương pháp so sánh chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế: Đối chiếu giữa các phương án kết nối về độ tin cậy cung cấp điện, tính linh hoạt trong điều độ, vốn đầu tư máy biến áp và khí cụ đóng cắt.
  • Nguồn dữ liệu:
    • Số liệu nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.
    • Thông số kỹ thuật danh định của máy phát điện đồng bộ $TB\Phi-60-2$, máy biến áp hai cuộn dây $TP\text{д}H-80000/110$, máy biến áp tự ngẫu $AT\text{д}U\text{TH}-160000/220$, kháng điện bê tông $PBA-10-4000-12$ tra cứu từ các tài liệu quy chuẩn thiết kế điện lực.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án thuộc loại hình thiết kế kỹ thuật công trình điện lực, triển khai chi tiết các giải pháp cấu trúc phần điện và kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị:

  • Kiến trúc phần điện nhà máy:
    • Phía nguồn phát: Gồm 3 tổ máy phát điện đồng bộ $TB\Phi-60-2$ công suất $60\text{ MW}$ ($75\text{ MVA}$, $10{,}5\text{ kV}$, $\cos\varphi = 0{,}8$).
    • Liên kết cấp 110 kV: Tổ máy phát F3 ghép bộ trực tiếp với máy biến áp hai cuộn dây B3 ($TP\text{д}H-80000/110$, $80\text{ MVA}$, $115/10{,}5\text{ kV}$) nối lên thanh góp 110 kV để cấp điện cho phụ tải trung áp.
    • Liên kết cấp 10,5 kV và 220 kV: Hai tổ máy phát F1 và F2 nối vào thanh góp điện áp máy phát 10,5 kV có phân đoạn bằng kháng điện; hai máy biến áp tự ngẫu ba pha B1, B2 ($AT\text{д}U\text{TH}-160000/220$, $160\text{ MVA}$, $230/121/11\text{ kV}$) đóng vai trò liên lạc giữa 3 cấp điện áp 220 kV, 110 kV và 10,5 kV, đồng thời truyền tải công suất dư thừa phát về hệ thống điện qua đường dây kép 220 kV.
    • Cấu trúc thanh góp: Cấp cao áp 220 kV và trung áp 110 kV áp dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp; cấp điện áp máy phát 10,5 kV áp dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn.
  • Trang thiết bị kỹ thuật được tính toán và lựa chọn:
    • Máy biến áp: 01 máy biến áp hai cuộn dây $80\text{ MVA}$ và 02 máy biến áp tự ngẫu ba pha $160\text{ MVA}$.
    • Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch: Kháng điện bê tông cuộn dây nhôm kiểu $PBA-10-4000-12$ ($U_{dmk} = 10{,}5\text{ kV}$, $I_{dmk} = 4000\text{ A}$, $X_k% = 12%$) đặt giữa hai phân đoạn thanh góp 10,5 kV.
    • Dây dẫn và thanh dẫn: Thanh dẫn cứng bằng đồng cho mạch máy phát điện; thanh dẫn mềm nhiều sợi cho hệ thống thanh góp ngoài trời cấp điện áp 220 kV; cáp điện lực và kháng điện đường dây cho phụ tải địa phương.
    • Thiết bị đóng cắt và đo lường: Máy cắt điện, dao cách ly cao áp và trung áp chọn theo điện áp danh định, dòng cưỡng bức và khả năng cắt ngắn mạch; máy biến điện áp (BU) và máy biến dòng điện (BI); sứ đỡ thanh dẫn cứng loại đặt trong nhà.
    • Hệ thống tự dùng: Máy biến áp tự dùng cấp 1, máy biến áp tự dùng cấp 2, máy cắt hạ áp trạm tự dùng và hệ thống điện một chiều cấp nguồn điều khiển, bảo vệ.
  • Quy trình kiểm tra, kiểm nghiệm kỹ thuật:
    • Kiểm tra điều kiện quá tải máy biến áp: Kiểm nghiệm chế độ quá tải bình thường và quá tải sự cố (hỏng MBA B3 hoặc hỏng 1 MBA tự ngẫu B1/B2) ứng với thời điểm phụ tải cực đại và cực tiểu, đảm bảo công suất qua các cuộn dây không vượt quá giới hạn định mức nhân hệ số quá tải cho phép ($k_{qtsc} = 1{,}4$).
    • Kiểm tra ổn định nhiệt và ổn định lực điện động: Kiểm nghiệm thanh dẫn, sứ đỡ, khí cụ đóng cắt dựa trên dòng ngắn mạch chu kỳ siêu quá độ ($I''$), dòng ngắn mạch ổn định ($I_\infty$) và dòng điện xung kích ($i_{xk}$) xác định tại 6 vị trí ngắn mạch phân bố trên các cấp điện áp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Khái quát chung về nhà máy nhiệt điện

Chương I giới thiệu các nguyên lý cơ bản của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi. Nhiên liệu sơ cấp chủ yếu là than đá (ngoài ra có than bùn, dầu đốt, khí thiên nhiên, khí lò cao). Sơ đồ biến đổi năng lượng gồm: Nhiên liệu đốt trong lò hơi đun nóng nước tạo thành hơi áp suất và nhiệt độ cao, hơi giãn nở làm quay tuabin hơi nước, tuabin kéo trục máy phát điện đồng bộ sản xuất ra điện năng. Tác giả phân biệt hai loại hình: nhiệt điện ngưng hơi (toàn bộ lượng hơi dùng để sản xuất điện năng) và nhiệt điện trích hơi (vừa sản xuất điện vừa cung cấp nhiệt cho sản xuất công nghiệp và sinh hoạt). Các đặc điểm kỹ thuật chính của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi được nêu rõ:

  • Công suất đặt lớn, thường xây dựng gần nguồn nhiên liệu.
  • Phụ tải địa phương nhỏ, phần lớn điện năng phát ra được nâng lên cấp điện áp cao để truyền tải đi xa.
  • Khả năng vận hành linh hoạt trong dải công suất từ $P_{\min}$ đến $P_{\max}$.
  • Thời gian khởi động kéo dài từ 3 đến 10 giờ (nhà máy chạy than có thời gian khởi động lâu hơn nhà máy chạy dầu/khí).
  • Hiệu suất nhiệt điện ngưng hơi tương đối thấp, dao động trong khoảng 30% đến 35%.
  • Tỷ lệ điện năng tự dùng nội bộ chiếm từ 3% đến 15%.
  • Vốn đầu tư xây dựng nhỏ hơn và tiến độ xây dựng nhanh hơn so với nhà máy thủy điện, song có nhược điểm gây ô nhiễm môi trường do khí thải và tro xỉ.

Chương II: Tính toán phụ tải và cân bằng công suất

Chương này tập trung xác định nhu cầu phụ tải và lựa chọn máy phát điện. Căn cứ vào công suất thiết kế 180 MW, tác giả chọn 3 tổ máy phát điện đồng bộ giống nhau loại $TB\Phi-60-2$ với các thông số: $S_{Fdm} = 75\text{ MVA}$, $P_{Fdm} = 60\text{ MW}$, $U_{Fdm} = 10{,}5\text{ kV}$, $I_{Fdm} = 4{,}125\text{ kA}$, $\cos\varphi_{dm} = 0{,}8$, điện kháng siêu quá độ $X''_d = 0{,}146$, $X'_d = 0{,}22$, $X_d = 1{,}691$.

Từ bảng phân bố phụ tải 24 giờ, chương trình tính toán xác định công suất của từng cấp điện áp:

  • Phụ tải địa phương cấp 10 kV: $P_{dp\max} = 40\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0{,}84 \Rightarrow S_{dp\max} = 47{,}619\text{ MVA}$ (tại khung 8–14h) và $S_{dp\min} = 30{,}952\text{ MVA}$ (tại khung 20–24h).
  • Phụ tải trung áp cấp 110 kV: $P_{T\max} = 60\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0{,}89 \Rightarrow S_{T\max} = 67{,}416\text{ MVA}$ (tại khung 14–18h) và $S_{T\min} = 40{,}449\text{ MVA}$ (tại khung 0–8h).
  • Phụ tải toàn nhà máy: Tổng công suất biểu kiến đặt $S_{NM} = 3 \times 75 = 225\text{ MVA}$, công suất phát tác dụng cực đại $P_{NM\max} = 180\text{ MW}$ (tại khung 14–18h).
  • Phụ tải tự dùng: Tính với định mức $\alpha = 6{,}6%$, giá trị công suất tự dùng $S_{td}$ biến thiên từ $13{,}068\text{ MVA}$ đến $14{,}850\text{ MVA}$.
  • Công suất phát về hệ thống 220 kV: Biến thiên trong khoảng từ $S_{vHT\min} = 92{,}540\text{ MVA}$ đến $S_{vHT\max} = 125{,}563\text{ MVA}$. Giá trị cực đại này nhỏ hơn mức dự trữ quay của hệ thống ($200\text{ MVA}$), đảm bảo độ ổn định của hệ thống điện khi xảy ra sự cố tách nhà máy. Lượng công suất phát về hệ thống chiếm khoảng 8% công suất hệ thống điện liên kết.

Chương III: Chọn sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện

Chương III đề xuất và đánh giá 2 phương án sơ đồ nối điện chính:

  • Phương án 1: Một bộ máy phát - máy biến áp hai cuộn dây (F3 + B3) cấp lên thanh góp 110 kV. Hai máy phát F1 và F2 nối vào thanh góp điện áp máy phát 10,5 kV có phân đoạn bằng kháng điện; hai máy biến áp tự ngẫu B1 và B2 làm nhiệm vụ liên lạc giữa ba cấp điện áp 220 kV, 110 kV và 10,5 kV.
  • Phương án 2: Tổ máy F1 ghép bộ với máy biến áp hai cuộn dây nối lên thanh góp 220 kV; hai tổ máy F2 và F3 nối vào thanh góp điện áp máy phát; sử dụng các máy biến áp tự ngẫu liên lạc. Phương án này bị loại do tất cả máy biến áp nối lên thanh góp 220 kV đòi hỏi công suất định mức lớn hơn, dẫn đến tăng vốn đầu tư và tăng tổn thất điện năng.

Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1 và tiến hành tính toán định cỡ thiết bị:

  • Máy biến áp hai cuộn dây B3: Chọn loại $TP\text{д}H-80000/110$, công suất $S_{dm} = 80\text{ MVA} \ge S_{Fdm} = 75\text{ MVA}$, điện áp $115/10{,}5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 70\text{ kW}$, $\Delta P_N = 310\text{ kW}$, $U_N% = 10{,}5%$, $I_0% = 0{,}55%$.
  • Máy biến áp tự ngẫu liên lạc B1, B2: Chọn 2 máy loại $AT\text{д}U\text{TH}-160000/220$, công suất định mức $S_{dm} = 160\text{ MVA} \ge \frac{1}{\alpha} S_{Fdm} = \frac{75}{0{,}5} = 150\text{ MVA}$, cấp điện áp $230/121/11\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 85\text{ kW}$, $\Delta P_N = 380\text{ kW}$, $U_{N(C-T)}% = 11%$, $U_{N(C-H)}% = 32%$, $U_{N(T-H)}% = 20%$, $I_0% = 0{,}5%$.
  • Kiểm tra quá tải: Kết quả tính toán phân bố công suất chứng minh các cuộn dây cao, trung, hạ của máy biến áp tự ngẫu đều không bị quá tải trong chế độ vận hành bình thường ($S_{C\max} = 62{,}782\text{ MVA}$, $S_{T\max} = 14{,}801\text{ MVA}$, $S_{H\max} = 51{,}003\text{ MVA}$, đều nhỏ hơn $\alpha S_{dm} = 80\text{ MVA}$). Khi xảy ra sự cố hỏng MBA B3 hoặc hỏng 1 MBA tự ngẫu, công suất qua các cuộn vẫn nằm trong giới hạn cho phép ($k_{qtsc} \cdot \alpha S_{dm} = 112\text{ MVA}$).
  • Dòng điện cưỡng bức và kháng điện phân đoạn: Dòng cưỡng bức mạch cao áp $I_{cb(C)} = 0{,}330\text{ kA}$, mạch trung áp $I_{cb(T)} = 0{,}413\text{ kA}$, mạch hạ áp $I_{cb(H)} = 6{,}158\text{ kA}$. Dòng cưỡng bức lớn nhất qua kháng phân đoạn khi sự cố MBA B2 là $I_{kcb} = 3{,}616\text{ kA}$. Tác giả chọn kháng điện bê tông cuộn nhôm $PBA-10-4000-12$ ($10{,}5\text{ kV}$, $4000\text{ A}$, $X_k% = 12%$).

Chương IV: Tính toán dòng điện ngắn mạch

Chương IV trình bày chi tiết thuật toán tính toán dòng điện ngắn mạch nhằm cung cấp số liệu chọn khí cụ điện và dây dẫn:

  • Điện kháng các phần tử quy đổi về hệ đơn vị tương đối cơ bản ($S_{cb} = 100\text{ MVA}$):
    • Nhánh hệ thống: $X_H = 0{,}032$.
    • Đường dây 220 kV kép ($L = 97\text{ km}$, $x_0 = 0{,}4\ \Omega/\text{km}$): $X_D = 0{,}037 \Rightarrow X_1 = X_H + X_D = 0{,}069$.
    • Máy biến áp tự ngẫu ba pha: Điện áp ngắn mạch quy đổi $U_{NC}% = 11{,}5%$, $U_{NT}% \approx 0%$, $U_{NH}% = 20{,}5%$, tương ứng điện kháng $X_C = 0{,}072$, $X_T = 0$, $X_H = 0{,}128$.
    • Kháng điện phân đoạn: $X_k = 0{,}165$.
    • Máy phát điện $TB\Phi-60-2$: $X''_d = 0{,}195$.
    • Máy biến áp hai cuộn dây B3: $X_{B3} = 0{,}131$.
  • Kết quả tính toán ngắn mạch tại 6 điểm:
    • Điểm $N_1$ (Thanh góp 220 kV): Nguồn cung cấp từ hệ thống và nhà máy. Dòng ngắn mạch siêu quá độ $I'' = 5{,}435\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{xk} = 13{,}835\text{ kA}$.
    • Điểm $N_2$ (Thanh góp 110 kV): Nguồn từ hệ thống và nhà máy. Dòng siêu quá độ $I'' = 9{,}342\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{xk} = 23{,}781\text{ kA}$.
    • Điểm $N_3$ (Mạch hạ áp máy biến áp liên lạc khi MBA B1 nghỉ): Dòng ngắn mạch siêu quá độ tính toán đạt $48{,}273\text{ kA}$ (bảng tổng hợp ghi nhận $48{,}883\text{ kA}$).
    • Điểm $N_4$ (Mạch thanh góp 10,5 kV khi MBA B1 và tổ máy F1 nghỉ): Dòng ngắn mạch siêu quá độ tính toán đạt $20{,}229\text{ kA}$ (bảng tổng hợp ghi nhận $20{,}495\text{ kA}$).
    • Điểm $N_5$ và $N'_5$ (Phía hạ áp máy phát khi tổ máy F1 nghỉ): Dòng ngắn mạch siêu quá độ thành phần từ F1 là $10{,}929\text{ kA}$, từ hệ thống và nhà máy ($N'5$) là $41{,}762\text{ kA}$, dòng xung kích $i{xk} = 106{,}309\text{ kA}$.
    • Điểm $N_6$ (Mạch phụ tải 10,5 kV và tự dùng): Tổng hợp dòng ngắn mạch siêu quá độ $I'' = 69{,}805\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{xk} = 177{,}695\text{ kA}$.

Chương V: Tính toán kinh tế - kỹ thuật lựa chọn phương án tối ưu

Chương V hoàn thiện phương án thiết kế thông qua việc lựa chọn hình thức thanh góp, khí cụ đóng cắt và trang thiết bị phụ trợ:

  • Cấu trúc thanh góp:
    • Cấp điện áp 220 kV và 110 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp để tăng độ linh hoạt khi vận hành, chuyển đổi thanh cái không làm gián đoạn cung cấp điện và thuận tiện trong bảo trì dao cách ly, máy cắt.
    • Cấp điện áp 10,5 kV: Sử dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng kháng điện $PBA-10-4000-12$.
  • Lựa chọn và kiểm tra thiết bị:
    • Máy cắt điện và dao cách ly: Được lựa chọn dựa trên các điều kiện điện áp định mức ($U_{dm} \ge U_{dm mạng}$), dòng điện định mức ($I_{dm} \ge I_{cb}$), dòng cắt định mức ($I_{cat dm} \ge I''$) và kiểm tra ổn định động, ổn định nhiệt với dòng xung kích $i_{xk}$.
    • Thanh dẫn: Thanh dẫn cứng dạng thanh cái đồng đặt cho mạch đầu cực máy phát điện, kiểm tra ổn định nhiệt và lực điện động uốn cơ học khi ngắn mạch; thanh dẫn mềm nhiều sợi cho phân phối ngoài trời cấp 220 kV.
    • Thiết bị đo lường: Lựa chọn máy biến điện áp (BU) và máy biến dòng điện (BI) phù hợp cấp chính xác cho đo lường và bảo vệ rơle.
    • Hệ thống tự dùng: Xác định sơ đồ tự dùng cấp 1 và cấp 2, lựa chọn máy biến áp tự dùng, máy cắt hạ áp trạm tự dùng và thiết lập hệ thống điện tự dùng một chiều (ắc quy và tủ nạp) phục vụ mạch điều khiển, đo lường, bảo vệ và chiếu sáng sự cố.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung tính toán thiết kế phần điện cho nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 180 MW với các kết quả định lượng cụ thể:

Hạng mục thiết bị / Thông số Loại thiết bị / Giá trị tính toán Thông số kỹ thuật danh định
Tổ máy phát điện (3 tổ) $TB\Phi-60-2$ $60\text{ MW}$, $75\text{ MVA}$, $10{,}5\text{ kV}$, $\cos\varphi = 0{,}8$
Máy biến áp hai cuộn dây B3 $TP\text{д}H-80000/110$ $80\text{ MVA}$, $115/10{,}5\text{ kV}$, $U_N% = 10{,}5%$
Máy biến áp tự ngẫu B1, B2 $AT\text{д}U\text{TH}-160000/220$ $160\text{ MVA}$, $230/121/11\text{ kV}$, $\alpha = 0{,}5$
Kháng điện phân đoạn thanh góp $PBA-10-4000-12$ $10{,}5\text{ kV}$, $4000\text{ A}$, $X_k% = 12%$
Đường dây liên kết hệ thống 220 kV Đường dây kép $L = 97\text{ km}$, $x_0 = 0{,}4\ \Omega/\text{km}$

Tổng hợp các giá trị dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút đặc trưng:

Điểm ngắn mạch Cấp điện áp và vị trí $I''$ (kA) $i_{xk}$ (kA) Mục đích tính toán
$N_1$ Thanh góp cao áp 220 kV 5,435 13,835 Chọn khí cụ điện và dây dẫn mạch 220 kV
$N_2$ Thanh góp trung áp 110 kV 9,342 23,781 Chọn khí cụ điện và dây dẫn mạch 110 kV
$N_3$ Hạ áp MBA liên lạc (khi MBA B1 nghỉ) 48,883 — Chọn khí cụ điện hạ áp MBA liên lạc
$N_4$ Thanh góp 10,5 kV (khi B1 và F1 nghỉ) 20,495 — Chọn khí cụ điện mạch thanh góp máy phát
$N_5$ Phía hạ áp máy phát (khi F1 nghỉ) 41,762 106,309 Chọn khí cụ điện mạch đầu cực máy phát
$N_6$ Phụ tải 10,5 kV và tự dùng 69,805 177,695 Chọn khí cụ điện phụ tải địa phương và tự dùng

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài:

  • Lựa chọn giải pháp phối hợp cấu trúc: Việc kết hợp 1 MBA hai cuộn dây $80\text{ MVA}$ phía trung áp và 2 MBA tự ngẫu $160\text{ MVA}$ liên lạc giữa 3 cấp điện áp giúp tối ưu hóa vốn đầu tư so với phương án dùng 3 MBA liên kết trực tiếp lên cấp 220 kV.
  • Đánh giá khả năng quá tải: Chứng minh được tính linh hoạt của MBA tự ngẫu khi truyền tải công suất hai chiều giữa cuộn trung và cuộn hạ mà không vượt quá công suất định mức của cuộn dây ngay cả khi xảy ra sự cố hỏng 1 MBA.
  • Giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch: Việc ứng dụng kháng điện phân đoạn $PBA-10-4000-12$ trên thanh góp 10,5 kV làm giảm dòng ngắn mạch tại điểm $N_4$ xuống mức $20{,}495\text{ kA}$, tạo điều kiện chọn lựa khí cụ đóng cắt và cáp có định mức kinh tế hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Tác giả tự đánh giá do giới hạn thời gian nghiên cứu và năng lực cá nhân, đồ án chỉ dừng lại ở các phương pháp giải tích thủ công truyền thống và tra cứu đường cong tính toán, chưa áp dụng các công cụ mô phỏng phần mềm chuyên dụng (như ETAP, DigSILENT PowerFactory hoặc PSS/E) để kiểm chứng chế độ quá độ điện từ và ổn định động học của các máy phát khi nối lưới.
    • Số liệu phụ tải ngày được xây dựng dựa trên biểu đồ phần trăm công suất giả định theo quy chuẩn học thuật, chưa phản ánh đầy đủ tính ngẫu nhiên của phụ tải thực tế theo mùa và điều kiện thời tiết.
    • Phần phân tích kinh tế chủ yếu so sánh định tính về cấu trúc thiết bị và vốn đầu tư giữa 2 phương án sơ đồ nối điện chính, chưa có bảng tính chi tiết về chi phí tổn hao điện năng hàng năm ($\Delta A$), chi phí vận hành bảo dưỡng ($Y$) và thời gian thu hồi vốn đầu tư.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện hiện đại để mô hình hóa chi tiết hệ thống điều tốc của tuabin, hệ thống kích từ máy phát điện và tính toán chế độ vận hành ổn định động khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây 220 kV.
    • Bổ sung các giải pháp kỹ thuật về tự động hóa trạm biến áp, bảo vệ rơle số tích hợp giao thức IEC 61850 và nghiên cứu giải pháp xử lý phát thải khói bụi, tro xỉ đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường hiện hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện:

  • Giá trị phương pháp luận: Cung cấp trình tự các bước thực hiện một đồ án thiết kế phần điện trạm phát điện hoàn chỉnh, từ cân bằng công suất biểu kiến, thành lập đồ thị phụ tải đến lập sơ đồ nguyên lý nối điện chính.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Phương pháp tính toán phân bố công suất và kiểm tra quá tải sự cố trên các cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu ba pha (Chương III), đặc biệt là việc xác định chiều truyền công suất qua cuộn trung và cuộn hạ.
    • Các bước chuyển đổi sơ đồ mạng điện phức tạp nhiều nguồn ($Y - \Delta$ và $\Delta - Y$) để tính toán điện kháng tương đương và dòng ngắn mạch siêu quá độ theo đường cong tính toán quy chuẩn (Chương IV).
    • Quy trình tính chọn và kiểm nghiệm khí cụ điện, thanh dẫn cứng, sứ đỡ và kháng điện phân đoạn (Chương III và Chương V).

Câu hỏi thường gặp

1. Các tổ máy phát điện được lựa chọn trong đồ án có thông số kỹ thuật danh định như thế nào? Nhà máy sử dụng 3 tổ máy phát điện đồng bộ cùng chủng loại $TB\Phi-60-2$. Các thông số danh định gồm: công suất biểu kiến $S_{Fdm} = 75\text{ MVA}$, công suất tác dụng định mức $P_{Fdm} = 60\text{ MW}$, điện áp định mức $U_{Fdm} = 10{,}5\text{ kV}$, dòng điện định mức $I_{Fdm} = 4{,}125\text{ kA}$, hệ số công suất định mức $\cos\varphi_{dm} = 0{,}8$, điện kháng siêu quá độ tương đối $X''_d = 0{,}146$, $X'_d = 0{,}22$ và $X_d = 1{,}691$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án 1 cho sơ đồ nối điện chính thay vì Phương án 2? Ở Phương án 1, nhà máy sử dụng 1 bộ máy phát - máy biến áp hai cuộn dây nối lên cấp 110 kV và 2 máy phát nối vào cấp 10,5 kV liên lạc qua 2 MBA tự ngẫu. Trong khi đó ở Phương án 2, tổ máy phát phải ghép bộ với MBA nối lên cấp 220 kV và tất cả MBA đều đấu nối vào thanh góp 220 kV. Phương án 2 đòi hỏi dung lượng các máy biến áp lớn hơn, dẫn đến vốn đầu tư thiết bị cao hơn và gia tăng tổn thất điện năng so với Phương án 1.

3. Chủng loại và thông số của các máy biến áp chính được chọn cho nhà máy là gì? Nhà máy sử dụng hai chủng loại máy biến áp chính:

  • 01 máy biến áp hai cuộn dây B3: Loại $TP\text{д}H-80000/110$, công suất định mức $80\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $115/10{,}5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 70\text{ kW}$, $\Delta P_N = 310\text{ kW}$, $U_N% = 10{,}5%$, $I_0% = 0{,}55%$.
  • 02 máy biến áp tự ngẫu liên lạc B1, B2: Loại $AT\text{д}U\text{TH}-160000/220$, công suất định mức $160\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $230/121/11\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 85\text{ kW}$, $\Delta P_N = 380\text{ kW}$, điện áp ngắn mạch giữa các cuộn $U_{N(C-T)}% = 11%$, $U_{N(C-H)}% = 32%$, $U_{N(T-H)}% = 20%$, hệ số có lợi $\alpha = 0{,}5$.

4. Kháng điện phân đoạn được lắp đặt với mục đích gì và có thông số kỹ thuật ra sao? Kháng điện phân đoạn được đặt giữa hai phân đoạn của thanh góp điện áp máy phát 10,5 kV nhằm mục đích hạn chế dòng điện ngắn mạch truyền qua lại giữa các tổ máy khi xảy ra sự cố trên thanh góp. Căn cứ vào dòng điện cưỡng bức tính toán lớn nhất $I_{kcb} = 3{,}616\text{ kA}$, tác giả chọn kháng điện bê tông cuộn dây nhôm kiểu $PBA-10-4000-12$ có điện áp định mức $10{,}5\text{ kV}$, dòng điện định mức $4000\text{ A}$ và độ kháng danh định $X_k% = 12%$.

5. Vị trí nào trong hệ thống điện của nhà máy có dòng điện ngắn mạch siêu quá độ lớn nhất? Vị trí có dòng ngắn mạch siêu quá độ lớn nhất là điểm $N_6$ (mạch phụ tải địa phương 10,5 kV và tự dùng), với dòng ngắn mạch siêu quá độ $I''$ đạt $69{,}805\text{ kA}$ và dòng xung kích $i_{xk}$ lên đến $177{,}695\text{ kA}$, do điểm này nằm ở cấp điện áp thấp và nhận nguồn ngắn mạch tổng hợp từ cả hệ thống điện lẫn các tổ máy phát điện của nhà máy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Tiến Đạt đã giải quyết đầy đủ và logic nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật phần điện cho nhà máy nhiệt điện ngưng hơi công suất $180\text{ MW}$ theo chuẩn chương trình đào tạo ngành Điện Tự Động Công Nghiệp. Các khâu tính toán cân bằng công suất, lựa chọn sơ đồ nối điện chính, định cỡ máy biến áp và giải tích ngắn mạch mạng điện được triển khai có hệ thống với các công thức và số liệu kỹ thuật tường minh. Kết quả tính toán cung cấp phương án cấu hình thiết bị điện khả thi, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về an toàn, khả năng chịu quá tải sự cố và độ tin cậy cung cấp điện trong hệ thống năng lượng.