Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống sản xuất công nghiệp, điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu quyết định trực tiếp đến năng lực vận hành, độ an toàn và hiệu quả kinh tế của toàn bộ dây chuyền công nghệ. Việc xây dựng một hệ thống cung cấp điện tối ưu đòi hỏi phải giải quyết bài toán cân bằng giữa các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt (độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện áp) và các chỉ tiêu kinh tế (vốn đầu tư ban đầu, chi phí vận hành hàng năm, tổn thất điện năng).
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Điện Tự Động Công Nghiệp của tác giả Nguyễn Văn Tuyên (Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2016) thực hiện đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho Công ty Cổ phần Sắt Tráng Men – Nhôm Hải Phòng". Đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của một cơ sở sản xuất kim khí, sắt tráng men, nhôm và vật liệu chịu lửa quy mô lớn tại thành phố Hải Phòng.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật của đề tài bao gồm 4 nội dung trọng tâm:
- Thu thập số liệu mặt bằng, cơ cấu phụ tải, quy trình công nghệ và phân tích các yêu cầu kỹ thuật - kinh tế của hệ thống cung cấp điện cho nhà máy.
- Xác định phụ tải tính toán (công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến) cho từng phân xưởng và toàn bộ doanh nghiệp, đồng thời xác định tọa độ trọng tâm phụ tải để làm cơ sở định vị trạm biến áp.
- Lựa chọn phương án cung cấp điện tối ưu, tính toán lựa chọn số lượng - dung lượng máy biến áp, chọn và kiểm tra dây dẫn cao áp, các thiết bị đóng cắt và bảo vệ phía cao áp/hạ áp.
- Tính toán thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp và hệ thống chống sét bảo vệ toàn bộ mặt bằng công trình.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống mạng điện phân phối trung áp (22 kV) và hạ áp (0,4 kV) phục vụ các dây chuyền sản xuất của Công ty Cổ phần Sắt Tráng Men – Nhôm Hải Phòng (địa chỉ tại số 136 đường Ngô Quyền, phường Máy Chai, quận Ngô Quyền, thành phố Hải Phòng). Phạm vi thiết kế bao trùm khu vực nhà xưởng rộng 6,2 ha với kích thước mặt bằng 298 m × 222 m.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các tiêu chuẩn và phương pháp tính toán kinh điển trong kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp:
Khung lý thuyết và phương pháp xác định phụ tải tính toán
Tác giả hệ thống hóa và áp dụng các phương pháp tính toán phụ tải điện tùy thuộc vào mức độ chi tiết của thông tin thiết bị:
- Phương pháp hệ số công suất cực đại và công suất trung bình ($k_{max}$, $P_{tb}$): Sử dụng công thức xác định số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ dựa trên tỷ số $n^* = \frac{n_1}{n}$ và $P^* = \frac{P_1}{P}$, từ đó tra bảng xác định hệ số $k_{max}$ theo hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,4$ để tính toán phụ tải tác dụng cực đại cho các phân xưởng sản xuất cơ khí, dập hình, cán đúc, inox, tráng nung, nhôm.
- Phương pháp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Áp dụng cho các khu vực phụ trợ như nhà hành chính, nhà ăn với công thức $P_{tt} = k_{nc} \cdot P_đ$.
- Phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($P_0$): Tính toán công suất chiếu sáng $P_{cs} = p_0 \cdot F$ cho từng phân xưởng và khu vực chức năng.
- Hệ số đồng thời ($k_{đt}$): Áp dụng hệ số $k_{đt} = 0,8$ để tính tổng công suất tác dụng và phản kháng toàn nhà máy nhằm phản ánh chính xác tình trạng không trùng đỉnh tải giữa các phân xưởng độc lập.
Cơ sở lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện
- Xác định tâm phụ tải: Sử dụng mô hình hình học giải tích tính tọa độ trọng tâm theo công thức bình quân gia quyền công suất: $$x_0 = \frac{\sum (S_i \cdot x_i)}{\sum S_i}, \quad y_0 = \frac{\sum (S_i \cdot y_i)}{\sum S_i}$$
- Lựa chọn máy biến áp: So sánh kinh tế - kỹ thuật thông qua hàm tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$), chi phí vốn đầu tư và thời hạn thu hồi vốn tiêu chuẩn ($N \le 5$ năm).
- Lựa chọn tiết diện dây dẫn: Chọn cáp trung áp theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$ với $T_{max} = 3000 \div 5000\text{ h}$), sau đó kiểm tra lại theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép, dòng phát nóng sự cố ($I_{sc} \le I_{cp}$) và điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng ngắn mạch ($F_{Tcmin} = \alpha \cdot I_N \cdot \sqrt{t_{qđ}}$).
- Lựa chọn khí cụ cao áp: Chọn và kiểm tra máy cắt điện, dao cách ly theo điện áp định mức ($U_{đm}$), dòng điện định mức ($I_{đm}$), dòng cắt định mức ($I_{cđm}$), ổn định lực điện động ($i_{xk}$) và ổn định nhiệt ($I_{nh.đm}$).
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống cung cấp điện cho nhà máy được thiết kế đồng bộ từ khâu nhận nguồn đến mạng phân phối nội bộ:
| Hạng mục kỹ thuật | Thông số / Giải pháp thiết kế được lựa chọn |
|---|---|
| Nguồn điện cấp | Lấy từ lưới điện phân phối 22 kV của Trạm biến áp Ngô Quyền |
| Cấu trúc mạng điện | Sơ đồ hình tia, cáp ngầm trung áp đặt sâu 1,2 m trong ống chịu lực FED 150 đổ bê tông bảo vệ |
| Trạm biến áp (TBA) | Kiểu trạm xây kín đặt gần trọng tâm phụ tải (tọa độ $x=19,2$; $y=13$), trang bị 2 máy biến áp 1000 kVA – 22/0,4 kV do Công ty Cổ phần Thiết bị điện Đông Anh (EEMC) chế tạo |
| Cáp ngầm trung thế | Cáp đồng 3 lõi cách điện XLPE, vỏ PVC, đai thép Cu/XLPE/PVC (3×70 mm²) do hãng FURUKAWA sản xuất |
| Thiết bị đóng cắt cao áp | Máy cắt SF6 ngoài trời 24 kV – 630 A (Model 24GI-24 E16) và dao cách ly 3DC của Siemens |
| Hệ thống bảo vệ | Bảo vệ quá dòng, ngắn mạch bằng rơle kết hợp máy cắt tự động; hệ thống nối đất an toàn TBA và lưới kim thu sét bảo vệ công trình |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu về Công ty Cổ phần Sắt Tráng Men – Nhôm Hải Phòng
Tác giả trình bày lịch sử hình thành và phát triển của doanh nghiệp từ khi thành lập cuối năm 1958 (đi vào hoạt động ngày 17/5/1960) qua các mốc lịch sử quan trọng: giai đoạn sản xuất phục vụ kháng chiến, mở rộng sản xuất (1976-1978), đổi mới quản lý (1987-2004) và cổ phần hóa doanh nghiệp (từ tháng 10/2004 theo Quyết định 108/2004/QĐ-BCN).
Số liệu thống kê nhân sự (thời điểm tháng 3/2010) cho thấy tổng số 474 lao động (trong đó 456 người đóng BHXH, 347 công nhân kỹ thuật, 86 người có trình độ đại học). Bộ máy công ty tổ chức gồm 8 phòng chức năng và 8 xưởng sản xuất chính.
Mặt bằng tổng thể nhà máy có kích thước 298 m × 222 m với 9 khu vực chức năng chính. Thống kê phụ tải danh định của các phân xưởng ghi nhận:
- Xưởng cơ khí: 41 thiết bị, tổng công suất đặt 172 kW, diện tích 1536 m².
- Xưởng cán đúc: 47 thiết bị, tổng công suất đặt 330 kW, diện tích 1092 m² (gồm máy cán 185 kW, cầu trục 13 kW, máy ép phôi 4,5 kW).
- Xưởng chế men - vật liệu chịu lửa: 38 thiết bị, tổng công suất đặt 232,9 kW (thang máy chở hàng 46 kW, máy đập hàm 20 kW, máy trộn men 60 kW).
- Xưởng dập hình: 72 thiết bị, tổng công suất đặt 203,95 kW (máy dập song động 52 kW, máy kéo tôn 13 kW).
- Xưởng nhôm: 44 thiết bị, tổng công suất đặt 130,1 kW (máy dập thủy lực 500T công suất 35 kW, máy dập song động 22 kW).
- Xưởng tráng nung: 42 thiết bị, tổng công suất đặt 182,5 kW (4 quạt chống nóng 60 kW, 4 quạt lò nung 44 kW, 2 máy nén khí 36 kW).
- Xưởng Inox: 28 thiết bị, tổng công suất đặt 194,5 kW (máy dập thủy lực 70 kW, máy đánh bóng 44 kW).
- Nhà hành chính (270 m²) và Nhà ăn (150 m²).
Chương 2: Xác định phụ tải tính toán của các phân xưởng và toàn nhà máy
Tác giả áp dụng các thuật toán tính toán cụ thể cho từng nhóm thiết bị để xác định công suất tác dụng tính toán ($P_{tt}$), công suất phản kháng ($Q_{tt}$) và công suất chiếu sáng ($P_{cs}$):
| Phân xưởng / Hạng mục | $P_{tt\text{ (động lực)}}$ (kW) | $Q_{tt\text{ (động lực)}}$ (kVAr) | $P_{cs}$ (kW) | $P_{tt\Sigma}$ (kW) | $Q_{tt\Sigma}$ (kVAr) | $S_{tt}$ (kVA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Xưởng cơ khí | 81,872 | 72,05 | 30,72 | 112,592 | 72,05 | 139,78 |
| Xưởng cán đúc | 297,00 | 261,36 | 21,84 | 318,840 | 261,36 | 417,44 |
| Xưởng chế men - VLCL | 120,73 | 106,24 | 12,78 | 133,510 | 106,24 | 160,82 |
| Phân xưởng dập hình | 89,738 | 79,00 | 28,08 | 117,819 | 79,00 | 147,64 |
| Phân xưởng nhôm | 86,400 | 76,032 | 27,04 | 113,440 | 76,032 | 142,13 |
| Xưởng tráng nung | 102,010 | 89,77 | 45,36 | 147,370 | 89,77 | 181,24 |
| Xưởng Inox | 109,400 | 96,27 | 26,88 | 136,280 | 96,27 | 181,24 |
| Nhà hành chính | 111,200 | 86,78 | 4,50 | 115,700 | 86,78 | 114,63 |
| Nhà ăn | 36,000 | 27,00 | 2,30 | 38,300 | 27,00 | 46,86 |
| Tổng chưa xét $k_{đt}$ | 1034,35 | 894,50 | 204,20 | 1238,55 | 899,23 | 1516,21 |
Khi tính toán cho toàn nhà máy có xét đến hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,8$:
- Công suất tác dụng tính toán tổng: $P_{tt\Sigma} = 0,8 \times 1238,55 = 990,84\text{ kW}$
- Công suất phản kháng tính toán tổng: $Q_{tt\Sigma} = 0,8 \times 899,234 = 719,4\text{ kVAr}$
- Công suất biểu kiến toàn phần: $S_{tt\Sigma} = \sqrt{990,84^2 + 719,4^2} = 1224,46\text{ kVA}$
- Hệ số công suất tự nhiên toàn nhà máy: $\cos\varphi = \frac{990,84}{1224,46} \approx 0,81$
Tọa độ trọng tâm phụ tải được tính toán ra kết quả $M(19,2; 13)$. Trên cơ sở đó, biểu đồ phụ tải hình tròn được xác lập với tỷ lệ xích $3\text{ kVA/mm}^2$ để mô tả trực quan phân bố tải trọng điện trên mặt bằng khu vực.
Chương 3: Lựa chọn các thiết bị điện cho nhà máy
Tác giả tiến hành so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa 2 phương án đặt máy biến áp:
- Phương án 1: Đặt 2 máy biến áp $1000\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ ($\Delta P_0 = 1,68\text{ kW}$, $\Delta P_N = 10\text{ kW}$, vốn đầu tư $2 \times 315 \times 10^6 = 630 \times 10^6\text{ VNĐ}$). Tổn thất điện năng trong 1 năm là $\Delta A_1 = 47.535\text{ kWh}$.
- Phương án 2: Đặt 1 máy biến áp $1800\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ (vốn đầu tư $665 \times 10^6\text{ VNĐ}$). Tổn thất điện năng trong 1 năm là $\Delta A_2 = 43.018\text{ kWh}$.
Chênh lệch tổn thất điện năng giữa hai phương án là $\Delta A = 4.517\text{ kWh/năm}$, tương đương giá trị chênh lệch tiền điện hàng năm là $4.517 \times 1.500 = 6.775.500\text{ VNĐ}$. Thời hạn thu hồi vốn phụ trội của phương án 2 là: $$N = \frac{(665 - 630) \times 10^6}{6.775.500} \approx 5,3\text{ năm} > 5\text{ năm}$$ Do thời gian hoàn vốn vượt mức quy định 5 năm và phương án 2 máy biến áp đảm bảo cấp điện liên tục khi một máy gặp sự cố, tác giả chọn Phương án 1 (2 máy biến áp $1000\text{ kVA}$).
Đối với mạng cao áp 22 kV:
- Tính toán dòng làm việc bình thường $I_{tt} = 19,9\text{ A}$, dòng sự cố khi 1 máy hỏng $I_{sc} = 39,8\text{ A}$.
- Tiết diện cáp kinh tế: $F_{kt} = \frac{19,9}{3,1} = 6,42\text{ mm}^2$.
- Sau khi kiểm tra dòng ngắn mạch 3 pha ($I_N = 16,67\text{ kA}$, $t_{qđ} = 0,25\text{ s}$) theo điều kiện ổn định nhiệt $F_{Tcmin}$, tác giả lựa chọn và chuẩn hóa cáp đồng 3 lõi ngầm $3 \times 70\text{ mm}^2$ cách điện XLPE của FURUKAWA cho toàn bộ tuyến cáp từ cột điện cao áp đến tủ cao áp và máy biến áp.
- Chọn máy cắt SF6 Siemens loại 24GI-24 E16 ($U_{đm} = 24\text{ kV}$, $I_{đm} = 630\text{ A}$, dòng cắt định mức $I_{cđm} = 16\text{ kA}$) và dao cách ly Siemens 3DC thỏa mãn đầy đủ các điều kiện định mức, ổn định lực điện động và ổn định nhiệt.
Chương 4: Nối đất và chống sét
Chương này thực hiện các tính toán kỹ thuật nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống và công trình:
- Tính toán nối đất an toàn cho trạm biến áp đạt điện trở nối đất theo quy chuẩn kỹ thuật ($R_{đ} \le 4\ \Omega$).
- Tính toán phạm vi bảo vệ chống sét đánh thẳng cho toàn bộ các công trình phân xưởng trên mặt bằng $298\text{ m} \times 222\text{ m}$ của nhà máy.
Kết quả và đóng góp
- Xác lập bộ số liệu phụ tải chi tiết: Thống kê và tính toán hoàn chỉnh công suất cho gần 300 thiết bị máy móc công nghiệp phân bổ trên 7 xưởng sản xuất và 2 khu vực phụ trợ, đưa ra phụ tải toàn phần tính toán chính xác của công ty đạt $1224,46\text{ kVA}$ với hệ số công suất $\cos\varphi = 0,81$.
- Đưa ra giải pháp cấp điện tối ưu về kinh tế - kỹ thuật: Phân tích định lượng chứng minh tính ưu việt của phương án lắp đặt 2 máy biến áp $1000\text{ kVA}$ thay vì 1 máy $1800\text{ kVA}$, vừa tiết kiệm 35 triệu đồng chi phí đầu tư ban đầu, vừa đảm bảo tính liên tục cấp điện cho các phụ tải công nghiệp quan trọng.
- Thiết kế đồng bộ mạng cao áp: Lựa chọn tuyến cáp ngầm $3 \times 70\text{ mm}^2$ Cu/XLPE/PVC đặt trong ống FED 150 cùng hệ thống thiết bị đóng cắt SF6 và dao cách ly Siemens đạt tiêu chuẩn ổn định động và ổn định nhiệt đối với dòng ngắn mạch $16,67\text{ kA}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc thiết kế mới hệ thống cấp điện dựa trên số liệu thống kê phụ tải tĩnh tại một thời điểm vận hành, chưa tích hợp các giải pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất tự nhiên ($\cos\varphi = 0,81$) lên ngưỡng $\cos\varphi \ge 0,9$ theo quy định hiện hành của ngành điện.
- Hướng mở rộng: Bổ sung tính toán chi tiết hệ thống tủ tụ bù tự động hạ áp tại thanh cái 0,4 kV; nghiên cứu ứng dụng hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA/EMS) để theo dõi chất lượng điện năng và tự động hóa chuyển nguồn hạ thế khi xảy ra sự cố trạm.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Điện tự động công nghiệp thực hiện đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp về thiết kế cung cấp điện nhà máy công nghiệp.
- Kỹ sư thiết kế điện tham khảo quy trình tính toán phụ tải công nghiệp đa dạng (cán, đúc, dập kim loại, nung gốm sứ/tráng men), phương pháp xác định tâm phụ tải và quy trình chọn - kiểm tra thiết bị đóng cắt cao áp.
Câu hỏi thường gặp
1. Phụ tải tính toán toàn nhà máy sau khi xét đến hệ số đồng thời là bao nhiêu? Phụ tải tính toán toàn nhà máy sau khi áp dụng hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,8$ đạt công suất tác dụng $P_{tt\Sigma} = 990,84\text{ kW}$, công suất phản kháng $Q_{tt\Sigma} = 719,4\text{ kVAr}$, công suất toàn phần $S_{tt\Sigma} = 1224,46\text{ kVA}$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,81$.
2. Vì sao phương án 2 máy biến áp 1000 kVA được lựa chọn thay vì 1 máy 1800 kVA? Phương án 2 máy biến áp 1000 kVA có vốn đầu tư thấp hơn 35 triệu đồng ($630\text{ triệu}$ so với $665\text{ triệu đồng}$). Thời gian hoàn vốn phụ trội của phương án 1 máy biến áp là 5,3 năm (vượt quá thời gian hoàn vốn tiêu chuẩn 5 năm). Đồng thời, phương án 2 máy bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện cao hơn khi 1 máy gặp sự cố thì máy còn lại vẫn duy trì cấp điện cho phụ tải quan trọng.
3. Cáp trung áp 22 kV được lựa chọn là loại cáp nào và đặt như thế nào? Cáp ngầm trung thế được chọn là cáp đồng 3 lõi Cu/XLPE/PVC tiết diện $3 \times 70\text{ mm}^2$ do FURUKAWA sản xuất. Cáp được đặt ngầm dưới đất ở độ sâu 1,2 m trong ống thủy lực chịu biến dạng FED 150 có đổ bê tông định hình bảo vệ.
4. Thiết bị đóng cắt cao áp được lựa chọn trong đồ án là loại gì? Đồ án lựa chọn máy cắt khí SF6 ngoài trời 24 kV – 630 A (Model 24GI-24 E16) của Siemens với dòng cắt định mức 16 kA và dao cách ly 3DC của Siemens.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Văn Tuyên đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cung cấp điện cho Công ty Cổ phần Sắt Tráng Men – Nhôm Hải Phòng. Bằng việc kết hợp các phương pháp tính toán phụ tải chuẩn xác, phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật chặt chẽ và tuân thủ các quy chuẩn an toàn điện, công trình đã đề xuất được phương án cung cấp điện 22/0,4 kV với 2 máy biến áp 1000 kVA hợp lý, khả thi và có độ tin cậy cao. Toàn bộ các thiết bị bảo vệ và đóng cắt trung áp, hạ áp đều được tính chọn và kiểm nghiệm đầy đủ theo các điều kiện vận hành bình thường và sự cố ngắn mạch.