Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ toàn bộ hoạt động sản xuất công nghiệp và kinh tế - xã hội. Đối với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng có quy mô lớn, việc xây dựng và quy hoạch hệ thống cung cấp điện an toàn, liên tục, tin cậy và tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật là yêu cầu bắt buộc. Đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho Công ty cổ phần Viglacera Tiên Sơn, chi nhánh nhà máy Viglacera Thái Bình" được sinh viên Vũ Quang Huyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thị Huyền Thanh tại Bộ môn Hệ thống điện – Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam (năm 2017).

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Tìm hiểu tổng quan về lịch sử hình thành, mặt bằng quy hoạch và quy trình công nghệ sản xuất gạch men của nhà máy.
  2. Thống kê phụ tải, phân nhóm thiết bị và xác định phụ tải tính toán cho từng phân xưởng, phòng ban và toàn bộ nhà máy.
  3. Phân loại phụ tải, tính chọn số lượng, dung lượng trạm biến áp, máy phát điện dự phòng, tiết diện dây dẫn mạng cao áp và trang thiết bị đóng cắt hạ áp.
  4. Tính toán dòng điện ngắn mạch tại các vị trí sự cố đặc trưng trên lưới cao áp và hạ áp để kiểm tra khả năng ổn định nhiệt, ổn định lực điện động của các khí cụ điện.
  5. Thiết kế mạng chiếu sáng phân xưởng sản xuất và chiếu sáng ngoài trời.
  6. Tính toán bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của nhà máy.
  7. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp và hệ thống chống sét đánh trực tiếp bảo vệ toàn bộ khuôn viên công trình.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện phục vụ dây chuyền sản xuất gạch men tại Nhà máy Viglacera Thái Bình, tọa lạc tại Khu công nghiệp Tiền Hải, xã Đông Lâm, huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình. Phạm vi nghiên cứu bao quát mạng lưới điện nhận từ đường dây 22 kV (lộ 470 E1.1 Tiền Hải) đến các tủ phân phối, tủ động lực và thiết bị tiêu thụ hạ áp 0,4 kV trong nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành về thiết kế cung cấp điện xí nghiệp công nghiệp, căn cứ theo các tài liệu kỹ thuật và giáo trình chuẩn:

  • Giáo trình cung cấp điện cho khu công nghiệp và khu dân cư của PGS. TS. Vũ Hải Thuận.
  • Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp và nhà cao tầng của PGS. TS. Nguyễn Công Hiền.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật được áp dụng cụ thể:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán động lực: Sử dụng Phương pháp hệ số cực đại ($k_{max}$, $k_{sd}$) kết hợp xác định số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) cho các nhóm máy trong từng phân xưởng nhằm đảm bảo độ chính xác cao khi các thiết bị có công suất và chế độ làm việc không đồng nhất.
  • Phương pháp xác định phụ tải chiếu sáng và phụ tải sinh hoạt: Sử dụng Phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($P_0$ theo $W/m^2$) đối với chiếu sáng nhà xưởng, đường nội bộ và các phòng ban hành chính.
  • Phương pháp tổng hợp phụ tải: Ứng dụng Phương pháp hệ số đồng thời ($k_{đt}$) để tính toán phụ tải tổng hợp của từng phân xưởng và toàn bộ xí nghiệp.
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch: Sử dụng phương pháp đại số trong hệ đơn vị có tên để xác định các dòng ngắn mạch siêu quá độ, dòng xung kích và công suất ngắn mạch tại các thanh cái cao áp 22 kV và hạ áp 0,4 kV.
  • Phương pháp thiết kế chiếu sáng: Sử dụng phương pháp hệ số sử dụng, phương pháp tính gần đúng, phương pháp tính từng điểm và phần mềm hỗ trợ thiết kế chiếu sáng Luxicon.
  • Phương pháp tính toán chống sét và tiếp địa: Áp dụng lý thuyết hình học vùng bảo vệ của kim thu sét (phương pháp bán kính bảo vệ) và tính toán điện trở tản của hệ thống cọc tiếp địa thép góc mạ kẽm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về công ty

Chương này tổng kết lịch sử phát triển của Công ty Cổ phần Viglacera Tiên Sơn (tiền thân là Công ty Gạch Granite Tiên Sơn thành lập năm 2001 theo Quyết định số 1866/QĐ-BXD của Bộ Xây dựng). Doanh nghiệp chuyên sản xuất và kinh doanh các sản phẩm gạch ốp lát granite, ceramic như Crystal C series, Crystal K Series, Crystal A Series, gạch giả cổ R series, gạch hạt mịn D series, gạch mài bóng B series, men khô, chân tường, UERO. Công ty đã áp dụng hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001:2000 và mô hình 5S, Kaizen.

Nhà máy tại Thái Bình nhận nguồn điện từ lộ 470 E1.1 Tiền Hải đi song song về phía đông. Quy trình công nghệ sản xuất gạch men bao gồm 6 công đoạn liên hoàn:

  1. Nghiền nguyên liệu (đất, cát, đá, hóa chất) và khuấy trộn tại hầm chứa.
  2. Sấy phun tạo bột từ hỗn hợp dạng lỏng.
  3. Định hình tấm gạch bằng máy ép/dập thủy lực.
  4. Tráng men và in màu.
  5. Nung gạch chín trong lò nung liên tục.
  6. Mài gạch (mài thô, mài bóng, vát cạnh), phân loại KCS và đóng gói.

Chương 2: Xác định phụ tải

Tác giả trình bày cơ sở lý thuyết các phương pháp xác định phụ tải tính toán (suất tiêu hao, suất diện tích, hệ số nhu cầu, hệ số cực đại, hệ số đồng thời, đồ thị phụ tải, phương pháp cộng số gia, thiết bị một pha và phụ tải đỉnh nhọn). Trên cơ sở mặt bằng và công nghệ, phụ tải được chia thành phụ tải động lực và phụ tải chiếu sáng:

  • Xưởng máy nghiền ($1680 m^2$): Chia 2 nhóm động lực gồm 6 máy nghiền 135 kW, 2 pa lăng 1,5 kW, 5 máy nén khí 18,5 kW, 6 máy khuấy bùn 22 kW; công suất chiếu sáng $P_0 = 12 W/m^2$. Kết quả: $P_{xmn} = 690,55 kW$; $Q_{xmn} = 510,97 kVAr$; $S_{xmn} = 859 kVA$; $I_{xmn} = 1305,11 A$.
  • Xưởng sấy ($480 m^2$): Gồm quạt gió 15 kW, băng tải 30 kW, phụ tải phụ trợ và chiếu sáng. Kết quả: $P_{xs} = 17,7 kW$; $Q_{xs} = 12,83 kVAr$; $S_{xs} = 21,85 kVA$; $I_{xs} = 33,2 A$.
  • Xưởng máy dập ($240 m^2$): Gồm 4 máy dập 60 kW, 4 máy hút bụi 6 kW, thiết bị phụ trợ. Kết quả: $P_{xmd} = 181,93 kW$; $Q_{xmd} = 135,5 kVAr$; $S_{xmd} = 226,4 kVA$; $I_{xmd} = 343,97 A$.
  • Xưởng lò nung ($4800 m^2$): Gồm 2 băng tải 60 kW, 4 quạt thông gió 11 kW và chiếu sáng. Kết quả: $P_{xln} = 166,76 kW$; $Q_{xln} = 105,2 kVAr$; $S_{xln} = 197,2 kVA$; $I_{xln} = 299,6 A$.
  • Xưởng mài ($2400 m^2$): Chia 3 nhóm động lực gồm máy mài thô 128 kW, máy mài bóng 180 kW, máy chuẩn kích thước 40 kW, băng tải và máy đóng gói. Kết quả: $P_{xmm} = 857,74 kW$; $Q_{xmm} = 633,42 kVAr$; $S_{xmm} = 1066,27 kVA$; $I_{xmm} = 1620 A$.
  • Khối phòng ban và phụ trợ: Phòng hành chính ($5,7 kW$), Phòng trưng bày ($5,47 kW$), Phòng KCS ($6,6 kW$), Chiếu sáng bảo vệ và nhà để xe ($11,3 kW$).
  • Tổng hợp phụ tải toàn nhà máy (áp dụng $k_{đt} = 0,85$): $P_{\Sigma CT} = 1555 kW$; $Q_{\Sigma CT} = 1137,08 kVAr$; $S_{\Sigma CT} = 1926,38 kVA$; $I_{CT} = 2926,84 A$.

Chương 3: Lựa chọn thiết bị

  • Phân loại phụ tải: Xác định phụ tải loại 1 bao gồm các thiết bị dây chuyền liên tục không thể mất điện (xưởng nghiền, sấy, dập, nung, hành chính), có tổng công suất $P_{ptl1} = 825,12 kW$, $S_{ptl1} = 1028,4 kVA$, chiếm khoảng 54% tổng công suất toàn công ty.
  • Trạm biến áp và nguồn dự phòng: Lựa chọn giải pháp cấp điện từ trạm biến áp 22/0,4 kV; trang bị máy phát điện dự phòng Mitsubishi MDS-1403T kết hợp tủ chuyển nguồn tự động ATS để cấp điện cho phụ tải loại 1 khi lưới điện gặp sự cố.
  • Hệ thống phân phối điện hạ áp: Thiết kế sơ đồ mạng điện hình tia từ Tủ phân phối trung tâm (TPPTT) đến các tủ phân phối nhóm, tủ động lực và tủ chiếu sáng. Lựa chọn dây cáp hạ áp, aptomat tổng, aptomat nhánh và thanh cái đồng dẫn điện. Thiết kế chi tiết điển hình mạng điện cho phân xưởng máy dập.

Chương 4: Tính toán ngắn mạch

  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch cho hệ thống điện 22 kV và 0,4 kV.
  • Tính dòng ngắn mạch ba pha tại các nút: đầu cực máy cắt cao áp, thanh cái hạ áp trạm biến áp, đầu vào các tủ phân phối và tủ động lực phân xưởng.
  • Kiểm tra điều kiện làm việc bình thường và điều kiện ổn định lực điện động, ổn định nhiệt của thiết bị cao áp: máy cắt 22 kV, thanh dẫn 22 kV, dao cách ly 3DC, chống sét van và sứ cách điện.
  • Kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch của hệ thống aptomat và độ bền nhiệt của thanh góp hạ áp.

Chương 5: Thiết kế chiếu sáng

  • Khảo sát yêu cầu độ rọi quang học cho các khu vực sản xuất và văn phòng.
  • Sử dụng phương pháp hệ số sử dụng và phần mềm Luxicon để tính toán số lượng bộ đèn huỳnh quang chấn lưu điện tử, xác định độ cao treo đèn và vị trí bố trí đèn hợp lý trong xưởng máy nghiền và các xưởng sản xuất.
  • Thiết kế sơ đồ đi dây, lựa chọn tủ chiếu sáng, dây dẫn và aptomat bảo vệ cho các lộ chiếu sáng.

Chương 6: Bù công suất phản kháng

  • Phân tích các giải pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên và bù nhân tạo bằng tụ điện tĩnh điện.
  • Tính toán tổng dung lượng bù cần thiết để nâng hệ số công suất $\cos\varphi$ từ mức tự nhiên lên mức yêu cầu của ngành điện ($\ge 0,9$).
  • Lựa chọn thiết bị tụ bù hạ áp, phân chia dung lượng bù vào các tủ phân phối và thiết lập hệ thống điều khiển tự động đóng cắt các cấp tụ theo đồ thị phụ tải thực tế.

Chương 7: Nối đất chống sét

  • Hệ thống nối đất: Thiết kế mạng nối đất an toàn và nối đất làm việc cho trạm biến áp sử dụng hệ cọc thép góc mạ kẽm đóng sâu vào lòng đất liên kết bằng thanh thép dẹt, đảm bảo trị số điện trở nối đất $R_{đ} \le 4,\Omega$.
  • Hệ thống chống sét đánh trực tiếp: Tính toán phạm vi bảo vệ của hệ thống cột thu lôi gồm 2, 3 và 4 kim thu sét có chiều cao bằng nhau kết hợp lưới thu sét lắp đặt trên mái các khối nhà xưởng, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho toàn bộ công trình trước sét đánh trực tiếp.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Dưới đây là bảng tổng hợp diện tích mặt bằng quy hoạch và kết quả tính toán thông số phụ tải điện tại các hạng mục công trình của Nhà máy Viglacera Thái Bình:

STT Tên hạng mục / Phân xưởng Diện tích ($m^2$) Phụ tải tính toán $P_{tt}$ (kW) Công suất phản kháng $Q_{tt}$ (kVAr) Công suất biểu kiến $S_{tt}$ (kVA) Dòng điện tính toán $I_{tt}$ (A)
1 Phân xưởng máy nghiền 1680 690,55 510,97 859,00 1305,11
2 Phân xưởng sấy 480 17,70 12,83 21,85 33,20
3 Phân xưởng máy dập 240 181,93 135,50 226,40 343,97
4 Phân xưởng nung 4800 166,76 105,20 197,20 299,60
5 Phân xưởng mài 2400 857,74 633,42 1066,27 1620,00
6 Phòng tổ chức hành chính 200 5,70 2,87 6,38 9,69
7 Phòng trưng bày sản phẩm 200 5,47 2,74 6,11 9,33
8 Phòng KCS 200 6,60 3,42 7,40 11,30
9 Chiếu sáng bảo vệ và nhà xe 400 11,30 14,40 18,30 27,80
-- Trạm khí / Bãi NL / WC / Cây cảnh 1610 -- -- -- --
Tổng Toàn bộ nhà máy (đã tính $k_{đt}$) 13060 1555,00 1137,08 1926,38 2926,84

Hệ thống cung cấp điện được thiết kế với cấu trúc phân tầng:

  • Cấp điện áp nguồn: 22 kV tiếp nhận từ lộ 470 E1.1 Tiền Hải.
  • Thiết bị đóng cắt và bảo vệ cao áp: Dao cách ly 3DC, máy cắt điện cao áp, chống sét van 22 kV.
  • Trạm biến áp: Hạ áp từ 22 kV xuống 0,4 kV phục vụ các tủ phân phối hạ áp.
  • Nguồn dự phòng: Máy phát điện Mitsubishi MDS-1403T tích hợp bộ tự động chuyển nguồn ATS cấp điện cho 54% phụ tải loại 1 ($S_{ptl1} = 1028,4 kVA$).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Thống kê chi tiết toàn bộ danh mục thiết bị tiêu thụ điện và hoàn thành tính toán phụ tải điện cho 5 phân xưởng sản xuất chính, 3 phòng ban và hệ thống chiếu sáng phụ trợ ngoài trời với tổng công suất tác dụng tính toán đạt $1555 kW$ ($S_{\Sigma CT} = 1926,38 kVA$).
  • Phân loại chính xác tỷ lệ phụ tải loại 1 (chiếm 54% tổng công suất toàn nhà máy), làm cơ sở kỹ thuật xác định công suất máy phát điện dự phòng Mitsubishi MDS-1403T và cấu hình chuyển mạch ATS.
  • Thiết lập phương án kỹ thuật lựa chọn khí cụ điện đồng bộ cho cả phía 22 kV và 0,4 kV, được kiểm tra nghiêm ngặt qua các điều kiện ngắn mạch và phát nóng lâu dài.
  • Xây dựng giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho các hệ thống phụ trợ: bù công suất phản kháng tự động, chiếu sáng công nghiệp và hệ thống bảo vệ chống sét, tiếp địa trạm biến áp.

Đóng góp của tác giả thể hiện ở việc kết hợp chặt chẽ giữa số liệu khảo sát thực tế tại Công ty Cổ phần Viglacera Tiên Sơn (chi nhánh Thái Bình) với các phương pháp tính toán tiêu chuẩn trong ngành điện, tạo ra một bộ hồ sơ thiết kế cung cấp điện hoàn chỉnh cho nhà máy sản xuất gạch ốp lát công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tập trung vào tính toán thiết kế kỹ thuật tĩnh theo quy phạm và sổ tay thiết kế; chưa đi sâu phân tích đánh giá chỉ tiêu kinh tế - tài chính chi tiết (như tính toán vốn đầu tư tổng thể, thời gian thu hồi vốn của phương án bù và tổn thất điện năng hàng năm theo thời gian thực).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu áp dụng hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu tự động SCADA/EMS cho toàn bộ trạm phân phối điện; nghiên cứu tối ưu hóa biểu đồ phụ tải theo biểu giá điện ba giá (giờ cao điểm, bình thường, thấp điểm) nhằm nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng cho nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện làm đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế mạng lưới điện xí nghiệp công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện tại các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ và xí nghiệp cơ khí có dây chuyền sản xuất tương tự.
  • Tham khảo quy trình tính toán phụ tải theo phương pháp hệ số cực đại ($k_{max}$) và phương pháp kiểm tra thiết bị theo điều kiện ngắn mạch thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn điện cấp cho Nhà máy Viglacera Thái Bình được lấy từ đâu?
Nhà máy tiếp nhận nguồn điện từ lưới điện phân phối quốc gia qua lộ điện 470 E1.1 Tiền Hải, với tuyến đường dây 22 kV chạy song song về phía đông khu đất của nhà máy.

2. Tổng phụ tải tính toán của toàn bộ Nhà máy Viglacera Thái Bình là bao nhiêu?
Sau khi tính toán và nhân hệ số đồng thời ($k_{đt} = 0,85$), tổng công suất tác dụng tính toán của nhà máy là $P_{\Sigma CT} = 1555 kW$, công suất phản kháng $Q_{\Sigma CT} = 1137,08 kVAr$, công suất toàn phần $S_{\Sigma CT} = 1926,38 kVA$ và dòng điện tính toán tổng là $I_{CT} = 2926,84 A$.

3. Phụ tải loại 1 của nhà máy gồm những gì và chiếm tỷ lệ bao nhiêu?
Phụ tải loại 1 bao gồm các thiết bị phục vụ dây chuyền sản xuất liên tục tại xưởng nghiền, xưởng sấy, xưởng dập, xưởng nung và khu vực hành chính, có công suất biểu kiến $S_{ptl1} = 1028,4 kVA$, chiếm khoảng 54% tổng công suất toàn công ty. Khi mất điện lưới, nguồn này được duy trì bằng máy phát điện dự phòng Mitsubishi MDS-1403T qua tủ ATS.

4. Tác giả đã sử dụng phương pháp nào để tính toán phụ tải động lực trong các phân xưởng?
Tác giả sử dụng Phương pháp hệ số cực đại ($k_{max}$, $k_{sd}$) dựa trên việc tính toán số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) từ công suất định mức và hệ số sử dụng của từng nhóm máy, giúp đảm bảo độ chính xác nhiệt cho dây dẫn và khí cụ đóng cắt.

5. Quy trình sản xuất gạch men tại nhà máy gồm những công đoạn chính nào?
Quy trình gồm 6 công đoạn chính: Nghiền nguyên liệu $\rightarrow$ Sấy phun tạo bột $\rightarrow$ Định hình ép dập $\rightarrow$ Tráng men, in màu $\rightarrow$ Nung chín gạch $\rightarrow$ Mài hoàn thiện (mài thô, mài bóng, vát cạnh), kiểm định KCS và đóng gói.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quang Huyên đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện cho Công ty Cổ phần Viglacera Tiên Sơn - chi nhánh nhà máy Viglacera Thái Bình. Các bước tính toán từ xác định phụ tải, tính chọn trạm biến áp, máy phát dự phòng, thiết bị đóng cắt bảo vệ, tính toán ngắn mạch đến thiết kế chiếu sáng, bù công suất phản kháng và chống sét tiếp địa đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành. Bản thiết kế đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao cho dây chuyền sản xuất gạch men liên tục, đồng thời tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc mở rộng quy mô nhà máy trong tương lai.