Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trung tâm khám, chữa bệnh dịch vụ kỹ thuật cao thuộc Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng được triển khai xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh chất lượng cao của người dân thành phố Hải Phòng và các tỉnh lân cận. Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng là bệnh viện chuyên khoa hạng I chuyên ngành sản phụ khoa với quy mô 450 giường bệnh, 17 khu nhà và 32 khoa phòng làm việc. Để nâng cao năng lực y tế và tính cạnh tranh, Ủy ban nhân dân thành phố Hải Phòng đã phê duyệt đề án liên doanh, liên kết đầu tư xây dựng Trung tâm khám chữa bệnh dịch vụ kỹ thuật cao theo hình thức không thành lập pháp nhân mới. Trong đó, Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng góp vốn 40% bằng giá trị đầu tư hạ tầng, năng lực, uy tín; nhà đầu tư góp 60% và chịu trách nhiệm 100% vốn đầu tư. Công trình vận hành với bộ máy tổ chức độc lập và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật (cấp thoát nước, xử lý chất thải y tế thông thường và nguy hại) được thiết kế tách biệt hoàn toàn với cơ sở hạ tầng hiện hữu.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu chính của đề tài bao gồm:

  1. Thu thập dữ liệu kiến trúc, công năng mặt bằng và xác định các yêu cầu kỹ thuật đặc thù về cung cấp điện cho công trình y tế kỹ thuật cao.
  2. Nghiên cứu lý thuyết và lựa chọn phương pháp tính toán phụ tải điện, tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng từng tầng và khu vực chức năng.
  3. Thống kê, xác định tổng phụ tải tính toán tác dụng ($P_{tt}$), công suất phản kháng ($Q_{tt}$) và công suất toàn phần ($S_{tt}$) của toàn bộ tòa nhà và hệ thống phụ trợ.
  4. Xây dựng phương án cấp nguồn, tính toán lựa chọn số lượng, chủng loại, dung lượng trạm biến áp hạ áp 22/0,4 kV và lựa chọn thiết bị bảo vệ cao áp, cáp dẫn điện.
  5. Thiết kế hệ thống chống sét bảo vệ công trình (chống sét đánh thẳng và chống sét lan truyền) cùng hệ thống nối đất an toàn và làm việc cho mạng điện và thiết bị y tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện động lực, chiếu sáng và phụ trợ của Trung tâm khám, chữa bệnh dịch vụ kỹ thuật cao. Phạm vi không gian nghiên cứu giới hạn tại lô đất xây dựng ở góc vuông giữa hai mặt đường Đinh Tiên Hoàng và Trần Quang Khải, thành phố Hải Phòng. Quy mô công trình gồm diện tích xây dựng 896,6 $\text{m}^2$, chiều cao công trình 36,5 m (kết cấu gồm 1 tầng hầm, 1 tầng lửng hầm kỹ thuật, 9 tầng nổi và 1 tum thang), quy mô phục vụ 150 giường bệnh. Thời gian thực hiện và hoàn thành đồ án vào năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống lý thuyết và phương pháp tính toán được tác giả hệ thống hóa gồm các nội dung cốt lõi sau:

Phương pháp xác định phụ tải tính toán

Tác giả trình bày và so sánh bốn phương pháp tính toán phụ tải điện tiêu chuẩn trong ngành kỹ thuật điện:

  • Phương pháp xác định theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Áp dụng công thức $P_{tt} = k_{nc} \cdot \sum_{i=1}^n P_{\text{đm}i}$, $S_{tt} = \frac{P_{tt}}{\cos\varphi}$, hệ số công suất trung bình được tính theo tải thành phần $\cos\varphi_{tb} = \frac{\sum P_i \cos\varphi_i}{\sum P_i}$. Đây là phương pháp chính được sử dụng để tính toán các bảng phụ tải thực tế của công trình.
  • Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($p_0$): Áp dụng công thức $P_{tt} = p_0 \cdot f$, dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.
  • Phương pháp xác định theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm ($W_0$): Áp dụng công thức $P_{tt} = \frac{M \cdot W_0}{T_{max}}$ cho các thiết bị có đồ thị phụ tải ổn định (máy bơm, quạt gió, máy nén khí).
  • Phương pháp xác định theo hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($p_{tb}$): Sử dụng khái niệm số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) và công thức $P_{tt} = k_{max} \cdot k_{sd} \cdot P_{\text{đm}}$ khi cần độ chính xác cao.

Phương pháp tính toán chiếu sáng

Đề tài tổng hợp các trường phái tính toán chiếu sáng (phương pháp hệ số sử dụng, phương pháp công suất riêng, phương pháp điểm của Liên Xô; phương pháp quang thông của Mỹ; phương pháp hệ số sử dụng của Pháp). Đồ án áp dụng phương pháp hệ số sử dụng qua các bước kỹ thuật:

  • Xác định chiều cao treo đèn tính toán: $h_{tt} = H - h' - 0,8\text{ m}$ (với $H$ là chiều cao trần, $h'$ là khoảng cách treo từ trần đến đèn, 0,8 m là bề mặt làm việc).
  • Xác định chỉ số căn phòng: $k = \frac{a \cdot b}{h_{tt}(a + b)}$ (với $a, b$ là chiều dài và chiều rộng phòng).
  • Tra hệ số sử dụng $U$ dựa trên đặc tính bộ đèn, chỉ số địa điểm và hệ số phản xạ trần, tường, sàn.
  • Tính tổng quang thông yêu cầu: $\Phi_{\text{tổng}} = \frac{E_{tc} \cdot S \cdot d}{U}$ (với $E_{tc}$ là độ rọi tiêu chuẩn, $S$ là diện tích, $d$ là hệ số bù).
  • Tính số bộ đèn $N = \frac{\Phi_{\text{tổng}}}{\Phi_{\text{bộ}}}$ và kiểm tra sai số quang thông cho phép: $\Delta\Phi% = \frac{N \cdot \Phi_{\text{bộ}} - \Phi_{\text{tổng}}}{\Phi_{\text{tổng}}} \cdot 100%$ (giới hạn chấp nhận từ $-10%$ đến $+20%$).

Nguồn dữ liệu phục vụ tính toán gồm bản vẽ mặt bằng kiến trúc các tầng, công năng bố trí phòng khám, phòng mổ, danh mục thiết bị động lực và tiêu chuẩn chiếu sáng nội thất (độ rọi hành lang chọn 100 Lux, các phòng chức năng chọn loại đèn LED Panel 300x300, 300x600, đèn tròn và đèn tuýp 1,2 m).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp cung cấp điện

Công trình thuộc khối bệnh viện chuyên khoa chất lượng cao, có các phòng mổ và khu hồi tỉnh yêu cầu nghiêm ngặt về tính liên tục cấp điện (phụ tải loại 1). Giải pháp kỹ thuật được thiết kế chi tiết:

[Nguồn lưới trung thế 22 kV] 
[Trạm biến áp 22/0,4 kV (1 MBA 1500 kVA THIBIDI)] 
[Tủ phân phối tổng hạ thế (MSB)]
  • Phương án nguồn điện và cấp điện áp: Tiếp nhận nguồn trung thế 22 kV từ lưới điện thành phố Hải Phòng, qua trạm biến áp hạ áp biến đổi xuống điện áp hạ thế $380/220\text{ V}$ ba pha bốn dây phục vụ toàn bộ phụ tải tòa nhà.
  • Cấu trúc trạm biến áp: Đặt trạm biến áp ngoài trời sát công trình nhằm tối ưu chi phí xây dựng, gần trung tâm phụ tải, thuận tiện đấu nối và quản lý vận hành.
  • Phân vùng phân phối điện: Từ tủ phân phối chính, lộ cáp cấp tới tủ phân phối trung gian và rẽ nhánh tới các tủ điện tầng (TĐ-H2, TĐ-H1, TĐ-T1 đến TĐ-T9, TĐ-Tủm) cùng các tủ động lực riêng biệt (tủ xử lý nước thải, tủ bơm cứu hỏa, tủ thang máy, hệ thống điều hòa AHU/VRV, tủ cấp nguồn liên tục UPS tầng lửng).
  • Hệ thống an toàn và bảo vệ: Trang bị chống sét van và khe hở phóng điện bảo vệ chống sét lan truyền trên đường dây/TBA; bố trí kim thu sét trên mái bảo vệ trực tiếp toàn bộ khối nhà cao 36,5 m; hệ thống nối đất nhân tạo liên kết tiếp địa làm việc và tiếp địa an toàn vỏ thiết bị điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan về Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng

Trình bày lịch sử hình thành, quy mô bệnh viện hạng I (450 giường) và đề án liên kết xây dựng Trung tâm dịch vụ kỹ thuật cao quy mô 150 giường tại góc đường Đinh Tiên Hoàng - Trần Quang Khải. Tác giả nêu rõ 4 yêu cầu kỹ thuật nền tảng:

  1. Độ tin cậy cấp điện: Đảm bảo cấp điện liên tục; khi mất điện lưới sẽ sử dụng nguồn máy phát điện cấp cho các phụ tải quan trọng (khu mổ, hồi tỉnh, cấp cứu).
  2. Chất lượng điện áp: Duy trì ổn định hai chỉ tiêu tần số và điện áp trong giới hạn cho phép.
  3. An toàn công trình: An toàn cho người vận hành, người sử dụng và thiết bị điện y tế.
  4. Chỉ tiêu kinh tế: Đánh giá qua vốn đầu tư ban đầu và chi phí tổn thất vận hành.

Chương II: Xác định phụ tải tính toán cho Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng

Chương này tập trung tính toán chi tiết phụ tải chiếu sáng, ổ cắm và động lực của từng tầng:

  • Tầng hầm: Tổng công suất 5.652 W (12 đèn tròn 18W, 52 đèn tuýp 20W, 15 ổ cắm 300W).
  • Tầng lửng: Tổng công suất 5.898 W (22 đèn tròn 18W, 39 đèn tuýp 18W, 16 ổ cắm 300W).
  • Tầng 1: Tổng công suất 23.356 W (hành lang, phòng siêu âm, khám nhi, CSKH, 3 phòng khám, 42 ổ cắm, 2 máy sấy tay 1200W, phụ tải phòng cấp cứu 7.200 W).
  • Tầng 2: Tổng công suất 28.716 W (60 đèn tròn lối đi, 17 ổ cắm lối đi, các phòng khám chức năng TĐ-2.1 đến TĐ-2.10).
  • Tầng 3: Tổng công suất 59.684 W (khu vực trọng yếu gồm 3 phòng mổ mỗi phòng 10.700 W, 1 phòng chọc trứng bơm IUI 10.700 W, khu hồi tỉnh 7.200 W, hệ thống đèn chiếu sáng và ổ cắm phụ trợ).
  • Tầng 4: Tổng công suất 36.098 W / 36.042 W (khu hồi tỉnh 7.200 W, các phòng chức năng TĐ-4.1 đến TĐ-4.6, IP-4.1, IP-4.2).
  • Tầng 5: Tổng công suất 45.956 W (phòng thủ thuật 4.500 W, các phòng bệnh TĐ-5.11 đến TĐ-5.21).
  • Tầng 6: Tổng công suất 39.088 W (phòng thủ thuật 4.500 W, các phòng bệnh TĐ-6.1 đến TĐ-6.20).
  • Tầng 7 và Tầng 8: Cấu trúc tương tự nhau, công suất mỗi tầng là 45.956 W (phòng thủ thuật 4.500 W, hệ thống phòng bệnh TĐ-7.18 đến TĐ-7.21).
  • Tầng 9: Tổng công suất 22.096 W (khu vực hành chính, các phòng làm việc TĐ-9.1 đến TĐ-9.9, chiếu sáng tum).
  • Hệ thống phụ trợ chuyên dụng: Bơm sinh hoạt và xử lý nước thải (54.400 W), bơm tăng áp vùng mái (5.920 W), hệ thống cứu hỏa tầng trên/tầng dưới (78.400 W), hệ thống thang máy gồm 2 thang khách và 1 thang PCCC (50.000 W).

Chương III: Phương án cung cấp điện cho Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng

Phân tích lựa chọn phương án trạm biến áp cấp nguồn:

  • Đánh giá ưu nhược điểm giữa phương án 1 MBA, 2 MBA và 3 MBA. Do điều kiện kinh tế và công suất tính toán, tác giả lựa chọn phương án lắp đặt 1 máy biến áp.
  • Căn cứ công suất toàn phần tính toán $S_{tt} = 1039,965\text{ kVA}$, chọn 1 máy biến áp dầu 3 pha 22/0,4 kV công suất định mức $S_{\text{đm}} = 1500\text{ kVA}$ của nhà sản xuất THIBIDI thỏa mãn điều kiện $S_{MBA} \ge S_{tt}$.
  • Đề xuất giải pháp bố trí trạm ngoài trời và nguyên lý đi dây từ TBA đến tủ phân phối tổng hạ áp.

Chương IV: Thiết kế chống sét cho Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng

Trình bày cơ sở lý thuyết về chống sét:

  • Phân tích nguyên lý bảo vệ chống sét lan truyền bằng khe hở phóng điện, chống sét ống và chống sét van.
  • Trình bày phương pháp tính toán phạm vi bảo vệ của kim thu sét đánh thẳng cho công trình cao 36,5 m.

Chương V: Thiết kế nối đất bảo vệ các thiết bị cho Bệnh viện Phụ sản Hải Phòng

Trình bày các giải pháp nối đất an toàn:

  • Phân biệt nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo; trình tự tính toán điện trở tiếp địa cọc và thanh nối đất.
  • Thiết kế hệ thống nối đất bảo vệ cho mạng điện hạ áp, thiết bị một pha và thiết bị ba pha trong bệnh viện.

Kết quả tính toán và lựa chọn thiết bị

Toàn bộ kết quả tính toán phụ tải điện tổng hợp của công trình được tổng hợp trong bảng số liệu dưới đây:

STT Ký hiệu tủ điện Khu vực / Chức năng Công suất tính toán $P_{tt}$ (W)
1 TĐ-H2 Tầng hầm 5.652
2 TĐ-H1 Tầng lửng kỹ thuật 5.898
3 TĐ-T1 Tầng 1 (Khám bệnh, cấp cứu) 23.356
4 TĐ-T2 Tầng 2 (Phòng khám chuyên khoa) 28.716
5 TĐ-T3 Tầng 3 (3 Phòng mổ, phòng IUI, hồi tỉnh) 59.684
6 TĐ-T4 Tầng 4 (Hồi tỉnh, phòng bệnh) 36.042
7 TĐ-T5 Tầng 5 (Thủ thuật, phòng nội trú) 45.956
8 TĐ-T6 Tầng 6 (Thủ thuật, phòng nội trú) 39.088
9 TĐ-T7 Tầng 7 (Thủ thuật, phòng nội trú) 45.956
10 TĐ-T8 Tầng 8 (Thủ thuật, phòng nội trú) 45.956
11 TĐ-T9 Tầng 9 (Khu hành chính, làm việc) 22.096
12 TĐ-XLNT Bơm sinh hoạt và xử lý nước thải (Tầng hầm) 54.400
13 TĐ-UPS Hệ thống nguồn lưu điện UPS (Tầng lửng) 70.400
14 BĐ-TG Tủ bảng điện trung gian (Tầng lửng) 15.000
15 TĐ-BV Tủ điện bảo vệ / phụ trợ (Tầng lửng) 15.000
16 TĐ-CNTT Hệ thống công nghệ thông tin (Tầng lửng) 15.000
17 TĐ-Khí Nén Hệ thống khí nén y tế (Tầng 1) 15.000
18 TĐ-TTBC Tủ thông tin báo cháy (Tầng 1) 15.000
19 DB-BCH Hệ thống bơm chữa cháy (Tầng 1) 58.000
20 TĐ-AHU Hệ thống xử lý không khí AHU (Tầng 3) 15.000
21 TĐ-CS Tủ điện chiếu sáng chuyên dụng (Tầng 5) 15.000
22 TĐ-BẾP Khu vực bếp ăn (Tầng 9) 50.000
23 TĐ-KT Phòng kỹ thuật (Tầng tum) 30.000
24 TĐ-TM Hệ thống 3 thang máy (Tầng tum) 50.000
25 TĐ-VRV Hệ thống điều hòa trung tâm VRV (Tầng tum) 20.000
26 TĐ-TA Bơm tăng áp cấp nước (Tầng tum) 5.920
27 TĐ-HK Hệ thống thông gió hút khói (Tầng tum) 30.000
Tổng $\sum P_{tt}$ Toàn bộ công trình 831.972 W (831,972 kW)

Các thông số kỹ thuật đầu ra chính của hệ thống cấp điện:

  • Hệ số công suất tính toán toàn tòa nhà: $\cos\varphi = 0,8$ ($\tan\varphi = 0,75$).
  • Công suất phản kháng tính toán: $Q_{tt} = P_{tt} \cdot \tan\varphi = 831,972 \cdot 0,75 = 623,979\text{ kVAr}$.
  • Công suất biểu kiến tính toán: $S_{tt} = \frac{P_{tt}}{\cos\varphi} = \frac{831,972}{0,8} = 1039,965\text{ kVA}$.
  • Thiết bị nguồn chính được lựa chọn: 01 máy biến áp phân phối 3 pha ngâm dầu THIBIDI, cấp điện áp 22/0,4 kV, dung lượng định mức $S_{\text{đm}} = 1500\text{ kVA}$ ($1500\text{ kVA} > 1039,965\text{ kVA}$).

Đóng góp kỹ thuật của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ tính toán phụ tải chi tiết từ quy mô phòng bệnh đến tổng thể tòa nhà cao tầng y tế, phân nhóm rõ ràng giữa phụ tải chiếu sáng sinh hoạt và phụ tải kỹ thuật đặc thù (phòng mổ, khí nén, AHU, xử lý nước thải, phòng cháy chữa cháy).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Về phương án chọn số lượng máy biến áp: Thuyết minh xác định công trình thuộc hộ tiêu thụ loại 1 (bệnh viện chuyên khoa có khu mổ cấp cứu), nhưng đồ án lựa chọn giải pháp 1 máy biến áp 1500 kVA để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Hạn chế này đòi hỏi phải có thiết kế bổ sung chi tiết về hệ thống nguồn máy phát điện dự phòng tự động (ATS) để đảm bảo cấp điện liên tục khi xảy ra sự cố lưới 22 kV.
  • Về phạm vi tính toán ngắn mạch và chọn khí cụ điện: Nội dung văn bản tập trung phần lớn vào thống kê phụ tải và chọn công suất trạm biến áp, chưa trình bày chi tiết các bảng tính kiểm tra dòng ngắn mạch ba pha, độ sụt áp thanh cái hạ thế và lựa chọn phối hợp bảo vệ chọn lọc giữa các cấp aptomat (ACB, MCCB, MCB).
  • Hướng phát triển đề tài: Nghiên cứu tích hợp hệ thống bù công suất phản kháng tự động nâng cao hệ số $\cos\varphi > 0,95$, thiết kế chi tiết mạch tự động chuyển nguồn ATS kết nối máy phát điện Diesel dự phòng và thiết kế hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà (BMS) cho khối bệnh viện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện và Kỹ thuật công trình (M&E) khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện.

Nội dung đặc biệt có giá trị tham khảo gồm:

  • Bảng bóc tách, thống kê chi tiết danh mục phụ tải y tế kỹ thuật cao (công suất phòng mổ 10,7 kW, khu hồi tỉnh 7,2 kW, phòng thủ thuật 4,5 kW, hệ thống khí nén y tế, UPS).
  • Trình tự áp dụng phương pháp tính phụ tải theo hệ số nhu cầu kết hợp phương pháp tính toán chiếu sáng hệ số sử dụng cho công trình dân dụng nhiều tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Trung tâm khám chữa bệnh dịch vụ kỹ thuật cao có quy mô xây dựng như thế nào?
Công trình được xây dựng trên diện tích 896,6 $\text{m}^2$ tại góc đường Đinh Tiên Hoàng và Trần Quang Khải (Hải Phòng), chiều cao 36,5 m gồm 9 tầng nổi, 1 tầng hầm, 1 tầng lửng hầm kỹ thuật và 1 tum thang, quy mô phục vụ 150 giường bệnh.

2. Tổng công suất phụ tải tính toán của toàn bộ công trình là bao nhiêu?
Tổng công suất tác dụng tính toán toàn tòa nhà là $\sum P_{tt} = 831,972\text{ kW}$. Với hệ số $\cos\varphi = 0,8$, công suất toàn phần tính toán tương ứng là $S_{tt} = 1039,965\text{ kVA}$.

3. Đồ án lựa chọn trạm biến áp có thông số kỹ thuật ra sao?
Đồ án lựa chọn lắp đặt 01 máy biến áp phân phối 3 pha do hãng THIBIDI sản xuất, cấp điện áp biến đổi 22/0,4 kV, công suất định mức 1500 kVA đặt ngoài trời sát công trình.

4. Các phụ tải kỹ thuật y tế đặc thù tại Tầng 3 được tính toán với công suất như thế nào?
Tầng 3 tập trung các phụ tải y tế kỹ thuật cao gồm: 3 phòng mổ (mỗi phòng 10.700 W), 1 phòng chọc trứng bơm IUI (10.700 W), 1 khu hồi tỉnh (7.200 W), cùng hệ thống xử lý không khí TĐ-AHU (15.000 W).

5. Giải pháp bảo vệ an toàn điện và chống sét cho công trình gồm những thành phần nào?
Hệ thống bảo vệ gồm: chống sét van và khe hở phóng điện chống quá điện áp lan truyền từ đường dây trung thế 22 kV; kim thu sét bảo vệ đánh thẳng trên mái công trình cao 36,5 m; hệ thống tiếp địa nối đất bảo vệ an toàn cho thiết bị động lực và thiết bị y tế một pha, ba pha.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho Trung tâm khám, chữa bệnh dịch vụ kỹ thuật cao bệnh viện phụ sản Hải Phòng" của sinh viên Đồng Văn Hiếu đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định phụ tải và thiết kế hệ thống phân phối điện cho một công trình y tế 9 tầng nổi, 1 tầng hầm với tổng công suất tính toán 831,972 kW. Dựa trên tính toán phụ tải toàn phần đạt 1039,965 kVA, tác giả đã lựa chọn giải pháp cấp nguồn trung thế 22 kV qua 1 máy biến áp THIBIDI công suất 1500 kVA cùng hệ thống phân phối, chiếu sáng, chống sét và nối đất an toàn. Kết quả đồ án phản ánh đúng quy trình tính toán kỹ thuật điện công trình và cung cấp dữ liệu tham khảo cụ thể cho các thiết kế điện bệnh viện chuyên khoa.