Đồ Án Thiết Kế Nhà Máy Điện Nhiệt và Trạm Biến Áp

• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Đề tài: Thiết Kế Nhà Máy Điện Nhiệt và Trạm Biến Áp Tại Trường Đại Học Quy Nhơn

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI VÀ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
• 1.1. CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN MÁY BIẾN ÁP
• 2.1. NÊU CÁC PHƯƠNG ÁN
• 2.2. CHỌN MÁY BIẾN ÁP CHO CÁC PHƯƠNG ÁN

I. Tổng Quan Thiết Kế Nhà Máy Điện Trạm Biến Áp ĐH Quy Nhơn

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, việc thiết kế và xây dựng các nhà máy điện mới là nhiệm vụ trọng tâm của ngành năng lượng. Đề tài Thiết Kế Nhà Máy Điện Nhiệt và Trạm Biến Áp là một trong những đồ án tốt nghiệp kỹ thuật điện tiêu biểu, thể hiện năng lực tổng hợp kiến thức của sinh viên ngành Hệ thống điện. Nghiên cứu này, được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật và Công nghệ ĐH Quy Nhơn dưới sự hướng dẫn của các giảng viên hướng dẫn giàu kinh nghiệm, tập trung vào việc thiết kế phần điện cho một nhà máy nhiệt điện có tổng công suất 400 MW. Nhiệm vụ chính là đảm bảo nhà máy cung cấp điện ổn định cho phụ tải địa phương tại cấp điện áp 10kV, phụ tải trung áp 110kV, đồng thời phát công suất dư thừa lên lưới điện quốc gia 220kV. Đồ án không chỉ là một bài tập học thuật mà còn là một công trình nghiên cứu khoa học sinh viên có giá trị, mô phỏng quy trình thiết kế thực tế từ việc lựa chọn máy phát, tính toán cân bằng công suất, đến việc lựa chọn các khí cụ điện và đảm bảo an toàn vận hành điện. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác trong tính toán, am hiểu sâu sắc về các tiêu chuẩn thiết kế TCVN và khả năng ứng dụng các công cụ hiện đại như bản vẽ kỹ thuật AutoCAD để hoàn thiện hồ sơ thiết kế.

1.1. Nhiệm vụ và mục tiêu của đồ án kỹ thuật điện

Nhiệm vụ cốt lõi của đồ án là thiết kế chi tiết phần điện cho nhà máy nhiệt điện gồm 4 tổ máy, mỗi tổ máy có công suất 100 MW. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: tính toán chính xác phụ tải và thực hiện cân bằng công suất toàn nhà máy; đề xuất và lựa chọn phương án nối điện cùng các loại máy biến áp lực tối ưu thông qua phân tích kinh tế - kỹ thuật; thực hiện tính toán ngắn mạch tại các điểm nút quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ; và cuối cùng là chọn lựa các khí cụ điện, dây dẫn phù hợp cho từng cấp điện áp (220kV, 110kV, 10kV), đảm bảo độ tin cậy và an toàn theo tiêu chuẩn ngành.

1.2. Phân tích và lựa chọn thông số máy phát điện

Việc lựa chọn máy phát điện là bước khởi đầu quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ thiết kế. Dựa trên yêu cầu công suất 100 MW mỗi tổ máy, đồ án đã lựa chọn 4 máy phát đồng bộ tuabin hơi loại TB-100-2. Các thông số kỹ thuật chính của máy phát được xác định bao gồm: công suất định mức 100 MW, điện áp định mức 10,5 kV, và hệ số công suất cosφ = 0,85. Các thông số điện kháng như Xd'', Xd', Xd cũng được tra cứu và sử dụng cho các bước phân tích hệ thống điện và tính toán ngắn mạch sau này. Việc chọn các máy phát cùng loại giúp đơn giản hóa trong vận hành, bảo trì và dự phòng thiết bị.

II. Phương Pháp Tính Phụ Tải Cân Bằng Công Suất Nhà Máy Điện

Tính toán phụ tải và cân bằng công suất là nền tảng để xác định quy mô và chế độ vận hành của nhà máy. Quy trình này bắt đầu bằng việc xây dựng đồ thị phụ tải chi tiết cho các cấp điện áp dựa trên số liệu Pmax và cosφ cho trước. Cụ thể, phụ tải điện áp máy phát (10kV) có Pmax = 16 MW, phụ tải trung áp (110kV) có Pmax = 120 MW. Một yếu tố quan trọng là điện tự dùng của nhà máy, được xác định bằng 6% công suất định mức. Từ các đồ thị phụ tải riêng lẻ, một đồ thị phụ tải tổng hợp toàn nhà máy được xây dựng. Bước cuối cùng là thực hiện cân bằng công suất theo biểu thức: SNM(t) = SHT(t) + ST(t) + Smp(t) + Std(t). Kết quả phân tích cho thấy nhà máy không chỉ đáp ứng đủ nhu cầu phụ tải địa phương và trung áp mà còn có khả năng phát một lượng công suất đáng kể (SHTmax = 313,42 MVA) lên hệ thống, nhỏ hơn công suất dự trữ quay của hệ thống (357 MVA), đảm bảo hệ thống vận hành ổn định ngay cả khi nhà máy gặp sự cố.

2.1. Xây dựng đồ thị và phân tích phụ tải các cấp điện áp

Đồ thị phụ tải được xây dựng cho từng cấp điện áp (10kV, 110kV) và toàn nhà máy theo các khung thời gian trong ngày (0-7h, 7-12h, 12-18h, 18-24h). Công suất tại mỗi thời điểm P(t) được tính bằng tỷ lệ phần trăm P(%) nhân với công suất cực đại Pmax. Phân tích các đồ thị này cho thấy tính chất biến thiên không đồng thời của các phụ tải, với phụ tải địa phương đạt đỉnh vào 12-18h và phụ tải trung áp đạt đỉnh vào 8-12h. Việc hiểu rõ đặc tính này là cơ sở cho việc tối ưu hóa công suất phát của các tổ máy.

2.2. Tính toán điện tự dùng và cân bằng công suất toàn nhà máy

Công suất tự dùng (Std) là một phần năng lượng do nhà máy sản xuất và tiêu thụ nội bộ. Nó được tính toán dựa trên công suất phát ra của nhà máy tại mỗi thời điểm theo công thức Std(t) = Stdmax * (0.4 + 0.6 * SNM(t)/SNMđm). Sau khi xác định được tất cả các thành phần phụ tải, phương trình cân bằng công suất được thiết lập. Từ đó, công suất cần phát lên hệ thống SHT(t) tại mỗi thời điểm được xác định. Kết quả tính toán là dữ liệu đầu vào quan trọng cho việc lựa chọn máy biến áp lực và thiết kế sơ đồ một sợi.

III. Hướng Dẫn Chọn Sơ Đồ Nối Điện Máy Biến Áp Tối Ưu

Lựa chọn sơ đồ nối điện và máy biến áp là một bài toán kinh tế - kỹ thuật phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến vốn đầu tư và độ tin cậy cung cấp điện. Trong khuôn khổ luận văn nhà máy điện này, các phương án sơ đồ cấu trúc đã được đề xuất dựa trên các nguyên tắc thiết kế cơ bản: đảm bảo cung cấp điện liên tục, linh hoạt trong vận hành và tối ưu chi phí. Các phương án khác nhau ở cách bố trí các bộ máy phát - máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu liên lạc giữa các cấp điện áp 110kV và 220kV. Để đưa ra lựa chọn cuối cùng, một phân tích so sánh chi tiết đã được thực hiện. Phân tích này bao gồm việc tính toán vốn đầu tư cho máy biến áp và thiết bị phân phối, cùng với chi phí vận hành hàng năm (bao gồm chi phí khấu hao và tổn thất điện năng). Phương án được chọn là phương án có chi phí tính toán (chi phí quy đổi) thấp nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Quá trình này thể hiện rõ tư duy thiết kế hệ thống, một kỹ năng quan trọng của kỹ sư ngành Hệ thống điện.

3.1. Đề xuất và so sánh các phương án sơ đồ cấu trúc

Tài liệu đề xuất ba phương án sơ đồ nối điện chính. Phương án 1 sử dụng hai máy biến áp tự ngẫu và hai bộ máy phát nối vào thanh góp 220kV. Phương án 2 và 3 có cấu trúc phức tạp hơn với sự kết hợp của nhiều loại máy biến áp. Ưu nhược điểm của mỗi phương án được phân tích kỹ lưỡng. Ví dụ, một số phương án có ưu điểm về độ linh hoạt nhưng nhược điểm là vốn đầu tư cao và vận hành phức tạp. Cuối cùng, phương án 1 và 2 được chọn để đi vào tính toán chi tiết.

3.2. Tính toán kinh tế và lựa chọn phương án tối ưu nhất

Sau khi lựa chọn máy biến áp và tính toán tổn thất điện năng cho từng phương án, chi phí đầu tư và chi phí vận hành hàng năm được tổng hợp. Kết quả so sánh cho thấy Phương án 2 có tổng chi phí tính toán thấp hơn (10,8 tỷ VNĐ so với 16,49 tỷ VNĐ của Phương án 1). Mặc dù Phương án 1 có sự đồng bộ về thiết bị giúp vận hành linh hoạt hơn, nhưng xét về hiệu quả kinh tế, Phương án 2 được chọn làm phương án thiết kế cuối cùng cho nhà máy điện.

IV. Bí Quyết Tính Toán Ngắn Mạch Cho Thiết Kế Hệ Thống Điện

Tính toán ngắn mạch là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống điện, nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người. Mục đích của việc này là xác định dòng điện lớn nhất có thể xuất hiện tại các điểm khác nhau trong hệ thống khi xảy ra sự cố. Dựa trên giá trị dòng ngắn mạch, các thiết bị bảo vệ như máy cắt và cầu chì có thể được lựa chọn chính xác. Quy trình tính toán trong đồ án tuân theo phương pháp tiêu chuẩn: đầu tiên là chọn các đại lượng cơ bản (công suất Scb, điện áp Ucb), sau đó lập sơ đồ thay thế cho toàn bộ hệ thống điện, bao gồm máy phát, máy biến áp, đường dây và hệ thống điện bên ngoài. Các điểm ngắn mạch tính toán được chọn tại các vị trí nguy hiểm nhất, thường là trên các thanh góp chính (220kV, 110kV, 10.5kV). Việc sử dụng hệ đơn vị tương đối giúp đơn giản hóa quá trình tính toán phức tạp này. Quá trình này có thể được hỗ trợ bởi các công cụ mô phỏng hệ thống điện chuyên dụng như phần mềm PSS/E để tăng độ chính xác.

4.1. Lập sơ đồ thay thế và xác định các điểm ngắn mạch

Sơ đồ thay thế được xây dựng bằng cách biểu diễn mỗi phần tử của hệ thống điện (máy phát, máy biến áp, đường dây) bằng điện kháng tương ứng của nó trong hệ đơn vị tương đối. Các điểm ngắn mạch được giả định tại thanh góp 220kV (N1), thanh góp 110kV (N2), và thanh góp phía hạ áp máy phát (N3). Đây là những vị trí mà dòng ngắn mạch có khả năng đạt giá trị lớn nhất, quyết định đến khả năng chịu đựng của các thiết bị lân cận.

4.2. Tính toán dòng ngắn mạch và dòng xung kích tại các điểm

Sau khi có sơ đồ thay thế, điện kháng tổng hợp từ các nguồn đến điểm ngắn mạch được tính toán. Từ đó, dòng ngắn mạch ổn định (I") và dòng ngắn mạch xung kích (ixk) được xác định. Ví dụ, tại điểm N1 (220kV), dòng ngắn mạch tổng hợp I"N1 được tính toán là 5,734 kA và dòng xung kích ixkN1 là 14,94 kA. Các giá trị này là cơ sở pháp lý và kỹ thuật để lựa chọn các khí cụ điện trong chương tiếp theo, đặc biệt là máy cắt điện.

V. Cách Chọn Khí Cụ Điện Dây Dẫn Cho Trạm Biến Áp 220kV

Sau khi hoàn thành các bước tính toán lý thuyết, giai đoạn lựa chọn thiết bị thực tế bắt đầu. Đây là bước ứng dụng trực tiếp kết quả từ việc tính toán phụ tải và ngắn mạch. Việc lựa chọn khí cụ điện và dây dẫn phải tuân thủ các điều kiện nghiêm ngặt về điện áp, dòng điện định mức, dòng làm việc cưỡng bức và khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch (cả về nhiệt và động). Các thiết bị chính cần lựa chọn bao gồm: thanh dẫn, thanh góp, sứ đỡ, dây dẫn mềm, máy cắt, dao cách ly, máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU). Mỗi lựa chọn đều phải được kiểm tra lại với các điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất. Ví dụ, máy cắt phải có khả năng cắt được dòng ngắn mạch lớn nhất tại vị trí đặt nó. Toàn bộ các lựa chọn và bố trí thiết bị được thể hiện chi tiết qua các bản vẽ kỹ thuật AutoCAD, tạo thành một bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh, sẵn sàng cho việc thi công.

5.1. Tiêu chí chọn máy cắt và dao cách ly theo dòng ngắn mạch

Máy cắt điện được chọn dựa trên các điều kiện: Uđmmc ≥ Umạng, Iđmmc ≥ Icb (dòng cưỡng bức), và quan trọng nhất là Icđm (dòng cắt định mức) ≥ I” (dòng ngắn mạch tính toán). Tương tự, dao cách ly cũng được chọn với các tiêu chí về điện áp, dòng định mức và khả năng ổn định động (ildd ≥ ixk). Đồ án đã lựa chọn các loại máy cắt và dao cách ly cụ thể cho từng cấp điện áp 220kV, 110kV và 10.5kV, đảm bảo vận hành an toàn.

5.2. Lựa chọn thanh dẫn và kiểm tra ổn định nhiệt ổn định động

Thanh dẫn và dây dẫn được chọn dựa trên dòng làm việc cưỡng bức và được kiểm tra lại theo hai điều kiện quan trọng. Thứ nhất là ổn định nhiệt, đảm bảo dây dẫn không bị quá nhiệt và nóng chảy khi có dòng ngắn mạch chạy qua trong một thời gian ngắn. Thứ hai là ổn định động, đảm bảo dây dẫn và các kết cấu đỡ chịu được lực điện động khổng lồ sinh ra tại thời điểm dòng xung kích đạt đỉnh mà không bị biến dạng hay phá hủy. Các tính toán này đảm bảo sự toàn vẹn cơ học cho hệ thống.

5.3. Thiết kế hệ thống đo lường và bảo vệ rơ le

Hệ thống đo lường và bảo vệ là bộ não của trạm biến áp. Việc lựa chọn máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU) phải phù hợp với cấp điện áp và đảm bảo cấp chính xác cho các thiết bị đo lường và bảo vệ rơ le. Các thiết bị này cung cấp tín hiệu đầu vào cho rơ le, cho phép hệ thống phát hiện và cách ly sự cố một cách nhanh chóng, giảm thiểu thiệt hại và thời gian mất điện, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn vận hành điện.

VI. Ý Nghĩa Của Luận Văn Nhà Máy Điện Với Ngành Kỹ Thuật Điện

Đồ án Thiết Kế Nhà Máy Điện Nhiệt và Trạm Biến Áp không chỉ là một bài kiểm tra kiến thức mà còn là một công trình nghiên cứu khoa học sinh viên mang ý nghĩa thực tiễn cao. Nó tổng kết một cách hệ thống và khoa học toàn bộ quy trình thiết kế phần điện của một nhà máy điện, từ khâu phân tích số liệu ban đầu đến lựa chọn thiết bị cuối cùng. Thành công của đồ án khẳng định chất lượng đào tạo của Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng cần thiết để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp năng lượng. Đây là một tài liệu tham khảo quý giá, có thể được sử dụng như một báo cáo thực tập nhà máy điện mẫu hoặc kim chỉ nam cho các sinh viên khóa sau khi thực hiện các đề tài tương tự. Hơn nữa, nó còn cho thấy sự liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết học thuật và các yêu cầu thực tế trong sản xuất, đóng góp vào sự phát triển chung của ngành Hệ thống điện Việt Nam.

6.1. Đóng góp về mặt học thuật và giá trị ứng dụng thực tiễn

Về mặt học thuật, đồ án cung cấp một quy trình thiết kế logic, chi tiết và có dẫn chứng tính toán rõ ràng, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế TCVN hiện hành. Về mặt ứng dụng, các phương pháp tính toán và kết quả lựa chọn thiết bị trong đồ án có thể được tham khảo để áp dụng cho các dự án nhà máy điện có quy mô tương tự trong thực tế. Nó là cầu nối giữa kiến thức trong nhà trường và yêu cầu công việc của một kỹ sư thiết kế hệ thống điện.

6.2. Hướng phát triển cho các đề tài thiết kế trong tương lai

Trên nền tảng của đồ án này, các nghiên cứu trong tương lai có thể được mở rộng. Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào thiết kế nhà máy, sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện tiên tiến hơn để tối ưu hóa công suất và phân tích ổn định động, hoặc đi sâu vào thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển và tự động hóa trạm, ứng dụng các công nghệ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 vào vận hành nhà máy điện.