Thiết Kế Phần Điện Nhà Máy Nhiệt Điện

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Phần Điện Nhà Máy Nhiệt Điện
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN TÍNH TOÁN PHỤ TẢI VÀ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN MÁY BIẾN ÁP
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KINH TẾ - KỸ THUẬT

I. Hướng dẫn đồ án thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện

Thiết kế phần điện cho nhà máy nhiệt điện là một nhiệm vụ cốt lõi trong ngành kỹ thuật điện. Đồ án môn học này đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn để giải quyết các bài toán phức tạp. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống điện hoàn chỉnh, vận hành an toàn, ổn định và kinh tế. Quá trình thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn, từ phân tích số liệu đầu vào, cân bằng công suất, đến lựa chọn thiết bị và đánh giá hiệu quả kinh tế. Một thiết kế tối ưu không chỉ đáp ứng nhu cầu cung cấp điện hiện tại mà còn phải có khả năng mở rộng trong tương lai. Tài liệu gốc phân tích một nhà máy nhiệt điện cụ thể với 4 tổ máy, tổng công suất 220MW (4x55MW), cung cấp cho phụ tải địa phương, trung áp và hòa vào hệ thống 220kV. Việc nắm vững các bước thực hiện, từ việc chọn máy phát, tính toán phụ tải tự dùng, đến thiết kế sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện là yêu cầu bắt buộc. Một bản thuyết minh đồ án nhà máy điện chi tiết và các bản vẽ autocad nhà máy điện chính xác là sản phẩm cuối cùng, phản ánh năng lực của người kỹ sư. Quá trình này giúp sinh viên áp dụng kiến thức về nhà máy điện, trạm biến áp, và hệ thống điện vào một dự án thực tế, làm nền tảng vững chắc cho công việc sau này.

1.1. Xác định nhiệm vụ và các thông số thiết kế ban đầu

Bước đầu tiên của mọi đồ án là xác định rõ nhiệm vụ thiết kế. Dựa trên tài liệu gốc, nhiệm vụ bao gồm: tính toán phụ tải và cân bằng công suất; xác định sơ đồ cấu trúc nhà máy; lựa chọn máy biến áp; tính toán ngắn mạch và lựa chọn phương án tối ưu. Các thông số đầu vào là nền tảng cho mọi tính toán sau này. Cụ thể, nhà máy gồm 4 tổ máy 55MW. Phụ tải được chia thành ba cấp: địa phương (10kV, Pmax=14MW), trung áp (110kV, Pmax=120MW), và hệ thống quốc gia (220kV). Hệ số tự dùng cực đại được cho là α = 6,5%. Việc phân tích kỹ lưỡng bảng biến thiên công suất theo thời gian của từng cấp phụ tải là cực kỳ quan trọng để xác định chế độ vận hành và các điểm làm việc khắc nghiệt nhất của hệ thống.

1.2. Tầm quan trọng của việc tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế

Một hệ thống điện an toàn và tin cậy phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định và tiêu chuẩn kỹ thuật. Trong quá trình thực hiện đồ án, việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế điện (TCVN, IEC) là không thể bỏ qua. Các tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn chi tiết về mọi khía cạnh, từ việc chọn hệ số an toàn, tính toán khoảng cách cách điện, đến các yêu cầu về hệ thống nối đất và chống sét. Ví dụ, việc lựa chọn máy cắt và dao cách ly phải dựa trên dòng ngắn mạch tính toán theo tiêu chuẩn IEC 62271. Tuân thủ tiêu chuẩn không chỉ đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị mà còn giúp hệ thống vận hành ổn định, giảm thiểu sự cố và chi phí bảo trì, đồng thời là yêu cầu pháp lý bắt buộc trong các dự án thực tế.

II. Cách tính toán phụ tải và cân bằng công suất nhà máy

Cân bằng công suất là bài toán nền tảng, quyết định quy mô và cấu trúc của nhà máy điện. Quá trình này bắt đầu bằng việc phân tích và tổng hợp các biểu đồ phụ tải ở mọi cấp điện áp. Từ bảng biến thiên công suất theo phần trăm, ta tính toán công suất tác dụng (P) và biểu kiến (S) cho từng khoảng thời gian trong ngày. Công suất biểu kiến do nhà máy phát ra tại một thời điểm bất kỳ phải bằng tổng công suất cấp cho phụ tải địa phương, phụ tải trung áp, phụ tải tự dùng, công suất phát lên hệ thống và tổn thất trong các máy biến áp. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, tổn thất máy biến áp có thể tạm bỏ qua để đơn giản hóa. Theo tài liệu, công suất phát lên hệ thống SHT(t) được xác định bằng công thức: SHT(t) = SNM(t) - [ST(t) + Sđp(t) + Std(t)]. Việc tính toán chính xác giúp xác định công suất cực đại mà nhà máy phải đáp ứng và công suất dự trữ cần thiết. Kết quả của chương này là cơ sở để lựa chọn số lượng và công suất của các tổ máy phát điện, đảm bảo nhà máy không bị quá tải và luôn có dự trữ quay nhỏ hơn dự trữ của hệ thống.

2.1. Phân tích đồ thị phụ tải và lựa chọn máy phát điện

Đồ thị phụ tải thể hiện sự biến thiên của nhu cầu điện năng theo thời gian. Việc tổng hợp các đồ thị phụ tải địa phương, trung áp, và tự dùng cho phép xây dựng đồ thị phụ tải tổng hợp của nhà máy. Từ đó, xác định được công suất phát cực đại và cực tiểu. Dựa trên tổng công suất đặt là 220MW, tài liệu đã chọn 4 tổ máy phát đồng bộ loại TB-55-2, mỗi tổ máy có công suất 55MW, điện áp 11.5kV, cosφ=0.8. Lựa chọn này cần đảm bảo rằng công suất của một tổ máy lớn nhất không vượt quá dự trữ quay của hệ thống (trong trường hợp này SHTmax = 119,59 MVA < SHTdt = 182 MVA), đảm bảo hệ thống không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi có sự cố một tổ máy.

2.2. Tính toán hệ thống tự dùng trong nhà máy điện

Hệ thống tự dùng là một phần không thể thiếu, cung cấp năng lượng cho các thiết bị phụ trợ như bơm, quạt, hệ thống điều khiển... đảm bảo lò hơi (boiler) và tuabin hơi hoạt động. Công suất tự dùng được tính dựa trên phần trăm công suất phát của nhà máy tại mỗi thời điểm. Theo đề bài, hệ số tự dùng cực đại là 6.5%. Công suất tự dùng được tính bằng công thức: Std(t) = (α/100) * SNM(t). Ví dụ, tại chế độ phát cực đại (SNM = 275 MVA), công suất tự dùng là Std_max = 17.875 MVA. Việc xác định chính xác hệ thống tự dùng trong nhà máy điện giúp thiết kế đúng công suất máy biến áp tự dùng và hệ thống phân phối hạ thế, đảm bảo nhà máy có thể tự vận hành ổn định.

III. Phương pháp lựa chọn sơ đồ nối điện và máy biến áp

Lựa chọn sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện là một trong những quyết định quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, linh hoạt và chi phí đầu tư. Các yêu cầu chính khi chọn sơ đồ bao gồm: đảm bảo cung cấp điện liên tục, thuận tiện trong vận hành và sửa chữa, và có chi phí hợp lý. Với ba cấp điện áp (10kV, 110kV, 220kV), sơ đồ thường sử dụng các máy biến áp liên lạc hoặc máy biến áp tự ngẫu. Trong tài liệu tham khảo, hai phương án đã được đề xuất và phân tích. Phương án 1 sử dụng hai máy biến áp tự ngẫu liên lạc giữa cấp 220kV và 110kV, và hai bộ máy phát - máy biến áp riêng cho cấp 110kV. Phương án 2 sử dụng cấu trúc hỗn hợp hơn. Việc phân tích ưu nhược điểm của từng phương án là cần thiết. Sau khi có sơ đồ, bước tiếp theo là lựa chọn máy biến áp. Nguyên tắc chung là chọn công suất định mức của máy biến áp lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán, sau đó kiểm tra điều kiện quá tải khi có sự cố. Các thông số như điện áp ngắn mạch (UN%), tổn thất không tải (P0) và tổn thất ngắn mạch (PN) là yếu tố quyết định hiệu quả vận hành và được dùng trong các tính toán sau này.

3.1. So sánh các phương án sơ đồ nối điện chính

Tài liệu gốc đã đưa ra hai phương án chính để so sánh. Phương án 1 có ưu điểm là sử dụng 2 chủng loại máy biến áp, dung lượng MBA không lớn, chi phí cho các MBA hai cuộn dây ở cấp 110kV tương đối rẻ. Nhược điểm là việc vận hành và lắp đặt có thể không thuận tiện. Phương án 2 sử dụng 3 chủng loại máy biến áp, công suất từ bộ MFĐ-MBA được truyền trực tiếp lên hệ thống 220kV nên tổn thất nhỏ hơn, nhưng chi phí đầu tư cho 3 máy biến áp có thể cao hơn. Việc phân tích kỹ lưỡng các chế độ vận hành bình thường và sự cố của từng phương án sẽ là cơ sở cho việc tính toán kinh tế - kỹ thuật ở chương sau.

3.2. Nguyên tắc chọn máy biến áp và kiểm tra điều kiện sự cố

Việc lựa chọn máy biến áp phải tuân thủ các nguyên tắc kỹ thuật. Công suất định mức MBA phải lớn hơn công suất yêu cầu. Ví dụ, với bộ MF-MBA, SđmB ≥ SđmMF. Với máy biến áp tự ngẫu, công suất định mức được chọn dựa trên hệ số có lợi α. Sau khi chọn, cần kiểm tra điều kiện làm việc trong các kịch bản sự cố nguy hiểm nhất (ví dụ hỏng một MBA liên lạc). Các MBA còn lại phải chịu được quá tải trong thời gian ngắn mà không hư hỏng, đồng thời đảm bảo cung cấp đủ công suất cho các phụ tải ưu tiên. Các thông số như Sđm = 160 MVA cho MBA tự ngẫu và Sđm = 80 MVA cho MBA hai cuộn dây được chọn trong tài liệu là kết quả của quá trình tính toán và kiểm tra này.

IV. Bí quyết tính toán ngắn mạch để chọn khí cụ điện

Mục đích của việc tính toán ngắn mạch là xác định các giá trị dòng điện sự cố lớn nhất có thể xảy ra trong hệ thống. Các giá trị này là cơ sở không thể thiếu để lựa chọn và kiểm tra độ bền của các thiết bị điện như máy cắt điện cao áp, dao cách ly, thanh cái phân phối, máy biến dòng (CT) và máy biến điện áp (VT/PT). Dòng ngắn mạch ba pha là trường hợp tính toán nặng nề nhất. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc thiết lập sơ đồ thay thế của hệ thống điện, trong đó các phần tử như máy phát, máy biến áp, đường dây được biểu diễn bằng các điện kháng tương đương. Các điểm ngắn mạch được chọn tại những vị trí quan trọng như thanh góp các cấp điện áp (220kV, 110kV) và đầu cực máy phát. Tài liệu gốc sử dụng phương pháp đường cong tính toán để xác định dòng ngắn mạch. Kết quả tính toán bao gồm dòng ngắn mạch siêu quá độ (I''), dòng ngắn mạch ổn định (I∞) và dòng xung kích (ixk), giúp đảm bảo các thiết bị được chọn có khả năng chịu đựng và cắt thành công dòng sự cố.

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

Để tính toán ngắn mạch, toàn bộ hệ thống điện phức tạp được đơn giản hóa thành một sơ đồ thay thế. Trong sơ đồ này, hệ thống điện quốc gia, các máy phát, máy biến áp và đường dây được mô hình hóa bằng các nguồn sức điện động và điện kháng tương ứng trong hệ đơn vị tương đối. Các điểm ngắn mạch (N1, N2, N3...) được chọn tại các thanh góp chính. Ví dụ, điểm N1 trên thanh góp 220kV được dùng để chọn thiết bị cho trạm phân phối ngoài trời (GIS, AIS) cấp 220kV. Điểm N2 trên thanh góp 110kV và N3 tại đầu cực máy phát được dùng để chọn các thiết bị tương ứng. Việc xác định chính xác các điện kháng và cấu trúc sơ đồ thay thế là yếu tố quyết định độ chính xác của kết quả.

4.2. Ý nghĩa của dòng xung kích và dòng cắt định mức

Kết quả tính toán ngắn mạch cung cấp hai thông số cực kỳ quan trọng. Dòng xung kích (ixk) là giá trị đỉnh của dòng ngắn mạch ở chu kỳ đầu tiên, gây ra lực điện động lớn nhất lên các thiết bị. Các thiết bị như thanh cái, dao cách ly phải có độ bền động định mức (iôđđ) lớn hơn ixk. Dòng ngắn mạch siêu quá độ (I'') là giá trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch tại thời điểm bắt đầu sự cố. Máy cắt điện phải có khả năng cắt định mức (ICđm) lớn hơn I''. Ví dụ, tại điểm N1 của phương án 1, tính được I'' = 5,01 kA và ixk = 12,753 kA. Dựa vào đây, máy cắt 3AQ2 có ICđm = 50 kA và iôđđ = 125 kA được chọn, hoàn toàn thỏa mãn điều kiện.

V. Đánh giá kinh tế kỹ thuật và chọn phương án tối ưu

Sau khi hoàn thành các phân tích kỹ thuật cho các phương án đề xuất, bước cuối cùng là đánh giá toàn diện về kinh tế - kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu. Chỉ tiêu kỹ thuật bao gồm độ tin cậy, sự thuận tiện vận hành và khả năng phát triển. Chỉ tiêu kinh tế cơ bản là vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng năm. Phương pháp phổ biến được sử dụng là tính toán hàm chi phí hàng năm (Ci = Pi + ađm * Vi), trong đó Pi là chi phí vận hành và Vi là vốn đầu tư. Phương án có hàm chi phí thấp nhất sẽ được coi là hiệu quả nhất về mặt kinh tế. Vốn đầu tư bao gồm chi phí mua sắm máy biến áp, máy cắt và các thiết bị phân phối khác. Chi phí vận hành bao gồm chi phí khấu hao và chi phí do tổn thất điện năng hàng năm. Tổn thất điện năng chủ yếu xảy ra trong máy biến áp và được tính toán dựa trên chế độ vận hành thực tế. Tài liệu đã tính toán chi tiết các chi phí này cho cả hai phương án, từ đó đưa ra kết luận lựa chọn phương án 1 là tối ưu.

5.1. So sánh vốn đầu tư và chi phí tổn thất điện năng

Vốn đầu tư là chi phí ban đầu để mua sắm và lắp đặt thiết bị. Trong tài liệu, vốn đầu tư cho phương án 1 là 31,452 tỷ VNĐ, và phương án 2 là 31,63 tỷ VNĐ. Chi phí vận hành hàng năm bao gồm chi phí do tổn thất điện năng. Tổn thất này được tính cho từng máy biến áp dựa trên biểu đồ tải. Kết quả cho thấy tổng tổn thất điện năng của phương án 1 là 6746,4 MWh/năm, trong khi phương án 2 là 6867,3 MWh/năm. Mặc dù vốn đầu tư chênh lệch không nhiều, chi phí vận hành thấp hơn đã góp phần làm cho phương án 1 trở nên hiệu quả hơn về mặt kinh tế.

5.2. Lựa chọn thiết bị và thiết kế hệ thống bảo vệ rơle

Dựa trên phương án tối ưu đã chọn (phương án 1), các thiết bị cuối cùng được xác định. Việc lựa chọn máy cắt điện cao áp và các thiết bị khác phải dựa trên kết quả tính toán ngắn mạch của phương án này. Song song đó, một khía cạnh quan trọng khác cần được đề cập trong thuyết minh đồ án nhà máy điện là thiết kế bảo vệ rơle cho máy phát và máy biến áp. Hệ thống bảo vệ phải phát hiện nhanh và cách ly chính xác các sự cố, bảo vệ các thiết bị đắt tiền khỏi hư hỏng và đảm bảo tính liên tục cung cấp điện. Các chức năng bảo vệ cơ bản bao gồm bảo vệ so lệch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ chống chạm đất, và nhiều chức năng chuyên dụng khác.