Đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan - ĐH Vinh

Tiểu luận đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan, phân tích tính toán phụ tải và lựa chọn thiết bị điện chuẩn xác.

• Tác giả: Lâm Văn Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Dũng
• Trường học: Trường Đại học Vinh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nghệ An

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan

Nhà máy dệt Hoàng Thị Loan là cơ sở sản xuất công nghiệp dệt may trọng điểm tại tỉnh Nghệ An. Quy trình công nghệ dệt may đòi hỏi nguồn điện liên tục và có độ tin cậy cao. Sự cố gián đoạn nguồn điện gây ngừng trệ dây chuyền kéo sợi, dệt vải và làm hỏng nguyên liệu. Đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan tập trung giải quyết bài toán cấp điện an toàn, liên tục và tối ưu chi phí vận hành. Hệ thống bao gồm trạm phân phối trung tâm, các trạm biến áp phân xưởng và lưới điện phân phối nội bộ. Các khu vực sản xuất chính gồm xưởng sợi OE, xưởng đơn nồi cọc, xưởng cơ khí, trạm khí nén và kho nguyên liệu. Thiết kế đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành của Việt Nam. Toàn bộ giải pháp kỹ thuật hướng đến việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất và bảo đảm an toàn lao động. Công trình tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng quy mô sản xuất trong tương lai.

1.1. Quy mô công nghệ và đặc điểm phụ tải dệt may

Quy trình sản xuất tại nhà máy bao gồm nhiều công đoạn liên hoàn như xé bông, chải thô, ghép sợi, kéo sợi con và dệt vải. Mỗi phân xưởng có mật độ thiết bị dày đặc với các động cơ công suất vừa và nhỏ chạy liên tục. Phụ tải dệt may thuộc loại hộ tiêu thụ loại một và loại hai. Việc mất điện đột ngột gây kẹt máy dệt, đứt sợi hàng loạt và phát sinh phế phẩm lớn. Ngoài ra, môi trường dệt có độ ẩm cao và nhiều bụi sợi bông dễ cháy nổ. Do đó, hệ thống điện cần thiết kế các tủ điện kín bụi, trang bị rơ le bảo vệ nhạy bén và có phương án nguồn cấp dự phòng linh hoạt.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật và kinh tế trong thiết kế

Thiết kế cung cấp điện phải bảo đảm tính toàn diện giữa độ tin cậy cung cấp điện và hiệu quả vốn đầu tư. Mục tiêu kỹ thuật hàng đầu là duy trì điện áp ổn định tại đầu cực các máy dệt trong giới hạn cho phép. Thiết kế hướng tới giảm thiểu tổn thất điện áp và tổn thất công suất trên toàn mạng lưới. Về mặt kinh tế, sơ đồ cấp điện cần tối ưu hóa số lượng trạm biến áp, giảm chiều dài đường dây cao áp và hạ áp. Đồng thời, cấu trúc mạng điện phải có tính linh hoạt cao, tạo thuận lợi cho công tác bảo trì, sửa chữa và sẵn sàng mở rộng phụ tải trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

II. Phân tích phụ tải khi thiết kế cung cấp điện dệt Hoàng Thị Loan

Xác định chính xác phụ tải tính toán là bước then chốt quyết định quy mô và chi phí của toàn bộ hệ thống cấp điện. Nếu tính toán thừa, chi phí đầu tư máy biến áp và dây dẫn sẽ tăng cao gây lãng phí vốn. Ngược lại, tính toán thiếu dẫn đến tình trạng quá tải, gây sụt áp và giảm tuổi thọ thiết bị. Đối với phân xưởng cơ khí, phương pháp xác định phụ tải theo công suất đặt kết hợp hệ số sử dụng và số thiết bị hiệu quả cho kết quả chính xác nhất. Phân xưởng được chia thành bốn nhóm máy chuyên biệt nhằm cân bằng tải giữa các pha. Đối với các phân xưởng lớn như đơn nồi cọc, xưởng OE và trạm khí nén, phương pháp tính theo suất phụ tải trên diện tích và hệ số nhu cầu được áp dụng triệt để. Đồ án tiến hành tổng hợp phụ tải tác dụng, phụ tải phản kháng và công suất toàn phần cho từng đơn vị. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu vững chắc để xác định biểu đồ phụ tải và vị trí tâm phụ tải của toàn nhà máy.

2.1. Phương pháp tính toán phụ tải phân xưởng cơ khí

Phân xưởng cơ khí phục vụ sửa chữa, bảo dưỡng khuôn mẫu và thiết bị dệt với diện tích một nghìn mét vuông. Toàn bộ thiết bị máy công cụ được khảo sát và phân nhóm chi tiết theo công suất định mức và chế độ làm việc. Đồ án chia các máy tiện, máy phay, máy bào, máy khoan thành bốn nhóm phụ tải độc lập. Nhóm nghiên cứu áp dụng công thức xác định thiết bị hiệu quả để tính toán hệ số cực đại. Công suất tác dụng tính toán và phản kháng được xác định cho từng nhóm. Phụ tải chiếu sáng chung được tính toán riêng theo mật độ công suất trên mét vuông, sau đó tổng hợp thành phụ tải toàn phần của phân xưởng.

2.2. Tổng hợp công suất và xác định tâm phụ tải toàn nhà máy

Các phân xưởng sản xuất chính như đơn nồi cọc có công suất đặt lớn lên tới 3780 kW, phân xưởng OE đạt 1350 kW. Tính toán phụ tải các khu vực này sử dụng phương pháp hệ số nhu cầu kết hợp hệ số đồng thời của toàn nhà máy. Bảng tổng hợp công suất xác định rõ nhu cầu công suất tác dụng, phản kháng và biểu kiến toàn nhà máy. Dựa trên tọa độ mặt bằng và công suất từng hạng mục, tâm phụ tải điện được xác định chính xác theo công thức mô men tĩnh. Việc xác định đúng tọa độ tâm phụ tải giúp định vị trạm biến áp trung tâm ở vị trí tối ưu nhất.

III. Giải pháp thiết kế mạng điện cao áp nhà máy dệt Hoàng Thị Loan

Dựa trên kết quả tính toán phụ tải và tọa độ tâm phụ tải, đồ án đề xuất và so sánh các phương án cung cấp điện cao áp cho nhà máy. Các phương án bao gồm sơ đồ trạm biến áp phân xưởng dẫn sâu và phương án xây dựng trạm phân phối trung tâm kết hợp nhiều trạm biến áp phân xưởng. Qua phân tích kinh tế kỹ thuật chi tiết về chi phí đầu tư ban đầu, tổn thất điện năng và chi phí vận hành hàng năm, phương án trạm phân phối trung tâm tỏ ra vượt trội. Nhà máy được cấp nguồn từ lưới điện quốc gia qua hai đường dây trung thế độc lập. Trạm phân phối trung tâm hạ áp và cấp nguồn đến ba trạm biến áp phân xưởng B1, B2 và B3. Các máy biến áp ba pha ngâm dầu được lựa chọn với dung lượng phù hợp và hệ số quá tải an toàn khi xảy ra sự cố một máy biến áp. Hệ thống cáp ngầm cao áp cách điện XLPE được lắp đặt trong mương cáp ngầm, đảm bảo mỹ quan công nghiệp và hạn chế tối đa nguy cơ cháy nổ.

3.1. Lựa chọn sơ đồ trạm biến áp và kiểm tra ngắn mạch

Trạm phân phối trung tâm và các trạm biến áp phân xưởng sử dụng sơ đồ thanh cái đơn có phân đoạn bằng máy cắt liên lạc. Giải pháp này bảo đảm chuyển nguồn tự động nhanh chóng khi một xuất tuyến gặp sự cố. Đồ án thực hiện tính toán dòng ngắn mạch ba pha duy trì và dòng ngắn mạch xung kích tại các điểm nút nguy hiểm trên lưới cao áp và hạ áp. Kết quả ngắn mạch dùng để kiểm tra độ bền nhiệt và độ bền điện động của các thiết bị đã chọn. Các thiết bị đóng cắt như máy cắt chân không, dao cách ly, biến dòng điện và biến điện áp đều đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn vận hành an toàn.

3.2. Thiết kế mạng hạ áp phân xưởng và bù công suất phản kháng

Mạng điện hạ áp phân xưởng cơ khí sử dụng sơ đồ mạng phân nhánh hình tia kết hợp tủ động lực và tủ phân phối. Cáp hạ áp ruột đồng cách điện PVC hoặc XLPE được chọn theo điều kiện phát nóng liên tục và kiểm tra theo độ sụt áp cho phép. Nhằm nâng cao hệ số công suất từ 0,7 lên trên 0,9 theo quy định của ngành điện, đồ án bố trí hệ thống tụ bù tĩnh tự động tại thanh cái hạ áp của các trạm biến áp. Việc bù công suất phản kháng cục bộ giúp giảm dòng điện chạy trên đường dây, giảm tổn thất công suất trong máy biến áp và cải thiện độ lệch điện áp tại phụ tải.

IV. Đánh giá hiệu quả thiết kế hệ thống điện dệt Hoàng Thị Loan

Hồ sơ thiết kế hệ thống cung cấp điện nhà máy dệt Hoàng Thị Loan mang lại giải pháp công nghệ toàn diện và có tính thực tiễn cao. Bản thiết kế giải quyết triệt để các bài toán kỹ thuật từ khâu dự báo phụ tải, lựa chọn cấu trúc nguồn đến thiết kế chi tiết mạng lưới điện cao áp và hạ áp. Việc áp dụng các thiết bị đóng cắt hiện đại cùng hệ thống tụ bù tự động giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ và nâng cao tuổi thọ dây chuyền kéo sợi. Hệ thống nối đất an toàn kết hợp hệ thống chống sét đánh thẳng bằng kim thu sét Franklin bảo vệ an toàn tuyệt đối cho người lao động và toàn bộ công trình nhà xưởng. Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành Kỹ thuật Điện cũng như các kỹ sư thiết kế mạng điện công nghiệp trong ngành dệt may. Mô hình cấp điện này hoàn toàn có thể ứng dụng nhân rộng cho các nhà máy dệt may có quy mô công suất tương đương trên phạm vi cả nước.

4.1. Giải pháp an toàn nối đất và hệ thống chống sét công trình

Nhà xưởng dệt may có diện tích rộng và kết cấu khung thép tiền chế nên nguy cơ sét đánh trực tiếp rất cao. Hệ thống chống sét sử dụng kim thu sét đặt trên đỉnh mái kết hợp mạng lưới dây dẫn sét bằng thép mạ kẽm nối thẳng xuống bãi tiếp địa. Hệ thống nối đất an toàn và nối đất làm việc của trạm biến áp được thiết kế chung bằng các cọc thép góc mạ kẽm đóng sâu liên kết với thanh dẹt. Điện trở nối đất sau tính toán đạt giá trị dưới 4 Ohm, tuân thủ nghiêm ngặt quy phạm trang bị điện. Giải pháp tiếp địa đẳng thế bảo vệ hiệu quả chống điện áp bước và điện áp tiếp xúc nguy hiểm.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn và định hướng mở rộng hệ thống

Phương án thiết kế có tính linh hoạt cao, cho phép lắp đặt thêm máy biến áp phân xưởng khi mở rộng dây chuyền dệt sợi giai đoạn hai mà không làm gián đoạn sản xuất hiện hữu. Các tủ phân phối trung tâm được tính toán dự phòng 20% số lượng lộ xuất tuyến cho các phụ tải mới. Ngoài ra, việc quy hoạch mạng cáp ngầm theo tuyến mương kỹ thuật giúp bảo đảm an toàn cháy nổ và thuận tiện nâng cấp dung lượng dây cáp sau này. Đây là mô hình chuẩn mực cho thiết kế điện công nghiệp nhẹ, cân bằng hài hòa giữa độ bền vận hành, an toàn kỹ thuật và hiệu quả vốn đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Phụ tải tính toán là phụ tải giatr thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế (biến đổi) về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Nói cách khác, phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra. Phụ tải tính toán là số liệu đầu vào quan trọng nhất của bài toán quy hoạch, thiết kế vận hành hệ thống cung cấp điện. Việc xác định sai phụ tải tính toán có thể làm cho kết quả bài toán vô nghĩa.

Ví dụ: Nếu phụ tải tính toán xác định được quá lớn so với thực tế thì hệ thống cung cấp điện được thiết kế sẽ dư thừa công suất dẫn tới lãng phí và ứ đọng vốn đầu tư, thậm chí còn gia tang tổn thất trong hệ thống. Ngược lại, nếu phụ tải tính toán xác định được quá nhỏ so với thực tế thì hệ thống cung cấp điện sẽ không đáp ứng được yêu cầu điện năng của phụ tải dẫn tới sự cố trong hệ thống và làm giảm tuổi thọ. Chính vì vậy hiện nay có rất nhiều nghiên cứu nhằm lựa chọn phương pháp tính phụ tải tính toán thích hợp nhưng chưa có phương pháp nào hoàn thiện. Những phương pháp đơn giản cho kết quả kém tin cậy.

Ngược lại, các phương pháp cho kết quả chính xác thường đòi hỏi nhiều thông tin về phụ tải, khối lượng tính toán lớn, phức tạp và không áp dụng được trong thực tế. Vì vậy nhiệm vụ của người thiết kế là phải lựa chọn phương pháp xác định phụ tải thích hợp với điều kiện tính toán có được cũng như độ tin cậy của kết quả cuối cùng. Xác định các phương pháp xác định phụ tải tính toán 2. Lí thuyết Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống (máy biến áp, đường dây…), tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt nặng nề nhất.

Mục đích của việc tính toán phụ tải nhằm: + Chọn tiết diện dây dẫn của lưới cung cấp và phân phối điện áp dưới 1000V trở lên. + Chọn số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp. + Chọn thiết bị thanh dẫn của thiết bị phân phối. + Chọn thiết bị chuyển mạch và bảo vệ.

Các phương pháp xác định phụ tải tính toán 2. Xác định phụ tải tính toán theo công suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm + Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thay đổi hoặc ít thay đổi, phụ tải tính toán lấy bằng giá trị trung bình của các phụ tải lớn nhất đó. Hệ số đóng điện của các hộ tiêu thụ điện này lấy bằng 1, còn hệ số phụ tải thay đổi rất ít. + Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thực tế không thay đổi, phụ tải tính toán bằng phụ tải trung bình và được xác định theo công suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm.

Khi cho trước tổng sản phẩm sản xuất trong một đơn vị thời gian. Trong đó: M ca : Số lượng sản phẩm sản xuất trong một ca T ca : Thời gian của ca phụ tải lớn nhất W 0 : Suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm Khi biết W 0 và tổng sản phẩm sản xuất trong cả năm của phân xưởng hay xí nghiệp, phụ tải tính toán sẽ là : a T max : Thời gian sử dụng dụng công suất lớn nhất 2. Xác định phụ tải tính toán theo công suất phụ tải trên một đơn vị sản phẩm Trong đó : F : Diện tích bố trí nhóm tiêu thụ Po : Xuất phụ tải trên một đơn vị sản xuất là m2, kw/m2 Suất phụ tải phụ thuộc vào dạng sản xuất và được phân tích theo số lượng thống kê. Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu Phụ tải tính toán của nhóm thiết bị làm việc được tính theo biểu thức : 13 Ở đây ta lấy thì ta được : : Hệ số nhu cầu của nhóm thiết bị tiêu thụ năng lượng đặc trưng : ứng với cos φ đặc trưng trong nhóm thiết bị trong các tài liệu tra cứu ở cẩm năng Nếu hệ số cos φ của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì phải tính hệ số công suất trung bình.

Phụ tải tính toán ở điểm mút của hệ thống cung cấp điện được xác định bằng tổng phụ tải tính toán của nhóm thiết bị nói đến luc này có thể kể đến hệ số đồng thời được tính như sau : Trong đó : : Tổng phụ tải tác dụng của nhóm thiết bị : Tổng phụ tải phản kháng tính toán của nhóm thiết bị : Hệ số đồng thời, nó nằm trong giới hạn 0,85 Ưu điểm : đơn giản tính toán thuận lợi, nên nó là phương pháp thường dùng. Nhược điểm : phương pháp này kém chính xác vì tra ở sổ tay. Phương pháp xác dịnh phụ tải theo hệ số cực đại K max và công suất trung bình Ptb.( còn gọi là phương pháp số thiết bị hiệu quảN hp hay phương pháp sắp xếp biểu đồ) 14 Khi cần nâng cao độ chính xác của phụ tải tính toán hoặc không có số liệu cần thiết để áp dụng các phương pháp tương đối đơn giản đã nêu ở trên thì ta dùng phương pháp này. Công thức như sau : Hay Cơ sở để xác định tính toán là sử dụng phụ tải trung bình cực đại trong thời gian gần bằng 3T.

Vậy một cách chính xác có thể viết như sau : : Phụ tải tác dụng tính toán của nhóm thiết bị trong thời gian 30 phút hay còn gọi là phụ tại cực tải nửa giờ. : Công suất trung bình của nhóm thiết bị ở ca phụ tải max. : Hệ số cực đại của công suất tác dụng ứng với thời gian trung bình 30 phút. Tính phụ tải đỉnh nhọn Đối với một máy, dòng điện đỉnh nhọn chính là dòng điện mở máy : Trong đó: là hệ số mở máy của động cơ Khi không có số liệu chính xác thì hệ số mở máy có thể lấy như sau : + Đối với động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc : + Đối với động cơ một chiều hay động cơ không đồng bộ roto dây quấn.

+ Đối với máy biến áp và lò điện hồ quang. 15 + Đối với một số nhóm máy, dòng điện đỉnh nhọn xuất hiện khi máy có dòng điện mở máy lớn nhất trong nhóm này còn các máy khác làm việc bình thường. Do đó, công thức tính như sau : Hay : : Dòng điện mở máy lớn nhất trong các dòng điện mở máy cúa các động cơ trong nhóm. : Tổng dòng điện tính toán của các máy trừ máy có dòng điện mở máy lớn nhất.

: Dòng điện định mức của động cơ có dòng điện mở máy lớn nhất đã quy đổi về chế độ làm việc dài hạn. Phụ tải tính toán động lực : Công thức tính toán động lực của toàn phân xưởng : 2. Xác định phụ tải tính toán của phân xưởng cơ khí Hình 2.Sơ đồ mặt bằng phân xưởng cơ khí 16 Bảng 2. Danh sách máy của phân xưởng cơ khí.

Pđm(kW) TT Tên thiết bị Số Lượng 1 máy 1 Máy tiện tự động 2 35 2 Máy mài 1 2 3 Bàn gia công 3 - 4 Máy phay 3 4 5 Máy bào 2 9 6 Tủ đựng dụng cụ 2 - 7 Máy phay đứng 1 14 8 Máy phay lăn răng 1 7 9 Máy khoan bàn 1 2 10 Bàn nguội cơ khí 1 - 11 Máy tiện tự động 2 30 12 Máy mài phẳng 1 9 13 Bàn gia công chi tiết 1 - 14 Máy khoan vạn năng 2 5 15 Bàn gia công 2 - 16 Máy tiện ren 2 35 17 Máy mài tròn 1 6 18 Tủ đựng dụng cụ 2 - 19 Máy phay đứng 1 10 20 Lò đốt kiểu đứng 1 25 21 Bàn gia công 1 - 22 Máy phay 2 5 23 Máy bào 1 8 24 Máy doa ngang 1 7 25 Máy mài phẳng 1 9 26 Máy cắt 1 4 27 Tủ đựng dụng cụ 2 - 28 Máy khoan 2 5 29 Máy mài phẳng 1 9 30 Ban gia công 2 - 17 31 Máy tiện vạn năng 1 35 32 Bàn gia công chi tiết 2 - 33 Bàn gia công 1 - 2. Phụ tải tính toán nhóm 1 Bảng 2. Phụ tải tính toán nhóm 1 STT Tên thiết bị Số lượng Pđm, kW 1 máy Toàn bộ 1 Máy tiện tự động 2 35 70 2 Máy mài 1 2 2 3 Máy phay 3 4 12 4 Máy bào 2 9 18 5 Máy phay đứng 1 14 14 Tổng 9 116  Tra bảng PL 1.1 ta tìm được ,   Từ bảng số liệu ta có , (số thiết bị có công suất lớn hơn một nửa công suất lớn nhất)  Do vậy:  Tra theo bảng PL 1.4 ta được:  Số thiết bị hiệu quả: (lấy )  Tra theo bảng PL 1.5: Lấy và ta được  Công suất tác dụng tính toán:  Công suất phản kháng tính toán: 2. Phụ tải tính toán nhóm 2 Bảng 2.

Phụ tải tính toán nhóm 2 STT Tên thiết bị Số lượng Pđm (kW) 1 máy Tổng 18 1 Máy phay lăn răng 1 7 7 2 Máy khoan bàn 1 2 2 3 Máy tiện tự động 2 30 60 4 Máy mài phẳng 1 9 9 5 Máy khoan vạn năng 2 5 10 Tổng 7 88  Tra bảng PL 1.1 ta tìm được và  Từ bảng số liệu ta có: Tổng số thiết bị: Số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nửa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất: Tổng công suất của n thiết bị: 88 ( ) Tổng công suất của n1 thiết bị: 60 ( )  Do vậy: Tra theo bảng PL 1.4 ta được:  Số thiết bị hiệu quả: (lấy )  Tra theo bảng PL 1.5: Lấy và ta được  Công suất tác dụng tính toán:  Công suất phản kháng tính toán: 2. Phụ tải tính toán nhóm 3 Bảng 2. Phụ tải tính toán nhóm 3 STT Tên thiết bị Số lượng Pđm, kW 1 máy Toàn bộ 1 Máy tiện ren 2 35 70 1 Máy mài tròn 1 6 6 2 Máy phay đứng 1 10 10 3 Lò đốt kiểu đứng 1 25 25 5 Máy bào 1 8 8 19 6 Máy doa ngang 1 7 7 Tổng 7 126  Tra bảng PL 1.1 ta tìm được ,  Từ bảng số liệu ta có , (số thiết bị có công suất lớn hơn một nửa công suất lớn nhất)  Do vậy:  Tra theo bảng PL 1.4 ta được:  Số thiết bị hiệu quả: (lấy )  Tra theo bảng PL 1.