GIỚ I THI Ệ U CHUNG V Ề CÔNG NGH Ệ S Ả N XU ẤT ĐIỆN NĂNG
T ổ ng quan v ề h ệ th ống điệ n
Điện năng là một loại năng lượng do con người tạo ra, dễ dàng sử dụng, trong khi một số dạng năng lượng tự nhiên không thể sử dụng được Nó được sản xuất bằng cách chuyển đổi các dạng năng lượng sơ cấp như thủy năng, hóa năng (than, dầu, khí đốt), sức gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng thủy triều, và nhiệt từ nước ngầm thành điện Dựa vào loại năng lượng sơ cấp, người ta phân chia thành các loại nhà máy điện chính: thủy điện, nhiệt điện và điện nguyên tử Bảng dưới đây minh họa tình hình tiêu thụ năng lượng sơ cấp ở một số quốc gia trên thế giới vào năm 1999.
Bảng 1.1.Bảng tiêu thụ năng lượng sơ cấp ở một số nước (năm 1999)
Tiêu thụnăng lượng sơ cấp, đơn vị triệu tấn dầu tương đương
Nhật Bản 507 51,0 10,0 13,2 16,2 1,6 Đức 331 40,0 24,4 21,8 13,2 0,6 Ấn Độ 276 34,3 54,3 7,7 1,2 2,5
Việc sản xuất và tiêu thụ năng lượng điện cũng đánh giá tình hình phát triển của một quốc gia
Ngoài một số nhà máy điện chuyển đổi trực tiếp năng lượng sơ cấp thành điện năng như nhà máy điện sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời, phần lớn các máy phát điện hiện nay biến cơ năng thành điện năng thông qua từ trường Cơ năng cung cấp cho máy phát được gọi là sức kéo, và sức kéo này được sử dụng để quay máy phát Do đó, quá trình sản xuất điện năng hiện nay có thể được mô tả như trong hình vẽ sau.
Hình 1.1 Hệ thống sản xuất điện năng 1.1.1 Nguồn năng lượng sơ cấp
Năng lượng sơ cấp như than, dầu, năng lượng dòng nước và sức gió được sử dụng để quay tuabin, từ đó tạo ra điện Trong các nhà máy nhiệt điện, than và dầu được dùng để đun nóng nước, biến nước thành hơi quá nhiệt và dẫn vào tuabin Tương tự, nhà máy điện nguyên tử cũng sử dụng hơi nước nhưng thay vì than và dầu, năng lượng nguyên tử được sử dụng để làm nóng nước Trong khi đó, nhà máy thủy điện khai thác thế năng và động năng của nước để sản xuất điện.
Cơ nă ng Đ iện nă ng
Nguồn nă ng Má y Bộ phận
Tuabin l- ợ ng sơ cấp phá t truyền tải điện
Bé phên kích thước chảy qua tuabin, năng lượng nước làm quay cánh tuabin Để đạt được điều này, cần xây dựng đập chắn nước để tạo ra nguồn nước với thế năng và động năng lớn Sau đó, nước sẽ được tháo ra một cách chủ động để dòng chảy qua cánh tuabin, khiến tuabin quay.
Bộ phận này chuyển đổi năng lượng sơ cấp thành cơ năng thông qua trục quay tuabin Khi trục quay tuabin hoạt động, nó sẽ quay trục máy phát, từ đó làm quay roto máy phát để sản xuất điện.
Máy phát điện là bộ phận chính trong việc chuyển đổi cơ năng từ tuabin thành điện năng Hiện nay, các nhà máy điện sử dụng máy phát đồng bộ, trong đó sức điện động phụ thuộc vào tốc độ quay và từ trường kích từ Bộ phận kích thích tạo ra từ trường một chiều trên cuộn dây kích thích, và khi có sự chuyển động giữa từ trường và các vòng dây phần ứng, sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng, từ đó tạo ra điện áp cần thiết ở đầu cực máy phát.
1.1.4 Bộ phận truyền tải điện
Nhiệm vụ chính của hệ thống điện là vận chuyển điện năng từ đầu cực máy phát đến nơi tiêu thụ Tại Việt Nam, điện năng từ các nhà máy điện quốc gia được hòa vào lưới điện 500kV, đảm bảo cung cấp điện cho các khu vực tiêu thụ.
1.1.5 Các loại nhà máy điện a Nhà máy nhiệt điện
Nhiệt năng từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí được chuyển đổi thành điện năng, với khoảng 70% điện năng toàn cầu hiện nay đến từ các nhà máy nhiệt điện Tại Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện đốt than lớn nhất bao gồm Mông Dương 2 với công suất 1200MW, Vĩnh Tân 2 với 1244MW và Duyên Hải 1 Tuy nhiên, với giá nhiên liệu hiện tại tăng cao, sản xuất điện từ các nhà máy nhiệt điện trở nên tốn kém và gây ô nhiễm môi trường do phát thải khí thải Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu này không có khả năng tự phục hồi.
Quy trình sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện thể hiện trong hình vẽ dưới đây.
Hình 1.2 Sơ đồ hơi chức năng quá trình sản xuất điện ở nhà máy nhiệt điện
Hơi sinh ra ở lò hơi là hơi bão hòa, sau đó được chuyển đổi thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt này được dẫn vào tuabin dãn nở, làm quay tuabin và kết nối với roto máy phát đồng bộ qua khớp nối Khi roto quay, điện năng được sinh ra tại cực máy phát Sau khi đi qua tuabin, hơi được dẫn vào bình ngưng, rồi tiếp tục qua bình khử khí trước khi được bơm trở lại lò hơi.
Như vậy ở đây nước chỉ là môi chất trung gian, còn năng lượng biến đổi chính là năng lượng than ởđầu vào để biến thành điện năng ởđầu ra
1 b Nhà máy điện nguyên tử
Nhà máy điện hạt nhân đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, sử dụng năng lượng phân rã hạt nhân để sản xuất điện Tính đến năm 2000, thế giới đã có 432 lò phản ứng hạt nhân với tổng công suất 362 triệu kW, cung cấp khoảng 17% điện năng toàn cầu Tại Việt Nam, dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I và II có tổng công suất lắp đặt trên 4000MW Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng hiệu quả, với kích thước nhà máy nhỏ, không gây ô nhiễm khí quyển và nguyên liệu rẻ Tuy nhiên, chi phí xây dựng nhà máy điện hạt nhân rất cao do hệ thống an toàn phức tạp và phí đào tạo nhân công lớn.
Quy trình sản xuất điện ở nhà máy điện nguyên tử gần giống với nhà máy nhiệt điện, được trình bàytrên hình 1.3:
Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng quá trình sản xuất điện ở nhà máy điện nguyên tử
Lò hơi của nhà máy nhiệt điện được thay thế bằng nhà lò, bao gồm lò phản ứng hạt nhân và bình sinh hơi Tuabin của nhà máy điện nguyên tử hoạt động trong vùng bão hòa, do đó không cần bộ quá nhiệt.
Nhà máy điện thủy điện là một loại nhà máy sử dụng năng lượng từ dòng nước, đóng góp khoảng 15% tổng sản lượng điện năng toàn cầu Nước được coi là nguồn năng lượng sơ cấp tốt nhất nhờ vào khả năng tái tạo và hiệu suất cao trong việc sản xuất điện.
Máy thủy điện yêu cầu đầu tư ban đầu lớn để xây dựng các đập cao, nhưng chi phí vận hành lại thấp, dẫn đến giá thành điện năng thấp nhất Ngoài việc sản xuất điện, nhà máy thủy điện còn đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nước, thủy lợi và phòng chống lũ.
Việc phát triển thêm nhà máy thủy điện đang gặp hạn chế do nhiều nơi trên thế giới đã khai thác gần hết nguồn nước Tuy nhiên, Việt Nam có lợi thế với nhiều sông suối, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển thủy điện Hiện nay, nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam là Sơn La với tổng công suất 2400MW, tiếp theo là Hoà Bình với tổng công suất 1920MW, cùng nhiều nhà máy thủy điện vừa và nhỏ khác được xây dựng ở miền Bắc và miền Trung.
Quy trình sản xuất điện năng tại nhà máy thủy điện đơn giản hơn so với nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân, vì nó không theo chu trình kín Sau khi nước được sử dụng để quay tuabin, nó sẽ được trả lại môi trường tự nhiên.
Máy phát điện đồ ng b ộ
Máy phát điện đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, chủ yếu chuyển đổi cơ năng thành điện năng Điện năng được tạo ra từ các máy phát điện quay, sử dụng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước Ngoài ra, máy phát điện còn có thể được kéo bởi các động cơ sơ cấp khác như động cơ điêzen và động cơ đốt trong, phục vụ cho các máy phát có công suất vừa và nhỏ, đáp ứng nhu cầu điện cho các tải địa phương, nguồn dự phòng và các xí nghiệp công nghiệp nhỏ.
1.2.1 Tốc độ quay và sức điện động của máy phát điện
Máy phát điện đồng bộ ba pha là máy có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từtrường quay stato n = n1 P f
- n là tốc độ quay của rôto
- f là tần sốcó đơn vị là Hz
Tốc độ quay của từ trường, ký hiệu là n1, được xác định khi rotor quay nhờ động cơ sơ cấp Khi rotor quay, từ trường sẽ cắt qua dây quấn phần ứng của stator, tạo ra cảm ứng sức điện động hình sin với trị số hiệu dụng nhất định.
Kdq: là hệ số dây quấn;
W : Số vòng dây của một cuộn dây pha ỉ đm : từ thụng cực đại dưới một cực của cực từ
1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý cơ bản a Cấu tạo
Phần tĩnh là ba cuộn dây ba pha AX, BY, CZ đặt lệch nhau trong không gian
• Phần quay: là nam châm điện một chiều có một hoặc một số đôi cực kích thích bằng dòng một chiều
Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện (G) được quay bởi tuabin (T)
T cung cấp cơ năng cho máy phát điện G thể hiện bằng mômen cơ MCO G nhận MCO và biến thành mômen điện M điện
Hình 1.5 Tổ hợp máy phát-tuabin
Máy phát điện có vận tốc n = ndb = const, tổng mômen tác dụng lên trục máy phát là:
Dấu trừở đây thể hiện sựngược chiều của hai mômen MCO và Mđiện nghĩa là
P (1.4) Trong đó Pđiện: là công suất điện
Công suất phát điện đặc trưng cho máy phát điện, và khi máy phát điện có mômen điện hãm, nó sẽ phát ra công suất P trong điều kiện làm việc bình thường Trong trường hợp này, máy phát điện cung cấp năng lượng hữu ích, do đó, công suất phát được xem là những số dương.
Khi khép mạch cuộn dây AX, BY, CZ qua tải đối xứng Ż A =Ż B = Ż C trong cuộn dây AX, BY, CZ có dòng İ A ,İ B , İ C lệch pha nhau về thời gian 120° điện vì AX,
BY, CZ đặt lệch nhau trong không gian 120độ còn İ A ,İ B , İ C sinh ra từ trường quay n
M CO với vận tốc ωỉ= ωđiện
Tốc độ rôto ω R bằng với tốc độ đồng bộ ωđb, dẫn đến việc từ trường sinh ra ở stato không quét rôto Kết quả là trong rôto không xuất hiện dòng cảm ứng, mà chỉ có dòng kích thích một chiều.
Trong chếđộ làm việc bình thường máy phát điện làm việc đối xứng, tức là dòng lệch pha nhau 120° với các môđun İ A ,İ B , İ C bằng nhau
Nếu lấy IA làm gốc thì ta có hệdòng đối xứng như sau:
Với a = e γ120 Tương tựnhư vậy ta cũng có một hệáp đối xứng khi lấy U̇ A làm gốc
K ế t c ấu và đặc điể m
1.3.1 Máy phát điện cực ẩn
Máy phát điện cực ẩn quay nhanh có đặc điểm là n đm lớn, giúp kích thước máy gọn nhẹ và tiêu hao nguyên liệu ít trên mỗi đơn vị công suất Do tốc độ quay cao, lực ly tâm của rôto rất lớn, vì vậy rôto cần được chế tạo bền chắc, thường bằng rèn liền khối Đường kính của rôto thường không vượt quá 1,1 đến 1,5m để giảm quán tính, và để tăng công suất, chiều dài tối đa của rôto có thể lên đến 6,5m.
Các máy phát điện cực ẩn được chế tạo với số cực p = 1 nên tốc độ sẽ là: n = 1
Hình 1.6 Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto
Dây dẫn kích từ trong rãnh rôto được chế tạo từ dây đồng trần có tiết diện chữ nhật, quấn thành các bối dây đồng tâm và cách điện bằng lớp mica mỏng Các vòng dây quấn được cố định chắc chắn trong rãnh bằng nối và đai chặt bằng ống trụ thép Hai đầu dây quấn kích từ đi qua trục và kết nối với hai vành trượt thông qua chổi điện, cung cấp dòng kích từ một chiều Dòng điện này thường được cung cấp bởi máy phát điện một chiều hoặc xoay chiều đã được chỉnh lưu, có thể có hoặc không có vành trượt, kết nối với trục máy phát điện.
Stato của máy phát điện ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép và dây quấn ba pha, được bao bọc bởi thân và vỏ máy Lõi thép stato được ghép từ các tấm tôn silic dày 0,5 mm, với rãnh thông gió ngang trục rộng 10 mm, giúp tản nhiệt hiệu quả Lõi thép này được cố định trong thân máy, và với các máy có công suất trung bình và lớn, cấu trúc cực ẩn mang lại sự nhỏ gọn và chắc chắn, phù hợp cho các máy phát điện trong nhà máy nhiệt điện với tốc độ cao.
1 3.2 Máy phát điện cực lồi
Máy phát điện cực lồi được thiết kế cho các máy phát điện có tốc độ quay thấp, với tỷ lệ chiều dài và đường kính rôto thường nằm trong khoảng L/D = 0,15 - 0,2 Rôto của máy phát điện công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo từ thép đúc, gia công thành khối hình trụ và có đặt cực từ trên bề mặt Đối với các máy lớn, lõi thép được tạo thành từ các tấm thép dày từ 1 - 6mm, được dập hoặc đúc định hình trước để ghép thành các khối lăng trụ Cực từ trên lõi thép rôto được lắp ghép bằng những lá thép dày từ 1 - 1,5mm.
Dây quấn kích từ được sản xuất từ dây đồng trần có tiết diện hình chữ nhật, được quấn mỏng thành từng cuộn Các vòng dây được cách điện bằng lớp mica hoặc amiang Sau khi hoàn thiện, các cuộn dây được lắp vào thân cực.
Dây quấn cản của máy phát điện được lắp đặt trên các đầu cực, có cấu trúc tương tự như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ Cấu tạo này bao gồm các thanh đồng được đặt trong rãnh của các đầu cực, với hai đầu được kết nối với hai vành ngắn mạch.
Stato của máy phát điện cực lồi có cấu tạo tương tự như máy phát điện cực ẩn, với yêu cầu chặt chẽ về kết cấu điện, cơ học và hệ thống làm mát Để đảm bảo vận hành ổn định, máy phát điện nhỏ thường sử dụng phương pháp làm mát bằng gió, với các khoang thông gió thiết kế giữa vỏ máy và lõi thép stator, cùng với cánh quạt gió ở đầu trục để thổi không khí qua các khoang này Vỏ máy cũng được thiết kế với các sống gân hoặc cánh tỏa nhiệt nhằm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Các máy phát điện lớn, có công suất từ vài chục kW trở lên, thường được làm mát bằng nước hoặc khí, trong khi máy phát điện công suất lớn với đường kính roto lớn hơn 1m được chế tạo từ nhiều mảnh tôn gọi là sec măng để dập và ghép lại.
*Sec măng ép ởhai đầu
*Sec măng chính để tạo thành lõi sắt dẫn từ
*Sec măng thông gió để tạo thành các rãnh thông gió
Trục của máy phát điện có thể được bố trí theo hai cách: nằm ngang cho các máy công suất nhỏ và thẳng đứng cho các máy tuabin nước công suất lớn với tốc độ chậm.
Phương trình của máy điện đồ ng b ộ
1.4.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực ẩn
- xuđiện kháng phần ứng (điện kháng chính của máy)
- R điện trở dây quấn pha stato Phương trình mạch rôto kt kt kt R
1.4.2 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi
Khi khảo sát máy đồng bộ cực lồi phải phân tích dòng điện thành hai thành phần: thành phần dọc trục (İ d ) thành phần ngang trục (İ q )
Với ψ - là góc lệch pha giữa Ė0 và İ (0°
