(NB) Giáo trình Nhà máy điện và trạm biến áp được biên soạn trên cơ sở các kiến thức, lý thuyết cơ bản, được trình bày một cách ngắn gọn và dễ hiểu, chủ yếu đi sâu vào các kiến thức cơ bản về thiết bị, trang bị cho người đọc những kiến thức cơ bản nhằm làm việc và tính toán được các thiết bị chính trong các nhà máy điện và trạm biến áp nước ta.
Khái niệm chung về nhà máy điện và trạm biến áp
Năng lượng và vấn đề sản xuất năng lượng
Phân loại và đặc điểm của nhà máy điện
5 Chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện 3 3 0
2 Chương 2 Sơ đồ nối điện của nhà máy điện và trạm biến áp 23 14 8 1
1 Sơ lược về sơ đồ nối điện nhà máy điện và trạm biến áp 2 2 0
3 Sơ đồ hệ thống thanh góp 14 9 5
4 Một số dạng sơ đồ của Nhà máy điện và trạm biến áp 5 2 2 1
3 Chương 3 Nguồn thao tác trong nhà máy điện và trạm biến áp 6 4 2
1 Nguồn thao tác một chiều 3 2 1
2 Nguồn thao tác xoay chiều 3 2 1
4 Chương 4 Điện tự dùng trong 6 4 1 1
7 nhà máy điện và trạm biến áp
2 Nguồn cung cấp điện tự dùng 1 1 0
3 Hệ thống tự dùng của nhà máy thủy điện 2 2 0
4 Hệ thống tự dùng của nhà máy nhiệt điện 1 1 0
5 Điện tự dùng của trạm biến áp 1,5 0,5 0 1
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính vào giờ thực hành
CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP
1 Năng lượng và vấn đề sản xuất năng lượng
1.1 Năng lượng và hệ thống năng lượng
Năng lượng trong vũ trụ rất phong phú, đặc biệt là năng lượng mặt trời, với trữ lượng gấp hàng chục tỉ lần so với nhu cầu tiêu thụ hàng năm trên toàn thế giới Tuy nhiên, nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt, trở thành một thách thức lớn cho nhân loại Để chuyển hóa năng lượng sơ cấp thành năng lượng tiêu thụ, cần trải qua nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vận chuyển và phân phối, tất cả đều yêu cầu chi phí tài chính, kỹ thuật và các yếu tố xã hội Hiệu suất của các công đoạn này từ nguồn năng lượng sơ cấp đến năng lượng cuối cùng, chẳng hạn như điện năng được sử dụng cho chiếu sáng, vẫn còn rất thấp.
Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm các nhà máy điện, lưới điện và các hộ tiêu thụ điện
Nhà máy điện chuyển đổi năng lượng sơ cấp như than, dầu, khí đốt và thủy năng thành điện năng Các nhà máy này được kết nối thành hệ thống thông qua trạm biến áp và đường dây tải điện.
Các nhà máy điện kết nối trong một hệ thống giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn trong việc cung cấp điện cho người tiêu dùng, vì chúng có thể hỗ trợ lẫn nhau khi xảy ra sự cố Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả về kinh tế, cần có sự điều khiển thống nhất từ trung tâm điều độ Mặc dù việc kết nối các nhà máy điện yêu cầu một khoản đầu tư lớn, nhưng nó mang lại lợi ích về giá thành điện năng thấp và độ tin cậy cao trong cung cấp điện.
Lưới điện bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải điện, được phân loại thành lưới điện khu vực, lưới điện địa phương, lưới truyền tải điện quốc gia và lưới điện phân phối, tùy thuộc vào phạm vi và nhiệm vụ của chúng Trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và phân phối điện năng.
9 vụ nối các đường dây với cấp điện áp khác nhau trong hệ thống chung và trực tiếp cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện, như trong hình 1-1, bao gồm các nhà máy điện như nhiệt điện ngưng hơi (NĐN), nhiệt điện rút hơi (NĐR) và thuỷ điện (TĐ) Hệ thống này còn có các đường dây tải điện với điện áp 220, 110 và 35 kV, cùng với mạng điện cung cấp 6 kV.
Các nhà máy điện kết nối thành một hệ thống giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục cho người tiêu dùng, hỗ trợ lẫn nhau khi có sự cố Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả và kinh tế, cần có sự điều khiển thống nhất từ trung tâm điều độ Mặc dù việc kết nối các nhà máy điện đòi hỏi đầu tư lớn cho trạm và đường dây tải điện, nhưng có thể nhanh chóng thu hồi vốn nhờ vào giảm chi phí điện năng và tăng tính ổn định trong cung cấp điện.
2 Phân loại và đặc điểm của nhà máy điện
Các nhà máy điện được phân loại dựa trên dạng năng lượng sơ cấp mà chúng sử dụng, bao gồm nhiệt điện, thuỷ điện, địa nhiệt, điện nguyên tử, phong điện và quang điện Mỗi loại nhà máy điện có đặc điểm và phương thức hoạt động riêng, phục vụ nhu cầu sản xuất điện năng khác nhau.
Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống điện
10 nhiệt điện người ta còn phân thành nhiệt điện rút hơi (NĐR), nhiệt điện ngưng hơi (NĐN)
2.1 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (NĐN)
- Sơ đồ quá trình sản xuất điện năng của nhà máy điện ngưng hơi (NĐN) được trình bày theo sơ đồ hình 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của NĐN
1 Kho nhiên liệu; 9.vòi đốt;
2 hệ thống cấp nhiên liệu; 10.quạt gió;
4 tua bin; 12 bộ sấy không khí;
5.bình ngưng; 13 bộ hâm nước;
6 bơm tuần hoàn; 14 bình gia nhiệt hạ áp;
7 bơm ngưng tụ; 15 bộ khử khí;
8 bơm cấp nước; 16 bình gia nhiệt cao áp
Nhiên liệu như than và dầu được cung cấp từ kho chứa, sau đó được đưa vào lò qua hệ thống cấp nhiên liệu Tại đây, nhiên liệu được sấy khô bằng không khí nóng từ quạt gió.
Nước được xử lý hóa học và đưa vào nồi hơi của lò thông qua bộ hâm nước Trong lò, phản ứng cháy diễn ra, chuyển hóa hóa năng thành nhiệt năng Khói sau khi đi qua bộ hâm nước và bộ sấy không khí để tận dụng nhiệt sẽ thoát ra ngoài qua ống khói nhờ quạt khói.
Nước trong nồi hơi nhận nhiệt năng, biến thành hơi có thông số cao (áp suất P
Áp suất hơi nước trong khoảng 130 - 240 kG/cm² và nhiệt độ từ 540 - 565 °C được dẫn đến tuabin 4, nơi áp suất và nhiệt độ giảm, đồng thời diễn ra quá trình chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng để quay tuabin.
Tua bin quay chuyển đổi cơ năng thành điện năng, sau đó hơi nước với áp suất từ 0,03 đến 0,04 kG/cm² và nhiệt độ khoảng 40°C sẽ đi vào bình ngưng Tại đây, hơi nước ngưng tụ thành nước nhờ hệ thống làm lạnh tuần hoàn, sử dụng nước làm lạnh có nhiệt độ từ 5 đến 25°C, thường được lấy từ các dòng sông hoặc hồ thông qua bơm tuần hoàn Để ngăn không khí xâm nhập vào bình ngưng, bơm tuần hoàn được lựa chọn là loại chân không.
Nước ngưng tụ từ bình ngưng được chuyển qua bình gia nhiệt hạ áp và bộ khử khí nhờ bơm ngưng tụ Để bù đắp lượng nước thiếu hụt trong quá trình làm việc, nước bổ sung thường xuyên được đưa qua bộ khử khí Trước khi đưa vào lò, nước cấp cần được xử lý để tránh ăn mòn đường ống và thiết bị, chủ yếu bằng cách khử O2 và CO2 tại bộ khử khí.
Nước ngưng tụ và nước bổ sung sau khi xử lý được bơm cấp nước (8) đưa qua bình gia nhiệt cao áp (16) và bộ hâm nước (13) trước khi trở về nồi hơi của lò (3).
Trong quá trình hoạt động, một phần hơi nước được trích ra từ một số tầng của tua bin để cung cấp cho các bình gia nhiệt hạ áp (14), cao áp (16) và bộ khử khí (15).
* Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
- Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu
- Hầu hết điện năng sản xuất được phát hết lên lưới điện cao áp;
- Làm việc với đồ thị phụ tải tự do;
- Tính linh hoạt trong vận hành kém Khởi động và tăng phụ tải chậm
- Khối lượng nhiên liệu lớn; Khói thải làm ô nhiễm môi trường
2.2 Nhà máy nhiệt điện rút hơi (NĐR)
Nhà máy nhiệt điện rút hơi (NĐR) hoạt động tương tự như nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (NĐN), nhưng điểm khác biệt là NĐR rút ra một lượng hơi đáng kể từ tuabin để cung cấp cho các phụ tải nhiệt công nghiệp và sinh hoạt, như chạy búa máy và sưởi ấm Nhờ đó, hiệu suất chung của nhà máy được nâng cao.
Do rút nhiệt phục vụ cho công nghiệp nên NĐR có các đặc điểm khác với (NĐN) cụ thể là:
- Thường được xây đựng gần phụ tải nhiệt (Việt Trì vừa sản xuất điện vừa bán hơi cho khu công nghiệp)
- Phần lớn điện năng sản xuất ra cấp cho phụ tải cấp điện áp máy phát
- Để đảm bảo hiệu suất cao đồ thị phụ tải điện phụ thuộc vào phụ tải nhiệt
- Tính linh hoạt trong vận hành cũng kém như NĐN
- Hiệu suất cao hơn NĐN ( = 60 70%)
2.3 Nhà máy điện nguyên tử (NT)
Trạm biến áp
Trạm biến áp là công trình quan trọng dùng để chuyển đổi điện áp giữa các cấp khác nhau, phục vụ cho việc truyền tải và phân phối điện năng hiệu quả.
Trạm biến áp được phân loại theo điện áp, theo địa dư
Theo điện áp, trạm biến áp có thể là trạm tăng áp, cũng có thể là trạm hạ áp hay trạm trung gian
Trạm tăng áp được lắp đặt tại các nhà máy điện nhằm nâng cao điện áp từ máy phát lên mức cao hơn, phục vụ việc truyền tải điện năng đi xa Ngược lại, trạm hạ áp được sử dụng tại các hộ tiêu thụ để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp hơn, phù hợp với nhu cầu sử dụng Bên cạnh đó, trạm biến áp trung gian đóng vai trò kết nối giữa hai lưới điện có cấp điện áp khác nhau.
Theo địa dư, trạm biến áp được phân loại thành trạm biến áp khu vực và trạm biến áp địa phương
Trạm biến áp khu vực cung cấp điện từ mạng điện chính của HTĐ cho các khu vực lớn như thành phố và khu công nghiệp, với điện áp sơ cấp từ 110 đến 220 kV và thứ cấp từ 110 đến 6 kV Trạm biến áp địa phương lấy điện từ mạng phân phối, cung cấp cho từng xí nghiệp hoặc hộ tiêu thụ với điện áp thấp hơn Tại các phía cao và hạ áp của trạm biến áp, có các thiết bị phân phối cao áp và hạ áp, có nhiệm vụ nhận và phân phối điện năng qua các đường dây Trong các thiết bị này, bao gồm khí cụ điện để đóng cắt, điều khiển, bảo vệ và đo lường.
Ngoài các loại trạm biến áp đã đề cập, hệ thống điện còn bao gồm các trạm đóng cắt điện không có máy biến áp, trạm nối để kết nối hai hệ thống có tần số khác nhau, trạm chỉnh lưu chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều, và trạm nghịch lưu chuyển đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều, nhằm phục vụ cho việc truyền tải điện xa bằng dòng điện một chiều.
Chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống điện
tính trong hệ thống điện 3 3 0
2 Chương 2 Sơ đồ nối điện của nhà máy điện và trạm biến áp 23 14 8 1
1 Sơ lược về sơ đồ nối điện nhà máy điện và trạm biến áp 2 2 0
3 Sơ đồ hệ thống thanh góp 14 9 5
4 Một số dạng sơ đồ của Nhà máy điện và trạm biến áp 5 2 2 1
3 Chương 3 Nguồn thao tác trong nhà máy điện và trạm biến áp 6 4 2
1 Nguồn thao tác một chiều 3 2 1
2 Nguồn thao tác xoay chiều 3 2 1
4 Chương 4 Điện tự dùng trong 6 4 1 1
7 nhà máy điện và trạm biến áp
2 Nguồn cung cấp điện tự dùng 1 1 0
3 Hệ thống tự dùng của nhà máy thủy điện 2 2 0
4 Hệ thống tự dùng của nhà máy nhiệt điện 1 1 0
5 Điện tự dùng của trạm biến áp 1,5 0,5 0 1
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính vào giờ thực hành
CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP
1 Năng lượng và vấn đề sản xuất năng lượng
1.1 Năng lượng và hệ thống năng lượng
Năng lượng trong vũ trụ rất phong phú, với năng lượng mặt trời có trữ lượng gấp hàng chục tỉ lần so với năng lượng tiêu thụ hàng năm trên toàn cầu Tuy nhiên, nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt, trở thành một thách thức lớn cho nhân loại Để chuyển đổi năng lượng sơ cấp thành năng lượng sử dụng được, cần trải qua nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vận chuyển và phân phối, điều này đòi hỏi chi phí tài chính, kỹ thuật và các yếu tố xã hội Hiệu suất của các công đoạn này từ nguồn năng lượng sơ cấp đến năng lượng cuối cùng, như điện năng chuyển thành ánh sáng, vẫn còn rất thấp.
Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng bao gồm các nhà máy điện, lưới điện và các hộ tiêu thụ điện
Nhà máy điện chuyển đổi năng lượng sơ cấp như than, dầu, khí đốt và thủy năng thành điện năng Các nhà máy này được kết nối với nhau qua hệ thống trạm biến áp và đường dây tải điện.
Việc kết nối các nhà máy điện trong một hệ thống giúp nâng cao tính đảm bảo cung cấp điện liên tục và an toàn cho người tiêu dùng, vì chúng hỗ trợ lẫn nhau khi có sự cố xảy ra Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả về mặt kinh tế, cần có sự điều khiển thống nhất từ trung tâm điều độ Mặc dù việc xây dựng hệ thống điện đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhưng nó mang lại lợi ích về giá thành điện năng thấp hơn và độ tin cậy cung cấp điện cao.
Lưới điện bao gồm trạm biến áp và đường dây tải điện, được phân chia thành lưới điện khu vực, lưới điện địa phương, lưới truyền tải điện quốc gia và lưới điện phân phối tùy theo phạm vi và nhiệm vụ Trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và phân phối điện năng.
9 vụ nối các đường dây với cấp điện áp khác nhau trong hệ thống chung và trực tiếp cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện, như trong hình 1-1, bao gồm các nhà máy điện như nhiệt điện ngưng hơi (NĐN), nhiệt điện rút hơi (NĐR) và thủy điện (TĐ) Hệ thống này còn có các đường dây tải điện với điện áp 220 kV, 110 kV và 35 kV, cùng với mạng điện cung cấp 6 kV.
Kết nối các nhà máy điện thành một hệ thống giúp nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện liên tục cho người tiêu dùng, nhờ vào khả năng hỗ trợ lẫn nhau trong trường hợp xảy ra sự cố Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả và kinh tế, cần có sự điều khiển thống nhất từ trung tâm điều độ Mặc dù việc xây dựng các trạm và đường dây tải điện đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhưng lợi ích từ việc giảm giá thành điện năng và tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện sẽ giúp thu hồi vốn nhanh chóng.
2 Phân loại và đặc điểm của nhà máy điện
Các nhà máy điện được phân loại dựa trên dạng năng lượng sơ cấp mà chúng sử dụng, bao gồm nhiệt điện, thủy điện, điện địa nhiệt, điện nguyên tử, điện gió và điện mặt trời Mỗi loại nhà máy điện này có đặc điểm và phương thức hoạt động riêng, đáp ứng nhu cầu năng lượng khác nhau.
Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống điện
10 nhiệt điện người ta còn phân thành nhiệt điện rút hơi (NĐR), nhiệt điện ngưng hơi (NĐN)
2.1 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (NĐN)
- Sơ đồ quá trình sản xuất điện năng của nhà máy điện ngưng hơi (NĐN) được trình bày theo sơ đồ hình 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của NĐN
1 Kho nhiên liệu; 9.vòi đốt;
2 hệ thống cấp nhiên liệu; 10.quạt gió;
4 tua bin; 12 bộ sấy không khí;
5.bình ngưng; 13 bộ hâm nước;
6 bơm tuần hoàn; 14 bình gia nhiệt hạ áp;
7 bơm ngưng tụ; 15 bộ khử khí;
8 bơm cấp nước; 16 bình gia nhiệt cao áp
Nhiên liệu như than và dầu được cung cấp từ kho chứa qua hệ thống cấp nhiên liệu Sau đó, nhiên liệu được đưa vào lò và được sấy khô bằng không khí nóng từ quạt gió.
Nước được xử lý hóa học và đưa vào nồi hơi của lò thông qua bộ hâm nước Tại đây, phản ứng cháy diễn ra, biến hóa năng thành nhiệt năng Khói, sau khi đi qua bộ hâm nước và bộ sấy không khí để tận dụng nhiệt, sẽ thoát ra ngoài qua ống khói nhờ quạt khói.
Nước trong nồi hơi nhận nhiệt năng, biến thành hơi có thông số cao (áp suất P
Hơi nước có áp suất từ 130 đến 240 kG/cm² và nhiệt độ từ 540 đến 565 độ C được dẫn đến tuabin 4, nơi áp suất và nhiệt độ giảm Quá trình này chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng, giúp quay tuabin hiệu quả.
Tua bin quay chuyển đổi cơ năng thành điện năng Hơi nước sau khi rời khỏi tua bin có áp suất từ 0,03 đến 0,04 kG/cm² và nhiệt độ khoảng 40°C, sau đó được đưa vào bình ngưng Tại bình ngưng, hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước nhờ vào hệ thống làm lạnh tuần hoàn Nước làm lạnh, với nhiệt độ từ 5 đến 25°C, có thể được lấy từ các dòng sông hoặc hồ thông qua bơm tuần hoàn Để ngăn không khí xâm nhập vào bình ngưng, bơm tuần hoàn được chọn là loại chân không.
Nước ngưng tụ từ bình ngưng được chuyển qua bình gia nhiệt hạ áp và bộ khử khí nhờ bơm ngưng tụ Để bù đắp lượng nước thiếu hụt trong quá trình vận hành, nước bổ sung thường xuyên được đưa vào bộ khử khí Để ngăn ngừa ăn mòn cho đường ống và thiết bị làm việc với nước ở nhiệt độ cao, nước cấp cần được xử lý, chủ yếu là khử O2 và CO2, tại bộ khử khí trước khi vào lò.
Nước ngưng tụ và nước bổ sung sau khi xử lý được bơm qua bình gia nhiệt cao áp và bộ hâm nước trước khi trở về nồi hơi của lò.
Một phần hơi nước được trích ra từ một số tầng của tua bin nhằm cung cấp cho các bình gia nhiệt hạ áp (14), cao áp (16) và bộ khử khí (15).
* Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
- Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu
- Hầu hết điện năng sản xuất được phát hết lên lưới điện cao áp;
- Làm việc với đồ thị phụ tải tự do;
- Tính linh hoạt trong vận hành kém Khởi động và tăng phụ tải chậm
- Khối lượng nhiên liệu lớn; Khói thải làm ô nhiễm môi trường
2.2 Nhà máy nhiệt điện rút hơi (NĐR)
Nhà máy nhiệt điện rút hơi (NĐR) hoạt động tương tự như nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (NĐN), nhưng khác biệt ở chỗ nó rút ra một lượng hơi đáng kể từ các tầng của tuabin để cung cấp cho các phụ tải nhiệt công nghiệp và sinh hoạt, như chạy búa máy và sưởi ấm Nhờ đó, hiệu suất chung của nhà máy được cải thiện đáng kể.
Do rút nhiệt phục vụ cho công nghiệp nên NĐR có các đặc điểm khác với (NĐN) cụ thể là:
- Thường được xây đựng gần phụ tải nhiệt (Việt Trì vừa sản xuất điện vừa bán hơi cho khu công nghiệp)
- Phần lớn điện năng sản xuất ra cấp cho phụ tải cấp điện áp máy phát
- Để đảm bảo hiệu suất cao đồ thị phụ tải điện phụ thuộc vào phụ tải nhiệt
- Tính linh hoạt trong vận hành cũng kém như NĐN
- Hiệu suất cao hơn NĐN ( = 60 70%)
2.3 Nhà máy điện nguyên tử (NT)
