GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY
I VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ VAI TRÒ KINH TẾ
Nhà máy Đường tại tỉnh Khánh Hoà có quy mô gồm 8 phân xưởng, chế biến từ củ cải tươi nguyên chất thành đường qua nhiều công đoạn tinh chế Trước đây, sản phẩm chỉ phục vụ tiêu dùng nội địa, nhưng hiện nay, đường đã được xuất khẩu, trở thành một ngành quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.
Trong Nhà máy sản xuất, có sự hiện diện của nhiều loại máy móc đa dạng và phức tạp Để vận hành hiệu quả các hệ thống máy móc công nghệ cao và hiện đại này, việc cung cấp điện phải đảm bảo chất lượng và độ tin cậy tối ưu.
II CÔNG SUẤT ĐẶT VÀ VỊ TRÍ CÁC PHÂN XƯỞNG CỦA NHÀ MÁY
Nhà máy làm việc theo chế độ 3 ca, thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax
= 5200h, các thiết bị làm việc với công suất gần định mức Các kho chứa và phân xưởng SCCK loai III còn lại các phân xưởng khác là loại I.
Theo dự kiến Nhà máy được cấp điện từ trạm biến áp khu vực cách nhà máy
10 km bằng đường dây trên không lộ kép Dung lượng ngắn mạch về phía hạ áp của trạm biến áp khu vực là SN = 250 MVA
STT Tên phân xưởng Diện tích
2 phân xưởng thái và nấu củ cải 5688 700
6 phân xưởng SCCK 1514 theo tính toán
9 phụ tải điện cho thị trấn 5000
Bảng 1.1 – Danh sách các phân xưởng và nhà làm việc trong Nhà máy
Để đảm bảo quá trình sản xuất hiệu quả tại Nhà máy, việc cung cấp điện cho các bộ phận quan trọng như phân xưởng tinh chế, bộ phận cô đặc, thái và nấu củ cải đường cần phải đạt chất lượng điện năng cao và độ tin cậy tối ưu.
Theo quy trình công nghệ sản xuất của Nhà máy, việc ngừng cung cấp điện có thể làm giảm chất lượng và số lượng sản phẩm, dẫn đến thiệt hại kinh tế Do đó, theo “quy phạm trang bị điện”, Nhà máy được phân loại vào phụ tải loại I.
Phụ tải điện trong Nhà máy công nghiệp có thể phân ra thành hai loại phụ tải :
Phụ tải động lực thường hoạt động liên tục với điện áp yêu cầu cho thiết bị là 380/220V Công suất của chúng dao động trong khoảng hàng chục kW và được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều với tần số công nghiệp là 50 Hz.
Ta phân loại phụ tải như sau : số thứ tự tên phân xưởng phân loại hộ phụ tải
1 kho củ cải đường III
2 phân xưởng thái và nấu củ cải I
9 phụ tải điện cho thị trấn III
Bảng 2.2 : phân loại hộ phụ tải
IV NỘI DUNG THIẾT KẾ
1 Giới thiệu chung về Nhà máy
2 Xác định phụ tải tính toán của phân xưởng và Nhà máy
3 Thiết kế mạng điện hạ áp cho phân xưởng SCCK.
4 Thiết kế mạng cao áp cho toàn Nhà máy
5 Tính toán bù công suất phản kháng cho hệ thống cung cấp điện của nhà máy
6 Thiết kế chiếu sáng cho phân xưởng SCCK
7 Thiết kế đường dây 35 kV từ trạm biến áp trung gian cung cấp điện cho Nhà máy
8 Thiết kế trạm biến áp
XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN
Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết thay đổi theo thời gian, cần thiết để lựa chọn thiết bị cung cấp điện cho mọi trạng thái vận hành của hệ thống Nó tương đương với phụ tải thực tế về một số khía cạnh nhất định Trong thiết kế, hai yếu tố cơ bản do phụ tải gây ra được chú trọng là phát nóng và tổn thất Do đó, có hai loại phụ tải tính toán cần xác định: phụ tải tính toán theo điều kiện phát nóng và phụ tải tính toán theo điều kiện tổn thất.
Phụ tải tính toán theo điều kiện phát nóng được xác định là một phụ tải giả thiết lâu dài và không đổi, tương đương với phụ tải thực tế, và phản ánh biến thiên về hiệu quả nhiệt lớn nhất.
Phụ tải tính toán theo điều kiện tổn thất, hay còn gọi là phụ tải đỉnh nhọn, là phụ tải cực đại ngắn hạn xảy ra trong khoảng thời gian từ 1 đến 2 giây Mặc dù không gây ra hiện tượng phát nóng cho thiết bị, nhưng phụ tải này có thể dẫn đến tổn thất và làm nhảy các bảo vệ hoặc đứt cầu chì Trong thực tế, phụ tải đỉnh nhọn thường xuất hiện khi khởi động động cơ hoặc khi đóng cắt các thiết bị cơ điện khác.
1 Phương pháp xác định phụ tải tính toán (PTTT) theo công suất đặt và hệ số nhu cầu (k nc )
• Trong đó : knc: hệ số nhu cầu (tra sổ tay kỹ thuật) Cos ϕ : hệ số công suất tính toán (tra sổ tay kỹ thuật)
Ptt, Qtt: công suất tác dụng và công suất phản kháng tính toáncủa nhóm thiết bị (kW, kVAR)
Phương pháp tính phụ tải theo hệ số nhu cầu mang lại sự đơn giản và thuận tiện, nhưng nhược điểm lớn nhất là độ chính xác không cao Điều này do hệ số nhu cầu (knc) được tra cứu trong sổ tay là một giá trị cố định, không thay đổi theo chế độ vận hành và số lượng thiết bị trong nhóm máy Trong tính toán, có thể gần đúng rằng Pđ = Pđm.
2 Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo hệ số hình dáng của đồ thị phụ tải và công suất trung bình
• Trong đó : khd: hệ số hình dáng của đồ thị phụ tải (tra sổ tay kỹ thuật)
Ptb: Công suất trung bình của thiết bị hoặc nhóm thiết bị (kW).
Phương pháp này cho phép áp dụng tính toán phụ tải tại thanh cái từ phân phối phân xưởng hoặc thanh cái hạ áp của trạm biến áp phân xưởng Tuy nhiên, nó ít được sử dụng trong thiết kế mới do yêu cầu cần có đồ thị của nhóm phụ tải.
3 Phương pháp xác định PTTT theo công suất trung bình và độ lệch của đồ thị phụ tải khỏi giá trị trung bình
Ptb: công suất trung bình của thiết bị hoặc nhóm thiết bị (kW) σ : độ lệch của đồ thị khỏi giá trị trung bình β : hệ số tán xạ của σ
Phương pháp này thường được áp dụng để tính toán phụ tải cho thiết bị trong phân xưởng hoặc toàn bộ nhà máy Tuy nhiên, nó ít được sử dụng trong thiết kế mới do yêu cầu nhiều thông tin về phụ tải, chủ yếu phù hợp với hệ thống đang vận hành.
4 Phương pháp xác định PTTT theo công suất trung bình và hệ số cực đại
Pđm : công suất của thiết bị hay nhóm thiết bị (kW)
Ptb là công suất trung bình của thiết bị hoặc nhóm thiết bị tính bằng kilowatt (kW) Hệ số cực đại kmax được xác định dựa trên các yếu tố như số lượng thiết bị sử dụng điện hiệu quả (nhq) và hệ số sử dụng (ksd), với công thức kmax = f(nhq, ksd) Thông tin chi tiết về các hệ số này có thể được tra cứu trong sổ tay kỹ thuật.
Phương pháp này được sử dụng để tính toán phụ tải cho một nhóm thiết bị và các tủ động lực trong toàn bộ phân xưởng Mặc dù cho kết quả chính xác, phương pháp này yêu cầu thông tin đầy đủ về các loại phụ tải, bao gồm chế độ làm việc, công suất đặt và số lượng thiết bị trong nhóm.
5 Phương pháp xác định PTTT theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm
• trong đó : a 0 : suất chi phí điện năng cho một đơn vị sản phẩm (kWh/ ddvsp).
M : hệ số sản phẩm sản xuất trong một năm
Tmax: thời gian sử dụng công suất lớn nhất
• Phương pháp này chỉ được dùng để ước tính sơ bộ xác định phụ tải trong công tác quy hoạch hoặc dùng để quy hoạch nguồn cho xí nghiệp
6 Phương pháp xác định PTTT theo suất trang bị điện trên một đơn vị diện tích
Po - suất trang bị điện trên một đơn vị diện tích (W/m 2 )
F - diện tích bố trí thiết bị (m 2 )
Phương pháp này thường chỉ cho kết quả gần đúng khi phụ tải phân bố đồng đều trên diện tích sản xuất, vì vậy nó thường được áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ cho hệ thống chiếu sáng.
II XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN CỦA PHÂN XƯỞNG SCCK
Phân xưởng SCCK, nằm ở vị trí số 6 trong sơ đồ mặt bằng của nhà máy, có diện tích 1514 m² Tại đây, có tổng cộng 43 thiết bị với công suất đa dạng, từ 0,6 kW đến 10 kW Tất cả các máy móc trong phân xưởng đều hoạt động ở chế độ dài hạn.
Phương pháp xác định phụ tải thiết bị điện (PTTT) dựa trên công suất trung bình P tb và hệ số cực đại k max, còn được gọi là phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả n hq, là một kỹ thuật quan trọng trong việc tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng Phương pháp này giúp đánh giá chính xác nhu cầu điện năng của hệ thống, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí tiêu thụ điện Việc áp dụng phương pháp này không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.
Công suất định mức của thiết bị thứ i trong nhóm được ký hiệu là Pđmi, trong khi n là số lượng thiết bị thứ i trong nhóm Hệ số sử dụng được ký hiệu là ksd và có thể tra cứu trong sổ tay kỹ thuật Số thiết bị sử dụng điện hiệu quả, ký hiệu là nhq, là số thiết bị giả định có cùng công suất và chế độ làm việc, yêu cầu phụ tải tương đương với phụ tải tính toán của nhóm phụ tải thực tế, bao gồm các thiết bị có chế độ làm việc và công suất khác nhau Nhq được xác định theo công thức cụ thể.
Với Pđmi : Công suất định mứ của thiết bị thứ i (kW). n : Số thiết bị trong nhóm
Khi n lớn thì việc xác định nhq theo công thức trên mất nhiều thời gian nên có thể xác đinh nhq một cách gần đúng như sau
Khi m min max dm dm
P ≤ 3 và ksd ≥0,4 thì nhq = n trong đó :
Pđmmax : Công suất định mức của thiết bị lớn nhất trong nhóm.
Pđmmin : Công suất định mức của thiết bị nhỏ nhất trong nhóm. ksd : Hệ số sử dụng công suất trung bình của nhóm ksd dm tb
Khi trong nhóm có n1 thiết bị có tổng công suất định mức của chúng không lớn hơn 5% tổng công suất của cả nhóm
Khi m min max dm dm
P > 3 ksd ≥ 0,2 thì nhq được xác định theo biểu thức sau:
- Khi không áp dụng được các trường hợp trên thì nhq được xác định qua các bước sau:
Trong đó : n - số thiết bị trong nhóm n1- số thiết bị có công suất lớn hơn hoặc bằng công suất của thiết bị có công suất lớn nhất.
P và P1 - tổng công suất của n và n1 thiết bị.
Sau khi tính n* và P* tra sổ tay kỹ thuật ta tìm được nhq* = f ( n* , P*) từ đó tính nhq theo công thức nhq = nhq* n
Khi xác định phụ tải tính toán dựa trên số thiết bị điện hiệu quả nhq, có thể áp dụng công thức gần đúng trong một số trường hợp cụ thể để đạt được kết quả chính xác hơn.
- Nếu n ≤ 3 và nhq ≤4, phụ tải tính toán được tính theo công thức
- Nếu n > 3 và nhq < 4 thì phụ tải tính toán được xác định theo công thức sau:
Hệ số phụ tải của thiết bị thứ i (kti) được xác định là 0,9 cho các thiết bị làm việc dài hạn và 0,75 cho các thiết bị làm việc ngắn hạn lặp lại.
- Nếu n >3 và ksd ≥ 0,5 phụ tải tính toán được xác định theo công thức sau:
1 Đối với các thiết bị có biểu đồ phụ tải bằng phẳng ( máy bơm, máy nén khí ) phụ tải tính toán có thể lấy bằng phụ tải trung bình
Để phân phối đều công suất cho cả ba pha trong mạng điện, cần quy đổi công suất của thiết bị một pha Nếu thiết bị một pha được kết nối vào điện áp pha, công suất quy đổi sẽ là Pqđ = 3 Pphamax Ngược lại, nếu thiết bị kết nối vào điện áp dây, công suất quy đổi sẽ là Pqđ = 3 phamax.
THIẾT KẾ MẠNG ĐIỆN CAO ÁP CỦA NHÀ MÁY
Việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống Một sơ đồ cung cấp điện hợp lý cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi trong vận hành.
1 Đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
2 Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.
3 Thuận tiện và linh hoạt trong vận hành.
4 An toàn cho người và thiết bị.
5 Dễ dàng phát triển để đáp ứng các yêu cầu tăng trưởng của phụ tải.
6 Đảm bảo chỉ tiêu về mặt kinh tế.
Trình tự tính toán thiết kế mạng cao áp cho nhà máy bao gồm các bước:
1 Vạch các phương án cung cấp điện.
2 Lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng của các trạm biến áp và lựa chọn các chủng loại, tiết diện các đường day cho phương án,
3 Tính toán kinh tế kỹ thuật để lựa chọn các phương án hợp lý.
4 Thiết kế chi tiết cho các phương án lựa chọn.
II VẠCH CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP ĐIỆN.
Trước khi xác định các phương án cụ thể, việc lựa chọn cấp điện áp phù hợp cho đường dây truyền tải từ hệ thống về nhà máy là rất quan trọng Một biểu thức kinh nghiệm hữu ích để lựa chọn cấp điện áp truyền tải sẽ hỗ trợ trong quá trình này.
P- công suất tính toán của nhà máy. l- khoảng cách từ trạm biến áp trung gian về nhà máy (km).
Như vậy cấp điện áp hợp lý để truyền tải điện năng về nhà máy là:
Dựa trên kết quả tính toán, chúng tôi quyết định chọn cấp điện áp 35 kV từ hệ thống cho nhà máy Với vị trí, công suất và yêu cầu cung cấp điện của phân xưởng, có thể đề xuất các phương án cung cấp điện phù hợp.
II.1-Phương án về các trạm biến áp phân xưởng.
Các trạm biến áp được chọn theo nguyên tắc sau:
Vị trí đặt trạm biến áp cần phải gần tâm phụ tải để đảm bảo hiệu quả cung cấp điện, đồng thời phải thuận tiện cho việc vận chuyển, lắp đặt, vận hành và sửa chữa, nhằm đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.
Số lượng máy biến áp (MBA) trong các trạm biến áp được xác định dựa trên nhu cầu cung cấp điện cho phụ tải, điều kiện vận chuyển và lắp đặt, cũng như sự thuận lợi trong vận hành Đối với các trạm biến áp cung cấp điện cho hộ loại I và loại II, chỉ nên lắp đặt hai máy biến áp, trong khi hộ loại III có thể chỉ cần một máy biến áp.
Dung lượng của các máy biến áp cần được lựa chọn dựa trên các điều kiện như: tt dm nc S S k n ≥ và phải kiểm tra theo điều kiện sự cố đối với một máy biến áp (MBA) khi có nhiều hơn một máy biến áp trong trạm.
Trong trạm biến áp, n là số máy biến áp cần thiết Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường khc được chọn là 1, do máy biến áp được chế tạo tại Việt Nam không cần hiệu chỉnh nhiệt độ Hệ số quá tải sự cố kqt là 1,4, áp dụng khi máy biến áp vận hành quá tải không quá 5 ngày đêm, với thời gian quá tải trong một ngày đêm không vượt quá 6 giờ, và trước đó máy biến áp vận hành với hệ số tải không lớn hơn 0,93.
Sttsc là công suất tính toán sự cố của máy biến áp, giúp loại bỏ phụ tải không quan trọng, giảm nhẹ dung lượng và vốn đầu tư cho trạm biến áp Giả thiết rằng phụ tải loại I có 30% phụ tải loại III, dẫn đến Sttsc đạt 0,7.Stt Bên cạnh đó, cần hạn chế chủng loại máy biến áp trong nhà máy để thuận tiện cho việc mua sắm, lắp đặt, thay thế, vận hành sửa chữa và kiểm tra định kỳ.
1 Phương án I: Đặt 5 trạm biến áp phân xưởng.
- Tạm B1: cấp điện cho kho củ cải đường và kho than.
- Trạm B2: cấp điện cho trạm bơm và phân xưởng SCCK.
- Trạm B3: cấp điện cho phân xưởng thái và nấu củ cải đường.
- Trạm B4: cấp điện cho bộ phận cô đặc và kho thành phẩm.
- Trạm B5: cấp điện cho phân xưởng tinh chế.
Chọn dung lượng các máy biến áp:
* Trạm biến áp B1: Cấp điện cho phụ tải 0,4 kV cho kho củ cải đường và kho than Trạm đặt một máy làm việc: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm= 1000 kVA.
* Trạm biến áp B2: Cấp điện cho trạm bơm và phân xưởng SCCK Trạm đặt 1 máy làm việc: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđmu0 kVA.
* Trạm biến áp B3: Cấp điện cho phân xưởng thái và nấu củ cải đường Trạm đặt
2 máy biến áp làm việc song song: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm20 kVA.
Kiểm tra dung lượng máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Sttsc là việc xác định công suất tính toán cho phụ tải 0,4 kV của phân xưởng số 2, sau khi loại bỏ 30% phụ tải không quan trọng Để đảm bảo hiệu suất, cần đạt được tỷ lệ tt dmB hc S S k n ≥ 0,7.
Vậy trạm biến áp B3 đặt 2 máy biến áp Sđm = 320 kVA là hợp lý.
* Trạm biến áp B4: Cấp điện cho bộ phận cô đặc và kho thành phẩm Trạm đặt 2 máy biến áp làm việc song song: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm@0 kVA.
Kiểm tra dung lượng máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Sttsc là công suất tính toán cho phụ tải 0,4 kV của bộ phận cô đặc, sau khi loại bỏ 30% phụ tải không quan trọng trong phân xưởng Kho thành phẩm được phân loại là phụ tải loại III, do đó trong trường hợp sự cố, có thể ngừng cung cấp điện Đảm bảo rằng tt dmB hc S S k n ≥ 0,7.
Vậy trạm biến áp B3 đặt 2 máy biến áp Sđm = 400 kVA là hợp lý.
* Trạm biến áp B5: Cấp điện cho phân xưởng tinh chế Trạm đặt 2 máy biến áp làm việc song song: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm@0 kVA.
Kiểm tra dung lượng máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Sttsc là công suất tính toán cho phụ tải 0,4 kV của phân xưởng tinh chế, sau khi loại bỏ 30% phụ tải không quan trọng Đảm bảo rằng tt dmB hc S S k n ≥ 0,7.
Vậy trạm biến áp B3 đặt 2 máy biến áp Sđm = 400 kVA là hợp lý.
2 Phương án II: Đặt 4 trạm biến áp là:
- Trạm B1: cấp điện cho kho củ cải đường và kho than.
- Trạm B2: cấp điện cho trạm bơm và phân xưởng SCCK.
- Trạm B3: cấp điện cho phân xưởng thái và nấu củ cải đường.
- Trạm B4: cấp điện cho bộ phân cô đặc phân xưởng tinh chế và kho thành phẩm.
Chọn dung lượng các máy biến áp:
* Trạm biến áp B1: Cấp điện cho phụ tải 0,4 kV cho kho củ cải đường và kho than Trạm đặt một máy làm việc: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm= 1000 kVA.
* Trạm biến áp B2: Cấp điện cho trạm bơm và phân xưởng SCCK Trạm đặt 1 máy làm việc: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđmu0 kVA.
* Trạm biến áp B3: Cấp điện cho phân xưởng thái và nấu củ cải đường Trạm đặt
2 máy biến áp làm việc song song: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđm20 kVA.
Kiểm tra dung lượng máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Sttsc là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động Công suất tính toán cho phụ tải 0,4 kV của phân xưởng số 2 được xác định sau khi loại bỏ 30% phụ tải không quan trọng Để đảm bảo tính khả thi, yêu cầu dung lượng máy biến áp phải đạt mức tối thiểu là 0,7.
Vậy trạm biến áp B3 đặt 2 máy biến áp Sđm = 320 kVA là hợp lý.
- * Trạm biến áp B4: cấp điện cho bộ phân cô đặc phân xưởng tinh chế và kho thành phẩm.Trạm đặt 2 máy biến áp làm việc song song: kVA S
Chọn máy biến áp tiêu chuẩn Sđmu0 kVA.
Kiểm tra dung lượng máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Sttsc là rất quan trọng, đặc biệt cho phụ tải 0,4 kV của bộ phận cô đặc và phân xưởng tinh chế Sau khi loại bỏ 30% phụ tải không quan trọng, kho thành phẩm được xem là phụ tải loại III, cho phép ngừng cung cấp điện trong trường hợp xảy ra sự cố Để đảm bảo an toàn, cần đảm bảo rằng tt dmB hc S S k n ≥ 0,7.
Vậy trạm biến áp B3 đặt 2 máy biến áp Sđm = 750 kVA là hợp lý.
II.2- Xác định vị trí các trạm biến áp phân xưởng:
Trong các nhà máy thường sử dụng các kiểu trạm biến áp phân xưởng:
Các trạm biến áp cung cấp điện cho phân xưởng có thể được thiết kế liền kề, với một bức tường chung giữa trạm và phân xưởng Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí xây dựng mà còn giảm thiểu tác động đến các công trình xung quanh.
Trạm lồng là giải pháp hiệu quả để cung cấp điện cho phân xưởng nhờ vào chi phí đầu tư thấp và dễ dàng trong việc vận hành, bảo trì Hơn nữa, trạm lồng đảm bảo an toàn cao khi xảy ra sự cố, cả tại trạm và trong phân xưởng.