Thiết kế cung cấp điện nhà máy

Phần này làm rõ khái niệm phụ tải tính toán, nhấn mạnh vai trò của nó trong việc lựa chọn và kiểm tra các thiết bị trong hệ thống cung cấp điện như máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, bảo vệ… Phụ tải tính toán được sử dụng để tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng, tổn thất điện áp và lựa chọn dung lượng bù công suất phản kháng. Điều quan trọng là phụ tải tính toán phải được xác định chính xác. Nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế, tuổi thọ thiết bị giảm, có khả năng dẫn đến sự cố, cháy nổ. Ngược lại, nếu chọn thiết bị dư thừa công suất sẽ gây lãng phí vốn đầu tư và gia tăng tổn thất. Phụ tải tính toán được định nghĩa là phụ tải giả thiết lâu dài, tương đương với phụ tải thực tế (biến đổi) về mặt hiệu quả phát nhiệt hoặc mức độ huỷ hoại cách điện. Chọn thiết bị theo phụ tải tính toán đảm bảo an toàn về mặt phát nóng cho thiết bị.

Văn bản đề cập đến nhiều phương pháp tính toán phụ tải, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Một phương pháp sử dụng phụ tải trung bình và độ lệch của đồ thị nhóm phụ tải (Ptb, σtb), thường dùng cho các nhóm thiết bị trong phân xưởng hoặc toàn xí nghiệp nhưng ít dùng cho thiết kế mới vì đòi hỏi nhiều thông tin. Phương pháp khác tính toán dựa trên công suất đặt (Pd) và hệ số nhu cầu (Knc) của từng thiết bị trong nhóm, cho kết quả chính xác hơn nhưng cần nhiều thông tin chi tiết về chế độ làm việc, công suất đặt của từng thiết bị. Một số phương pháp khác cho kết quả không chính xác lắm nhưng đơn giản và nhanh chóng, thích hợp cho tính toán sơ bộ hoặc khi thiếu thông tin. Cuối cùng, phương pháp ước tính phụ tải dựa trên diện tích được sử dụng cho các phụ tải đặc biệt có phân bố đồng đều trên diện tích sản xuất. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu tính toán và dữ liệu sẵn có.

Đối với phân xưởng sửa chữa cơ khí (SCCK), do có đầy đủ thông tin về vị trí, công suất đặt và chế độ làm việc của từng thiết bị, nên đồ án sử dụng phương pháp tính toán phụ tải động lực theo công suất trung bình và hệ số cực đại. Đối với các phân xưởng khác, chỉ có thông tin về diện tích và công suất đặt, nên áp dụng phương pháp tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu. Phụ tải chiếu sáng được xác định theo phương pháp suất chiếu sáng trên một đơn vị diện tích sản xuất. Ba phương pháp (4, 5, 6) dựa trên kinh nghiệm, cho kết quả gần đúng nhưng đơn giản và tiện lợi. Các phương pháp khác dựa trên lý thuyết xác suất thống kê, cho kết quả chính xác hơn nhưng phức tạp hơn. Hệ số cực đại (Kmax) và số thiết bị dùng điện hiệu quả (nhq) là các thông số quan trọng cần được xác định trong quá trình tính toán. Có thể sử dụng đường cong hoặc bảng tra để xác định nhanh số thiết bị hiệu quả khi không thể dùng các cách đơn giản.

Việc phân nhóm phụ tải tuân theo các nguyên tắc: thiết bị trong cùng nhóm phải gần nhau trên mặt bằng để thuận tiện đi dây, giảm tổn thất; thiết bị cùng chế độ làm việc để thuận tiện tính toán; phân bổ công suất các nhóm ít chênh lệch; số thiết bị trong nhóm không quá nhiều (thường không quá 8) để đảm bảo độ tin cậy. Trọng tâm phụ tải là thông số quan trọng giúp người thiết kế xác định vị trí đặt các trạm biến áp, trạm phân phối để giảm tổn thất năng lượng. Trọng tâm phụ tải cũng hỗ trợ quy hoạch và phát triển sản xuất trong tương lai, đảm bảo sơ đồ cấp điện hợp lý, tránh lãng phí và đạt các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật. Biểu đồ phụ tải thể hiện độ lớn và sự phân bố phụ tải trên mặt bằng xí nghiệp, giúp chọn vị trí đặt trạm biến áp và sơ đồ cấp điện tối ưu.

Phần này nhấn mạnh yêu cầu đa dạng đối với cung cấp điện, phụ thuộc vào quy mô nhà máy và công suất yêu cầu. Khi thiết kế sơ đồ cung cấp điện, cần lưu ý các yếu tố đặc trưng của nhà máy như điều kiện khí hậu, địa hình, độ tin cậy yêu cầu của thiết bị, đặc điểm sản xuất và công nghệ. Mục tiêu là xác định mức độ đảm bảo an toàn cung cấp điện và thiết lập sơ đồ cấp điện hợp lý. Việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện dựa trên độ tin cậy, tính kinh tế và an toàn. Độ tin cậy phụ thuộc vào loại hộ tiêu thụ, xác định số lượng nguồn cung cấp. Sơ đồ phải đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, đơn giản, thuận tiện vận hành, linh hoạt trong sự cố và có biện pháp tự động hóa. Nhà máy trong đồ án có hộ tiêu thụ loại I (các phân xưởng còn lại) và loại III (phân xưởng sửa chữa cơ khí, ban quản lý, phòng thiết kế, kho vật liệu).

Chọn vị trí trạm biến áp cần cân nhắc nhiều yếu tố. Vị trí phải dựa trên mặt bằng công nghệ của xí nghiệp, vị trí và hướng gió. Cần phối hợp hài hòa các nguyên tắc, vì đôi khi chúng mâu thuẫn nhau (ví dụ, nguyên tắc gần tâm phụ tải có thể vi phạm nguyên tắc khác). Các lý do đặc biệt khác (quốc phòng, chính trị…) cũng có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vị trí. Vị trí trạm phải thuận tiện lắp đặt, vận hành, thay thế và sửa chữa (đủ không gian, gần đường vận chuyển…), không ảnh hưởng giao thông, thuận lợi làm mát tự nhiên, phòng cháy, phòng nổ tốt và tránh các hóa chất hoặc khí ăn mòn. Trạm biến áp cung cấp điện cho một phân xưởng có thể dùng loại liền kề để tiết kiệm vốn xây dựng. Để chọn vị trí TBA phân xưởng, cần xác định tâm phụ tải của các phân xưởng hoặc nhóm phân xưởng.

Trong tính toán sơ đồ, bỏ qua các phần tử mà dòng ngắn mạch không chạy qua và các phần tử có điện kháng không đáng kể (máy cắt, dao cách ly, aptomat…). Mạng cao áp có thể tính hoặc không tính điện trở tác dụng. Đối với hệ thống cung cấp điện ở xa nguồn và công suất nhỏ so với hệ thống điện quốc gia, mạng điện tính toán là mạng điện hở, một nguồn cung cấp cho phép tính toán ngắn mạch đơn giản. Do tính toán chọn thiết bị không đòi hỏi độ chính xác cao, có thể dùng phương pháp gần đúng. Có thể tính gần đúng điện kháng hệ thống qua công suất cắt ngắn mạch của máy cắt đầu nguồn nếu không biết cấu trúc hệ thống. Mạng hạ áp, điện trở tác dụng ảnh hưởng đáng kể đến dòng ngắn mạch, bỏ qua sẽ gây sai số lớn.

Phần này nêu bật tầm quan trọng của việc bù công suất phản kháng trong các xí nghiệp công nghiệp, nơi tiêu thụ khoảng 70% tổng điện năng sản xuất. Tận dụng tối đa khả năng của nhà máy điện và tiết kiệm điện năng trong xí nghiệp là rất cần thiết. Giảm tổn thất điện năng đến mức tối thiểu, phấn đấu để 1kWh điện làm ra ngày càng nhiều sản phẩm hoặc giảm chi phí điện năng cho mỗi sản phẩm. Trong toàn bộ hệ thống, thường có 10-15% năng lượng bị mất mát trong quá trình truyền tải và phân phối. Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp (MBA), đường dây tải điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu là giảm công suất phản kháng đến mức tối thiểu vì nó cần thiết để tạo ra từ trường. Công suất tác dụng P sinh ra công hoặc nhiệt năng, còn công suất phản kháng Q là công suất từ hóa, không sinh ra công.

Trong xí nghiệp công nghiệp, động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 65-75%, MBA 15-22%, các phụ tải khác 5-10% tổng dung lượng công suất phản kháng. Bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất đến cos φ = (0.9-0.95). Biện pháp bù không giảm lượng công suất phản kháng của hộ tiêu thụ mà chỉ giảm lượng công suất truyền tải trên đường dây. Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả giảm tổn thất công suất tác dụng là đường lượng kinh tế của công suất phản kháng (kkt), là lượng công suất tác dụng (kW) tiết kiệm được khi bù (kVAr) công suất phản kháng. Vị trí đặt thiết bị bù (tập trung hay phân tán) phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống cấp điện. Đặt phân tán cho từng động cơ điện là lý tưởng về giảm tổn thất điện áp và điện năng nhưng không kinh tế về vốn đầu tư, lắp đặt và quản lý.

Văn bản đề cập đến một số phương án bù công suất phản kháng, bao gồm: sử dụng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa (có thể cung cấp công suất phản kháng nhưng tổn thất công suất lớn). Cuối cùng, quyết định chọn thiết bị bù là tụ điện tĩnh, bù tất cả phía hạ áp. Tụ điện tĩnh là thiết bị điện tĩnh làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Tổng công suất bù của nhà máy là Qb = 4865,09 kVAr. Việc lựa chọn loại thiết bị bù phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu quả kinh tế, độ tin cậy, khả năng vận hành và bảo trì.

Ánh sáng nhân tạo rất cần thiết trong công nghiệp, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lao động và sức khỏe người lao động. Chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chất lượng ánh sáng. Một yêu cầu quan trọng là tránh ánh sáng chói gây mỏi mắt, khó điều tiết, thậm chí gây hiệu ứng Pukin hoặc mù. Nguyên nhân ánh sáng chói có thể do nguồn sáng lộ ra ngoài, vật phản xạ mạnh hoặc nguồn sáng chớp cháy. Để hạn chế, có thể dùng ánh sáng gián tiếp, góc bảo vệ thích hợp, bóng đèn mờ. Chiếu sáng kết hợp (một phần chiếu sáng chung, phần còn lại chiếu riêng cho nơi công tác) có ưu điểm là nâng cao độ chiếu sáng ở nơi công tác, có thể điều khiển quang thông và tiết kiệm điện khi không cần thiết. Chiếu sáng gián tiếp chiếu gián tiếp vào mặt công tác, hiệu quả thấp hơn chiếu sáng trực tiếp nhưng hạn chế ánh sáng chói. Chế độ chiếu sáng trực tiếp hiệu quả cao nhất, kinh tế nhất nhưng cần đèn treo cao để đảm bảo độ sáng đều.

Hệ thống chiếu sáng chung đảm bảo độ sáng đồng đều trên mặt bằng sản xuất, không đòi hỏi cường độ thị giác cao và lâu dài, không thay đổi hướng chiếu trong quá trình công tác. Hệ thống chiếu sáng cục bộ dùng khi các bộ mặt công tác khác nhau yêu cầu độ chiếu sáng khác nhau và được chia thành từng nhóm ở các khu vực khác nhau. Đối với phân xưởng sửa chữa cơ khí, chế độ chiếu sáng trực tiếp được sử dụng vì hiệu quả cao và kinh tế. Việc lựa chọn hệ thống chiếu sáng phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về cường độ ánh sáng, tính chất công việc, và điều kiện môi trường trong phân xưởng. Mục tiêu là tối ưu hóa hiệu quả chiếu sáng, đảm bảo an toàn lao động và tiết kiệm năng lượng.