Nhà máy nhiệt điện: Quy trình vận hành an toàn

Phần này giới thiệu máy phát điện (MPĐ) là thiết bị quan trọng nhất trong nhà máy nhiệt điện (NMĐ), có chức năng chuyển đổi cơ năng thành điện năng. MPĐ đóng vai trò then chốt trong quá trình sản xuất năng lượng điện. Khả năng điều chỉnh công suất của MPĐ giúp đảm bảo chất lượng điện năng, cụ thể là điều chỉnh tần số và điện áp của hệ thống điện (HTĐ). Vì tầm quan trọng này, các MPĐ trong NMĐ được thiết kế với hiệu suất cao, hoạt động ổn định và tuổi thọ dài. Ngoài ra, MPĐ cần phối hợp với các thiết bị phụ trợ như hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn và hệ thống kích từ, đảm bảo hoạt động tin cậy và phù hợp với điều kiện cụ thể của HTĐ.

Do công suất lớn, roto và stato của MPĐ được chế tạo từ vật liệu có độ từ dẫn cao, độ bền cơ học tốt và giảm thiểu tổn hao dòng điện xoáy. Để làm mát MPĐ, người ta thiết kế các khe hở hoặc ống dẫn trong lõi thép và dây dẫn để chất lỏng hoặc khí làm mát lưu thông. Vì roto của MPĐ tuabin hơi quay rất nhanh, đường kính phải nhỏ và sử dụng kết cấu cực ẩn để đảm bảo độ bền cơ học. Việc tăng kích thước dây dẫn và lõi thép giúp giảm điện trở và từ trở, tuy nhiên, đường kính roto bị giới hạn (1,2-1,3m) do lực ly tâm, và chiều dài roto cũng bị giới hạn (5,5-6,5 lần đường kính) do hiệu suất uốn và độ cong trục. Vì vậy, để tăng công suất, cần phải tăng cường làm mát.

Hệ thống làm mát trực tiếp được mô tả, trong đó môi chất làm mát đi xuyên qua dây dẫn rỗng và lõi thép, truyền nhiệt trực tiếp ra ngoài. Phương pháp này hiệu quả cao, cho phép tăng công suất và giảm kích thước MPĐ. Nước là môi chất làm mát lý tưởng do độ dẫn nhiệt cao và độ nhớt thấp, nhưng đòi hỏi độ tinh khiết cao để tránh ăn mòn và dẫn điện. Dầu có khả năng cách điện tốt, phù hợp cho MPĐ áp cao, nhưng độ nhớt lớn gây khó khăn cho lưu thông. Hệ thống làm mát hỗn hợp cũng được đề cập, tuy nhiên chi tiết không được nêu rõ trong phần này.

Điều chỉnh dòng kích từ giúp điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát và lượng công suất phản kháng phát vào lưới. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) giữ điện áp ổn định khi phụ tải thay đổi, nâng cao giới hạn công suất truyền tải, đặc biệt trên đường dây dài. Hệ thống kích từ được đặc trưng bởi điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te). Ufgh càng lớn, phạm vi điều chỉnh càng rộng và tốc độ điều chỉnh càng nhanh (thường Ufgh ≥ 2Ufđm, thậm chí (3-4)Ufđm). Hệ thống kích từ công suất lớn thường dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh lưu, do hạn chế về độ tin cậy của MPĐ một chiều ở công suất cao. Các loại hệ thống kích từ, bao gồm hệ thống dùng MPĐ một chiều và hệ thống dùng chỉnh lưu có điều khiển, được đề cập với ưu điểm và nhược điểm tương ứng. Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển có tốc độ điều chỉnh rất nhanh.

Thiết bị diệt từ cần thiết để nhanh chóng làm mất từ trường của MPĐ hoặc máy bù đồng bộ khi bị cắt đột ngột, nhằm đảm bảo an toàn. Việc cắt mạch trực tiếp không khả thi do điện cảm lớn của cuộn dây kích từ, gây quá điện áp nguy hiểm. Thiết bị diệt từ tiêu tán năng lượng từ trường, tránh hư hỏng máy do dòng điện ngắn mạch hoặc quá điện áp. Hai loại thiết bị diệt từ được đề cập: loại dùng điện trở để tiêu tán năng lượng và loại dùng buồng hồ quang để dập tắt tia lửa nhanh chóng. Cả hai đều đảm bảo mạch roto luôn khép kín trong quá trình diệt từ.

Điện năng từ nhà máy điện được truyền tải đến người tiêu thụ thông qua nhiều lần biến đổi điện áp bằng máy biến áp (MBA) tăng áp và giảm áp. Công suất đặt của MBA thường gấp 4-5 lần công suất đặt của máy phát điện. Mặc dù hiệu suất MBA tương đối cao (99,5% đối với MBA công suất lớn), tổn thất điện năng hàng năm vẫn rất lớn. Vì vậy, cần giảm số bậc biến áp, giảm công suất đặt của MBA và nâng cao hiệu quả sử dụng. Điều này đạt được bằng cách thiết kế hệ thống điện hợp lý, sử dụng MBA tự ngẫu, tận dụng khả năng quá tải của MBA và cải tiến cấu tạo MBA. Các loại MBA được sử dụng bao gồm MBA tăng giảm áp, hai cuộn dây, ba cuộn dây, MBA ba pha và tổ ba MBA một pha. MBA ba pha hai hoặc ba cuộn dây được sử dụng rộng rãi, trong đó MBA ba cuộn dây tiết kiệm diện tích, vật liệu và vốn đầu tư hơn so với MBA hai cuộn dây. MBA hai cuộn dây chỉ nên sử dụng khi không có phụ tải ở cấp điện ra thứ hai hoặc phụ tải này nhỏ hơn 10-15% công suất MBA. MBA tự ngẫu được ưa chuộng trong hệ thống điện cao áp (220-500kV) do giá thành và chi phí vận hành thấp hơn.

Trong MBA ba pha và nhóm ba MBA một pha, cuộn dây điện áp thấp thường nối tam giác để bù sóng hài bậc ba của dòng từ hóa, trong khi cuộn dây cao áp và trung áp nối hình sao. Kết nối này giúp tiết kiệm dây dẫn và cách điện. Hệ thống làm mát MBA có nhiều loại: làm mát bằng không khí tự nhiên (phù hợp cho MBA nhỏ hơn 750kVA), làm mát bằng dầu và không khí tuần hoàn cưỡng bức (có quạt gió có thể điều khiển tự động), và làm mát bằng dầu và nước (cho MBA công suất rất lớn). MBA khô có ưu điểm đơn giản và an toàn, nhưng giá thành cao hơn MBA dầu. Việc điều khiển quạt gió tự động giúp giảm tiêu thụ điện năng cho hệ thống làm mát, nhưng cũng cần giảm tải MBA nếu quạt bị ngắt hoàn toàn (25-30% Sđm).

Quá tải làm giảm tuổi thọ cách điện của MBA. Thời gian phục vụ của MBA (thời gian hoạt động đến khi cách điện bị hủy hoại) thường được quy định (ví dụ: 20-25 năm cho MBA do Liên Xô sản xuất, với nhiệt độ môi trường 20°C và nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây 98°C). Quá tải cho phép là chế độ làm việc mà nhiệt độ điểm nóng nhất không vượt quá giá trị nguy hiểm. Thời gian phục vụ thực tế có thể lớn hơn định mức do nhiệt độ môi trường thường thấp hơn và phụ tải thay đổi. Vì vậy, MBA có thể vận hành với phụ tải lớn hơn định mức trong một giới hạn nào đó. Quá tải sự cố là chế độ cho phép trong trường hợp ngoại lệ, với thời gian hạn chế, nhằm tránh gián đoạn cung cấp điện năng (ví dụ: 5 ngày đêm với phụ tải bậc một không quá 0,93 và bậc hai đạt 1,4 công suất định mức, nhưng thời gian bậc hai không quá 6 giờ).

Phần này đề cập đến việc vận hành hệ thống điện trong điều kiện dòng điện không cân bằng, trong đó dòng điện các pha không được vượt quá trị số cho phép. Đối với máy phát điện thủy lực làm mát gián tiếp bằng không khí, dòng điện giữa các pha phải nằm trong giới hạn cho phép theo thiết kế của nhà sản xuất hoặc các quy chuẩn liên quan. Máy biến áp dầu được phép quá tải lâu dài với dòng điện cao hơn định mức 5% nếu điện áp không vượt quá định mức. Ngoài ra, tùy thuộc vào chế độ làm việc, máy biến áp có thể được phép quá tải ngắn hạn theo quy trình vận hành và hướng dẫn của nhà sản xuất. Nhiệt độ trong hầm cáp hoặc mương cáp không được vượt quá 40 độ C vào mùa hè.

Các đường cáp 110kV - 500kV được phép vận hành quá tải đến khi nhiệt độ lõi cáp đạt 80 độ C, nhưng thời gian quá tải liên tục không quá 100 giờ, tổng thời gian quá tải trong một năm không quá 500 giờ, với khoảng cách giữa hai lần quá tải liên tiếp không dưới 10 ngày. Đối với cáp 110kV đặt hở ngoài trời, không hạn chế thời gian vận hành ở nhiệt độ lõi cáp 80 độ C. Bảo vệ tuyến cáp chống tác động cơ học được đề cập, nhấn mạnh việc cần có sự cho phép của cơ quan quản lý khi đào bới gần tuyến cáp. Thi công gần tuyến cáp yêu cầu sự phối hợp giữa đơn vị thi công và đơn vị quản lý cáp để đảm bảo an toàn. Ở vùng có tuyến giao thông điện khí hóa hoặc vùng đất xâm thực, cần có biện pháp chống ăn mòn cáp trước khi đưa vào vận hành, kèm theo việc đo dòng điện tản và lập sơ đồ điện thế của lưới cáp.

Chủ sở hữu yêu cầu kiểm tra định kỳ các thiết bị như cầu chảy, át tô mát, máy cắt điện, hệ thống bảo vệ cao tần, thiết bị tự động đóng lại, tự động ghi sóng,… Ở sơ đồ khối máy phát điện - máy biến áp, cần đặt thiết bị dập hồ quang khi dòng điện dung chạm đất lớn hơn 5A (ở điện áp máy phát) hoặc 10A (trong lưới 6-35kV với cột thép và bê tông cốt thép). Cuộn kháng dập hồ quang nối đất được sử dụng để bù dòng điện dung chạm đất. Trong các trạm biến áp 110-220kV, thao tác đóng cắt phải bắt đầu từ nối đất điểm trung tính của máy biến áp để ngăn ngừa quá điện áp do lệch trung tính hoặc cộng hưởng từ. Nguyên tắc lắp đặt trang bị đo đếm điện năng tự dùng cho các phần tử làm việc và dự phòng trong nhà máy điện được nêu ra. Thiết bị bảo vệ công nghệ của trạm điện phân phải tác động để cắt mô tơ - máy phát khi chênh lệch giữa giá trị thực tế và thiết kế vượt quá giới hạn cho phép, kèm theo tín hiệu báo động.

Giới hạn phụ tải cho phép đối với các thiết bị điện và đường dây phải do phòng điều độ của hệ thống năng lượng lập ra, phối hợp với các công ty điện lực và nhà máy điện, dựa trên phương thức vận hành và trị số chỉnh định rơle và tự động. Giới hạn này cần được xem xét lại ít nhất một lần mỗi năm. Việc ngừng hệ thống rơle bảo vệ và tự động, các phương tiện điều độ và điều khiển công nghệ (PĐĐC) để sửa chữa hoặc thí nghiệm, bất kể kế hoạch hay sự cố, đều phải được làm văn bản và được trung tâm điều độ phê duyệt. Mỗi trung tâm điều độ và thiết bị năng lượng cần có quy trình xử lý sự cố cụ thể, nhằm hạn chế sự lan rộng của sự cố và khôi phục cung cấp điện nhanh nhất.