được liên kết với nhau thành một hệ thống làm nhiệm vụ sản suất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng... Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện Nguyên lý của nhà máy thủy điện là dụng
Trang 1CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
1.1 Điện năng và đặc điểm công nghệ của hệ thống điện
Điện năng hiện nay là một dạng năng lượng phổ biến, đã trở thành nguồn động lực chính của nền công nghiệp sản suất đại quy mô, cơ khí hóa và tự động hóa Các ưu điểm đặc biệt của điện năng:
- Có thể dễ dàng biến đổi thành các dạng năng khác nhau sang điện năng, do đó tận dụng được các nguồn năng lượng rất lớn của thiên nhiên
- Năng lượng điện dễ dàng truyền tải đi xa và phân phối đến các hộ tiêu thụ Việc chuyển tải điện năng có thể đi xa hàng nghìn cây số nhờ những dây dẫn điện bằng đồng hoặc nhôm rất nhẹ, tổn thất điện năng ít
- Điện năng biến đổi được dễ dàng sang các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang … Vì vậy điện năng được dùng ở hầu hết các ngành sản suất công nghiệp, nông nghiệp, lâm ngư nghiệp, giao thông vận tải … Điện năng dùng trong sinh hoạt, khoa học công nghệ làm nâng cao đời sống vật chất và tinh thần của con người
Các đặc điểm chính của điện năng như sau:
♦ Quá trình sản suất và tiêu thụ điện năng diễn ra hầu như đồng thời, trong hệ thống điện luôn luôn duy trì một sự cân bằng năng lượng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ ( kể cả tổn thất ) Do vậy điện năng hầu như không thể dự trữ được ( trừ một vài trường hợp đặc biệt có sự lưu trữ không đáng kể như acquy, tụ điện,… )
♦ Các quá trình diễn ra trong hệ thống điện rất nhanh, do vậy đòi hỏi hệ thống điện phải được trang bị các thiết bị tự động hóa để duy trì chất lượng điện và độ tin cậy cung cấp điện
♦ Công nghiệp điện lực có liên mật thiết đến tất cả các nghành của nền kinh tế quốc dân Do vậy chế độ làm việc, chất lượng và độ tin cậy của hệ thống điện có ảnh hưởng trực tiếp đối với nền kinh tế Sự phát triển của hệ thống điện phải luôn đi trước một bước để đảm bảo cho sự phát triển chắc chắn của các nghành kinh tế khác
1.2 Hệ thống điện hiện đại
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác ( thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ, tụ bù … ) được liên kết với nhau thành một hệ thống làm nhiệm vụ sản suất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng
Trang 2Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điện
1.2.1 Nhà máy điện và trạm biến áp
1.2.1.1 Nhà máy điện
1 Nhà máy nhiệt điện:
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
11 12 13
15
14
16
17
1 Kho nhiên liệu
2 Hệ thống cấp nhiên liệu
3 Vòi đốt
4 Lò
5 Tuôc bin
6 Máy phát
7 Bình ngưng
8 Bơm tuần hoàn
9 Bơm ngưng tụ
10 Bình gia nhiệt hạ áp
11 Bơm cấp nước
12 Bộ khử khí
13 Bình gia nhiệt cao áp
14 Bộ hâm nước
15 Bộ sấy không khí
16 Quạt gió
17 Quạt khói
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện
Hiện nay nhà máy nhiệt điện chiếm một tỷ lệ rất quan trọng trong tổng công suất nguồn, đây là một dạng nguồn điện kinh điển
Nguyên lý làm việc của nhà máy nhiệt điện được trình bày ở hình 1.3 Nhiệt lượng thu được từ nhiên liệu than, dầu, khí đốt, … làm bốc hơi nước trong nồi hơi với nhiệt độ
Trang 3khoảng 5000C và áp suất cao, hơi nước được truyền đến tuốc bin với tốc độ cao làm quay các cánh tuốc bin Trục của tuốc bin được gắn đồng trục với máy phát, quay với tốc độ
3000 vòng/phút nếu là loại máy có một cặp cực và sinh ra suất điện động có tần số 50Hz Nước qua tuốc bin sẽ ngưng tụ ở bình ngưng cùng với nước bổ sung được bơm nước đưa trở về nồi hơi Quá trình biến đổi năng lượng là nhiệt năng → cơ năng → điện năng
Để tận dụng hết năng lượng người ta chế tạo tuốc bin hơi nước có nhiều tầng và nhiều bánh xe phát động căn cứ vào đặc tính làm việc của nhà máy nhiệt điện người ta chia làm hai loại: nhà máy nhiệt điện ngưng hơi và nhà máy nhiệt điện rút hơi
Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi:
* Thường được xây dựng gần nguồn nguyên liệu
* Hầu hết điện năng sản suất được phát lên lưới điện cao áp
* Tính linh hoạt trong vận hành kém, khởi động và tăng phụ tải chậm
* Hiệu suất thấp η = 30 - 40%
* Khối lượng tiêu thụ nhiên liệu lớn, khói thải gây ô nhiễm môi trường
Đặc điểm của nhà máy nhiệt điện rút hơi:
* Thường được xây dựng gần phụ tải nhiệt
* Hiệu suất cao hơn nhà máy nhiệt điện ngưng hơi η = 60 - 70%
2 Nhà máy thủy điện (NMTĐ):
1 Đập ngăn
2 Mực nước thượng lưu
3 Mực nước hạ lưu
4 Ống dẫn áp lực
5 Cửa chắn rác
6 Buồng xoáy ốc của tuốc bin
7 Nơi đặt tuốc bin
8 Trục tuốc bin
9 Máy phát điện
10 Van chỉnh dòng chảy
11 Khoang hút nước
12 Cầu trục
14 Máy biến áp
15 Đường dây tải điện
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện
Nguyên lý của nhà máy thủy điện là dụng năng lượng của dòng nước chảy làm quay trục tuốc bin thủy lực để làm quay roto máy phát điện Quá trình biến đổi năng lượng là thủy năng cơ năng điện năng
Công suất của nhà máy thủy điện phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố là lưu lượng dòng nước Q (m3/s) và độ chênh lệch mức nước ở trước và sau nhà máy thủy điện H (m)
P = 9,81Q H η
Trang 4η: là hiệu suất chung của nhà máy
η = ηT ηF (ηT = 0.88÷0,91 - hiệu suất tuốc bin; ηF=0,95÷0,98 – hiệu suất máy phát )
Đặc điểm của nhà máy thủy điện:
* Xây dựng gần nguồn thuỷ năng nên thường xa phụ tải
* Vận hành linh hoạt, thời gian khởi động và mang tải chỉ mất từ 3 đến 4 phút, nhanh hơn so với nhà máy nhiệt điện
* Giá thành điện thấp
* Hiệu suất cao ( 80 – 90% )
* Không gây ô nhiễm môi trường
* Vốn xây dựng lớn, thời gian xây dựng lâu
* Đối với loại có hồ chứa còn góp phần điều tiết dòng chảy của sông và chống lũ Một dạng NMTĐ đặc biệt khác là thủy điện tích năng, làm việc ở hai chế độ: chế
độ sản xuất điện năng và chế độ tiêu thụ điện năng Trong giờ cao điểm máy phát điện làm việc ở chế độ sản xuất điện năng ( nước chảy từ hồ chứa thượng lưu xuống hồ chứa
hạ lưu làm quay tuốc bin và máy phát điện ) Vào giờ thấp điểm NMTĐ làm việc ở chế
độ tiêu thụ điện năng ( máy phát điện tiêu thụ điện năng để bơm nước từ hồ chứa hạ lưu lên hồ chứa thượng lưu ) còn gọi là chế độ tích năng
1 Chế độ bơm ở giờ thấp điểm
2 Chế độ phát vào lưới ở giờ cao điểm
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý vận hành nhà máy điện tích năng
3 Nhà máy tuốc bin khí:
Trang 5Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện tuốc bin khí chu trình hỗn hợp
Nhà máy điện tuốc bin khí là loại nhà máy điện mà áp suất của khí đốt dãn nở trực tiếp làm quay tuốc bin khí và quay roto máy phát điện Hiện nay các nhà máy tuốc bin khí thường sử dụng sơ đồ chu trình hỗn hợp với hiệu suất 55÷60% Tuốc bin khí chu trình hỗn hợp là sự kết hợp của tuốc bin hơi và tuốc bin khí Người ta sử dụng các lò thu nhiệt ( còn gọi là đuôi hơi ) tận dụng nhiệt năng trong khí thoát ra của tuốc bin khí để sản xuất hơi nước cung cấp cho tuốc bi hơi
Đặc điểm của nhà máy tuốc bin khí:
• Chi phí đầu tư và lắp đặt thấp
• Thời gian đưa vào vận hành nhanh, từ 10 đến 20 phút
• Ít gây ô nhiễm môi trường
• Thời gian xây dựng ngắn
• Vận hành và bảo dưỡng đơn giản, dễ tự động hoá
4 Nhà máy điện diesel:
Nhà máy điện diesel sử dụng máy năng lượng sơ cấp là các động cơ diesel làm quay máy phát để phát ra điện năng Các tổ máy phát hiện nay có công suất khoảng từ vài trăm KVA đến vài chục KVA và thường dùng làm nguồn dự phòng cho các phụ tải công nghiệp hoặc những nơi chưa có điện lưới
Đặc điểm của nhà máy điện diesel:
• Thời gian khởi động ngắn
• Công suất phát vừa và nhỏ
• Giá thành điện năng cao
• Gọn nhỏ, tính linh, tính cơ động cao
5 Các nhà máy điện năng lượng sạch:
5.1 Nhà máy điện nguyên tử (NMĐNT)
Nhà máy điện nguyên tử là một dạng đặc biệt của nhà máy nhiệt điện, điện năng được sản xuất từ nhiệt năng do các phản ứng hạt nhân tạo ra Nhiên liệu hạt nhân có khả năng tạo nhiệt rất cao, theo tính toán mỗi gam uran khi phân hạch có thể sinh ra nhiệt
Trang 6lượng tương đương 2000 kg dầu khi đốt hoặc 3 tấn than đá Ở nhà máy điện nguyên tử, nhiên liệu hạt nhân được sử dụng chủ yếu là là Uranium 235 (U235) hay plutonium 239 được tạo ra từ Uranium 238 (U238), nhiệt năng thu được trong quá trình phân huỷ hạt nhân dùng để đun nóng nước, nước bốc hơi lên và tiếp tục làm quay tuốc bin như trong trường hợp nhà máy nhiệt điện
Phần lớn các NMĐNT hiện nay vận hành với loại lò phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor) Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng loại này được giới thiệu trên hình 1.7
1 Tâm lò phản ứng
2 Thanh điều khiển
3 Bình trao đổi nhiệt
4 Bơm nén
5 Vỏ thép
6 Tuốc bin
7 Máy phát điện
8 Bơm
9 Bình ngưng
10 Nước làm mát
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử dùng loại lò phản ứng nước áp
lực Đặc điểm của nhà máy điện nguyên tử:
• Có thể xây dựng gần trung tâm phụ tải
• Giá thành điện năng thấp hơn nhà máy nhiệt điện
• Vận hành linh hoạt với đồ thị phụ tải tự do
• Khối lượng nhiên liệu ít, Ví dụ để sản xuất 1 triệu KWh điện năng chỉ tiêu tốn khoảng 400 gram uranium
• Vốn đầu tư ban đầu lớn, thời gian xây dựng kéo dài
• Hiệu suất cao
5.2 Nhà máy năng lượng mặt trời
Nhà máy năng lượng mặt trời có hai loại như sau:
♦ Nhà máy pin quang điện: Nhà máy loại này sử dụng các pin mặt trời để biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng không thông qua bước trung gian về nhiệt, hiệu suất có thể đạt đến 40% Pin mặt trời có cấu tạo gồm 2 lớp bán dẫn p và n Lớp tiếp xúc giữa gọi là lớp
Trang 7Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý nhà máy pin quang điện
a – Sơ đồ nguyên lý; b - Hình dạng tổng thể thiết bị điện mặt trời;
c - Sơ đồ nguyên lý pin mặt trời tiếp xúc chuyển tiếp p-n Khi chiếu ánh sáng vào pin mặt trời thì hai loại bán dẫn này hấp thụ
photon và tạo ra các cặp electron và lỗ trống ( được gọi là hạt dẫn cơ bản ) Các hạt dẫn
cơ bản khuyết tán qua lớp tiếp xúc tạo nên một điện trường, và do đó có một suất điện động của quang điện Suất điện động quang điện gia tăng tỷ lệ với cường độ chiếu sáng Hiện nay người ta chế tạo được tế bào pin quang điện có kích thước cỡ vài dm (đường
Trang 8kính) với công suất 1W trong điều kiện bức xạ mặt trời là 1KW/m2 Để có công suất lớn cần ghép tổ hợp các tế bào pin quang điện này
♦ Nhà máy nhiệt mặt trời: Nhà máy loại này vận hành theo kiểu chu kỳ năng lượng nhiệt, năng lượng mặt trời được thu bằng một gương parabol tròn xoay, mọi tia nắng chiếu vào gương đều tập trung tại tiêu điểm F, để gia tăng mật độ quang thông tập trung tại tiêu điểm người ta sử dụng hệ thống dãy gương hội tụ (hellostats), nhiệt độ tại đây có thể đạt đến 1.5000C Tại tiêu điểm F của hệ thống gương người ta đặt nồi chứa muối kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao trên 4000C, muối nóng chảy được bơm vào bể chứa, khi cho dòng nước chảy qua bể chứa muối nóng chảy, nước sẽ nhận nhiệt và sôi, hơi nước làm quay tuốc bin của máy phát điện
Nhà máy sử dụng gương parabol thường có công suất từ 5KW đến 25KW còn nhà máy sử dụng gương hellostats thường có công suất từ 100KW đến 100MW
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt mặt trời
5.3 Nhà máy năng lượng gió
Trang 9Hình 1.10 Trạm điện năng lượng gió
Nhà máy loại này sử dụng năng lượng gió để phát ra điện và được chú ý xây dựng tại các vùng ven biển, đồi núi nơi có mật độ năng lượng gió cao ( 320 ÷ 400 W/m2 ) và tốc độ gió trên 5m/s Các trạm phát điện gió có công suất lên đến 50MW ( làng máy phát ) Giá thành hiện nay tại Châu Âu để đầu tư cho 1KW khoảng 1000USD, dự kiến đến năm 2020 giá sẽ giảm xuống mức 650USD/1KW Tại Trung Quốc tính đến thời điểm cuối 2005 đã có 60 khu điện gió với tổng công suất 1300MW, mục tiêu đến năm 2020 công suất điện gió của Trung Quốc lên đến 20.000MW
Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió ở khu vực Đông Nam Á đã đánh giá tiềm năng điện gió Việt Nam ước đạt 513.360 MW bằng hơn 200 lần công suất của thuỷ điện Sơn
La (2400MW)
Ở Việt Nam cũng đã có một dự án điện gió với công suất 50 MW, đó là nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định phục vụ cho Khu Kinh tế Nhơn Hội Tổng đầu tư giai đoạn 1 cho 50MW điện là 65 triệu USD, và giá bán điện dự kiến là 45 USD/MWh
5.4 Nhà máy năng lượng địa nhiệt
Nhà máy năng lượng địa nhiệt làm việc theo nguyên lý sử dụng nhiệt lấy từ lòng đất để gia nhiệt làm bốc hơi nước ( Trung bình khi khoan sâu vào lòng đất 1km thì nhiệt
độ tăng thêm 300C ) Hơi nước ở áp suất cao sẽ làm quay tuốc bin của máy phát điện và
do vậy năng lượng địa nhiệt biến thành điện năng
5.5 Nhà máy năng lượng thủy triều
Trang 10Hình 1.11 Mô hình turbine phát điện bằng thủy triều
Nhà máy năng lượng thủy triều sử dụng năng lượng dòng chảy của hải lưu và thủy triều để làm quay tuốc bin phát điện
- Nhà máy năng lượng thủy triều dạng đập ngăn được xây dựng tại nơi có độ chênh lệch lớn về mực nước lên xuống của thủy triều Khi thủy triều lên nước chảy hướng qua tuốc bin để vào hồ chứa, khi thủy triều hạ lại hướng nước từ hồ chứa qua tuốc bin và đổ ra biển
- Tận dụng thủy năng tạo ra do sóng biển và dòng chảy của hải lưu làm quay tuốc bin thủy lực, các tuốc bin này được đặt ngay trên mặt nước hoặc dưới mặt biển
1.2.1.2 Máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị chính trong hệ thống điện, dùng để biến đổi điện năng từ điện áp này U1 sang điện áp khác U2 phục vụ cho việc truyền tải và phân phối năng lượng điện Hiện nay máy biến áp điện lực có thể tạo ra điện áp rất lớn lên đến hàng ngàn kilovolt dùng để chuyển tải điện năng và tạo ra nhiều cấp điện áp thấp để cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ ( 220; 380 V; … ) Trong các hệ thống điện hiện đại, công suất tổng của các máy biến áp bằng khoảng từ 6 ÷ 8 lần công suất nguồn Các máy biến
áp có công suất lớn và điện áp cao hiện nay có hiệu suất đạt đến 99,7%
1.2.2 Lưới hệ thống và lưới truyền tải
♦ Lưới hệ thống:
- Lưới hệ thống bao gồm các đường dây tải điện và trạm biến áp khu vực, nối liền các nhà máy điện tạo thành hệ thống điện Lưới hệ thống có cấp điện áp từ 110kV đến 500kV Lưới có nhiều mạch vòng kín để khi cắt điện bảo trì hoặc khi sự cố vẫn bảo đảm liên lạc hệ thống Vận hành kín để bảo liên lạc thường xuyên và chắc chắn giữa các nhà máy điện và với phụ tải
♦ Lưới truyền tải:
- Lưới truyền tải làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm biến áp khu vực đến trạm trung gian, điện áp của lưới truyền tải từ 66kV đến 220 kV
1.2.3 Lưới phân phối:
Trang 11- Lưới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian ( hoặc trạm khu vực, hoặc thanh cái nhà máy điện ) cấp điện cho các phụ tải
- Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 KV phân phối điện cho các phụ tải trung áp và các trạm biến áp trung áp/ hạ áp
- Lưới phân phối hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 127/220, 220/380V Hiện nay hầu hết sử dụng mạng điện 3P-4W ( 3 pha - 4 dây )
- lưới phân phối hiện có cấu trúc kín nhưng vận hành hở Khi sự cố 1 phân đoạn, phần lưới bị sự cố sẽ được cô lập và phần lưới tốt còn lại sẽ được đóng điện để tiếp tục vận hành
1.2.4 Phụ tải:
1 Khái niệm cơ bản
Tất cả các máy móc dùng để biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, quang năng, nhiệt năng, … để trực tiếp hoặc gián tiếp phục vụ cho các quá trình công nghệ sản xuất và đời sống sinh hoạt được gọi là thiết bị tiêu thụ điện, tập hợp tất cả các thiết bị này gọi là hộ tiêu thụ điện hay hộ dùng điện
Phụ tải điện là đại lượng đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng trong hệ thống điện theo thời gian Các thông số xác định phụ tải thường là P(t), Q(t), S(t), I(t) Nói cách khác, phụ tải điện là đại lượng biểu thị mức độ tiêu thụ điện năng của các hộ dùng điện
2 Phân loại phụ tải
Trong thực tế rất nhiều chủng loại thiết bị điện với các chế độ làm việc và tầm quan trọng khác nhau, tùy theo mức độ yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện mà phụ tải được chia thành nhiều loại dưới các khía cạnh xem xét khác nhau:
a) Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện, phụ tải điện được phân thành 3 loại:
♦
♦ Phụ tải loại 1: Là những phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ gây ra thiệt hại nghiêm trọng về chính trị, kinh tế và sinh mạng con người ( ví dụ: các bệnh viện, đài phát thanh, truyền hình, các cơ quan trụ sở đầu não, … ) Đối với các hộ loại 1 phải đảm bảo liên tục cung cấp điện và được cấp điện bằng lưới điện kín hoặc có hai nguồn cung cấp điện độc lập, ngoài ra còn có nguồn dự phòng Thời gian mất điện thường được coi bằng thời gian đóng nguồn dự trữ
♦
♦ Phụ tải loại 2: Là loại phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến thiệt hại về kinh tế do đình trệ sản xuất, phá hỏng thiết bị, gây hư hại sản phẩm ( ví dụ: các phân xưởng cơ khí, xí nghiệp công nghiệp thông thường, … ) Đối với hộ loại 2 có thể dùng lưới điện hở có dự phòng Thời gian mất điện cho phép bằng thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay
♦
♦ Phụ tải loại 3: Gồm tất cả các loại phụ tải không thuộc hai loại trên, có tính chất không quan trọng, phụ tải được thiết kế với độ tin cậy cung cấp điện không đòi hỏi cao ( ví dụ: các hộ chiếu sáng sinh hoạt, nhà kho, …) Đối với hộ loại 3 có thể cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, có thể sử dụng một nguồn cung cấp hoặc đường dây một lộ
b) Dưới góc độ sử dụng và kinh doanh điện năng có các loại phụ tải sau:
- Phụ tải công nghiệp: gồm các nhà máy, xí ghiệp sản xuất