Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp điện, đề xuất giải pháp tiết kiệm điện năng và nâng cao chất lượng cung cấp điện cho nhà máy xử lý nước thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Quang Cường NINH THUẬN, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Ninh thuận, ngày….tháng… năm 2017 Học viên Phạm Thị Nhung i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sỹ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn nhiệt tình q Thầy, động viên ủng hộ gia đình, bạn bè đồng nghiệp suốt thời gian học tập nghiên cứu Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Lê Quang Cường, người hết lòng giúp đỡ, cung cấp tài liệu khoa học tạo điều kiện tốt cho hoàn thành luận văn Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến thầy, phịng Đào tạo Đại học Sau đại học Bộ môn Kỹ thuật điện - điện tử, Khoa lượng, Trường ĐH Thủy Lợi tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lựoi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực đề tài Cuối xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác tạo điều kiện mặt thời gian, cỗ vũ tinh thần trình nghiên cứu thực luận văn Học viên Phạm Thị Nhung ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG GIỚI THIỆU NHÀ MÁY VÀ YÊU CẦU CUNG CẤP ĐIỆN .1 1.1 Giới thiệu nhà máy .1 1.2 Khái quát hệ thống cung cấp điện 1.2.1 Đặc điểm nguồn lượng điện: 1.2.2 Hộ tiêu thụ: 1.2.3 Những yêu cầu nội dung chủ yếu thiết kế cung cấp điện .4 1.3 Xác định nhu cầu cung cấp điện 1.3.1 Đặt vấn đề 1.3.2 Đồ thị phụ tải điện 1.3.3 Các đại lượng 1.3.4 Các đại lượng hệ số tính tốn thường gặp .9 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12 2.1 Phương pháp thiết kế 12 2.2 Tiêu chuẩn thiết kế 15 2.2.1 Cấp điện áp 15 2.2.2 Giới hạn giảm điện áp .15 2.2.3 Giới hạn dòng ngắn mạch 16 2.2.4 Hệ số công suất 16 2.2.5 Máy biến áp 16 2.3 Phương pháp tính tốn phụ tải 16 2.3.1 Các phương pháp xác định phụ tải tính tốn .17 2.3.2 Tính chọn máy biến áp 21 2.3.3 Chọn điểm tính ngắn mạch .23 2.3.4 Tính chọn tiết diện dây cáp .26 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 31 3.1 Thiết kế sơ sơ đồ sợ hệ thống cung cấp điện .31 iii 3.2 Danh sách tải 33 3.3 Tính tốn cơng suất cho máy biến áp .35 3.4 Tính tốn cơng suất cho máy phát điện 41 3.4.1 Máy phát điện 41 3.5 Tính tốn dịng ngắn mạch .47 3.5.1 Tính tốn ngắn mạch lưới điện 51 3.6 Tính tốn cáp 54 3.7 Tính tốn lựa chọn thiết bị 64 3.7.1 Lựa chọn máy cắt điện 64 3.7.2 Lựa chọn 64 3.7.3 Lựa chọn máy biến dòng điện 64 3.7.4 Lựa chọn máy biến áp đo lường 64 CHƯƠNG CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN 71 4.1 Bù công suất phản kháng 71 4.1.1 Khái quát 71 4.1.2 Chọn thiết bị bù 71 4.1.3 Xác định dung lượng bù 73 4.1.4 Xác định vị trí công suất tụ bù .75 4.2 Điều chỉnh chế độ làm việc động .76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO: 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: .82 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Các bước thiết kế hệ thống 13 Hình Mặt định vị cơng trình nhà máy 30 Hình Sơ đồ sợ sơ 32 Hình Tính tốn ngắn mạch 53 Hình Tính tốn sụt áp trào lưu công suất .63 Hình Mặt tổng thể tuyến cáp ngầm 24KV 68 Hình Tồng mặt cáp trung 6KV 69 Hình Sơ đồ nguyên lý 70 Hình Biểu đồ phân bố phụ tải .77 Hình 10 Sơ đồ mặt trạm bơm sau: .78 Hình 11 Biểu đồ đóng cắt bơm 79 Hình 12 Quy trình điều khiển bơm 80 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Quy định cấp điện áp 15 Bảng 2.2 Giá trị tiêu biểu điện áp ngắn mạch 25 Bảng 3.1 Bảng công suất tải 33 Bảng 3.2 Bảng kết tính tốn chọn máy biến áp 39 Bảng 3.3 Bảng thiết bị sử dụng nguồn máy phát 41 Bảng 3.4 Đánh giá ngắn mạch trở kháng máy biến áp 50 Bảng 3.5 Công suất MBA theo tình trạng tải hoạt động 50 Bảng 3.6 Bảng Kết tính tốn ngắn mạch 51 Bảng 3.7 Bảng thống kê tính tốn ngắn mạch phần mềm ETAP 52 Bảng 3.8 Kết tính tốn 56 Bảng 3.9 Kết tính toán 61 Bảng 3.10 Kết tính tốn ngắn mạch phần mềm ETAP 61 Bảng 3.11 Lựa chọn thiết bị 65 Bảng 4.1 Lưu lượng nước thải đầu vào 76 Bảng 4.2 Phân bố điện tiêu thụ 77 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Dòng điện xoay chiều DC Dòng điện chiều IEC International Electrotechnical Commission MBA Máy biến áp vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Một hệ thống điện hoạt động hiệu phải kết hợp cách hài hòa yêu cầu kinh tế, độ tin cậy cung cấp điện, độ an toàn cao, đảm bảo tính liên tục đảm bảo tiêu chí kỹ thuật để giúp cho nhà máy hoạt hoạt động an toàn, hiệu tuổi thọ cao Trong nhà máy xử lý nước thải cỡ lớn, số lượng phụ tải cỡ vài nghìn, phân chia thành nhiều loại, tổng công suất tiêu thụ nhà máy khoảng vài chục mêga wát, thiết bị phải hoạt động theo qui trình cơng nghệ nghiêm ngặt Thơng thường, hệ thống cấp điện gồm có cấp điện áp trung áp hạ áp Các động cho máy bơm máy thổi khí lớn, cỡ từ 200 đến 800 kW, hoạt động nhiều chế độ khác Hệ thống cung cấp điện cho nhà máy phải đảm bảo tiêu chí kỹ thuật, độ tin cậy cung cấp điện cao, chất lượng điện tốt tiết kiệm lượng trình vận hành Vì em xin chọn đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI Mục đích Đề tài: - Đề tài nghiên cứu phương pháp thiết kế, đưa hệ thống cung cấp điện sử dụng điện hợp lý cho nhà máy xử lý nước thải cỡ lớn, có tính tốn lựa chọn thiết bị, tiêu khảo sát chế độ làm việc lưới theo tiêu chuẩn quốc tế IEC Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nhà máy xử lý nước thải công suất 10 MVA Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: - Thu thập số liệu từ nhà máy, phân tích tính tốn thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy đạt tiêu chuẩn IEC, tin cậy tiết kiệm lượng viii Hình Tồng mặt cáp trung 6KV 69 Hình Sơ đồ nguyên lý 70 CHƯƠNG CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN 4.1 Bù công suất phản kháng 4.1.1 Khái quát Bằng cách đặt thiết bị bù gần hộ tiêu thụ để cung cấp công suất phản kháng, ta giảm công suất phản kháng truyền tải đường dây cosϕ mạng tăng lên Biện pháp bù không giảm công suất phản kháng cá hộ mà giảm công suất phản kháng truyền tải Vì sau thực biện pháp nâng cao hệ số cosϕ tự nhiên mà không đạt yêu cầu xét đến biện pháp bù Cần ý thêm bù công suất phản kháng Q ngồi mục đích nâng cao hệ số cơng suất cosϕ để tiết kiệm điện, cịn có tác dụng không phần quan trọng điều chỉnh ổn định điện áp cung cấp Bù công suất phản kháng đưa lại hiệu kinh tế tốn thêm mua sắm thiết bị bù chi phí vận hành cho chúng Vì định phương án bù phải dựa có sở tính tốn so sánh kinh tế, kỹ thuật 4.1.2 Chọn thiết bị bù Tụ điện Là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dịng điện vượt trước định áp sinh công suất phản kháng cung cấp cho mạng * Ưu điểm: - Tổn thất công suất bé, phần tử quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng - Tụ điện chế tạo thành đơn vị cơng suất nhỏ, tùy theo phát triển phụ tải trình sản xuất ghép dần tụ điện vào mạng hiệu suất sử dụng cao khơng phải bỏ nhiều vốn đầu tư lúc * Nhược điểm: - Rất nhạy cảm với điệnáp đặt lên tụ: Q c = 3U2.ω.C.10-3 71 - Tụ điện có cấu tạo chắn, dễ bị phá hỏng bị ngắn mạch Khi điện áp tăng lên 110%Uđm tụ điện bị chọc thủng - Khi đóng tụ điện vào mạng có dịng điện xung, cịn ngắt tụ khỏi mạng cực tụ điện cịn điện áp dư gây nguy hiểm cho ngưới vận hành * Ứng dụng: Tụ điện sử dụng rộng rãi xí nghiệp có cơng suất trung bình nhỏ Thơng thường dung lượng bù ≤ 5000kVr người ta dùng tụ, cịn dụng lượng > 5000kVr phải so sánh dùng tụ máy bù đồng Máy bù đồng Là động đồng làm việc chế độ khơng tải Do khơng có phụ tải nên máy bù đồng chế tạo gọn nhẹ rẻ máy máy bù công suất Ở chế độ kích thích mày bù đồng sản xuất cơng suất phản kháng cho mạng chế độ thiếu kích thích máy bù thiết bị tốt để điều chỉnh điện áp mạng * Nhược điểm: - Giá thành cao - Máy bù có phần tử quay nên lắp ráp, bảo quản, vận hành khó khăn * Ứng dụng: - Được sử dụng nơi quan trọng nơi tập trung với lượng bù lớn Đồng không đồng dây quấn đồng hố Khi cho dịng điện chiều vào rơto, động làm việc động đồng sinh công suất phản kháng * Nhược điểm: 72 - Hao tổn công suất lớn, khả tải lớn động làm việc 75% công suất định mức * Ứng dụng: - Động khơng đồng dây quấn đồng hố sử dụng Ngồi tạo công suất phản kháng cách: - Dùng động đồng làm việc chế độ kích thích - Dùng máy phát làm việc chế độ bù 4.1.3 Xác định dung lượng bù Dung lượng bù xác định theo công thức: Q bù = P(tgϕ1 - tgϕ2).α Trong đó: P – cơng suất tác dụng phụ tải tính tốn ϕ – góc tương ứng với cosϕ tb1 trước bù ϕ – góc tương ứng với cosϕ tb2 sau bù cosϕ tb2 lấy hệ số công suất quan quản lý hệ thống điện quy định, thường lấy 08 ÷ 0,95 α: Hệ số tính đến khả nâng cao hệ số cosϕ phương pháp tự nhiên * Thường người ta xác định theo dung lượng bù tối ưu Do bù tiết kiệm dung lượng công suất tác dụng: ∆P tk = k kt Q bù – k bù Q bù = Q bù (k kt – k bù ) Trong đó: k kt - đương lượng kinh tế công suất phản kháng kW/kVAr k bù - suất tổn thất công suất tác dụng thiết bị bù, kW/kVAr k kt xác định sau: Trước bù Q gây tổn thất công suất tác dụng: 73 ∆P1 = Q2 R U2 Sau bù lượng Q gây tổn thất công suất tác dụng là: ∆P1 = (Q − Qbù ) R U2 Vậy lượng công suất tác dụng tiết kiệm là: ∆P = ∆P1 − ∆P2 = (Q − Qbù ) Q2 R− R U U2 Theo định nghĩa ta có: k kt = Q ∆P Q = R(2 − bù )(kW / kVAR) Qbù U Q Nếu dung lượng Q bù nhỏ nhiều so với công suất phản kháng truyền tải đường dây Q (điều thường xảy thực tế), tức coi Q bu /Q = lúc đương lượng kinh tế cơng suất phản kháng tính theo cơng thức đơn giản sau: k kt = 2Q R(kW / kVAR) U2 Nếu Q R lớn k kt lớn, nghĩa phụ tải phản kháng lớn xa nguồn việc bù có hiệu kinh tế Dung lượng bù tối ưu Qbùt uu = Q − U2 k bù R (*) U 2R 2R (**) Dung lượng bù tối ưu Qbùt uu = Q − Từ (*) (**) ta có 74 Qbù ,t ,uu = Q(1 − 4.1.4 k bù ) k kt Xác định vị trí cơng suất tụ bù Ở ta chọn phương án bù tập trung sau trạm biến áp 22 kV/6 kV Vì phụ tải nhiều bù phân tán phức tạp tăng chi phí đầu tư Cơng suất tụ điện nâng cao hệ số công suất là:   1 Q = P(kW ). −1 − − (kVar ) 2 cos B   cos A Trong đó, Q : cơng suất tụ điện P : công suất đầu vào [kW ] = côngsuâtra[kW ] β =β hiêusuâtη cos2A : hệ số công suất ban đầu 0.8 cos2B : hệ số công suất mong muốn 0.98 β 0.7 P= : hệ số nhu cầu 1943 0,7 = 1600(kW ) 0,85   1  = 875(kVar ) 1 Q = 1600. − − − 2  , , 98   Vì Q = 875 [kVar]x1, 100 [kVar]x1, 300 [kVar]x1 400 [kVar]x1 chọn để bù nâng cao hệ số công suất Đặt tủ tụ bù kV nhà điều hành Xác định dung lượng tụ bù cho động trung áp Máy bơm đầu vào: 75 P= Pđm η β = 375 0,7 = 308(kW ) 0.85   Q = 308 −1 − −  = 168(kW ) 2 0.98  0,8  Q = 168 (kVar) Chọn hai tụ có Q = 100 (kVar) để bù cho máy bơm đầu vào Máy thổi khí cơng suất 250 kW P= Pđm η β = 250 0,7 = 206(kW ) 0.85   Q = 206 −1 − −  = 112(kW ) 2 0.98  0,8  Q = 112 (kVar) Chọn tụ có dung lượng 100 (kVar) tụ có dung lượng 50 (kVar) để bù cho máy thồi khí Vị trí lắp đặt tụ bù thể sơ đồ sợi 4.2 Điều chỉnh chế độ làm việc động Nhà máy xử lý nước thải thiết kế với lưu lượng nước thải đầu vào sau: Bảng 4.1 Lưu lượng nước thải đầu vào Loại Lưu lượng trung bình theo Lưu lượng Ghi 232 000 m3/d 161 m3/min 270 000 m3/d 188 m3/min Lưu lượng lớn theo 332 000 m3/d 231 m3/min Lưu lượng lớn 576 000 m3/d 400 m3/min ngày Lưu lượng lớn theo ngày Biểu đồ phân bố lượng điện tiêu thụ cho hạng mục sau: 76 thời tiết khô thời tiết ẩm ướt Bảng 4.2 Phân bố điện tiêu thụ Công suất Phần trăm (kW) (%) Bơm nước thải đầu vào (5 máy 375kW/6kV) 1875 18% Máy thổi khí 6kV (6 máy 250kW/6kV) 1500 14% Các phụ tải lại (hạ áp) 7002 67% STT Loại phụ tải Hình Biểu đồ phân bố phụ tải 77 Hình 10 Sơ đồ mặt trạm bơm sau: Do lưu lượng nước đầu vào thay đổi, nước thải chảy vào hầm bơm phải bơm hết nhiêu, bơm khơng kịp bị tràn hầm bơm Mặt khác thể tích hầm bơm nhỏ, công suất bơm lại lớn, tỷ lệ sử dụng điện lớn (20%), khơng có chiến lược điều khiển bơm hợp lý dẫn đến số bất lợi sau: Tần số đóng cắt bơm lớn, gây tổn hao lượng, tuổi thọ bơm giảm, gây va đập hư hỏng thiết bị đường ống, gây dao động điện áp nguồn … Để khắc phụ yếu tố ta sử dụng biến tần trung áp 6kV để điều khiển tốc độ bơm, qua điều khiển lưu lượng bơm Cụ thể sử dụng biến tần cho bơm (1 biến tần làm việc biến tần dự phịng), bơm cịn lại khởi động đóng cắt trực tiếp qua biến áp tự ngẫu để giảm dòng khởi động giảm q trình va đập Biểu đồ đóng cắt điều khiển bơm sau: 78 Hình 11 Biểu đồ đóng cắt bơm 79 Hình 12 Quy trình điều khiển bơm 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO: Kết luận: Luận văn tính tốn phụ tải tồn nhà máy xử lý nước thải với tổng công suất lên tới 10000kW Thiết kế hệ thống cung cấp điện bao gồm sơ đồ sợi tổng thể, công suất trạm biến áp chọn thiết bị điện hệ thống cung cấp điện nhà máy xử lý nước thải Đưa giải pháp tiết kiệm nâng cao chất lượng cung cấp điện cho nhà máy Kiến nghị: Luận văn với đề xuất hướng giải pháp tiết kiệm nâng cao chất lượng cung cấp điện, thời gian tới có điều kiện nghiên cứu cụ thể phương pháp tính tốn kinh tế cụ thể 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tầm, 2005, Thiết kế cấp điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Mạnh Hoạch, 2007, Hệ thống cung cấp điện xí nghiệp cơng nghiệp, thị nhà cao tầng, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Đặng Ngọc Dinh, Nguyễn Cơng Hiền, Nguyễn Đình Hào, 1995, Cung cấp điện lĩnh vực kinh tế quốc dân, Nhà xuất Giáo dục 4.Trần Đình Long, 2007, Bảo vệ hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Ngô Hồng Quang, 2002, Sổ tay lựa chọn tra cứu thiết bị điện từ 0,4kV đến 500kV, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Các tiêu chuẩn IEC Sổ tay hướng dẫn tính toán thiết kế hãng ABB, Schneider, Siemens Hướng dẫn sử dụng phần mềm ETAP 82 83 ... HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI Mục đích Đề tài: - Đề tài nghiên cứu phương pháp thiết kế, đưa hệ. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ NHUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CUNG CẤP ĐIỆN... 500 lý bùn Phòng kỹ thuật điện, xây dựng xử lý bùn Phòng kỹ thuật điện, xử lý nước sử dụng tịa nhà Máy biến Phịng điện, đơn vị áp khơ xử lý nước thải Máy biến Phòng điện, đơn vị áp khơ xử lý nước