Chương 7 : KIỂM TOÁN NĂNG LƯỢNG
9.6.Lựa chọn thiết bị và lắp đặt
Tuỳ vào yờu cầu và thời gian làm việc của từng dạng phụ tải cụ thể mà người thiết kế lựa chọn kiểu hệ thống phự hợp. Cố gắng lựa chọn những hệ thống mới cú tớch hợp cỏc thiết bị điều khiển hiện đại nhằm tiết kiệm năng lượng.
9.6.1. Mỏy điều hũa khụng khớ WATER CHILLER
Nhiệt độ, o C a) Hệ thống truyền thống T≡1 4 3 N≡2 ẹ o ọ c hử ựa a ồm d, g/ kg kkk T≡1 4’ 4 3’ 3 N≡2 ẹ o ọ c hử ựa a ồm d, g/ kg kkk Nhiệt độ, o C b) Hệ thống kết hợp ống nhiệt
Hỡnh 9.7. Sơ đồ nguyờn lý mỏy điều hũa Water chiller
Hệ thống điều hũa khụng khớ kiểu Water chiller là hệ thống trong đú dàn lạnh khụng trực tiếp xử lý khụng khớ mà làm lạnh nước đến khoảng 7oC. Sau đú nước được dẫn theo đường ống cú bọc cỏch nhiệt đến cỏc dàn trao đổi nhiệt để xử lý khụng khớ gọi là cỏc FCU và AHU. Trong hệ thống này, nước được sử dụng làm chất tải lạnh. Hỡnh 9.7 giới thiệu một sơ đồ nguyờn lý mỏy điều hũa Water chiller điển hỡnh. Đối với những hệ thống Water chiller mới, năng suất lạnh cũng được điều chỉnh mịn bởi cỏc bộ biến tần.
9.6.2. Mỏy điều hũa khụng khớ VRV
Mỏy điều hũa VRV (Variable Refrigerant Volume) là hệ thống điều hũa khụng khớ cú lưu lượng mụi chất cú thể điều chỉnh được. Mỏy điều hũa VRV thực chất là một hệ thống điều hũa khụng khớ cú một hay nhiều dàn núng và nhiều dàn lạnh hay FCU (Fan Coil Unit). Hệ thống VRV cú thể đạt hiệu suất cao thụng qua sự thu hồi nhiệt và kiểm soỏt nhiệt độ chớnh xỏc. Hệ thống VRV là một trong những cụng nghệ tiờn tiến trong kiểm soỏt mụi trường. Nú cho phộp thay đổi nhiệt độ từng phũng riờng biệt trong một tũa nhà vào những thời điểm khỏc nhau trong ngày. Người sử dụng cài đặt nhiệt độ phũng một cỏch dễ dàng và hệ thống sẽ duy trỡ nhiệt độ đú mà khụng ảnh hưởng tới cỏc phũng bờn cạnh hay ngoài trời.
Hệ thống này cú thể thay đổi cụng suất lạnh của mỏy dễ dàng nhờ thay đổi lưu lượng mụi chất tuần hoàn trong hệ thống thụng qua thay đổi tốc độ quay nhờ bộ biến tần. Hỡnh 9.8 giới thiệu sơ đồ nguyờn lý một hệ thống điều hũa khụng khớ VRV điển hỡnh.
Thỉnh thoảng, một số người cũng gọi hệ thống này là VRF (Variable Refrigerant Flow). Về cơ bản, hai hệ thống này giống nhau. Trong một số quan điểm, thể tớch của mụi chất lạnh khụng thay đổi mà lưu lượng thay đổi, do vậy, dựng khỏi niệm VRF mang tớnh chớnh xỏc hơn.
Chương 10
CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
10.1. MÁY BIẾN ÁP (MBA)
10.1.1. Chọn mỏy biến ỏp cú cụng suất thớch hợp
Hiện nay, cỏc mỏy biến ỏp được thiết kế chế tạo cú hiệu suất cao thường từ 96% đến 99%. Tuy nhiờn, hiệu suất của mỏy biến ỏp khụng chỉ phụ thuộc vào thiết kế mà cũn phụ thuộc vào phụ tải vận hành cú hiệu quả. Vỡ vậy, vẫn cũn cú những tiềm năng để cải thiện hiệu suất.
- Tổn thất mỏy biến ỏp: Tổn thất khụng tải (cũn gọi là tổn thất sắt từ) là hàm bậc hai của điện ỏp vào mỏy biến ỏp. Tổn thất này cú mặt bất cứ khi nào mỏy được nối vào nguồn điện và khụng phụ thuộc vào phụ tải.
Tổn thất sắt từ (tổn thất khụng tải) = Wi(
Vr Vp
)2 trong đú:
Wi: tổn thất sắt từ ở điện ỏp định mức phớa cao ỏp. Vr: điện ỏp định mức phớa cao ỏp.
Vp: điện ỏp thực tế phớa cao ỏp.
Tổn thất cú tải, cũn gọi là tổn thất cuộn dõy, là hàm bậc hai dũng điện. Tổn thất này chỉ xảy ra khi cú tải nối vào mỏy biến ỏp (cú dũng điện chạy qua) và phụ thuộc vào phụ tải.
Tổn thất cuộn dõy (tổn thất cú tải) = Wc(LF)2 trong đú: Wc = tổn thất cuộn dõy ở dũng điện định mức.
LF = hệ số phụ tải.
Tổn thất mỏy biến ỏp = Wi(
Vr Vp
)2+ W c(LF)2 - Hiệu suất mỏy biến ỏp:
η = 2 ) ( cos ) ( cos ) ( LF W W P LF P LF c i + + ϕ ϕ Trong đú: LF: hệ số phụ tải.
P: cụng suất định mức của MBA, kVA. cosϕ: hệ số cụng suất.
Wi: tổn thất sắt từ ở điện ỏp định mức phớa cao ỏp, kW. Wc: tổn thất cuộn dõy ở dũng điện định mức, kW.
Hiệu suất mỏy biến ỏp sẽ cao nhất khi tổn thất sắt từ bằng tổn thất cuộn dõy: Wi = Wc(LF)2 hay LF = W W c i
Cỏc giỏ trị tham khảo đối với cỏc ứng dụng cụng nghiệp với hiệu suất cực đại là 98,5% - 99% thỡ hệ số phụ tải bằng 35 – 55%; nghĩa là để đạt được hiệu suất cao, cỏc mỏy biến ỏp cụng nghiệp thụng thường phải được gỏnh tải thấp hơn giỏ trị định mức và, do đú, phải lắp cỏc MBA chạy non tải.
10.1.2. Phõn phối phụ tải mỏy biến ỏp
Thực tế nhiều MBA khụng sử dụng hết cụng suất, gõy nhiều tổn thất trong cuộn dõy. Do đú, nếu cú nhiều MBA đang được sử dụng, việc ngắt bớt một mỏy biến ỏp sẽ giỳp tiết kiệm nếu thỏa món cỏc điều kiện sau:
- Cỏc MBA cú khả năng gỏnh phụ tải của MBA dự kiến sẽ được ngắt, nghĩa là cũn đủ cụng suất cụng suất ở cựng cấp điện ỏp và cú thể dể dàng đấu nối.
- Tổng tổn thất điện của cỏc MBA cũn lại nhỏ hơn tổng tổn thất khi tất cả cỏc MBA cựng hoạt động.
Vớ dụ 10.1:Ngắt bớt một mỏy biến ỏp (hỡnh 10.1)
Một xớ nghiệp chế biến thức ăn gia sỳc cần cụng suất điện 700kVA, cung cấp bởi hai MBA nối song song trờn cựng một thanh cỏi. Đặc tớnh kỹ thuật của hai MBA là:
Hỡnh 10.1. Sơ đồ đấu hai MBA với phụ tải Cụng suất định mức: 1250kVA. Cao ỏp: 11± 2,5% kV. Hạ ỏp: 433kV. Tổn thất khụng tải: 2100W. Tổn thất cú tải: 16400W.
Khi cả hai mỏy cựng hoạt động, tổng tổn thất là: Tổn thất khụng tải: 2100 ì 2 = 4200 W Tổn thất cú tải: 16.400 ì (350/1.250)2 ì 2 = 2572 W Tổng tổn thất: 4200W + 2572 W = 6772 W
Khi một MBA được ngắt bớt và phụ tải của cú được chuyển sang cho MBA cũn lại thỡ hệ số cụng suất bằng 50% và cỏc tổn thất là:
Tổn hất khụng tải: = 2100W.
Tổn thất cú tải: 16.400ì(700/1250)2 = 5.143W. Tổng cỏc tổn thất: = 7.243W.
Do vậy, trong trường hợp này sẽ khụng cú lợi nếu ta ngắt một MBA.
11 kV±
TẢI 1 = TẢI 2 = 350 kVA
TẢI 2 TẢI 1
Vớ dụ 10.2:Ngắt bớt một mỏy biến ỏp (hỡnh 10.2)
Một nhà mỏy xay xỏt gạo cần cụng suất lắp đặt 1000 kA được cung cấp bởi hai MBA nối song song trờn cựng một thanh cỏi. Đặc tớnh kỹ thuật của hai MBA là:
Cụng suất định mức: 1250kVA. Cao ỏp: 22± 2,5% kV. Hạ ỏp: 433kV.
Tổn thất khụng tải: 3500W. Tổn thất cú tải: 2
Khi cả hai MBA cựng hoạt động, tổng tổn thất là 9,4kW. Ngược lại, khi một được ngắt và chuyển phụ tải sang MBA cũn lại, thỡ tổng tổn thất chỉ cũn 7kW. Do đú, rất đỏng để ngắt bớt một mỏy biến ỏp trong trường hợp này.
Hỡnh 10.2. Sơ đồ đấu hai MBA với phụ tải
10.1.3. Cải thiện hệ số cụng suất
Hệ số cụng suất là tỷ số giữa cụng suất thực (kW) và cụng suất biểu kiến (kVA). Hệ số cụng suất thấp khi cú sử dụng cỏc thiết bị cảm ứng (điện từ) và thể hiện khả năng vận hành ở hiệu suất thấp của hệ thống điện. Những thiết bị đú là:
Cỏc động cơ cảm ứng: PF = 0,55 - 0,90 MBA khụ, cụng suất nhỏ: PF = 0,3 - 0,95 Thiết bị gia nhiệt bằng cảm ứng: PF = 0,6 - 0,9
22 kV
TẢI 1 = 800 kVA
TẢI 2 = 200 kVA TẢI 2 TẢI 1
Cỏc nam chõm điện năng hàng húa: PF = 0,2 – 0,5 Cỏc mỏy hàn hồ quang điện: PF = 0,5 – 0,7 Cỏc cuộn dõy solenoid: PF = 0,2 - 0,5
Cỏc động cơ cảm ứng là nguyờn nhõn chớnh gõy ra hệ số cụng suất thấp vỡ số lượng thiết bị này nhiều và thường chạy non tải.
Vớ dụ 10.3: Cải thiện hệ số cụng suất – giảm tổn thất MBA (hỡnh 10.3).
Cụng suất định mức MBA = 1250 kVA
Tổn thất cú tải ở dũng điện định mức = 16,4 kW
Tổn thất khụng tải ở điện ỏp định mức (cao ỏp) = 2,1 kW Phụ tải = 500kW
Khi hệ số cụng suất tăng từ 0,5 đến 0,85, dũng điện qua phụ tải giảm đi và giỳp tổn thất cú tải của MBA:
Giảm tổn thất cú tải = 16,4 ì (LF12 – LF22)
= 16,4 x [(500/0,5)2 – (500/0,85)2]/12502 = 6,86 kW
Do khụng cú sự thay đổi với cỏc tổn thất khỏc nờn việc cải thiện hệ số cụng suất giỳp giảm tổn thất MBA đi 6,86kW.
a) Khụng sử dụng tụ bự b) Sử dụng tụ bự Hỡnh 10.3. Lắp đặt tụ bự vào hệ thống điện 11kW 433kW 433kW 11kW Phụ tải Phụ tải
Dung lượng tụ bự:
Giả sử cụng suất trong một mạch điện như hỡnh 10.4. Cỏc thành phần cụng suất được thể hiện như sau:
- Cụng suất thực = kW - Cụng suất biểu kiến = kVA1 - Cụng suất phản khỏng = kVAR1 - Hệ số cụng suất (PF1) = cosϕ1 kVAR1 kVAR2 kVAR kVAR2 kVAR1 f1 f2 Hệ số cụng suất PF1 = 0,5 Hệ số cụng suất PF2
Hỡnh 10.4. Lắp đặt tụ bự để cải thiện hệ số cụng suất
10.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Cỏc động cơ điện là hộ tiờu thụ điện lớn nhất và cần được đặc biệt chỳ ý khi lựa chọn, vận hành bảo trỡ. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến họat động của động cơ như sau:
- Chế độ và phụ tải
- Điện ỏp nguồn, số pha, tần số, bộ điều chỉnh
- Lắp rỏp cơ khớ: động cơ và khớp nối truyền động, cỏc ổ trục và bụi trơn
- Tốc độ và cụng suất yờu cầu,
- Phương phỏp khởi động và điều khiển tốc độ - Tần suất khởi động
Hỡnh 10.5. Hệ thống mạng điện ba pha
Cỏc cơ hội tiết kiệm năng lượng đối với động cơ điện
-Duy trỡ kế hoạch bảo trỡ, bảo dưỡng
-Hạn chế hoặc trỏnh vận hành ở phụ tải thấp, khụng tải
-Sử dụng động cơ điện cú cụng suất phự hợp
-Lắp tụ điện điều chỉnh hệ số cụng suất
-Sử dụng loại động cơ hiệu quả năng lượng
-Sử dụng bộ điều khiển thay đổi tốc độ (biến tần).
10.3. BIẾN TẦN VÀ CÁC ỨNG DỤNG BIẾN TẦN
Bộ biến tần là thiết bị dựng để biến đổi điện ỏp hoặc dũng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện ỏp hoặc dũng điện cú tần số khỏc ở đầu ra.
Nguyờn lý làm việc chung của bộ biến tần như sau: Nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện một chiều bởi bộ chỉnh lưu. Nhờ vậy, hệ số cụng suất cos ϕcủa biến tần
Dây đất Cột sắt Dòng điện rò DC CB 380 380 380 Bộ chống sét P1 P2 P3 N Bộ A Bộ B Bộ C NHSX 15 kv/220-380V-3PH MBA 3 pha Cầu chì rời CB
khụng phụ thuộc vào tải và cú giỏ trị ớt nhất khoảng 0,96. Điện ỏp một chiều này lại được biến đổi thành điện ỏp xoay chiều ba pha đối xứng thụng qua hệ IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) bằng phương phỏp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse-Width Modulation). Bộ biến tần làm việc theo nguyờn tắc thay đổi tần số (cựng với thay đổi điện ỏp) nờn luụn đảm bảo mụmen khởi động đủ vượt tải ngay cả khi ở tốc độ rất thấp. Đồng thời dũng điện đưa vào động cơ khụng tăng, do phối hợp giữa điện ỏp và tần số để giữ cho từ thụng đủ sinh mụmen. Dũng khởi động lớn nhất của hệ truyền động biến tần chỉ bằng dũng định mức. Chớnh vỡ vậy, nú khụng làm sụt ỏp lưới khi khởi động, đảm bảo cỏc ứng dụng khỏc khụng bị ảnh hưởng.
Bản chất tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần như sau:
- Đặc tớnh khởi động của biến tần cho phộp khống chế dũng khởi động khụng vượt quỏ dũng định mức của động cơ, do đú tiết kiệm điện năng khi khởi động.
- Biến tần làm tăng hệ số cos ϕ (thường khoảng 0,96), tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới.
- Biến tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phự hợp với yờu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng
Bộ biến tần thường dựng để điều vận tốc dũng xoay chiều theo phương phỏp điều chỉnh tần số. Theo đú tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiờn. Ngoài việc thay đổi tần số cũn cú sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn điện lưới một pha, với sự giỳp đỡ của bộ biến tần, ta cú thể mắc vào tải động cơ ba pha
Bộ biến tần được sử dụng rộng rói trong động cơ và thiết bị điện khỏc, như thể hiện ở hỡnh 10.6.
10.4. HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
Chiếu sỏng là một ứng dụng được sử dụng rộng rói và quan trọng nhất trong nhiều ngành cụng nghiệp. Hệ thống chiếu sỏng thường chiếm khoảng 2%-10% tổng điện năng tiờu thụ trong nhà mỏy. Mỗi tũa nhà, mỗi khu vực trong nhà mỏy đều cú những đặc tớnh riờng và cần được khảo sỏt kỹ nhằm đảm bảo chất lượng và số lượng chiếu sỏng tối ưu. Mục tiờu của hệ thống quản lý chiếu sỏng là nhằm tăng cường chất lượng chiếu sỏng mà vẫn giảm thiểu được mức tiờu thụ điện năng.
10.4.1. Cỏc loại nguồn sỏng a) Cỏc loại đốn nung sỏng
- Đốn thụng thường: cụng suất P =15-2000W; tuổi thọ: 1000 giờ - Đốn màu
- Đốn hồng ngoại dựng để sấy cỏc verni, giấy hoặc chữa bệnh. - Đốn cú ỏnh sỏng bạc: phớa đầu đốn cú trỏng lớp mạ nhuộm màu trắng bạc làm phản xạ ỏnh sỏng ra phớa đuụi đốn, tạo nờn chựm ỏnh sỏng rộng, đồng nhất.
- Đốn halogen: trong đốn ngoài khớ trơ cũn cú khớ thuộc nhúm halogen.
b) Cỏc loại đốn phúng điện
- Đốn huỳnh quang: Đốn huỳnh quang là những đốn phúng điện trong hơi thủy ngõn ỏp suất thấp. Nhờ cú lớp bột huỳnh quang ở trong thành búng đốn mà biến đổi những tia cực tớm thành cỏc tia ỏnh sỏng nhỡn thấy.
- Đốn huỳnh quang thu gọn: Đốn compact cú đường kớnh ống huỳnh quang (hỡnh 10.7) nhỏ hơn và đươc xếp gọn lại bằng nhiều cỏch để giảm kớch thước tổng thể, nú được thiết kế, chế tạo thành nhiều hỡnh dỏng khỏc nhau để phự hợp với cỏc đuụi đốn dõy túc thụng thường, loại đốn này được xem là loại thay thế tốt nhất cho đốn dõy túc, nhưng cú cụng suất thấp hơn. Hiệu quả chiếu sỏng của đốn compact nằm trong khoảng 55 - 65 Lumen/Walt. Đốn compact: cú chi phớ đầu tư khỏ cao, nhưng lại cú tuổi thọ cao, khoảng 8000 giờ, lõu hơn 8 lần đến 10 lần đốn dõy túc thụng thường. Trong suốt thời gian vận hành, đốn compact cú thể tiết kiệm khoảng 30% tổng chi phớ đầu tư và chi phớ vận hành so với đốn dõy túc cú cựng quang thụng.
- Đốn thuỷ ngõn cao ỏp: Trong búng đốn ngoài khớ trơ cũn cú hơi thuỷ ngõn. Khi làm việc ỏp suất của thuỷ ngõn từ 2 – 5at.
10.4.2. Cỏc cơ hội tiết kiệm năng lượng
- Sử dụng cỏc búng đốn cú hiệu suất cao.
- Sử dụng ballast hiệu suất cao: Ngoại trừ đốn dõy túc, gần như tất cả cỏc hệ thống chiếu sỏng (huỳnh quang, phúng điện cường độ cao) đều đũi hỏi cú ballast. Bộ ballast điều khiển dũng điện và điện ỏp cấp cho đốn. Cú hai loại ballast: điện từ và điện tử. Cỏc ballast điện từ truyền thống tiờu thụ cộng suất từ 9W -12W. Do đú, đốn ống huỳnh quang 36W phải cần cụng suất từ 45W - 48W nếu tớnh cả cụng suất tiờu thụ bởi