Chương 3. Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng của Công ty Cổ phần than Cọc Sáu - TKV
3.3. Các biện pháp nhằm nâng cao và ổn định hệ số công suất
Nâng cao hệ số công suất là một biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P để biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong máy dùng điện và công suất phản kháng Q để từ hoá lõi thép trong máy điện xoay chiều, không sinh ra công.
Hệ số công suất :
2 2
cos
Q P
P S
P
Khi lượng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng mà lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống, góc giảm, kết quả cos tăng lên.
Hệ số cos tăng lên sẽ có những hiệu quả sau:
1. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện
U R Q P P 2
2 2
2. Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện
U QX U PR
3. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp
U Q I P
3
2 2
Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất còn dẫn đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát v.v..
Với các mỏ lộ thiên thì các động cơ điện đa phần là các động cơ không đồng bộ và các máy biến áp. Khi công suất thực tế của thiết bị nhỏ hơn công suất định mức thì động cơ làm việc trong tình trạng non tải trong khi lượng tiêu thụ công suất phản kháng hầu như không thay đổi. Hậu quả là hệ số công suất cos của mỏ thấp sẽ làm xấu các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế của mạng.
Với các mỏ lộ thiên, suất tổn hao công suất khi truyền tải công suất tác dụng cao (giá trị trung bình đối với toàn khu mỏ ktha=60 W/kW và 40,8 W/kVA).
Việc nâng cao hệ số công suất cos ở các mỏ lộ thiên chủ yếu là nhằm mục tiêu kinh tế. Hiện tại, mỏ Cọc Sáu sử dụng phương pháp bù tập trung bằng tụ điện đấu vào thanh cái 6 kV của trạm biến áp chính. Thực chất của phương pháp này là giảm truyền tải công suất phản kháng trong mạng cung cấp (từ nguồn phát điện đến thanh cái 6 kV) và do đó xí nghiệp không bị phạt do hệ số công suất cos thấp, nhưng không giảm được tổn thất điện năng trong mạng phân phối 6 kV trong nội bộ xí nghiệp.
3.3.2. Các giải pháp nâng cao hệ số cos không sử dụng thiết bị bù
Với các giải pháp này sẽ giảm được chi phí vốn đầu tư mua trang thiết bị bù, có thể được thực hiện như sau:
1. Lựa chọn đúng công suất động cơ và máy biến áp
Công suất các thiết bị cần được chọn phù hợp với chế độ công tác, sao cho chúng làm việc với hiệu suất và hệ số công suất cao nhất với tải 75-100%
công suất danh định.
Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng công suất phản kháng bằng :
Q = Q0 + (Qđm – Q0)k2pt trong đó :
Q0–công suất phản kháng lúc động cơ làm việc không tải, kVAr ; Qđm–công suất phản kháng lúc động cơ làm việc định mức, kVAr ; kpt – hệ số phụ tải.
Công suất phản kháng không tải thường chiếm 60-70% công suất phản kháng định mức Qđm.
Hệ số công suất :
2 2 0 0
. ) 1 (
cos 1
pt dm
pt dm
k P
k Q Q S Q
P
Nếu một động cơ mang tải định mức có kpt=1 thì cos =0,8; khi kpt=0,5 thì cos =0,65 và khi kpt=0,3 thì cos =0,51. Do vậy việc thay thế động cơ làm việc non tải bằng một động cơ có công suất nhỏ hơn (lựa chọn đúng công suất của động cơ) sẽ tăng được hệ số phụ tải và nâng cao được cos .
Công suất các thiết bị cần được chọn phù hợp với chế độ công tác sao cho chúng làm việc với hiệu suất và công suất cao nhất, với tải bằng 75 100% công suất danh định.
Các tính toán cho thấy :
+ Nếu kpt < 0,45 việc thay thế là có lợi ;
+ Nếu 0,45 ≤ kpt < 0,7 phải so sánh kinh tế và kỹ thuật ; + Nếu kpt ≥ 0,7 việc thay thế không có lợi.
2. Giảm điện áp pha cho động cơ khi cần thiết
Vì công suất phản kháng mà động cơ KĐB tiêu thụ tỷ lệ thuận với bình phương điện áp :
V U f k
Q .
. 2
trong đó: k – hằng số;
f – tần số mạch điện;
V – thể tích mạch từ;
- hệ số từ thẩm của mạch từ.
Để giảm điện áp đặt lên động cơ KĐB có thể áp dụng nhiều các biện pháp: Đổi nối sang Y, thay đổi phân nhóm dây quấn stator, thay đổi đầu phân áp máy biến áp, qua bộ biến đổi bán dẫn v.v.. tuỳ vào từng trường hợp cụ thể mà chọn giải pháp tối ưu nhất.
3. Hạn chế động cơ chạy không tải
Nhiều thống kê cho thấy đối với các máy công cụ, thời gian chạy không tải (chuyển từ động tác gia công này sang động tác gia công khác, khi chạy lùi dao, rà máy..) chiếm khoảng 35-65% toàn bộ thời gian làm việc. Để hạn chế động cơ chạy không tải được thực hiện theo hai hướng :
- Vận động công nhân hợp lý hoá các thao tác, hạn chế mức thấp nhất thời gian chạy không tải ;
- Đặt bộ hạn chế thời gian chạy không tải trong sơ đồ khống chế động cơ.
4. Tổ chức hợp lý trình tự công tác của thiết bị trong xí nghiệp nhằm giảm công suất phản kháng cực đại.
5. Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ.
6. Ở điều kiện cho phép dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ.
3.3.3. Các giải pháp nâng cao hệ số công suất cos sử dụng thiết bị bù Các thiết bị bù có thể là tụ, máy bù đồng bộ (động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải) hoặc động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hoá.
Trong ngành mỏ người ta thường chỉ dùng tụ bù bố trí bù ngang, công suất tụ bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ 1 lên 2 được xác định theo công thức:
Qbu = P(tg 1-tg 2) (kVAr) trong đó:
P – phụ tải tính toán, kW;
1 – ứng với hệ số công suất trung bình cos 1;
2 – ứng với hệ số công suất trung bình cos 2. Tụ điện có thể được đặt ở mạng cao áp hoặc mạng điện áp thấp:
Tụ điện điện áp cao (6-15 kV) thường được đặt tập trung ở thanh cái 6 kV của trạm biến áp chính.
Tụ điện điện áp thấp (0,4 kV) được đặt theo ba cách: đặt tập trung ở thanh cái phía điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng, đặt thành nhóm ở tủ phân phối động lực, và đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện.
Đứng về mặt giảm tổn thất điện năng mà xét thì việc đặt phân tán các tụ bù ở từng thiết bị điện là có lợi hơn cả. Song cách đặt này có hiệu suất không cao do phụ tải di chuyển liên tục, nên phương án này chỉ được dùng để bù cho những động cơ không đồng bộ có công suất lớn.
Công ty CP than Cọc Sáu sử dụng phương pháp bù tập trung bằng tụ điện đấu vào thanh cái 6 kV của trạm biến áp chính. Thực chất là giảm truyền tải công suất phản kháng trong mạng cung cấp (từ nguồn phát điện đến thanh cái 6 kV) và do đó xí nghiệp không bị phạt do hệ số công suất cos thấp, mà không giảm được tổn thất điện năng trong mạng phân phối 6 kV.
Để giảm tổn thất điện năng trong mạng phân phối, cần thiết phải bố trí thiết bị bù đặt ở gần phụ tải theo phương pháp bù phân tán. Vì mục tiêu của việc bù công suất phản kháng là bù kinh tế nên cần xem xét hiệu quả kinh tế của các phương án bù tập trung hay phân tán qua ví dụ sau:
Ví dụ bố trí thiết bị bù phân tán trên khởi hành 3 của mỏ Cọc Sáu có sơ đồ cung cấp điện như trên hình 3.1.
MK 560kVA MX 250kVA
BA 320kVA BA 40kVA
Trạm 1683kVA
1216kW 887kVAr
A
0,42km 0,58km
0,37km 0,32km
0,69km
B 1115kVAr1414kW 907kVAr1235kW
1510kVAr
1755kW 1518kW
1236kVAr
L9=0,193 L7=0,267
L5=0,173 L3=0,147
L1=0,317
Hình 3.1. Sơ đồ thay thế khởi hành số 3 mỏ Cọc Sáu
Tổn thất công suất tác dụng do truyền tải công suất phản kháng trên các đoạn mạng được xác định như sau:
2. .10 3 22,5
2
U R
P Q (kW)
1 , 20 10
. . 1 3
2 2 1
1 R
U
P Q (kW)
Tổng tổn thất:
P = P1 + P2 = 42,6 (kW) Tổng tổn thất điện năng hàng năm:
Wa = P. = 42,6 x 3411 = 145308,6 (kW.h/năm)
Công suất phản kháng trên các đoạn mạng sau khi đặt thiết bị bù để đạt cos qc = 0,9 được xác định:
423 477
, 0 . 887
9.
'
9 P tg qc
Q (kVAr)
720 477
, 0 . 1510
1.
'
1 Ptg qc
Q (kVAr)
Công suất phản kháng của thiết bị bù cần để đấu vào các điểm A và B bằng:
326 464 720
9 1510
' 1 1
1 b
b Q Q Q
Q (kVAr)
464 423
' 887
9 9
9 Q Q
Qb (kVAr)
Tổn thất công suất trên các đoạn mạng sau khi đặt thiết bị bù:
3 , 10 10
) .
( 3
2 2 ' 9
U R Q
P Q b (kW)
2 , 11 10
) .
( 3
2 1 2 1 ' 1
1 R
U Q
P Q b (kW)
5 , 21 2 , 11 3 ,
' 10
' 1
' P P
P (kW)
73336 3411
. 5 , 21
'.
' P
Wa (kWh/năm)
Lượng điện năng tiết kiệm được hàng năm do đặt thiết bị bù:
6 , 71972 73336
6 , 145308
' a
a W
W
W (kWh/năm)
Lấy đơn giá điện năng Co = 2.103 đồng/kW.h thì hàng năm không phải trả khoản tiền cho tổn thất điện năng:
A = W.C0 =71,972.2.106 =143.106 (đồng/năm)
Để đạt được hệ số công suất chung của mỏ cos = 0,9, hiện tại mỏ bố trí các bộ tụ đặt tập trung đấu vào thanh cái 6 kV của trạm biến áp chính 35/6 kV. Theo giải pháp bố trí phân tán thì chỉ cần lấy một số bộ tụ đấu vào các
điểm phân tán, do đó để so sánh hiệu quả kinh tế sẽ không tính đến chi phí đầu tư để mua tụ và bỏ qua tổn thất công suất tác dụng trong bản thân các bộ tụ. Như vậy chi phí đầu tư chỉ bao gồm chi phí mua thiết bị đóng cắt và chi phí lắp đặt.
Chi phí đầu tư bao gồm tiền mua 2 tủ cao áp ЯКНО-6 có đơn giá 60.106 đồng/cái, do đó:
K1 = 2 x 60.106 = 120.106 (đồng) Chi phí lắp đặt lấy bằng 20% chi phí đầu tư:
6 6
2 .120.10 24.10
100
K 20 (đồng)
Tổng chi phí đầu tư:
K = K1+ K2 = 144.106 (đồng) Thời gian thu hồi vốn:
10 1 . 143
10 . 144
6 6
A
T K (năm)
Như vậy việc bố trí phân tán các thiết bị bù chẳng những giảm được tổn thất điện năng truyền tải, mà còn mang lại hiệu quả kinh tế lớn cho xí nghiệp.
Khi thực hiện bù phân tán thì công suất phản kháng của thiết bị bù.
n bpti
bpt Q
Q
1
(kVAr)
Như vậy công suất phản kháng của thiết bị bù tập trung đấu vào thanh cái 6 kV của trạm biến áp chính bằng:
Qbtt = Qb – Qbpt (kVAr)
Việc bố trí phân tán các thiết bị bù cần khảo sát và tính toán cụ thể cho từng mạng điện 6 kV của mỏ, và từ sự phân tích trên có thể đưa ra một số các đề xuất cụ thể sau:
1. Tính toán lại công suất bù hợp lý ở các trạm mạng xí nghiệp 35/6 kV, phù hợp với sản xuất thực tế của mỏ.
2. Tổ chức bù nhóm, bù cục bộ trên lưới hạ thế, cụ thể lắp đặt các tụ bù cho lưới hạ thế trên các lộ có công suất tiêu thụ lớn.
3. Hiệu quả sử dụng điện năng bao hàm việc giảm điện năng tiêu thụ và đảm bảo ổn định chất lượng điện áp, chỉ đạt được khi công suất bù của tụ vừa đủ với yêu cầu của phụ tải, tránh hậu quả của hiện tượng bù thiếu hay bù thừa, do vậy cần thiết phải có thiết bị điều chỉnh thường xuyên công suất bù theo phụ tải.
Việc thực hiện điều chỉnh dung lượng bù có thể được thực hiện bằng các giải pháp sau:
1. Tự động đóng cắt theo thời gian đặt
Trong mạng lưới cung cấp điện xí nghiệp mỏ với các tuyến có phụ tải tương đối ổn định, ít có nhu cầu điều chỉnh công suất bù thì có thể đóng cắt tụ bằng các bộ rơle thời gian thường cắt bớt tụ vào những giờ giao ca (nhất là ca 2 sang ca 3) và thêm tụ vào các giờ từ đầu ca 1 đến cuối ca 2, được áp dụng cho tụ cao áp 6 kV. Sau đây giới thiệu rơle thời gian do viện công nghệ mỏ nghiên cứu và chế tạo thành công.
C 1,5V
1,5V
U1a
U2a
U3a
U1b
U2b
U3b
T1
T2
T4
T3
220V C
C
7812 P®
Pn
§H
§H
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của rơle thời gian 2. Tự động điều chỉnh theo dòng phụ tải
Khi dòng phụ tải tăng cũng là lúc nhu cầu công suất phản kháng tăng theo. Khi đó coi điện áp lưới đầu nguồn là ổn định do đó cũng có thể bù nhu cầu công suất phản kháng theo cường độ dòng phụ tải.
3. Tự động đóng cắt dàn tụ theo điện áp
Đây là phương pháp được ứng dụng khá phổ biến ở nhiều nước trong những năm 90 của thế kỷ trước với các nấc đóng thêm, cắt bớt tụ tuỳ theo điện áp trên lưới nhờ các rơ le điện áp.
Tụ bù
Start
3x380V Dõng
K1 Pn
Hình 3.3 Sơ đồ đấu tiếp điểm của rơle và tiếp điểm duy trì của khởi động từ 4. Tự động điều chỉnh theo hàm cos
Tự động điều chỉnh cos bằng cách đo hoặc tính toán trực tiếp góc pha giữa véctơ điện áp và dòng luôn là phương pháp chính xác nhất, với giải pháp đơn giản là dùng các điốt phát hồng ngoại để xác định vị trí của kim đồng hồ máy đo cos . Đặc biệt hiện nay trên thị trường Việt Nam và thế giới còn xuất hiện máy tự động điều khiển bằng mạch vi xử lý đo cos với vi mạch tổ hợp
lớn để tính toán góc pha, hiển thị thông tin của nhiều loại thông số sử dụng linh hoạt của nhiều hãng: Siemens, Shizuki, Iternational Capacitor.v.v..
Sau đây giới thiệu máy tự động điều chỉnh theo hàm cos Iternational Capacitor (Tây Ba Nha) thiết kế và chế tạo:
Hình 3.4 Sơ đồ tủ bù tự động 60 kVAr
MCX-8: máy tự động điều khiển; At: áptômát tổng; An: áptômát nhánh;
KĐT 1, KĐT 2 khởi động từ cắt tụ; Rf: các điện trở phóng; C1, C2: các tụ điện; BD: biến dòng 600/5 A.
5. Bù công suất phản kháng bằng bộ biến đổi thyristor
Nhược điểm chung của tất cả các bộ bù bằng tụ, cũng như máy điện đồng bộ là: không thể điều chỉnh công suất bù một cách liên tục, vô cấp, tốc độ phản ứng chậm. Dựa trên đặc điểm tiêu thụ dòng của các bộ biến đổi dùng van bán dẫn, người ta có thể dùng các bộ biến đổi loại này làm các bộ nguồn công suất phản kháng thông qua việc điều chỉnh góc mở các van thyristor.
6. Bộ chuyển mạch dàn tụ dùng thyristor
Đối với các phụ tải có tính chất diễn biến phức tạp như máy xúc, máy hàn…, muốn bù cos thông thường dùng khởi động từ đóng cắt nhiều lần, với các dòng xung kích lớn khiến các tiếp điểm khởi động từ nhanh hỏng, do vậy giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điện áp là bù cục bộ cùng bộ chuyển mạch dùng thyristor với các ưu điểm: Tác động nhanh, không tạo xung kích dòng và áp, độ tin cậy cao. Với điều kiện mỏ Việt Nam theo tài liệu của Viện khoa học công nghệ mỏ thì một trong những sơ đồ phù hợp được thực hiện trên hình 3.5 và mạch điều khiển trên hình 3.6.
Bé ®iÒu KhiÓn U®b
U®k
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đóng cắt bằng tiristo
+15V
U®b
U®b -15V
J C K
+15V
R2
R3
R4
R6
R5
R0
R1
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
C1
C2
§1
§2
T1 T2
US3.1 US3.2
US4
US3.3 US5.2 US5.1 US1
US2