Tài liệu Tính toán phụ tải và cân bằng công suất

Tính toán phụ tải và cân băng công suất Lời nói đầu Như chóng ta đã biết con người từ xa xưa đã luôn luôn tìm kiếm và không ngừng phát triển sử dụng năng lượng không những trong đời sống sinh hoạt dân dụng mà còn trong khoa học kỹ thuật, ngày nay ngành năng lượng đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trìng công nghiệp hoá hiện đại hoá đát nước. Chính vì vậy nó được ưu tiên hàng đầu và phát triển trước một bước so với các nghành khác, nhất là nghành hệ thống điện. Nhà máy điện và trạm biến áp là các khâu không thể thiếu được trong hệ thống điện. Cùng với sự phát triện của hệ thống năng lượng quốc gia, ở nước ta ngày càng xuất hiện thêm nhiều nhà máy điện và trạm biến áp có công suất lớn. Việt Nan là một nước nghèo, do vậy việc giải quyết đúng đắn về vấn đề kinh tế kỹ thuật trong thiết kế, xây dựng và vận hành chúng sẽ mang lại lợi Ých không nhỏ đối với nền kinh tế quốc dân nói chùng và đối với hệ thống điện nói riêng. Để giải quyết được các vấn đề nêu trên cần phải có những hiểu biết toàn điện, sâu sắc không những về nhà máy điện, trạm biến áp mà còn cả hệ thống năng lượng. Trong thời gian thực hiện thiết kế, với lượng kiến thức đã học kết hợp với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là sự chỉ dẫn trực tiềp, nhiệt tình của thay PGS.TS.Nguyễn Hữu Khái, cùng với sự góp ý của các bạn trong lớp nên bản thiết kế đã có những thành công nhất định. Tuy nhiên do thời gian không nhiều và lượng kiến thức còn hạnh chế. Do đó bản thuyết minh sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong sự góp ý của các thầy cô cùng bạn đọc, để bản thuyết minh của em hoàn thiện hơn. 1 Em xin chân thành cảm ơn. Chương 1 Tính toán phụ tảI và cân băng công suất Khi thiết kế nhà máy điện, để đảm bảo chất lượng điện tại mỗi thời điểm, điện năng do nhà máy điện phát ra, phải hoàn toàn cân bằng với lượng điện năng tiêu thụ ở các hộ dùng điện kể cả tổn thất điện năng vì điện năng Ýt có khả năng dự trữ. Nh vậy điều kiện cân bằng công suất trong hệ thống điện là rất quan trọng. Trong thực tế lượng điện năng tiêu thụ tại các hộ dùng điện luôn luôn thay đổi. Việc nắm bắt được quy luật biến đổi này tức là tìm được đồ thị phụ tải là việc làm rất quan trọng đối với việc thiết kế và vận hành. Nhờ vào đồ thị phụ tải có thể lựa chọn được phương án nối điện hợp lý, đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đảm bảo chất lượng điện năng … Đồ thị phụ tải còn cho phép chọn đúng công suất các máy biến áp và phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy điện với nhau và giữa các toỏ máy phát điện trong cùng một nhà máy điện. Căn cứ vào đồ thị phụ tải người vận hành sẽ chủ động lập ra kế hoạch sửa chữa, đại tu định kỳ các thiết bị điện. 1.1. Chọn máy phát điện 2 Trong nhà máy điện thì máy phát điện là thành phần chủ yếu và quan trọng nhất, nó có nhiệm vụ phát công suất cung cấp cho phụ tải địa phương 10,5KV, trung áp 110KV và phát công suất vào hệ thống có điện áp 220KV. Theo nhiệm vụ mà đầu bài đề ra là thiết kế nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có công suất 200 MW với 4 tổ máy có: Uđm=10,5 KV, Cosϕ = 0.85, Pđm = 50 MW. Tra bảng máy phát điện đồng bộ tuabin hơi (trang 95 sách hướng dẫn thiết kế nhà máy điện) ta có các số liệu trong bảng 1-1 sau: Bảng 1-1 Loại S P U máy phát MVA MW KV TB-50-2 62.5 50 10.5 Cosϕ x”d x’d xd 0.85 0.135 0.3 1.84 1.2. Tính toán đồ thị phụ tải nhà máy 4× 50 MW HT H×nh 1 -1 Theo nhiệm vụ thiết kế nhà máy nhiệt điện có tổng công suất tác dụng là 250 MW gồm có 5 máy phát điện TB - 50 - 2 mỗi máy phát có công suất 50 MW. Từ đó tính được: 3 S NMdm = Pnmdm 200 = =250 MVA. cos ϕ 0. 8 Nhà máy cung cấp cho phụ tải ở biến áp cấp điện áp (10,5 KV, 110 KV, 220 KV). Nhà máy được nối với hệ thống điện ở cấp điện áp 220 KV. Trong nhiệm vụ thiết kế đã cho đồ thị phụ tải nhà máy và phụ tải ở các cấp điện áp dưới dạng bảng theo phần trăm công suất tác dụng (P max) và hệ số công suất (Cosϕ) của phụ tải từng cấp. Từ đó ta tính được phụ tải của nhà máy tại các thời điểm khác nhau được xác định nh sau: S NM (t ) = PNM % .S NMdm .( PF % = PNM %). 100 SNM(t) - Công suất biểu kiến của nhà máy tại thời điểm t và tính bằng MVA. PNM% - Công suất tác dụng của phụ tải tại thời điểm t và tính bằng %. SNMdm - Công suất cực đại của nhà máy tính bằng MVA. Căn cứ vào biểu thức trên tính đựơc kết quả cho trong bảng 1-2:Bảng 1-2 t(h) 0÷6 6 : 10 10 ÷ 24 PF% 65 100 65 SNM(MVA) 191,1 294 191,1 294 4 191,1 0 6 10 24 căn cứ vào kết quả tính toán trên có thể dựng đồ thị phụ tải nhà máy nh hình 1-2:0 1.3. Tính toán đồ thị phụ tải tự dùng Đối với nhà máy nhiệt điện phụ tải tự dùng tính theo biểu thức sau:  S (t )  . S td = S td max  0.4 + 0.6 NM S NMdm   Hay: S td max = α PNMdm .. 100 cos ϕ td Nhiệm vụ thiết kế đã cho: α = 7 % là số % lượng điện tự dùng với cosϕ = 0.85. α% P NMdm Ở đây S td max = 100 cos ϕ .. td Kết quả tính toán cho trong bảng 1-3: Bảng 1-3 T(h) 0÷6 6÷ 10 10 ÷ 24 SNM(MVA) 191,1 294 191,1 5 Stdmax(MVA) 15,7 24,2 15,7 Căn cứ vào kết quả tính toán nh trên vẽ được đồ thị phụ tải tự dùng nh hình 1-3. 20 S(MVA) 18 16 14 10 t(h) 0 8 12 14 20 24 H×nh 1 - 3 1.4. Tính toán đồ thị phụ tải địa phương Phụ tải địa phương được xác định theo biểu thức sau: S dp = Pdp % Pdp max 100 cos ϕ dp . Nhiệm vụ thiết kế đã cho Pđpmax=9 MW. cosϕ = 0.85 và Pđp% cho dưới dạng bảng. Theo biểu thức trên tính được kết quả nh bảng 1- 4: 6 Bảng 1- 4 t(h) 0÷6 6 ÷ 10 10 ÷ 14 14 ÷ 18 18 ÷ 24 P% 50 70 100 80 60 Sđf(MVA) 5,29 7,41 10,59 8,47 6,35 Căn cứ vào kết quả tính toán nh trên vẽ được đồ thị phụ tải địa phương nh hình 1- 4. 10,59 S(MVA) 8,74 7,41 6,35 5,29 t(h) 6 0 10 14 16 24 H×nh 1 - 4 1.5. Tính toán đồ thị phụ tải trung áp Cũng tương tự nh đồ thị phụ tải địa phương: ST = PT % PT max . 100 cos ϕ dp Nhiệm vụ thiết kế đã cho PTmax=140 MW. cosϕ = 0.85 và PT% cho dưới dạng bảng. 7 Theo biểu thức trên tính được kết quả nh bảng 1- 5: Bảng 1- 5 t(h) 0 ÷ 10 10 ÷ 18 18 ÷ 24 P% 70 100 70 ST(MVA) 115,294 164,706 115,294 Căn cứ vào kết quả tính toán nh trên vẽ được đồ thị phụ tải trung áp nh hình 1- 5. 164,706 115,294 10 18 24 1.6. Tính toán đồ thị phụ tải cao áp Chính là phụ tải phát cho hệ thống, được xác định theo biểu thức: SC = Shệ thống= Snhà máy(t) – (Stự dùng + Sđp + ST). Ở đây Snhà máy(t), Stự dùng,Sđp và ST lấy theo các bảng từ 1- 2 đến 1- 5 Kết quả tính toán cho trong bảng 1- 6: 8 Bảng 1- 6 t(h) MVA SNM 0 ÷ 6 6 ÷ 10 10 ÷ 18 18÷ 24 191,1 294 191,1 191,1 Std 15,7 24,2 15,7 15,7 ST 115,294 115,294 164,706 115,294 SC 60,106 154,51 10,69 60,106 Căn cứ vào kết quả tính toán trên vẽ được đồ thị phụ tải nh hình 1-6: S (MVA) 250 225 §å thÞ phô t¶i cao ¸p 200 175 §å thÞ phô t¶i trung ¸p §å thÞ phô t¶i tù dïng cña nhµ m¸y 125 §å thÞ phô t¶i ®Þa ph­¬ng t (h) H×nh 1 - 6 1.7. Các nhận xét Qua tính toán trên thấy rằng phụ tải cựcc đại nhà máy phát lên hệ thống là khá lớn nhưng vẫn nhỏ hơn dự trữ của hệ thống: S dtHT = 12% 12% .S HT = .3000 = 360 MVA > S C max = 135 MVA. 100 100 9 Nên khi có sự cố nào đó mà nhà máy tách ra khỏi hệ thống thì hệ thống vẫn làm việc bình thường. CHƯƠNG 2 10 Lựa chọn Các phương án và chọn máy biến áp Mét trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng trong thiết kế nhà máy điện là chọn sơ đồ nối điện chính. Khi chọn được sơ đồ hợp lý không những đảm bảo về mặt kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao. Theo nhiệm vụ thiết kế nhà máy có 4 tổ máy. Công suất định mức mỗi tổ máy là 50 MW và cung cấp điện cho phụ tải ở 3 cấp điện áp sau: Phụ tải địa phương 10,5 KV có: Sđpmax = 10,59 MVA. Sđp min = 5,29 MVA. Phụ tải trung áp 110 KV có: STmax = 164,706 MVA. STmin =1115,294 MVA. Phụ tải địa phương 220 KV có: SCmax =154,51 MVA. SCmin =10,69MVA. Do phụ tải địa phương 10,5 KV được cấp bằng 6 đường dây đơn và 1 đường dây kép và cùng cấp điện áp máy phát nên có thể dùng kháng điện để hạn chế dòng ngắn mạch. Theo nhiệm vụ thiết kế thì có tỷ số: Pdp max PdmF .100 = 9 .100 = 18% < 20 %. 50 Nên nhà máy không có thanh góp điện áp máy phát và các máy phát được nối bộ để thuận tiện cho việc vận hành và sửa chữa, đại tu định kỳ. Ngoài ra nhà máy có 2 cấp điện áp cao 110 KV và 220 KV. Trung tính của 2 cấp điện áp này đều nối đất trực tiếp. Do đó để liên lạc giữa biến 11 H×nh 2.2 H×nh 2.3 H×nh 2.1 áp cấp điện áp 10,5 KV, 110 KV, 220 KV, do hệ thống nối đất trực tiếp nên các máy biến áp liên lạc phải dùng máy biến áp tự ngẫu. 2.1. Các phương án nối điện chính 2.1.1. Phương án 1 2.1.2. Phương án 2 2.1.3. Phương án 3 12 2.1.4. Các nhận xét 2.1.4.1. Phương án 1 Phương án này dùng 2 máy biến áp tự ngẫu T 2, T3 liên lạc giữa áp cao và trung áp, phụ tải địa phương được lấy từ sau các máy biến áp liên lạc của máy phát G2, G3 còn hai máy phát G1, G4 nối bộ máy phát – máy biến áp bộ G1 – T1 bên cao áp và bộ G4 – T4 bên trung áp. Ưu điểm phương án này là phân bố phụ tải và nguồn một cách tương đối cân xứng. Nhược điểm sử dụng nhiều loại máy biến áp điện áp cao nên vốn đầu tư ban đầu có thể lớn. 2.1.4.2. Phương án 2 Phương án này dùng 2 máy biến áp tự ngẫu T 1, T2 liên lạc giữa áp cao và trung áp, phụ tải địa phương được lấy từ sau các máy biến áp liên lạc của máy phát G1, G2, còn G3, G4 nối bộ máy phát – máy biến áp bên trung áp. Ưu điểm phương án này là phân bố phụ tải và nguồn một cách cân xứng hơn vì khi phụ tải trung Smax= 93,75 MVA ≈ 1,5 SFđm = 62,5 MVA nên ta đặt 2 máy phát bên trung áp là hợp lý khi sụ cố một bộ bên trung thì các máy biến áp liên lạc không phải tải một lượng công suất lớn từ phía hạ áp sang trung áp. Sử dụng Ýt loại máy biến áp nên thuận tiện cho việc vận hành. Nhược điểm vốn đầu tư ban đầu lớn vì dùng nhiều máy biến áp . 2.1.4.3. Phương án 3 13 Phương án này dùng 2 máy biến áp tự ngẫu T 3, T4 liên lạc giữa áp cao và trung áp, phụ tải địa phương được lấy sau các máy biến áp liên lạc của hai máy phát G3, G4 còn các máy phát khác nối bộ máy phát – máy biến áp bên cao áp. Ưu điểm phương án này là sử dụng Ýt loại máy biến áp nên thuận tiện cho việc vận hành. Nhược điểm vốn đầu tư ban đầu có lớn vì dùng nhiều máy biến áp có điện áp cao, phân bố phụ tải và nguồn một cách không cân xứng vì khi phụ tải trung Smax= 93,75 MVA mà không có máy phát nào bên trung khi sự cố một máy biến áp liên lạc thì máy biến áp liên lạc còn lại phải tải một lượng công suất lớn từ cao áp và hạ áp sang trung áp. 2.1.5. Kết luận Với những ưu nhược điểm của từng phương án đã nêu trên, nhận thấy rằng hai phương án 1 và 2 phát huy được những ưu điểm và hạn chế được nhượng điểm của phương án 3. Nên giữ lại phương án 1, 2 để so sánh về mặt kinh tế. 2.2. Chọn máy biến áp, phân phối công suất cho máy biến áp 2.2.1. Phương án 1 ( Hình 2.1) 2.2.1.1. Chọn máy biến áp Máy biến áp T1 được chọn theo điều kiện sơ đồ bộ: SđmT1 ≥ SGđm = 62,5 MVA. Từ điều kiện đó chọn máy biến áp tăng áp 3 pha 2 dây quấn có STđm=63MVA là loại TPДЦH – 63 – 242 – 10,5 có các thông số kỹ thuật trong bảng 2-1. 14 Bảng 2-1 LoạI TPДЦH-242-10,5 Sđm ∆P0 ∆PN (MVA) (KW) (KW) 63 67 300 UN% I0% 12 0,8 Giá 103 (USD) 800 Hai máy biến áp tự ngẫu được chọn giống nhau và theo điều kiện: S dmT 2 = S dmT 3 ≥ 1 α .S dmF α - hệ số có lợi của máy biến áp tự ngẫu. α= U C − U T 220 − 110 = = 0,5 UC 220 S dmT 2 = S dmT 3 ≥ 1 .62,5 = 125 MVA. 0,5 Chọn loại ATДЦTH – 125 – 242 – 121 – 10,5 có các thông số kỹ thuật trong bảng 2-2 Bảng 2-2 Loại ATДЦTH Sđm ∆P0 UN% ∆PN (MVA) (KW) (KW) 125 75 290 C-T 11 C-H 31 T-H 19 I0% 0,6 Giá 103 (USD) 1.700 Máy biến áp T4 được chọn theo điều kiện sơ đồ bộ: SđmT1 ≥ SGđm = 62,5 MVA. 15 Từ điều kiện đó chọn máy biến áp tăng áp 3 pha 2 dây quấn có STđm=63MVA là loại TДЦH – 63 – 121 – 10,5 có các thông số kỹ thuật trong bảng 2-3. Bảng 2-3 LoạI TДЦH-121-10,5 Sđm ∆P0 ∆PN (MVA) (KW) (KW) 63 59 245 UN% I0% 10,5 0,6 Giá 103 (USD) 700 2.2.1.2. Phân bố công suất cho các cuộn dây của máy biến áp Các bộ máy phát - máy biến áp 2 cuộn dây G 1 – T1 và G4 – T4 để thuận tiện vận hành cho tải với đồ thị bằng phẳng trong suốt quá trình vận hành cả năm. Do vậy công suất tải của mỗi máy biến áp phải là: SđmT1=SđmT4=SGđm - Stự dùng = 62,5 – 8%.62,5 = 57,5 MVA. Đồ thị phụ tải nh hình 2 - 4 S (MVA) 57,5 t(h) 0 H×nh 2 – 4 24 16 Với 2 máy biến áp tự ngẫu T 2, T3. Công suất truyền tải lên các cấp điện áp được tính nh sau: Công suất truyền tải lên trung áp của mỗi máy là: S TT 2 = S TT3 = 1 T ( S pt − S T 4 ). 2 Công suất truyền tải lên cao áp của mỗi máy là: S TC2 = S TC3 = 1 C ( S pt − ST 1 ). 2 Công suất truyền tải từ cuộn hạ áp mỗi máy là: S TH2 = S TH3 = S TT 2 + S TC2 = S TT3 + S TC3 . Dựa vào bảng 1 – 6 tính công suất từng thời điểm mà máy biến áp T2 và T3 phải tải. Kết quả ghi trong bảng 2 – 4 Bảng 2 – 4 t(h) 0÷4 4÷6 6÷8 8÷10 10÷12 12÷14 14÷18 18÷20 20÷24 MVA STphụ tải 65.63 84.38 84.38 84.38 93.75 93.75 SC 44.09 25.34 23.22 92.22 79.66 125.66 114.16 135.03 89.03 ST1=ST4 57.5 57.5 57.5 57.5 57.5 57.5 STT2=STT3 4.06 13.44 13.44 13.44 18.13 18.13 13.44 4.06 4.06 SCT2=SCT3 -6.71 -16.08 -17.14 17.36 11.08 34.08 28.33 38.76 15.76 ShT2=ShT3 -2.65 -2.65 -3.71 30.80 29.21 52.21 41.77 42.83 19.83 57.5 57.5 57.5 84.38 65.63 65.63 17 Từ bảng 2 – 4 dễ dàng nhận thấy ở chế độ vận hành bình thường các máy biến áp T2 và T3 sẽ không bị quá tải. 2.2.1.3. Kiểm tra sự cố máy biến áp T4 Sự cố xảy ra nặng nề nhất là lúc phụ tải trung áp cực đại: S T= 93,75 MVA. Tương ứng với thời điểm đó có: S C =125,66 MVA; Sđp(t)=10,59 MVA. Đối với bộ máy phát điện – máy biến áp 2 cuộn dây không cần kiểm tra quá tải vì công suất của chúng được chọn theo công suất định mức của máy phát. Việc kiểm tra quá tải chỉ cần xét với máy biến áp tự ngẫu T2 và T3. Giả thiết sự cố bộ T4: Vào thời điểm này T2 và T3 phải đảm bảo cung cấp công suất cho phụ tải trung áp là 93,75 MVA, nh vậy công suất qua mỗi máy là: S TT 2 = S TT3 = 1 T 1 S = 93,75 = 46,875 MVA. 2 2 Trong khi công suất tính toán của T2 và T3 là: S ttT 2 = S ttT 3 = k qtsc .α.S dmT 2 =1,4.0,5.125 =87,5 MVA. . Vậy T2 và T3 sẽ không bị quá tải khi sự cố sự bộ G4 – T4. Trong khi sự cố thì G2 và G3 phải phát với giá trị định mức nên cuộn hạ của T2và T3 là: S TH2,T 3 = 2.S dmF − ( S dp + 2.S td ) = 2.62,5 − (10,59 + 2.16 ) = 82,41 MVA. . Nh vậy công suất từ phía 220 kv phải tải sang 110 kv là: STphụ tải- SHT2,T3 = 93,75 – 82,41 = 11,34 MVA. 18 Bé G1 – T1 phát lên hệ thống một lượng công suất: SG1đm - Stự dùng - 11,34 = 62,5 – 20 – 11,34 = 31,16 MVA. Tại thời điểm đó thì công suất phát lên hệ thống còn thiếu một lượng: SC – 31,16 = 125,66 – 31,16 = 94,5 MVA. Vì dự trữ quay của hệ thống bằng 360 MVA nên khi sự cố hỏng bộ G4 – T4 thì nhà máy và hệ thống vẫn làm việc bình thườg. 2.2.1.4. Kiểm tra sự cố khi một máy biến áp liên lạc Khi đó thì T3 và G3 ngừng làm việc và cũng vào thời điểm phụ tải trung áp cực đại. Vào thời điểm này riêng bộ G 4 – T4 đã tải lượng công suất là 57,5 MVA. Nh vậy tải phía trung áp của máy biến áp liên lạc phải là: STT2=STmax-ST4 = 93,75 – 57,5 = 36,25 MVA < SttT2 =125 MVA. Do đó máy biến áp T2 sẽ không bị quá tải. Công suất tải qua cuộn hạ B2 là: SHT2=SGđm –Stự dùng – Sđp = 62,5 – 16 – 10,59 = 35,91 MVA. Công suất phải truyền từ phía 220 kv sang 110 kv là: STT2 - SHT2= 36,25 – 35,91 = 0,34 MVA. Bé G1 – T1 phát lệ hệ thống một lượng công suất là: SG1đm – Stự dùng – 0,34 = 62,5 –20 – 0,34 = 42,16 MVA. Công suất phát lên hệ thống còn thiếu một lượng là: SC – 42,16 = 125,66 – 42,16 = 83,5 MVA < SdtHT = 360 MVA. 19 Lượng công suất này nhỏ hơn dự trữ quay của hệ thống nên nhà máy vẫn làm việc bình thường. - Giả thiết sự cố bộ G 1 – T1 thì phải cắt bớt phần công suất cung cấp cho hệ thống nên không ảnh hưởng tới phụ tải 110 kv. 2.2.2. Phương án 1I ( Hình 2.2) 2.2.2.1. Chọn máy biến áp Máy biến áp T3 và T4 được chọn theo điều kiện sơ đồ bộ: SđmT3 = SđmT4 ≥ SGđm = 62,5 MVA. Từ điều kiện đó chọn máy biến áp tăng áp 3 pha 2 dây quấn có STđm=63MVA là loại TДЦH-63-121-10,5 có các thông số kỹ thuật trong bảng 2 – 5 Bảng 2 - 5 Loại TДЦH-121-10,5 Sđm ∆P0 ∆PN (MVA) (KW) (KW) 63 59 245 UN% I0% 10,5 0,6 Giá 103 (USD) 700 Hai máy biến áp tự ngẫu được chọn giống nhau và theo điều kiện: S dmT 2 = S dmT 3 ≥ 1 α .S dmF = 1 .62,5 = 125 MVA. 0,5 20