Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế nhà máy điện

Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 1 ---
LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng, theo cách nhìn tổng quát là rất rộng lớn, là vô tận. Tuy nhiên, nguồn
năng lượng mà con người có thể khai thác phổ biến hiện nay đang ngày càng trở
nên khan hiếm và trở thành vấn đề cấp bách của toàn Thế giới. Đó là bởi vì để có
năng lượng hữu ích dùng ở các hộ tiêu thụ, năng lượng sơ cấp cần phải trải qua
nhiều công đoạn như khai thác, chế biến, vậ
n chuyển, phân phối,… Các công đoạn
này đòi hỏi nhiều chi phí về tài chính, kỹ thuật cũng như các ràng buộc xã hội khác.
Hiệu suất biến đổi từ nguồn năng lượng sơ cấp đến năng lượng cuối cùng nói
chung là còn thấp.Vì vậy đề ra việc lựa chọn và thực hiện các phương pháp biến
đổi từ nguồn năng lượng sơ cấp đến năng lượng cuố
i cùng để đạt hiệu quả kinh tế
cao là một nhu cầu và cũng là nhiệm vụ của con người.
Điện năng là một dạng năng lượng không tái tạo. Hệ thống điện là một phần của
Hệ thống năng lượng nói chung, bao gồm từ các nhà máy điện, mạng điện,... đến

Sinh viên:
Đỗ Hồng Anh.
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 2 ---
MỤC LỤC

Trang
Chương I. Tính toán phụ tải và cân bằng công suất 3
1.1. Chọn máy phát điện 3
1.2. Tính toán phụ tải và cân bằng công suất 3

Chương II. Lựa chọn sơ đồ nối điện của nhà máy 10
2.1. Đề xuất các phương án 10
2.2. Chọn máy biến áp cho các phương án 15
2.3. Kiểm tra khả năng mang tải của các máy biến áp 18
2.4. Tính tổn thất điện năng trong các máy biến áp 25
2.5. Tính dòng điện làm việc cưỡ
ng bức của các mạch 29

Chương III. Tính dòng điện ngắn mạch 39
3.1. Chọn các đại lượng cơ bản 39
3.2. Tính các dòng điện ngắn mạch cho phương án 1 39
3.3. Tính các dòng điện ngắn mạch cho phương án 2 55

Chương IV. So sánh kinh tế- kỹ thuật các phương án, lựa chọn
phương án tối ưu 71
4.1. Chọn máy cắt điện 71
4.2. Tính toán kinh tế, chọn phương án tối ưu 77


thị phụ tải để xác định công suất và dòng điện đi qua các thiết bị để tiến hành lựa
chọn thiết bị, khí cụ điện, sơ đồ nối điện hợp lý.

1.1.CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN
Nhà máy điện gồm 4 máy phát, công suất mỗi máy là 50 MW, hệ số công suất
cosφ= 0.8. Công suất biểu kiến định mức c
ủa mỗi máy là:

S
đmF
=
5.62
8.0
50
cos
==
ϕ
đmF
P
MVA.

Chọn các máy phát điện tua-bin hơi cùng loại, điện áp định mức 10.5 kV.Tra Phụ
lục II, trang 99, sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp”(Nguyễn Hữu Khái,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004). Chọn 4 máy phát điện loại TBФ-50-3600 do
CHLB Nga chế tạo, các tham số chính của máy phát được tổng hợp trong bảng sau.

Bảng 1.1. Các tham số chính của máy phát điện

Loại máy phát
Các thông số ở chế độ định mức Điện kháng tương đối

8.0
6.17
cos
max
==
ϕ
UF
P
MVA.
Áp dụng các công thức:
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 4 ---

max
100
)%(
)( P
tP
tP =
, MW

ϕ
cos
)(
)(
tP
tS =
, MVA
Trong đó:

8.0
85
cos
max
==
ϕ
UT
P
MVA
Tính toán tương tự như với cấp điện áp máy phát. Các số liệu tính toán được cho
trong bảng sau.

Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 5 ---
Bảng 1.3. Công suất phụ tải cấp điện áp trung

Thời gian, (h) 0-4 4-10 10-14 14-18 18-24
Công
suất
P, (%) 80 90 80 100 75
P, (MW) 68 76.5 68 85 63.75
S, (MVA) 85 95.625 85 106.25 79.6875 Hình 1.2. Đồ thị phụ tải cấp điện áp trung


P
NMmax
= 200 MW;Cosϕ = 0.8 ; S
NMmax
=
250
8.0
200
cos
max
==
ϕ
NM
P
MVA
Từ bảng số liệu biến thiên phụ tải toàn nhà máy, áp dụng công thức trên tính cho
từng khoảng thời gian ta có bảng biến thiên công suất phát của nhà máy.
Bảng 1.4. Công suất phát của nhà máy
Thời gian, (h) 0 - 8 8 - 12 12 - 14 14 - 20 20 - 24
Công
suất
P, (%)
70 85 95 100 75
P, (MW) 140 170 190 200 150
S, (MVA) 175 212.5 237.5 250 187.5

Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 6 ---


• S
NM
(t) : công suất nhà máy phát ra tại thời điểm t, MVA.
0.4 - lượng phụ tải tự dùng không phụ thuộc công suất phát.
0.6 - lượng phụ tải tự dùng phụ thuộc công suất phát.
Từ số liệu về công suất phát của nhà máy áp dụng công thức(1.4) ta có bảng biến
thiên công suất tự dùng và đồ thị phụ tải tự dùng.

Bảng 1.5. Công suất tự dùng của nhà máy
Thời gian, (h) 0 - 8 8 - 12 12 - 14 14 - 20 20 - 24
Công
suất
S
NM
(t) , (%)
70 85 95 100 75
S
NM
(t) , (MVA) 175 212.5 237.5 250 187.5
S
td
(t) , (MVA) 16.4 18.2 19.4 20 17

Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 7 ---

Hình 1.4. Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy

1.2.5. Công suất phát về hệ thống điện.

(t), (MVA)
85 95.625 95.625 95.625 85 85 106.25 79.6875 79.6875
S
td
(t), (MVA)
16.4 16.4 16.4 18.2 18.2 19.4 20 20 17
S
VHT
(t), ( MVA)
58.2 47.575 45.375 81.075 87.3 111.1 105.05 136.0125 76.5125

Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 8 ---Hình 1.5. Đồ thị phụ tải toàn nhà máy
NHẬN XÉT
:

• Phụ tải cấp điện áp maý phát và tự dùng khá nhỏ (S
UFmax
=22 MVA,
S
UFmin
=14.3 MVA), phụ tải cấp điện áp trung khá lớn (S
UTmax


Công suất định mức 1 máy phát : S
Fđm
= 62.5MVA
Phụ tải điện tự dùng: S
tdmax
=20 MVA
Dự trữ của hệ thống : S
dt
HT
=360 MVA
Nhận thấy:
 Phụ tải cấp điện áp máy phát: S
UFmax
= 22 MVA,
22
11
2
=
MVA

11
100%
62.5
×
= 17.6% >15% S
Fđm
.
Vì vậy phải có thanh góp cấp điện áp máy phát (TG U
F
).

là 22+15= 37 MVA.
Trong cả 2 trường hợp này, khi 1 máy phát bị sự cố thì các máy phát còn lại đều
đảm bảo cung cấp đủ công suất cho phụ tải cấp điện áp máy phát và phụ tải tự
dùng.
Như vậy về lý thuyết ta có thể ghép 2 hoặc 3 máy phát lên thanh góp U
F
.
 Cấp điện áp cao U
C
= 220 kV
Cấp điện áp trung U
T
= 110 kV
Trung tính của cấp điện áp cao 220 kV và trung áp 110 kV đều được trực tiếp nối
đất, hệ số có lợi:
220 110
0.5
220
CT
C
UU
U
α
−
−
== =
.
Vậy nên dùng hai máy biến áp tự ngẫu làm liên lạc giữa các cấp điện áp.
 Phụ tải cấp điện áp trung: S
UTmax


--- 12 ---
Từ các nhận xét trên vạch ra các phương án nối điện cho nhà máy thiết kế:
2.1.1. Phương án 1

Hình 2.1. Sơ đồ nối điện phương án1

Trong phương án này dùng 2 bộ máy phát - máy biến áp 2 cuộn dây cấp điện
cho thanh góp điện áp trung 110 kV, 2 máy phát còn lại được nối với các phân
đoạn của thanh góp U
F
. Dùng 2 máy biến áp tự ngẫu để liên lạc giữa các cấp điện
áp và phát điện lên hệ thống. Kháng điện nối giữa các phân đoạn của thanh góp
điện áp máy phát để hạn chế dòng ngắn mạch khá lớn khi xảy ra ngắn mạch trên
phân đoạn của thanh góp. Điện tự dùng được trích đều từ đầu cực máy phát và trên
thanh góp cấp điện áp máy phát.
Ưu điểm củ
a phương án này là đơn giản trong vận hành, đảm bảo cung cấp
điện liên tục cho các phụ tải ở các cấp điện áp, hai máy biến áp tự ngẫu có dung
lượng nhỏ, số lượng các thiết bị điện cao áp ít nên giảm giá thành đầu tư. Công suất
của các bộ máy phát - máy biến áp hai cuộn dây ở phía điện áp trung gần bằng phụ
tải cấp điện áp này nên công suất truyền tải qua cuộ
n dây trung áp của máy biến áp
liên lạc rất nhỏ do đó giảm được tổn thất điện năng làm giảm chi phí vận hành.

2.1.2.
Phương án 2

HTĐ
HTĐ

Trong phương án này dùng 2 máy biến áp tự ngẫu làm liên lạc, 1 bộ máy
phát- máy biến áp ghép bộ bên phía điện áp cao 220 kV, 1 bộ bên phía điện áp
trung 110 kV, 2 phân
đoạn thanh góp, phụ tải địa phương lấy từ hai phân đoạn
thanh góp, tự dùng lấy trên phân đoạn thanh góp và đầu cực máy phát nối bộ.
Ưu điểm là cấp điện liên tục cho phụ tải các cấp điện áp, phân bố công suất
giữa các cấp điện áp khá đồng đều.
HTĐ
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 14 ---
Nhược điểm của phương án là phải dùng 3 loại máy biến áp khác nhau gây
khó khăn cho việc lựa chọn các thiết bị điện và vận hành sau này, công suất phát về
hệ thống ở chế độ cực tiểu nhỏ hơn nhiều so với công suất của 1 máy phát nên
lượng công suất thừa phải truyền tải 2 lần qua các máy biến áp làm tăng tổn hao
điện năng. Ngoài ra máy biến áp và các thiết bị
điện ở cấp điện áp cao có giá thành
cao hơn nhiều so với ở cấp điện áp trung nên làm tăng chi phí đầu tư.

2.1.4. Phương án 4 Hình 2.4. Sơ đồ nối điện phương án 4

Phương án này ghép bộ 2 máy phát với 1 máy biến áp 2 cuộn dây để cấp
điện cho phụ tải trung áp.
Ưu điểm của phương án này là giảm được 1 máy biến áp nhưng nhược điể
m
rất lớn là khi có ngắn mạch thì dòng ngắn mạch lớn, khi máy biến áp 2 cuộn dây
hỏng thì cả bộ hai máy phát không phát được công suất cho phụ tải trung áp nên độ

Bđm
≥ S
Fđm
= 62.5 MVA
Tra phụ lục III.4, trang 154, sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp”
(Nguyễn Hữu Khái, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004), chọn hai máy biến áp B
1
,
B
2
có S
Bđm
=80 MVA. Các thông số của máy biến áp được tổng hợp trong bảng 2.1.
2. Chọn máy biến áp liên lạc
Chọn 2 máy biến áp liên lạc là máy biến áp tự ngẫu có các cấp điện áp 220/110/10
kV.
HTĐ
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 16 ---
Điều kiện chọn máy biến áp máy biến áp tự ngẫu
S
TNđm
≥
α
2
1
S
thừa


2
max
: công suất tự dùng cực đại của 2 máy phát.
Ta có: S
thừa
= 2
×
62.5 – (14.3 +
2
20
4
×
) = 100.7 MVA

11
100.7 100.7.
220.5
th a
SMVA
α
=×=
×
u
.
→ S
TNđm
≥
α
2
1

C T H
P
o
P
N

C-T C-H T-H
A C-T C-H T-H
110
Т
дц

80 115 - 10.5 70 - 310 - - 10.5 - 0.55 91
220
AT
дцт
H
125 230 121 11 75 290 145 145 11 32 20 0.5 185

2.2.1. Chọn máy biến áp cho phương án 2
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 17 ---

Hình 2.6. Các máy biến áp cho phương án 2
1. Chọn máy biến áp nối bộ ba pha hai dây quấn
Máy biến áp bộ hoàn toàn như của phương án 1.
2. Chọn máy biến áp liên lạc
Chọn 2 máy biến áp liên lạc là máy biến áp tự ngẫu có các cấp điện áp 220/110/10
kV.

Loại
S
đm

MVA
Điện áp cuộn dây,
kV
Tổn thất công suất, kW
U
N
%
I
o
%
Giá,
10
3
R
C T H
P
o
P
N

C-T C-H T-H
A C-T C-H T-H
110
Т
дц


S×
= 62.5-
1
20
4
×
= 57.5< S
Bđm
= 62.5 MVA.
b) Với máy biến áp liên lạc
Dòng công suất qua các phía của máy biến áp liên lạc được xác định theo công
thức:
S
T
(t) =
[]
)()()(
2
1
21
tStStS
BBUT
−−
.
S
C
(t) =
)(
2
1

TNđm
= 0.5
×
125= 62.5 MVA.
Dựa vào tính toán cân bằng công suất của chương I, tính theo từng khoảng thời
gian t ta có bảng kết quả phân bố dòng công suất qua các phía của các máy biến áp
như sau.

Bảng 2.3. Bảng phân bố công suất qua các phía của mỗi máy biến áp tự ngẫu
trong chế độ làm việc bình thường (phương án 1)
Thờigian, h 0-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-18 18-20 20-24
S
C
(t), MVA
29.1 23.7875 22.6875 40.5375 43.65 55.55 52.525 68.00625 38.25625
S
T
(t), MVA
-15 -9.6875 -9.6875 -9.6875 -15 -15 -4.375 -17.65625 -17.65625
S
H
(t), MVA
14.1 14.1 13 30.85 28.65 40.55 48.15 50.35 20.6

Từ bảng tổng hợp số liệu có thể thấy trong chế độ làm việc bình thường tất cả
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 19 ---
các máy biến áp đều hoạt động non tải.
2. Xét các trường hợp sự cố

UTmax

Trong đó:
K
qt
SC
: Hệ số quá tải sự cố cho phép; K
qt
SC
= 1.4
S
bộ
: Công suất truyền qua máy biến áp bộ còn lại.
S
bộ
=57.5 MVA.
Thay số vào:
2K
qt
SC
α.S
TNđm
+S
bộ
= 2
×
1.4
×
0,5
×

2
1
(S
UTmax
-S
bộ
)= 0.5
×
(106.25-57.5)= 24.375 MVA
S
H
= min{S
hạ
phát
, S
hạ
tải
}
Trong đó:
S
hạ
phát
:công suất mà các máy phát có thể phát lên cuộn hạ của máy biến
áp tự ngẫu, được xác định theo biểu thức:
S
hạ
phát
=
2
1

SC
α.S
TNđm
Trong trường hợp này n= 4, n1= 2→
S
hạ
phát
= S
Fđm
-
2
1
S
UF
-
4
1
max
td
S
= 62.5-
2
1
18.7-
4
1
20= 48.15 MVA
S
hạ
tải

×
125= 62.5 MVA
Tức là máy biến áp tự ngẫu vẫn làm việc non tải.
◊ Công suất thiếu:
S
thiếu
= S
VHT
- 2S
CC
= 105.05- 2*23.775= 57.5 MVA
S
thiếu
= 57.5 MVA< S
dt
HT
= 360 MVA.
Như vậy khi một trong hai máy biến áp bộ bị hư hỏng thì các máy biến áp còn lại
không bị quá tải. Phụ tải cấp điện áp trung vẫn không bị ảnh hưởng. Công suất phát
về hệ thống bị thiếu một lượng S
thiếu
= 57.5 MVA nhỏ hơn nhiều so với dự trữ quay
của hệ thống.


×
57.5=202.5MVA >S
UTmax
=106.25 MVA
Vậy điều kiện trên được thoả mãn.
Phân bố công suất:
 Công suất qua mỗi máy biến áp bộ:
S
bộ
= S
Fđm
-
max
1
4
td
S×
= 62.5-
20*
4
1
= 57.5 MVA
 Công suất qua các phía của máy biến áp tự ngẫu còn lại:
S
T
= S
UTmax
-2S
bộ
= 106.25-2*57.5= -8.75 MVA

tải
= 1.4
×
0.5
×
125= 87.5 MVA
→

S
H
= min{96.3

, 87.5}= 87.5 MVA
S
C
= S
H
- S
T
=87.5- (-8.75)= 96.25 MVA
Trong chế độ sự cố này , các máy biến áp tự ngẫu công suất truyền từ phía hạ và
trung lên phía cao của nó, công suất làm việc của máy biến áp bị giới hạn bởi phía
hạ áp và phía cao áp tức là bị giới hạn bởi khả năng tải của cuộn hạ và cuộn nối
tiếp.
Công suất của cuộn nối tiếp là:
S
nt
=
( ) 0.5(87.5 ( 8.75)) 48.125
HT

qt
SC
= 1.4= K
qt
SC
cp

Như vậy trong chế độ truyền tải này máy biến áp tự ngẫu bị quá tải trong giới hạn
cho phép.
 Công suất thiếu:
S
thiếu
= S
VHT
- S
CC
= 105.05- 96.25= 8.8 MVA

Kết luận
:
Khi một trong các máy biến bộ hư hỏng thì các máy biến áp còn lại không bị quá
tải. Phụ tải cấp điện áp trung vẫn không bị ảnh hưởng. Công suất phát về hệ thống
bị thiếu một lượng S
thiếu
= 57.5 MVA nhỏ hơn nhiều so với dự trữ quay của hệ
thống. Nếu 1 máy biến áp liên lạc bị sự cố thì máy còn lại bị quá tải với hệ số quá
tải K
qt
SC
= 1.4= K

= 62.5 MVA.
b) Với máy biến áp liên lạc
Dòng công suất qua các phía của máy biến áp liên lạc được xác định theo công
thức:
S
T
(t) =
[]
BUT
StS −)(
2
1
.
S
C
(t) =
)(
2
1
tS
VHT

S
H
(t) = S
CT
(t) + S
CC
(t).
Dựa vào tính toán cân bằng công suất của chương 1, tính theo từng khoảng thời

106.25 MVA,

S
VHT
= 105.05 MVA, S
UF
= 18.7 MVA, S
td
= 20 MVA.

a) Hỏng 1 máy biến áp hai dây quấn bên trung áp

Điều kiện kiểm tra quá tải máy biến áp tự ngẫu là:
2K
qt
SC
.αS
TNđm
≥ S
UTmax

Thay số vào:
2K
qt
SC
.αS
TNđm
= 2
×
1.4

7.18
2
1
5.62
2
3
4
3
2
1
max
F
tdU
SS
69.4 MVA
S
C
= S
H
- S
T
= 69.4- 53.125= 16.275 MVA
HTĐ
Đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện

--- 24 ---
Như vậy trong chế độ sự cố này, các máy biến áp tự ngẫu công suất truyền từ phía
hạ lên phía cao và trung của nó → trong 3 cuộn: chung, nối tiếp và hạ thì cuộn hạ
tải công suất lớn nhất.
S

= 72.5
MVA nhỏ hơn nhiều so với dự trữ quay của hệ thống.
b) Hỏng 1 máy biến áp liên lạc

Điều kiện kiểm tra quá tải máy biến áp tự ngẫu là:
K
qt
SC
.αS
TNđm
+S
bộ
≥ S
UTmax

Thay số vào:
1.4
×
0,5
×
160+57.5= 169.5 MVA > 106.25 MVA
Vậy điều kiện trên được thoả mãn.
Phân bố công suất:
◊ Công suất qua máy biến áp bộ:
S
bộ
= S
Fđm
-
max

∑
1
1
n
Fdm
S
- S
UF
-
n
n1
max
td
S

HTĐ