1
Chương I
KHÁI QUÁT VỀ CUNG CẤP ĐIỆN
Sau khi học xong chương này sinh viên cần nắm được:
- Các đặc điểm của cung cấp điện xí nghiệp công nghiêp
- Các dạng nguồn điện
- Khái niệm về mạng điện xí nghiệp công nghiệp
- Các đặc điểm của hộ tiêu thụ
- Các yêu cầu của thiết kế cung cấp điện
- Hướng nghiên và phát triển trong lĩnh vực cung cấp điện
2
1.1. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT VÀ PHÂN PHỐI
ĐIỆN NĂNG
Điện năng là một dạng năng lượng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, bởi điện năng
có rất nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các dạng năng lượng khác như: Dễ dàng chuyển
thành các dạng năng lượng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt năng, hoá năng, quang
năng ...), có thể truyền tải đi xa, rất xa với công suất lớn và rất lớn.
Điện năng trong quá trình sản xuất và phân phối có một số đặc điểm sau đây:
- Điện năng sản xuất ra nói chung không tích trữ được (trừ một vài trường hợp đặc
biệt với công suất rất nhỏ như pin, ắc quy). Tại mọi thời điểm luôn phải bảo đảm cân bằng
giữa lượng điện năng sản xuất ra với lượng điện năng tiêu thụ kể cả tổn thất do truyền tải.
- Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh (chẳng hạn sóng điện từ lan truyền trong
dây dẫn với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc độ ánh sáng 300.000 km /s), sóng sét lan truyền trên
đường dây, thời gian đóng cắt mạch điện, thời gian tác động của các bảo vệ... thường xẩy
ra trong khoảng < 0,1s.
Đặc điểm này đòi hỏi chúng ta phải sử dụng rộng rãi các thiết bị tự động trong công
tác vận hành, điều độ hệ thống cung cấp điện ở trạng thái làm việc bình thường cũng như
lúc sự cố, nhằm đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện làm việc an toàn, tin cậy và kinh tế.
- Ngành điện lực có liên quan chặt chẽ đến nhiều ngành kinh tế quốc dân khác như:
Luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, cơ khí, công nghiệp nhẹ và dân dụng... Nó là một
trong những động lực tăng năng xuất lao động, tạo nên sự phát triển nhịp nhàng trong cơ
cấu kinh tế.
Ngoài các đặc điểm chủ yếu đã nêu trên cũng cần chú ý là việc sản xuất, truyền tải
và cung cấp điện luôn được thực hiện theo một kế hoạch chung trong toàn hệ thống điện.
Hệ thống điện bao gồm các khâu: Phát điện, truyền tải, phân phối, cung cấp điện tới các
hộ tiêu thụ và sử dụng điện, được thực hiện bởi các nhà máy điện, trạm phát điện, mạng
lưới điện và các thiết bị dùng điện khác.
1.2. CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN
Điện năng là một sản phẩm được sản xuất được sản xuất ra từ các nhà máy điện.
Hiện nay các nhà máy điện lớn đều phát ra năng lượng dòng điện xoay chiều ba pha, rất ít
nhà máy phát năng lượng dòng điện một chiều. Trong công nghiệp muốn dùng năng lượng
dòng điện một chiều thì người ta dùng chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều.
Nguyên lý chung để sản xuất ra điện ở các nhà máy điện là từ một dạng năng lượng
sơ cấp nào đó muốn chuyển thành điện năng đều phải biến đổi qua một cấp trung gian là
cơ năng làm quay máy phát điện để phát ra điện năng. Nguồn năng lượng thường dùng
trong đa số các nhà máy điện hiện nay vẫn là năng lượng các chất đốt và năng lượng nước.
Từ năm 1954, ở một số nước tiên tiến đã bắt đầu xây dựng một số nhà máy điện dùng
năng lượng nguyên tử.
Dưới đây trình bày sơ lược nguyên lý làm việc của ba loại nhà máy điện tương ứng
với ba nguồn năng lượng kể trên là nhà máy nhiệt điện, nhà máy thuỷ điện, nhà máy điện
nguyên tử.
3
1.2.1. Nhà máy nhiệt điện
Đây là một dạng nguồn điện kinh điển nhưng đến nay vẫn còn được sử dụng rất phổ biến.
Đối với các nhà máy nhiệt điện, động cơ sơ cấp của máy phát điện chủ yếu là tuabin
hơi, máy hơi nước ... ở các nhà máy nhiệt điện lớn thì động cơ sơ cấp là tuabin hơi.
Quá trình biến đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện được mô tả như sau:
Nhiệt năng → cơ năng → điện năng
Sơ đồ nguyên lý công nghệ của quá trình sản xuất điện trong các nhà máy nhiệt điện
được tóm tắt trên (hình 1-1).
Nhiên liệu được đốt cháy trong buồng đốt 1 nhằm đun sôi nước ở bao hơi 2 với nhiệt độ
và áp suất cao (khoảng 5000C và 40 at) được dẫn đến làm quay tuabin 3 với tốc độ rất lớn
(khoảng 3000 vòng /phút). Trục của tuabin gắn với trục của máy phát điện 4 làm cho máy
phát sản suất ra điện. Nhiên liệu cháy sinh ra nhiệt năng ở buồng đốt trở thành xỉ và khói thải
ra ngoài. Hơi nước sau khi sinh công ở tuabin trở thành nước nhờ bình ngưng 5, sau đó lại
được bơm trở về tạo thành chu kỳ kín. Tuy nhiên luôn luôn phải có bơm nước bổ sung vào
bao hơi.
Nhiên liệu dùng cho các lò hơi (buồng đốt) thường là than đá, than cám, than bùn, có
khi dùng nhiên liệu là chất lỏng như dầu điêzen hoặc các khí đốt tự nhiên, khí than cốc khí tự
nhiên... Nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu điêzen hoặc khí đốt có hiệu quả kinh tế cao hơn
nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu là than. Ở nước ta, hiện nay các nhà máy nhiệt điện dùng
than đá như NĐ Phả Lại (3x200 MW + 2x300MW), NĐ Na Dương, NĐ Uông Bí...
Các lò hơi dùng nhiên liệu than có thể là lò ghi -xích hoặc lò than phun. Ở lò ghi
-xích than đưa vào lò là than cục và cháy thành một lớp ở trong lò, ở lò than phun than
được nghiền nhỏ mịn như bột rồi dùng quạt gió thổi mạnh theo những đường ống phun
vào lò. Nhà máy nhiệt điện dùng lò than phun có hiệu suất cao hơn dùng lò ghi -xích.
Vì vậy lò ghi -xích chỉ dùng trong những trường hợp công suất lò tương đối nhỏ, các
thông số (áp lực, nhiệt độ) của hơi không cao.
Nhà máy nhiệt điện có công suất càng lớn thì hiệu suất càng cao. Trên thế giới hiện nay
có những nhà máy nhiệt điện hàng triệu kW có tổ tuabin - máy phát công suất tới 600MW.
Ngoài các nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi kể trên, còn có các nhà máy nhiệt
điện động cơ sơ cấp là máy hơi nước, gọi là nhà máy điện lô-cô và nhà máy nhiệt điện
Nước
1
6
Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ của quá trình sản xuất điện
trong các nhà máy nhiệt điện
~
Nước làm
lạnh
Điện
Than
Xỉ
2
3
4
5
4
động cơ sơ cấp là động cơ điêzen, gọi là nhà máy điện điêzen. Nhà máy điện lô cô
dùng các nhiên liệu địa phương như than xấu, củi, trấu... Hiệu suất của nhà máy điện
lô-cô khoảnh (1112)%. Vì vậy nhà máy điện lô cô chỉ dùng cung cấp điện cho vùng
nông thôn hoặc miền núi, phạm vi truyền tải điện năng không lớn. Điện áp các nhà
máy điện lô-cô thường là 380/220V có thể có cấp 6 kV.
Nhà máy điện điêzen có hiệu suất cao (khoảng 38%), thời gian khởi động rất nhanh
nhưng nhiên liệu dùng cho nhà máy là các chất đốt quý, hiếm (điêzen). Công suất nhà máy
hạn chế trong khoảng từ vài trăm tới 1000kW. Ngày nay nhà máy điện điêzen chỉ dùng ở
các địa phương xa hệ thống cung cấp điện chung, ở các công trường đang xây dựng, dùng
trong quân đội hoặc dùng làm nguồn điện dự phòng cho các nhà máy nhiệt điện tuabin
hơi.
Những nhà máy nhiệt điện lớn thường được xây dựng gần các khu mỏ than, gần nguồn
nước làm mát và thuận lợi giao thông vận tải. Ngoài ra còn phải kể tới các yếu tố khác như an
ninh, quốc phòng, môi trường môi sinh...
Ưu điểm của nhà máy nhiệt điện:
- Có thể xây dựng ở nhiều nơi trong lãnh thổ đất nước.
- Phát điện không phụ thuộc vào thời tiết, chỉ cần đủ nhiên liệu.
- Thời gian xây dựng ngắn.
- Diện tích cho xây dựng nhà máy không lớn .
Nhược điểm của nhà máy nhiệt điện:
- Phải phải khai thác và vận chuyển nhiên liệu.
- Hiệu suất thấp (0,30,6).
- Thời gian khởi động nhà máy lâu (45) h và thời gian dừng máy kéo dài (612)h.
- Thiết bị phức tạp nên khó tự động hoá, kém an toàn, số nhân công lao động trong
quản lý vận hành nhiều (cao hơn thuỷ điện gấp khoảng 13 lần).
- Công suất tự dùng của nhà máy cao (chiếm (8-13)%).
- Giá thành điện năng cao (cao hơn thuỷ điện (510) lần).
1.2.2. Nhà máy thuỷ điện
Nhà máy thuỷ điện sử dụng năng lượng của dòng nước làm quay tuabin thuỷ lực dẫn
đến quay máy phát điện.
Đối với nhà máy thuỷ điện, quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện như sau:
Thuỷ năng - Cơ năng - Điện năng
Động cơ sơ cấp của máy phát là tuabin nước, nối dọc trục với máy phát.
Công suất nguồn nước của nhà máy thuỷ điện phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố sau:
Lưu lượng dòng nước Q và chiều cao cột nước h, thể hiện qua biểu thức:
P 9,81.Q.h=
(kW) (1-1)
Trong đó:
- Q là lưu lượng của dòng nước: (m3/s).
- h là chiều cao cột nước: (m).
5
Công suất của nhà máy thuỷ điện được xác định theo biểu thức:
F TB MF BT
P 9,81.Q.h. . .=
(1-2)
Trong đó:
- TB là hiệu suất của tuabin.
- MF là hiệu suất của máy phát.
- BT là hiệu suất của bộ truyền.
Từ biểu thức (1-1) và (1-2) ta thấy rằng để tăng công suất của thuỷ điện, có thể xây
dựng loại đập chắn trên những đoạn tương đối bằng phẳng của dòng nước để tạo ra lưu
lượng Q lớn, hoặc xây dựng ở những đoạn có độ chênh lệch lớn giữa hai mức nước để tạo
độ cao h lớn.
Nhà máy thuỷ điện có hai loại là loại có đập ngăn nước và loại dùng máng dẫn
nước.
+ Nhà máy thuỷ điện dùng đập thường xây dựng ở những sông có lưu lượng nước
lớn nhưng độ dốc ít. Đập xây chắn ngang qua sông để tạo chênh lệch giữa 2 mức nước.
Gian máy và trạm phân phối điện xây ngay bên cạnh hoặc trên đập, (hình 1-2) vẽ mặt cắt
dọc một nhà máy thuỷ điện dùng đập.
Lưu lượng nước của sông thường thay đổi theo các mùa trong năm, hơn nữa phụ tải
điện lại luôn thay đổi trong ngày. Do đó để bảo đảm nhà máy có thể hoạt động ngay trong
mùa khô cạn và có thể điều chỉnh được công suất phát ra trong một ngày, người ta xây
dựng những hồ chứa nước rất lớn để dự trữ nước cho nhà máy.
+ Nhà máy thuỷ điện có máng dẫn nước thường xây dựng ở những sông có lưu
lượng nước ít, nhưng độ dốc lớn.
Hiện nay trên thế giới đã có những nhà máy thuỷ điện có công suất lên tới
(40005000)MW (nhà máy thuỷ điện Hoà Bình có công suất 1920MW).
Nước ta có nhiều sông, thác nước lớn nguồn thuỷ năng rất phong phú, lượng mưa
hàng năm lại nhiều: Riêng miền Bắc nước ta có khoảng 1069 con sông lớn nhỏ, ước lượng
công suất tiềm tàng khoảng 14 triệu kW. Hiện nay chúng ta đã và đang xây dựng một số
nhà máy thuỷ điện lớn như Thác Bà, Hoà Bình, Trị An, Ialy, Sơn La... Ngoài ra ở các địa
Hình 1-2. Mô hình sản xuất điện của các nhà máy thuỷ điện