Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế hệ thống cung cấp điện

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN Khi thiết kế cung cấp điện cho một công trình cụ thể là phân xưởng ta đang thiết kế thì nhiệm

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp

điện

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

PHẦN I:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO PHÂN XƯỞNG CHẾ BIẾN THỨC ĂN GIA SÚC

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHÂN XƯỞNG CHẾ BIẾN THỨC

ĂN GIA SÚC

Ngành chế biến thức ăn gia súc đã từ lâu là một trong những nghành tương đối quan trọng của nền kinh tế quốc dân Với nhiệm vụ sản xuất chế biến thức ăn chăn nuôi đáp ứng nhu cầu của sự phát triển kinh tế trong nông nghiệp nói chung Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khác, chế biến thức ăn gia súc cũng không ngừng phát triển cả

về số lượng và chất lượng Phân xưởng có tổng diện tích 6375m2 với các máy có công suất đặt cho trong bảng 1-1

Bảng 1-1: Tên và công suất đặt của máy trong phân xưởng

Ký hiệu trên

mặt bằng

Tên máy Số lượng Công suất

đặt(KW)

1 Đóng bao 3 5KW

2 Nghiền bột 16 12KW

3 Lò hơi 6 20KW

4 Quạt thông gió 4 2KW

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

CHƯƠNG 2

XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN

Khi thiết kế cung cấp điện cho một công trình (cụ thể là phân xưởng

ta đang thiết kế) thì nhiệm vụ đầu tiên của người thiết kế là phải xác định được nhu cầu điện của phụ tải công trình đó (hay là công suất đặt của phân xưởng )

Tuỳ theo quy mô của công trình (hay của phân xưởng ) mà phụ tải điện phải được xác định theo phụ tải thực tế hoặc còn phải kể đến khả năng phát triển trong tương lai Cụ thể là muốn xác định phụ tải điện cho một phân xưởng thì chủ yếu dựa vào các máy móc thực tế đặt trong các phân xưởng phải kể đến tương lai xa Như vậy, việc xác định nhu cầu điện là giải bài toán dự báo phụ tải ngắn hạn (đối với các xí nghiệp, nhà máy công nghiệp) còn dự báo phụ tải dài hạn (đối với thành phố, khu vực ) Nhưng

ở đây ta chỉ xét đến dự báo phụ tải ngắn hạn vì nó liên quan trực tiếp đến công việc thiết kế cung cấp điện phân xưởng ta

Dự báo phụ tải ngắn hạn là xác định phụ tải của công trình ngay sau khi công trình đi vào sử dụng Phụ tải này thường được gọi là phụ tải tính toán Người thiết kế cần phải biết phụ tải tính toán để chọn các thiết bị điện như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóng, cắt, bảo vệ để tính các tổn thất công suất, tổn thất điện áp, để lựa chọn các thiết bị bù Chính vì vậy, phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện Phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công suất và số lượng các thiết bị điện, chế độ vận hành của chúng, quy trình công nghệ của phân xưởng , trình độ vận hành của công nhân v.v Vì vậy, xác định chính xác phụ tải tính toán là một nhiệm vụ khó khăn nhưng lại rất quan trọng Bởi vì, nếu phụ tải tính toán được xác định nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện, có khả năng dẫn đến đến cháy nổ rất nguy hiểm Nếu phụ tải tính toán lớn hơn phụ tải thực tế nhiều thì các thiết bị điện được chọn sẽ quá lớn so với yêu cầu, gây lãng phí và không kinh tế

Do tính chất quan trọng như vậy, nên đã có nhiều công trình nghiên cứu và có nhiều phương pháp tính toán phụ tải điện

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

Nhưng vì phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đã trình bày ở trên và sự biến động theo thời gian nên thực tế chưa có phương pháp nào tính toán chính xác và tiện lợi phụ tải điện Nhưng hiện nay đang áp dụng một số phương pháp sau để xác định phụ tải tính toán:

+ Phương pháp tính theo công suất đặt và hệ số nhu cầu

+ Phương pháp tính theo hệ số cực đại và công suất trung bình + Phương pháp tính theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị

sản phẩm

+ Phương pháp tính theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích

sản xuất

Trong quá trình chuẩn bị thiết kế thì tuỳ theo quy mô, đặc điểm của công trình (nhà máy, xí nghiệp ) tuỳ theo giai đoạn thiết kế là sơ bộ hay

kỹ thuật thi công mà chọn phương pháp tính toán phụ tải cho thích hợp Sau đây sẽ trình bày một số đại lượng, hệ số tính toán và các phương pháp tính phụ tải tính toán

I Các đại lượng cơ bản và các hệ số tính toán

1 Công suất định mức P đm :

Công suất đinh mức của các thiết bị tiêu thụ điện thường được các nhà chế tạo ghi sẵn trên nhãn hiệu máy hoặc trong các lý lịch máy Đối với động cơ, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy chính là công suất cơ trên trục động cơ Công suất đặt là công suất đầu vào của động cơ, vậy công suất đặt trên trục động cơ được tính như sau:

Pđ =

dc

dm

η

P

(2.1) Trong đó:

Pđ : Công suất đặt của động cơ (kW)

Pđm : Công suất định mức của động cơ (kW)

ηdc : Hiệu suất định mức của động cơ

Trên thực tế, hiệu suất của động cơ tương đối cao (ηdc= 0,85ữ0,95) nên ta có thể xem Pđ ≈ Pđm

- Đối với các thiết bị chiếu sáng: Công suất đặt là công suất được ghi trên đèn Công suất này bằng công suất tiêu thụ của đèn khi điện áp trên mạng điện là định mức

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

- Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (như cầu trục, máy hàn v.v ) khi tính toán phụ tải điện của chúng, ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm việc dài hạn

Có nghĩa là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện ε% = 100% Công thức quy đổi như sau:

+ Đối với động cơ: P'đm = Pđm ε% (2.2)

+ Đối với máy biến áp hàn: P'đm = Sđm.cosϕ ε% (2.3)

Trong đó:

P'đm là công suất định mức đã quy đổi về chế độ làm việc dài hạn

2 Phụ tải trung bình P tb :

Phụ tải trung bình là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó Tổng phụ tải trung bình của các thiết bị cho ta căn

cứ để đánh giá giới hạn dưới của phụ tải tính toán Trong thực tế, phụ tải trung bình được tính toán theo công thức sau:

ptb =

t P Δ ; qtb =

t Q Δ (2.4) Trong đó:

P

Δ , QΔ : Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát, kW, kVAr

t: thời gian khảo sát, h

* Phụ tải trung bình cho cả nhóm thiết bị:

Ptb = ∑

= n

1 i tbi

p ; Qtb = ∑

= n

1 i tbi

q (2.5) Biết được phụ tải trung bình ta có thể đánh giá được mức độ sử dụng thiết bị, xác định phụ tải tính toán và tính tổn hao điện năng

3 Phụ tải cực đại P max :

Phụ tải cực đại là phụ tải trung bình lớn nhất được tính trong khoảng thời gian tương đối ngắn (từ 5ữ30 phút) Thông thường lấy thời gian là 30 phút ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất trong ngày

Phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất, để chọn các thiết

bị điện, các dây dẫn và dây cáp theo mật độ kinh tế

4 Phụ tải đỉnh nhọn:

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

Phụ tải đỉnh nhọn (Pđnh) là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian rất ngắn (1÷ 2s) Thường xảy ra khi mở máy động cơ

Phụ tải này được dùng để kiểm tra độ dao động điện áp, điều kiện tự khởi động động cơ, chọn dây chảy cầu chì, tính dòng khởi động của rơle bảo vệ

Phụ tải đỉnh nhọn còn làm ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết

bị khác trong cùng một mạng điện

5 Phụ tải tính toán P tt :

Phụ tải tính toán được tính theo điều kiện phát nóng cho phép, là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng lớn nhất Nói cách khác phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra

Do vậy để đảm bảo an toàn trong mọi trạng thái vận hành, trong thực

tế thiết kế ta chỉ sử dụng phụ tải tính toán theo công suất tác dụng

Ptb ≤ Ptt ≤ Pmax

6 Hệ số sử dụng k sd :

Hệ số sử dụng là tỉ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công suất định mức của thiết bị

+ Đối với một thiết bị: ksd =

dm

tb

p

p (2.6)

+ Đối với nhóm thiết bị: ksd =

dm

tb

PP =

∑

∑

=

= n

1 i dmi

n

1 i tbi

p

p (2.7)

Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được toán như sau:

ksd =

) t

t (t P

t P

t P t P

n 2

1 dm

n n 2

2 1 1

+ + +

+ + +

(2.8)

Hệ số sử dụng nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện trong một chu kỳ làm việc và là số liệu để tính phụ tải tính toán

7 Hệ số phụ tải k Pt :

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

Hệ số phụ tải (còn gọi là hệ số mang tải) là tỉ số giữa công suất thực

tế với công suất định mức Thường ta phải xét đến hệ số phụ tải trong khoảng thời gian nào đó

Nên: kpt =

dm

th−ctÕ

P

P =

dm

tb

PP =

∑

∑

=

= n

1 i dmi

n

1 i tbi

p

p (2.9)

Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được tính như công thức (2.8) sau:

kpt =

) t

t (t P

t P

t P t P

n 2

1 dm

n n 2

2 1 1

+ + +

+ + +

Hệ số phụ tải nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện trong khoảng thời gian đang xét

8 Hệ số cực đại k max : kmax ≥1

Hệ số cực đại là tỉ số giữa phụ tải tính toán và phụ tải trung bình trong khoảng thời gian đang xét:

kmax =

tb

tt

PP (2.10)

Hệ số cực đại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là số thiết bị hiệu quả nhq và hệ số sử dụng ksd và hàng loạt các yếu tố đặc trưng cho chế độ làm việc của các thiết bị trong nhóm làm rất phức tạp nên khi tính toán thường tra theo đường cong: kmax = f(nhq, ksd)

9 Hệ số nhu cầu k nc :

Hệ số nhu cầu là tỉ số giữa phụ tải tính toán và công suất định mức

knc =

dm

tt

PP =

tb

tt

PP

dm

tb

PP = kmax.ksd (2.11)

Hệ số nhu cầu thường được dùng tính cho phụ tải tác dụng Trong thực tế hệ số nhu cầu thường do kinh nghiệm vận hành tổng kết lại

10 Hệ số thiết bị hiệu quả n hq :

Hệ số thiết bị hiệu quả là số thiết bị giả thiết có cùng công suất và chế độ làm việc Chúng đòi hỏi phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm phụ tải thực tế (gồm các thiết bị có chế độ làm việc khác nhau):

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

nhq =

2

n

1 i

2 dm

n

1 i dmi

) (P

P

∑

∑

=

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(2.12)

Khi số thiết bị dùng điện trong nhóm lớn hơn 5 (n >5), thì tính nhq

theo công thức trên khá phức tạp nên người ta tìm nhq theo bảng hoặc đường cong

Trình tự tính như sau:

Trước hết tính: n* =

n

n1

; P* =

P

P1 (2.13) Trong đó:

n: Số thiết bị trong nhóm

n1: Số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nữa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất trong nhóm

P, P1 là tổng công suất ứng với n và n1 thiết bị

Sau khi tính được n* và P* tra bảng hoặc đường cong tìm được n*hq,

từ đó tính nhq theo công thưc sau:

nhq = n.n*hq (2.14)

Số thiết bị hiệu quả là một trong những số liệu quan trọng để xác

định phụ tải tính toán

II Các phương pháp tính phụ tải tính toán

Hiện nay, có nhiều phương pháp để tính phụ tải tính toán Những phương pháp đơn giản, tính toán thuận tiện thường kết quả không chính xác Ngược lại, nếu độ chính xác được nâng cao thì phương pháp tính phức tạp Vì vậy tuỳ theo giai đoạn thiết kế, tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp tính cho thích hợp, sau đây là một số phương pháp xác định phụ tải tính toán thường dùng nhất

1 Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu:

Công thức tính:

Ptt =knc.∑

=

n

1 i di

P (2.13)

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

Qtt = Ptt.tgϕ (2.14)

Stt = P2tt +Q2tt =

ϕ

cos

Ptt (2.15) Một cách gần đúng có thể lấy Pđ = Pđm nên:

Ptt = knc ∑

=

n

1 i dmi

p (2.16) Trong đó:

Pđi, Pđmi : Công suất đặt, công suất định mức của thiết bị thứ i (kW)

Ptt, Qtt, Stt : Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất toàn phần tính toán của nhóm có n thiết bị, (kW, kVAr, kVA)

n : Số thiết bị trong nhóm

knc: Hệ số nhu cầu, tra ở sổ tay kỹ thuật

tgϕ: ứng với cosϕ đặc trưng cho nhóm thiết bị, tra ở sổ tay kỹ thuật Nếu hệ số công suất cosϕ của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì phải tính hệ số công suất trung bình theo công thức sau:

n 2

1

n n 2

2 1 1 tb

P

P P

cos P

cos P cos

P cos

+ + +

+ + +

ϕ (2.17)

Hệ số nhu cầu của các máy khác nhau thường được cho trong các sổ tay

¾ Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện

Tuy nhiên, nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là độ chính xác không cao Bởi vì hệ số nhu cầu knc tra trong các sổ tay là cố định cho trước không phụ thuộc vào chế độ vận hành và số thiết bị trong nhóm Trong lúc

đó, theo công thức trên ta có

knc = kmax.ksd, có nghĩa là hệ số nhu cầu phụ thuộc nhiều yếu tố kể trên

2 Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích

Công thức tính:

Ptt = p0.F (2.18)

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

p0: Suất phụ tải trên 1m2 đơn vị diện tích sản xuất (kW/m2)

F : Diện tích sản xuất (m2)

Giá trị p0 được cho sẵn trong bảng, phụ thuộc vào tính chất của phụ tải phân tích theo số liệu thống kê

¾ Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng Nó được dùng để

tính các phụ tải, các phân xưởng có mật độ máy móc sản xuất phân bố tương đối đều nên chỉ áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ

3 Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm

Công thức tính:

Ptt =

max

0

T M.w (2.19)

Trong đó:

M: Số đơn vị sản phẩm sản xuất ra trong 1 năm (sản lượng)

0

w : Suất tiêu hao điện năng cho 1 đơn vị sản phẩm (kWh/đơn vị sản phẩm)

Tmax: Thời gian sử dụng công suất lớn nhất (h)

¾ Phương pháp này thường dùng để tính toán cho các thiết bị điện

có đồ thị phụ tải ít biến đổi hay không thay đổi như: quạt gió, máy nén khí khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụ tải trung bình và kết quả tương đối chính xác

4 Xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại và công suất trung bình.(phương pháp số thiết bị hiệu quả):

Khi không có các số liệu cần thiết để áp dụng các phương pháp tương đối đơn giản đã nêu ở trên hoặc khi cần nâng cao độ chính xác của phụ tải tính toán thì nên dùng phương pháp này

Công thức tính:

Ptt = kmax.ksd.Pđm (2.20)

Trong đó:

Pđm: Công suất định mức (kW)

ksd : Hệ số sử dụng, tra trong sổ tay kỹ thuật

kmax: Hệ số cực đại, tra trong sổ tay kỹ thuật theo quan hệ:

k = f(n , k )

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điện

¾ Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác vì khi xác định

số thiết bị hiệu quả nhq, chúng ta đã xét tới hàng loạt các yếu tố quan trọng như ảnh hưởng của số lượng thiết bị trong nhóm, số thiết bị có công suất lớn nhất cũng như sự khác nhau về chế độ làm việc của chúng

Trình tự tính toán như sau:

+ Trước tiên dựa vào sổ tay tra các số liệu ksd, cosϕ của nhóm, sau

đó từ số liệu đã cho xác định Pđmmax và Pđmmin Tính:

m =

dmmin

dmmax

P

P

(2.21) Trong đó:

Pdmmax: Công suất định mức của thiết bị có công suất lớn nhất trong nhóm

Pdmmin: Công suất định mức của thiết bị có công suất nhỏ nhất trong nhóm

+ Sau đó kiểm tra điều kiện:

a Trường hợp : m ≤ và 3 ksd ≥0,4 thì nhq = n

Chú ý, nếu trong nhóm có n1 thiết bị mà tổng công suất của chúng không lớn hơn 5% tổng công suất của cả nhóm thì: nhq = n - n1

b Trường hợp : m > và 3 ksd ≥0,2, nhq sẽ được xác định theo biểu thức:

nhq =

dmmax

n

1 i dmi

p

p

2.∑

= (2.22)

c Khi không áp dụng được các trường hợp trên, việc xác định n hq

phải được tiến hành theo trình tự:

Trước hết tính: n* =

n

n1

; P* =

P

P1

Trong đó:

n: Số thiết bị trong nhóm

n1: Số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nửa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất