Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng để phân tích các chế độ vận hành hệ thống điện nhà máy lọc dầu dung quất bằng phần mềm Etap

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ HỮU CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỂ PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT BẰNG PHẦN MỀM ETAP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ HỮU CHIẾN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỂ PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT BẰNG PHẦN MỀM ETAP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 1: TS TRẦN TẤN VINH

Phản biện 2: PGS.TS VÕ NGỌC ĐIỀU

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày … … tháng … … năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

I MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề thực hiện đề tài

1.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng trong và ngoài nước:

Mô hình hóa hệ thống/thiết bị là công việc xây dựng các mô hình ảo thiết bị/hệ thống nhằm giả lập các trạng thái vận hành/phản ứng của thiết bị/hệ thống

Mô hình hóa hệ thống điện là yêu cầu thực hiện cho hầu hết các

dự án công nghiệp lớn trên thế giới từ các ngành công nghiệp khai thác, chế biến đến sản xuất đặc biệt được áp dụng trong các ngành công nghiệp năng lượng Một mô hình ảo của hệ thống điện được xây dựng chi tiết và chính xác sẽ là công cụ hỗ trợ hiệu quả cho các công việc từ thiết kế hệ thống, đánh giá thay đổi hệ thống, thiết bị đến tối

ưu năng lượng, đánh giá rủi ro, hỗ trợ vận hành…

1.2 Sự cần thiết/cấp thiết và những lợi ích mà kết quả ĐT/NV mang lại:

Mô phỏng cơ bản một phần hệ thống điện đã được thực hiện bởi nhà thầu Technip và Huyndai để thiết kế và chọn lựa thông số trong giai đoạn thiết kế hệ thống điện nhà máy lọc dầu và phân xưởng PP Cơ sở dữ liệu đầu vào phần lớn là dữ liệu ước đoán (typical data) do vậy độ chính xác của kết quả mô phỏng có độ sai số cao Do không yêu cầu trong hợp đồng, các mô hình này đã không được chuyển giao cho BSR, chỉ một số báo cáo được thực hiện cho yêu cầu thiết kế

Mô hình hóa hệ thống là cơ sở quan trọng, không thể thiếu trong việc quyết định các vấn đề quan trọng trong hệ thống điện NMLD hiện nay:

- Kết nối hệ thống điện NMLD với lưới điện EVN;

- Đánh giá tổn thất năng lượng, độ tin cậy trong các trường hợp vận hành 2 máy phát/ 3 máy phát;

- Mở rộng NMLD;

- Xây dựng chiến lược sa thải tải hiệu quả;

- Đánh giá độ tin cậy, phối hợp bảo vệ trong lưới điện 400V

- Là cơ sở để rà soát và đánh giá các rủi ro tiềm ẩn trong thiết

kế hệ thống điện hiện tại của nhà máy

- Là cơ sở để thực hiện thí nghiệm các thay đổi liên quan hệ thống điện

- Là cơ sở để thực hiện nghiên cứu tổn hao năng lượng

- Là cơ sở để thực hiện việc nghiên cứu kết nối hệ thống điện Nhà máy lọc dầu với lưới điện EVN

- Là cơ sở để thực hiện các nghiên cứu yêu cầu hiện nay cho

hệ thống điện bao gồm đánh giá chất lượng điện năng và an toàn phóng điện (arcflash)

- Là một công cụ hỗ trợ hữu hiệu cho vận hành cũng như đào tạo nhân viên bảo dưỡng và vận hành hệ thống

- Là một trong các yêu cầu bắt buột trong dự án mở rộng nhà máy

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mô hình hóa toàn bộ hệ thống điện NMLD bằng phần mềm Etapnhằm đánh giá các chế độ vận hành của HTĐ NMLD

1.4 N i d ng/n iệm vụ ng i n cứ

- Xây dựng mô hình sơ đồ một sợi mô phỏng toàn bộ hệ thống điện NMLD;

- Mô hình hóa với dữ liệu chính xác tất cả các máy phát, động

cơ cao áp, máy biến áp, hệ thống cáp điện;

- Mô hình hóa toàn bộ bảo vệ relay của hệ thống điện;

- Thực hiện nghiên cứu phân bố tải (Load flow) trong toàn hệ thống;

- Thực hiện nghiên cứu các quá trình khởi động động cơ công suất lớn, các sự cố phổ biến trong hệ thống;

- Thực hiện đánh giá phối hợp bảo vệ relay trong hệ thống (Relay coordination study);

- Đánh giá kết quả mô phỏng với giá trị vận hành thực của nhà máy

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NMLD DUNG QUẤT VÀ PHẦN MỀM ETAP

1.1 Tổng quan về hệ thống điện Nhà Máy Lọc Dầu Dung Quất (NMLD)

1.1.1 Nguồn điện:

Nguồn điện cung cấp cho NMLD bao gồm:

- 04 tổ máy điện tuabin hơi (STG) công suất: 04 x 27 MW

- 02 xuất tuyến 22KV kết nối lưới điện EVN công suất: 02 x 10MW

- 01 Máy phát điện khẩn cấp diesel EDG: 01 x 1.6 MW

Trong chế độ vận hành bình thường 03 tổ máy phát làm việc,

01 tổ máy dự phòng sẽ đủ cung cấp cho nhu cầu điện năng của nhà máy Mạch kép 22 KV cung cấp điện trong quá trình khởi động nhà máy và là nguồn dự phòng khi một trong các tổ máy bị sự cố, đồng thời là nơi xuất điện lên lưới khi nhà máy dư công suất

1.1.2 Hệ thống phân phối:

Các phụ tải được cung cấp điện thông qua 13 trạm biến áp: SS1, SS2, SS4, SS5, SS7, SS8A, SS8B, SS8C, SS9, SS10, SS10A, SS11, SS12

Trạm SS1 là trạm biến áp chính của nhà máy Các trạm biến áp còn lại được cấp điện từ trạm 1 thông qua hệ thống cáp ngầm.Trạm SS2 cung cấp điện cho các phân xưởng 31, 35, 36, 39 và 59 của nhà máy Trạm SS5 cung cấp điện cho các phân xưởng 32, 55 và 60.Trạm SS7 cung cấp điện cho khu nhà hành chính và các xưởng bảo dưỡng, phòng thí nghiệm.Trạm SS8A cung cấp điện cho các phân xưởng 15,

16, 17 và 21.Trạm SS8B cung cấp điện cho các phân xưởng 11, 12,

13 và 14.Trạm SS8C cung cấp điện cho các phân xưởng 18, 19, 20,

22, 23 và 24.Trạm SS9 cung cấp điện cho các phân xưởng 52, 53 và trạm biến áp số 10.Trạm SS10 cung cấp điện cho các phân xưởng 81, Jetty và trạm biến áp số 10A.Trạm SS10A cung cấp điện cho các phân xưởng 81 và Jetty.Trạm SS11 cung cấp điện cho các phân

xưởng 34.Trạm SS12 cung cấp điện cho các phân xưởng 33, 57, 58

1.1.3 Tải tiêu thụ:

Các loại tải chính trong NMLD phân bố ở 2 cấp điện áp, cấp điện áp 6.6kV và cấp 0,4kV

Cấp điện áp 6.6kV có 114 động cơ không đồng bộ công suất từ

150 đến 4500 kW và 3 động cơ đồng bộ công suất 2050kW

Cấp điện áp 0.4kV có khoảng 1200 động cơ đồng bộ công suất đến 132kW ; Các bộ gia nhiệt bằng điện; phụ tải chiếu sáng các loại

và các tải khác

1.1.4 Đ tin cậy vận hành của hệ thống:

Hệ thống điện NMLD vận hành tin cậy và ổn định Trong hơn

10 năm vận hành, một số sự cố liên quan đến hệ thống:

Các sự cố liên quan đến lỗi phối hợp chạm đất trong tủ phân phối cấp 400V gây mất điện sự cố một số cụm tải Vấn đề này đã và đang tiếp tục rà soát để khắc phục trong phạm vi toàn nhà máy

Sự cố mất nguồn toàn bộ phân xưởng PP do chạm đất tại một trong 2 xuất tuyến cấp nguồn 22kV cho phân xưởng Vấn đề đã được khắc phục bằng giải pháp bổ sung bảo vệ chạm đất có hướng cho máy cắt đầu vào và hiệu chỉnh phối hợp bảo vệ

1.1.5 Nhu cầ năng lượng trong mở r ng nhà máy:

- Mở rộng thêm 4 phân xưởng mới;

- Lắp đặt bổ sung 3 trạm điện mới;

- Công suất dự kiến bổ sung khoảng 38MW

Trước tình hình đó việc chủ động về công nghệ là rất cần thiết

để các kỹ sư của NMLD có thể tự thiết kế các phần mở rộng này Đảm bảo cho HTĐ NMLD vận hành an toàn và giảm đáng kể chi phí thiết kế Do đó, việc sử dụng phần mềm thiết kế có độ tin cậy cao, đúng với thực tế như phần mềm Etap là rất cần thiết hiện nay

1.2 Tổng quan mô hình hóa hệ thống điện bằng phần mềm ETAP

1.2.1 Giới thiệu ETAP

Etap là một phần mềm mô phỏng (Etap simulator), là sản phẩm

của công ty Operation Teachnology Inc (OTI) ETAP được ra đời ngay từ những buổi đầu tiên khi máy tính điện toán bắt đầu được sử dụng để hỗ trợ công việc.Phần mềm được dùng để thiết kế và mô phỏng dựa vào những khối có sẵn để mô tả sự vận hành của hệ thống điện.Phần mềm ETAP phân tích và tính toán lưới điện rất mạnh, với qui mô số lượng nút không giới hạn và hoàn toàn có thể áp dụng rộng rãi trong việc tính toán, quản lý và vận hành hệ thống điện ở Việt Nam

1.2.2 Các chức năng của ETAP:

Phần mềm Etap sử dụng phương pháp mô phỏng qua mô hình tính toán.Các phần tử trên lưới được thiết kế dành riêng cho những người chuyên làm về điện.Người sử dụng chỉ cần hiểu sâu về các vấn

đề kỹ thuật và các thuật tính toán liên quan tới thiết kế mạng điện Phần mềm Etap được sử dụng trong các tính toán liên quan tới các vấn đề sau:

(Unbalanced Load Flow Analysis)

Kết l ận:

Trong chương này luận văn giới thiệu tổng quan về hệ thống điện và phần mềm ETAP Mô hình hệ thống sẽ được xây dựng trên

cơ sở phần mềm ETAP với các thông số được xây dựng dựa theo hãng sản xuất (Manufacturer) và kiểu (Model) được cập nhật theo thực tế vận hành và lắp đặt thiết bị của hệ thống

Nhằm đáp ứng các yêu cầu nghiên cứu hiện nay trong hệ thống cũng như việc thiết kế phần mở rộng của hệ thống điện trong tương lai Luận văn đi tìm hiểu về phần mềm mô phỏng hệ thống điện (HTĐ) ETAP nhằm để mô hình hoá hệ thống điện ETAP là một phần mềm toàn điện liên quan đến hệ thống điện trải rộng từ phân tích, mô phỏng, theo dõi, kiểm soát, tối ưu, tự động hóa trong thiết kế

và vận hành hệ thống Sau khi xem xét, ETAP thực sự hiệu quả đối với mục đích nghiên cứu của đề tài với các khả năng thực hiện xây dựng mô phỏng nhanh và cho kết quả chính xác dựa vào hệ thống thư viện thiết bị rộng lớn của ETAP

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA NMLD DUNG QUẤT BẰNG PHẦN MỀM ETAP 2.1 Xây dựng mô hình hóa hệ thống, thiết bị trạm SS1

2.1.1 Xây dựng mô hình thiết bị cấp 22kV

2.1.1.1 Xây dựng mô hình cụm Máy p át t abine ơi

a Máy phát đồng bộ

Các thông số dữ liệu của máy phát đồng bộ được nhập vào phần mềm bao gồm: loại máy phát, công suất, điện áp, số cặp cực và tốc độ quay

Thông số cơ bản: Máy phát cực lồi, 27MW, 11kV, 4 cực, tốc độ:

1500 rpm

b Tua bin hơi và bộ điều tốc

c Bộ kích từ

d Máy biến áp

Thông số, dữ liệu:

Thông số cơ bản: 34MVA, 11/23.1kV, Dyn11, Z=10%

Bảng 2.1 Thông số mô hình MBA

e Relay bảo vệ

Thông số, dữ liệu:

CT : Ratio 1200/1 ; ZCT : CSH200 ; PT : Ratio : 22kV/110V ; Relay bảo vệ : Type: Sepam

Chức năng bảo vệ: 51, 50, 50N

f Máy cắt

Thông số, dữ liệu:

Loại: SCHNEIDER ELECTRIC SF2;

Thông số cơ bản: 24kV, Rated: 1250A AC Breaking: 80kA

Điện áp Mô tả

Tiết diện (mm2)

Đường kính dây dẫn (mm)

Độ dày cách điện (mm)

Bán kính lõi (mm)

Đườn

g kính lớp chống

va đập (mm)

Độ dày Sheath (mm)

Khối lượng Kg/k

Tagname: 1SW31A-MotorLump; 1SW31B-MotorLump

Loại: Động cơ không đồng bộ

Thông số cơ bản: 6.6kV, 3000kW, 1500rpm

Công suất: Dựa trên giá trị thực ghi lại trên Relay

Thông số tải: Centrifugal pump

2.1.3 Xây dựng mô hình hệ thống thiết bị cấp 0.4kV

Hình 2.4 Mô hình cụm Xuất tuyến đầu vào tủ 0.4kV

2.1.3.1 Xây dựng mô hình cụm Xuất tuyến đầu vào tủ 4-1, 1-SW-4-2

1-SW-2.1.3.2 Xây dựng mô hình cụm Tải tổng 0.4kV

a Tải động cơ

b Tải tĩnh

Mô hình hóa toàn bộ trạm SS1:

Hình 2.5.Mô hình toàn bộ trạm SS1

2.2 Xây dựng mô hình hóa hệ thống, thiết bị các trạm SS2, SS4, SS5, SS7, SS8A, SS8B, SS8C, SS9, SS10, SS11, SS12, SS PP

Thực hiện tương tự cách xây dựng mô hình như trạm SS1 tương ứngvới các thông số thực tế của từng trạm ta xây dựng được

mô hình các trạm SS2, SS4, SS5, SS7, SS8A, SS8B, SS8C, SS9, SS10, SS11, SS12, SS PP

2.3 Mô phỏng trào lưu công suất của hệ thống (Load flow analysis)

2.3.1 Mục đíc ng i n cứu

Nghiên cứu trào lưu công suất của hệ thống được thực hiện nhằm kiểm tra, xác định các thông số hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường của hệ thống

Các thông số kết quả từ nghiên cứu được sử dụng trong nhiều tính toán và tối ưu, bao gồm:

- Lựa chọn thiết bị, Lựa chọn nấc phân áp Máy biến áp,

- Tính toán dung lượng bù phản kháng của hệ thống,

- Tính toán và tối ưu tổn hao công suất trong hệ thống

2.3.2 Các p ương p áp tín p ân bố công suất của ETAP 2.3.3 Cấu hình hệ thống cho nghiên cứu phân bố công suất

Nghiên cứu phân bố công suất được thực hiện trên mô hình hệ thống được thực hiện trong phần 2.2 của đề tài và các cấu hình như sau:

- Số máy phát STG vận hành: 03; Số xuất tuyến kết nối lưới: 00; Tất cả các máy cắt phân đoạn cấp 22kV, 6.6kV đều đóng; Tất cả các máy cắt phân đoạn cấp 0,4kV đều mở; Công suất tiêu thụ tải được lấy trong điều kiện vận hành bình thường

Tổng công suất phát 46,51 25

Bảng 2.11 Phân bố công suất trong hệ thống điện của NMLD

Từ kết quả mô phỏng ta thấy phân bố công suất trong hệ thống điện của nhà máy có giá trị gần sát với các thông số vận hành thực tế của hệ thống với sai số nhỏ hơn 3% Do đó ta có thể sử mô hình để có thể tính toán phân bố công suất trong nhà máy hay các phần mở rộng, cũng như các nghiên cứu nâng cao của hệ thống sau này

Chi tiết kết quả mô phỏng ngắn mạch được thể hiện trong phụ lục[2]

2.4 Mô phỏng tính toánngắn mạch ( Short circuit calculation)

2.4.1 Mục đíc của mô phỏng tính toán ngắn mạch

2.4.2 P ương p áp tính toán

2.4.3 Cấu hình hệ thống cho mô phỏng tính toán ngắn mạch 2.4.4 Kết quả nghiên cứu:

Kết quả mô phỏng ngắn mạch được thể hiện trong phụ lục[3]

2.4.5 So sánh kết quả với kết quả tính toán của nhà thầu Technip:

2.5 Phối hợp bảo vệ relay ( Protection relay coordination)

2.5.1 Mục đíc ng i n cứu

Nghiên cứu phối hợp bảo vệ là một trong những nghiên cứu quan trọng của hệ thống, việc lựa chọn các phương thức bảo vệ rơ le trong hệ thống là một bài toán kinh tế - kỹ thuật xét đến nhiều yếu tố:

- Tính chọn lọc: Tác động của bảo vệ đảm bảo chỉ cắt phần tử

bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện;

- Tác động nhanh: Hạn chế được mức độ phá hoại thiết bị, giảm thiểu thời gian tác đống của dòng ngắn mạch lên hệ thống;

- Độ nhạy: Bảo vệ rơle cần phải đủ độ nhạy đối với những hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường có thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện;

- Tính đảm bảo: Đảm bảo tác động chắc chắn trong các trường hợp sự cố trong vùng bảo vệ

- Tính kinh tế: Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật với vốn đầu tư tối

Tiêu biểu xây dựng hệ thống bảo vệ relay trạm 8A

Hình 2.8 Tiêu biểu phối hợp bảo vệ Rơ le trạm 8A

Đề tài đã xây dựng toàn bộ các bảo vệ relay bao gồm các CT/VT trong hệ thống bao gồm:

- Tất cả các relay bảo vệ xuất tuyến cấp nguồn từ Máy phát và lưới

- Tất cả các relay bảo vệ cho 14 trạm biến áp cấp 22kV, 6,6kV, máy cắt đầu vào 0,4kV

- Các relay bảo vệ cho các động cơ tiêu biểu cấp 6.6kV và 0.4

13 trạm biến áp, đường dây, máy phát, động cơ và hệ thống rơle bảo

vệ được nhập đầy đủ vào trong phần mềm Etap nhằm xây dựng môt

mô hình chính xác nhất

Tính chính xác của mô hình được kiểm nghiệm bằng các mô phỏng về tính toán trào lưu công suất trong hệ thống điện; tính toán ngắn mạch và phối hợp bảo vệ rơle trong hệ thống điện

Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỂ RÀ SOÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC RỦI RO CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NMLD

DUNG QUẤT 3.1 Mô phỏng sự cố chạm đất cáp ngầm xuất tuyến 22kV gây mất nguồn toàn bộ phân xưởng PP

3.1.1 Mô tả sự cố:

Vào lúc 15:12:55, 18/9/2013 tuyến cáp ngầm 22kV xuất tuyến 17A từ trạm SS1 sang PP bị lỗi chạm đất dẫn đến phân xưởng PP bị dừng sự cố hoàn toàn Sự cố này đã được báo cáo tại IRI-13-PP-017

Hình 3.1 Sự cố chạm đất phân xưởng PP

Cài đặt bảo vệ chạm đất:

Các cài đặt bảo vệ chạm đất 50N của SW-1(17A)/R1, SW-1-1(18B)/R1, 1S11-INCOM-A/R1, 1S11-INCOM-B/R1 là hoàn toàn giống nhau: 70A, 0.35sec

1-Tại tủ 22kV PP, phối hợp của Bustie và Incomer theo thời gian Dòng cắt giống nhau, nhưng thời gian cắt sớm 70A, 0.15sec

1S11- INCOM A/B

BUSTIE

1S11-FEEDER 17A/18B

SS1 BUSTIE Cài đặt dòng