Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát trạm máy biến áp, máy phát điện cho trạm điện của liên doanh dầu khí vietsovpetro

Để công tác vận hành trạm được nhanh chóng, an toàn, tin cậy, tiết kiệm thời gian và nhân lực vận hành và hiện đại hoá trạm điện tác giả đề xuất phương án cải tạo hệ thống điện trạm 4,2

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lương Minh Tuấn

Điều khiển và tự động hóa

Hà N ội, 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lương Minh Tuấn

Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hoàng Minh Sơn

Hà N ội, 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự

của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó giáo sư - Tiến sĩ: Hoàng Minh Sơn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình bảo vệ và công nhận bởi “Hội Đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật” Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn

Lương Minh Tuấn

Tác giả xin chân trọng cảm ơn:

Sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn là PGS.TS Hoàng Minh Sơn – Bộ môn Điều khiển tự động – Viện Điện

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô trong Bộ môn Điều khiển tự động của Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lãnh đạo xí nghiệp và đồng nghiệp xí nghiệp Cơ Điện – Liên doanh Việt Nga, Vietsovpetro nơi tác giả đang công tác

Đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu của tác giả Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong việc nghiên cứu nhưng kết quả vẫn còn nhiều hạn chế do thời gian có hạn lượng thông tin cần thu thập tìm hiểu nhiều Tác giả trân trọng cảm ơn mọi ý kiến đóng góp xây dựng của các Thầy/Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn và được ứng dụng trong thực tế

Xin chân trọng cảm ơn /

Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn

Lương Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

2

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ,… 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN TRẠM 4,2 10

1.1 GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CẤP ĐIỆN TRONG TRẠM 4,2 10

1.2 MÁY BIẾN ÁP NGUỒN 13

1.3 CÁC TỔ MÁY DIESEL – MÁY PHÁT ĐIỆN 17

1.4 CÁC LỘ PHỤ TẢI 26

1.5 TÌNH TRẠNG VẬN HÀNH-GIÁM SÁT HẠN CHẾ HIỆN NAY CỦA TRẠM 26

1.6 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO, NÂNG CẤP SƠ BỘ 27

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 29

2.2.1 Các trường hợp thiết kế điều khiển tự động 33

2.2.1.1 Trường hợp đang vận hành máy biến áp thì mất nguồn từ lưới Vũng Tàu 33

2.2.1.2 Trường hợp đang vận hành máy phát điện thì có điện từ lưới Vũng Tàu 34

2.2.2 Cách thực hiện chi tiết phương án điều khiển tự động 34

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG VẬN HÀNH – GIÁM SÁT 44

3.1 HỆ THỐNG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUÁ TRÌNH 44

3.2 GIAO DIỆN NGƯỜI MÁY 45

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO, NÂNG CẤP CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN,

ĐIỀU KHIỂN 52

4.1 Bộ điều khiển lập trình PLC 52

4.2 Bay Control Unit 53

4.2.1 Chức năng điều khiển 53

4.2.2 Chức năng giám sát 53

4.2.3 Chức năng bảo vệ 54

4.2.4 Chức năng HMI 54

4.2.5 Chức năng ghi dữ liệu 54

4.2.6 Khả năng kết nối truyền thông 54

4.2.7 Tính năng khác 54

4.2.8 Một số ví dụ về các bộ điều khiển Bay Control Unit 54

4.3 Rơle số đa năng 56

4.3.1 Rơle số đa năng bảo vệ máy phát điện 57

4.3.2 Rơle số đa năng bảo vệ máy biến áp 61

4.4 Thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát 70

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Các bảo vệ máy biến áp hiện đang sử dụng tại trạm 4,2 16

Bảng 2: Các thông số cơ bản của động cơ Diesel Г-72 18

Bảng 3: Các chức năng bảo vệ của rơle SR489 60

Bảng 4: Các bảo vệ máy biến áp theo tiêu chuẩn IEC 62

Bảng 5: Các bảo vệ máy biến áp và đường dây hiện đang sử dụng tại trạm 4,2 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ mặt bằng gian máy và phòng điều khiển 11

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện trạm điện 4,2 12

Hình 3: Hình ảnh máy biến áp 10000kVA trạm 4,2 13

Hình 4: Sơ đồ đấu nối mạch đo lường của máy biến áp 10000kVA trạm 4,2 15

Hình 5: Hình ảnh máy phát điện trạm 4,2 19

Hình 6: Hệ thống phân phối nhiên liệu cho các máy diesel 22

Hình 7: Hệ thống khí nén khởi động 23

Hình 8: Hệ thống nước làm mát máy diesel 24

Hình 9: Hệ thống nhớt bôi trơn máy diesel 25

Hình 10: Sơ đồ đề xuất kết nối thiết bị điều khiển giám sát 28

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý cấp điện trường hợp vận hành máy biến áp 30

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý cấp điện trường hợp vận hành máy phát 32

Hình 13: Sơ đồ mạch SFC tổng quát 35

Hình 14: Sơ đồ mạch SFC diễn giải bước S5 37

Hình 15: Sơ đồ mạch SFC diễn giải bước S6 40

Hình 16: Sơ đồ điều khiển điều chỉnh điện áp và tần số 41

Hình 17: Sơ đồ mạch lôgic khởi động máy diesel số 1 42

Hình 18: Sơ đồ mạch lôgic dừng máy diesel số 1 43

Hình 19: Sơ đồ cấu trúc cây màn hình điều khiển giám sát vận hành 47

Hình 20: Màn hình điều khiển giám sát tổng thể 48

Hình 21: Màn hình giám sát vận hành các máy và các hệ thống chính 49

Hình 22: Màn hình giám sát vận hành máy biến áp 50

Hình 23: Màn hình giám sát vận hành máy phát điện 51

Hình 24: Bộ bảo vệ công suất ngược máy phát 57

Hình 25: Rơle số đa năng bảo vệ máy phát điện SR489 của GE 58

Hình 26: Sơ đồ một dây rơle SR489 và các chức năng bảo vệ 59

Hình 27: Hệ thống rơle cơ khí bảo vệ máy biến áp hiện hữu 61

Hình 28: Rơle số đa năng bảo vệ máy biến áp RET 543 của hãng ABB 66

Hình 29: Rơle số đa năng bảo vệ máy biến áp MICOM P632 của hãng Schneider 66

Hình 30: Rơle số đa năng bảo vệ máy biến áp SR745 của hãng GE 67

Hình 31: Sơ đồ một dây rơle SR745 và các chức năng bảo vệ 68

Hình 32: Sơ đồ phương án đấu nối rơle SR745 69

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trạm điện 4,2 là trạm điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện an toàn và liên tục cho các đơn vị sản xuất trên bờ của Liên doanh Vietsovpetro Hiện nay trạm điện được trang bị một máy biến áp hạ áp 22/6.3kV công suất 10.000kVA và 6 tổ máy phát điện điện áp 6.3kV, công suất mỗi tổ máy 700kW Bình thường trạm được lấy điện từ lưới Vũng Tàu qua máy biến áp 22/6.3kV sau đó cung cấp lên thanh cái của trạm, khi mất điện từ lưới Vũng Tàu thì nhân viên vận hành sẽ phải khởi động 4 trong

6 tổ máy dự phòng lên để cấp điện lên thanh cái của trạm Thời gian vận hành chuyển đổi này trung bình mất khoảng 30-45 phút nếu không để xảy ra trục trặc nào, thời gian mất điện này là tương đối lâu so với yêu cầu sản xuất thực tế của các đơn vị trong Liên doanh, làm ảnh hưởng đến sản xuất và hiệu quả kinh tế Hơn nữa tất cả các thao tác từ cắt máy cắt, chạy máy phát, hoà máy, đóng điện trở lại đều phải vận hành bằng tay bởi

từ 3 đến 4 nhân viên vận hành Các thiết bị bảo vệ đều sử dụng rơle cơ khí nên còn thiếu chức năng bảo vệ, cồng kềnh, kém tin cậy

Một vài năm trở lại đây do nhu cầu sử dụng điện của cả nước nói chung và Vũng Tàu nói riêng rất lớn mà nguồn điện phát triển chưa tương xứng để đáp ứng đủ nhu cầu nên rất thường xảy ra mất điện nhất là vào mùa hè nên trạm 4,2 cũng thường xuyên phải vận hành máy phát dự phòng khi mất nguồn điện lưới Để công tác vận hành trạm được nhanh chóng, an toàn, tin cậy, tiết kiệm thời gian và nhân lực vận hành

và hiện đại hoá trạm điện tác giả đề xuất phương án cải tạo hệ thống điện trạm 4,2 mà trọng tâm là đề xuất phương án để trạm có thể tự động khởi động máy phát dự phòng khi chắc chắn nguồn điện lưới Vũng Tàu đã mất để cấp điện trở lại cho các phụ tải, và

tự động dừng các máy phát dự phòng khi nguồn điện lưới có trở lại

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Tác giả thực hiện đề tài này nhằm mục đích là đề xuất giải pháp nâng cấp, hiện đại

hoá trạm điện 4,2 với hệ thống bảo vệ, điều khiển và giám sát bao gồm các chức năng sau:

- Bảo vệ tự động

- Điều khiển tự động các quy trình chuyển nguồn, khởi động/dừng các máy phát, đóng/cắt các máy cắt, dao cách ly của máy biến áp, của máy phát và của phụ tải

- Điều khiển hoà đồng bộ các máy phát

- Giám sát vận hành bằng phần mềm giao diện người-máy

- Quản lý và lưu trữ các dữ liệu vận hành

- Xuất các tín hiệu cảnh báo, báo động, các thông báo ra màn hình điều khiển trung tâm

NỘI DUNG CẦN THỰC HIỆN

Để đạt được các mục tiêu đặt ra, luận văn cần thực thiện các nội dung như sau:

- Nghiên cứu tính năng, tác dụng và phương pháp kết nối của các thiết bị sử dụng cho giải pháp này nhất là các thiết bị sử dụng mạng truyền thông công nghiệp như các rơle số đa năng, các cảm biến số, RTU, PLC, các phần mềm giám sát HMI

- Nghiên cứu áp dụng sơ đồ SFC cho điều khiển hệ thống điện của trạm.Đưa ra phương án điều khiển tự động dùng sơ đồ SFC bao gồm: tự động chạy/dừng máy phát điện, tự động hoà máy phát, tự động chuyển đổi các lộ máy cắt để cấp điện cho phụ tải Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển và giám sát cho toàn bộ trạm Đưa ra cấu trúc kết nối module truyền thông.Thống kê và chọn chủng loại các thiết bị, phần mềm cần thiết cho bổ sung, thay thế để đáp ứng nhu cầu tự động hoá trạm Thiết kế giao diện HMI sử dụng để giám sát vận hành

BỐ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn này bao gồm 4 chương được bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu hiện trạng hệ thống điện tại trạm 4,2 bao gồm các thiết bị gì, chức năng, nhiệm vụ Sau đó đi phân tích tình trạng vận hành-giám sát hạn chế của hệ

thống điện tại trạm 4,2 hiện nay và đề xuất phương án cải tạo, nâng cấp sơ bộ hệ thống

điện tại trạm 4,2 để trạm có chức năng điều khiển giám sát

Chương 2: Trình bày phương án thiết kế chức năng điều kiện tự động cụ thể cho trạm,

để trạm có thể tự động khởi động máy phát dự phòng hoà vào thanh cái trạm khi mất nguồn điện lưới Vũng Tàu, và tự động dừng các máy phát dự phòng, đóng điện máy biến áp khi có điện lưới trở lại

Chương 3: Trình bày phương án xây dựng hệ thống vận hành giám sát cho trạm

Chương 4: Phương hướng cải tạo, nâng cấp hệ thống điện tại trạm 4,2 để trạm có chức

năng điều khiển giám sát Chương này sẽ liệt kê ra các thiết bị cần thiết để bổ sung, thay thế cho các thiết bị hiện có để đáp ứng nhu cầu nâng cấp, cải tạo trạm có chức năng điều khiển giám sát

Chương 5: Kết luận các kết quả đạt được vả định hướng phát triển khi nâng cấp hệ

thống điện tại trạm 4,2 theo đề xuất trong đề tài này

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN TRẠM 4,2

1.1 GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CẤP ĐIỆN TRONG TRẠM 4,2

Các công trình phục vụ sản xuất trên bờ của Liên doanh bình thường điện được cung cấp từ lưới điện 22kV từ Điện Lực thành phố, ngoài ra Liên doanh có trạm điện 4.2MW dự phòng sử dụng khi mất nguồn điện lưới Trạm này có một máy biến áp 10MVA 22/6.3kV cấp điện cho thanh cái 6.3kV, trạm có 6 máy phát điện dự phòng cấp lên thanh cái 6.3kV, có công suất mỗi máy là 700kW Một số xí nghiệp, trung tâm còn lại của liên doanh Vietsovpetro nằm cách xa khu vực Cảng dầu khí thì sử dụng các máy phát điện dự phòng riêng như Khu nhà ở CBCNV, Trung tâm Y tế Vietsovpetro,

Xí nghiệp Khí, Trung tâm thông tin và liên lạc, Khách sạn Vietsovpetro, Khu du lịch Hồng Phúc Tất cả đều do xí nghiệp Cơ Điện chịu trách nhiệm vận hành, bảo dưỡng sửa chữa trong đó quan trọng nhất là vận hành an toàn, tin cậy, liên tục trạm điện 4,2 Đây là trạm điện đóng vai trò quan trọng khi nguồn điện lưới bị mất do nó chịu trách nhiệm cung cấp điện cho các đơn vị sản xuất nòng cốt trên bờ của Liên doanh Vietsovpetro như Xí nghiệp Xây lắp, Xí nghiệp Cơ Điện, Xí nghiệp Khai thác, Xí nghiệp Vận tải biển, Xí nghiệp Khoan, Xí nghiệp Vận tải ôtô,…

Trạng thái vận hành hiện nay của trạm như sau: Ở trường hợp vận hành cơ bản và thường xuyên là trạm lấy điện trực tiếp từ lưới điện 22kV từ lưới điện Vũng Tàu qua MBA cấp điện cho 2 phân đoạn thanh cái của trạm Khi mất điện lưới Vũng Tàu thì sẽ chạy khoảng 4 máy phát dự phòng lên cấp điện cho 2 phân đoạn thanh cái Khi lưới điện Vũng Tàu có trở lại sẽ tiến hành dừng các máy phát và đóng điện MBA trở lại Tất cả các thao tác chạy, đóng, cắt, hoà máy biến áp, máy phát điện đều phải thực hiện bằng tay tại tủ điều khiển của máy biến áp, máy phát điện

Sau đây tác giả xin giới thiệu sơ đồ mặt bằng gian máy lắp đặt các tổ máy diesel – máy phát điện, phòng điều khiển và sơ đồ một dây cung cấp điện của trạm:

1.2 MÁY BIẾN ÁP NGUỒN

Máy biến áp nguồn là tài sản của trạm và do trạm chịu trách nhiệm vận hành, bảo dưỡng Máy biến áp thuộc loại làm mát bằng dầu được sản xuất tại Liên Xô cũ với trên

25 năm vận hành Các thông số cơ bản của máy biến áp:

- Công suất định mức: 10.000kVA

- Điện áp sơ cấp định mức: 22kV

- Điện áp thứ cấp định mức: 6.3kV

- Tổ nối dây: Yo/-11

- Máy biến áp làm mát bằng dầu

- Điều chỉnh không dưới tải với 5 đầu phân áp ±2,5%Uđm

- %Un: 5

- Số cuộn dây: 2

Hình 3: Hình ảnh máy biến áp 10000kVA trạm 4,2

Hệ thống đo lường của máy biến áp: Sử dụng hoàn toàn bằng các đồng hồ chỉ báo

kim của Nga, chưa có đồng hồ số Các đồng hồ này được đấu thông qua các máy biến

dòng điện (TA1, TA2), máy biến điện áp (VT1, VT2) Các đồng hồ chỉ thị các giá trị điện áp, dòng điện, tần số sơ cấp và thứ cấp máy biến áp; Công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất Các giá trị này đƣợc hiển thị tại ngăn tủ máy cắt máy biến áp và tại phòng điều khiển

Hình 4: Sơ đồ đấu nối mạch đo lường của máy biến áp 10000kVA trạm 4,2

Hệ thống tín hiệu, cảnh báo: Hệ thống tín hiệu bằng đèn sợi đốt, âm thanh bằng còi tại phòng điều khiển và tại tủ điều khiển máy cắt tại gian máy

Hệ thống bảo vệ: Máy biến áp được trang bị các bảo vệ sau đây: Bảo vệ dòng điện cực đại; Bảo vệ kém áp; Bảo vệ quá tải; Bảo vệ so lệch máy biến áp; Bảo vệ làm mát máy biến áp; Bảo vệ quá nhiệt dầu máy biến áp Để thực hiện các chức năng bảo vệ này thì

mỗi loại bảo vệ máy biến áp sử dụng nhiều rơle khác nhau để thực hiện chức năng bảo

vệ đó nên hệ thống bảo vệ rất phức tạp và cồng kềnh Dưới đây tác giả sẽ liệt kê các rơle thực hiện từng chức năng bảo vệ của máy biến áp

Bảng 1: Các bảo vệ máy biến áp hiện đang sử dụng tại trạm 4,2

ДЗТ-11.04

- Rơle bảo vệ so lệch KAT2

ДЗТ-11.04

- Rơle bảo vệ so lệch KAT3

ДЗТ-11.04

- Rơle trung gian KL1 PП-25.04

Bảo vệ dòng cực đại và kém áp

- Bộ bảo vệ AK1 КЗ-36.04

- Rơle lọc điện áp KVZ1

РНФ-1М.04

- Rơle điện áp KV1 PH-54/160.04

- Rơle trung gian KL2 PП-25.04 Bảo vệ quá tải MBA - Rơle dòng điện 1PT PT-40/10.04 Bảo vệ làm mát MBA

- Rơle dòng điện 2PT PT-40/6.04

- Rơle thời gian PB PB-237.04

- Rơle trung gian PП PП-25.04 Bảo vệ quá nhiệt dầu

MBA

- Rơle - cảm biến nhiệt

N/A

Hệ thống điều khiển giám sát: Máy biến áp chưa có hệ thống điều khiển giám sát Tất

cả quá trình hoà, cắt máy biến áp ra khỏi lưới đều phải thực hiện đóng, cắt máy cắt máy biến áp bằng tay tại chỗ (tại tủ điều khiển máy cắt) hoặc từ xa (công tắc tại phòng điều

khiển)

1.3 CÁC TỔ MÁY DIESEL – MÁY PHÁT ĐIỆN

Trạm 4,2 được trang bị các tổ hợp diesel – máy phát điện ДГ-72 có nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải của khu vực Cảng dầu khí Vietsovpetro ở chế độ dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện lưới Vũng Tàu hoặc khi thực hiện các công việc bảo dưỡng, sửa chữa trạm biến áp 10.000kVA

Các thông số cơ bản của máy phát điện đồng bộ CГД-2:

- Công suất định mức: 875/700 (kVA/kW)

1 Trục quay thuận chiều kim đồng hồ nếu nhìn từ phía bánh đà Động cơ liên kết với máy phát CГД-2 qua khớp nối cứng

Bảng 2: Các thông số cơ bản của động cơ Diesel Г-72

Hình 5: Hình ảnh máy phát điện trạm 4,2

Hệ thống đo lường: Sử dụng các đồng hồ chỉ báo kim của Nga, chưa có đồng hồ số

Đo được các giá trị điện áp, dòng điện, tần số, công suất tác dụng, công suất phản

kháng

Hệ thống tín hiệu, cảnh báo: Hệ thống tín hiệu bằng đèn sợi đốt, âm thanh bằng còi tại phòng điều khiển và tại tủ điều khiển tại gian máy

Hệ thống bảo vệ: Máy phát điện được trang bị các bảo vệ sau đây

- Bảo vệ cắt nhanh máy phát

- Bảo vệ quá tải máy phát

- Bảo vệ công suất ngược

Máy diesel có các bảo vệ sau:

- Bảo vệ mất nước làm mát

- Bảo vệ quá nhiệt nước làm mát

- Bảo vệ quá nhiệt nhớt

- Bảo vệ mất áp suất nhớt

- Bảo vệ mất áp suất nhiên liệu

- Bảo vệ vượt tốc máy diesel

Hệ thống điều khiển giám sát: Máy phát điện và máy diesel chưa có hệ thống điều

khiển giám sát Tất cả quá trình hoà, cắt máy phát điện và máy diesel ra khỏi lưới đều phải thực hiện đóng, cắt máy cắt máy phát điện bằng tay tại chỗ (tại tủ điều khiển máy

cắt) hoặc từ xa (công tắc tại phòng điều khiển)

Hệ thống phân phối nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu không được vận hành tự động,

nó chỉ báo mức nhiên liệu cao hay thấp về phòng điều khiển sau đó nhân viên vận hành phải thực hiện dừng bơm (nếu mức cao) và chạy bơm nhiên liệu (nếu mức nhiên liệu

thấp) bằng tay tại trạm bơm

Hệ thống khí nén khởi động: Hệ thống khí nén khởi động được đựng trong các bình

chứa khí nén, mỗi bình dùng để khởi động cho một máy diesel phát điện, các bình này được các máy nén khí cung cấp khi áp suất trong bình giảm xuống Trên các đường ống khí nén ra/vào các bình có các đồng hồ đo áp suất, nhân viên vận hành quan sát để vận hành máy nén khí cho phù hợp Khi khởi động máy diesel phát điện thì nhân viên vận hành cũng phải vận hành bằng tay mở van khí nén để quay máy

Hệ thống nước làm mát máy diesel: Máy diesel sử dụng nước ngọt để làm mát máy

Hệ thống nước ngọt được cấp từ hệ thống nước ngọt từ thành phố vào bể chứa nước ngọt tại trạm sau đó được nhân viên vận hành vận hành bơm nước này lên các thùng chứa nước cho từng máy đặt trên cao, khi vận hành máy nhân viên vận hành mở van khoá cấp nước từ thùng chứa vào làm mát máy diesel Nước sau khi đi qua làm mát máy diesel sẽ được tháp làm lạnh, tại đây nước nóng được tháp làm mát lại và bơm

tuần hoàn trở lại làm mát máy diesel

Hệ thống nhớt bôi trơn máy diesel: Hệ thống nhớt của mỗi máy diesel đƣợc lấy bơm

từ bể nhớt dự trữ chung đến các bể nhớt nhỏ cho từng máy đặt tại ngay trong gian máy phát gần vị trí các máy Nhân viên vận hành hệ thống nhớt này bằng cách đóng/cắt các van, các bơm chuyển nhớt hoặc bơm bằng tay nếu bơm trục trặc hay khi chỉ cần bơm một lƣợng nhớt nhỏ nhớt từ bể chứa

Hình 6: Hệ thống phân phối nhiên liệu cho các máy diesel

Hình 8: Hệ thống nước làm mát máy diesel

Hình 9: Hệ thống nhớt bôi trơn máy diesel

1.4 CÁC LỘ PHỤ TẢI

Các lộ phụ tải là các lộ cấp cho các trạm biến áp từ 6.3/0.4kV đặt ngoài trạm 4,2 bên trong các đơn vị sản xuất trong Cảng Mỗi trạm biến áp 6.3/0.4kV gồm 02 biến áp phân phối cung cấp cho từng xí nghiệp sản xuất trong khu vực Cảng dầu khí của Liên doanh Vietsovpetro

Máy cắt các lộ phụ tải được điều khiển đóng cắt bằng tay tại tủ điều khiển trong gian máy

1.5 TÌNH TRẠNG VẬN HÀNH-GIÁM SÁT HẠN CHẾ HIỆN NAY CỦA TRẠM

Trạm được xây dựng từ thời đầu Liên doanh hoạt động nên hệ thống điện sử dụng các thiết bị đã cũ và lạc hậu, hệ thống bảo vệ hoàn toàn bằng các rơle cơ khí kích thước lớn và khó mua vật tư thay thế tương ứng do các rơle này đã sản xuất từ rất lâu hiện nay ít nhà cung cấp, nhiều loại không còn sản xuất nữa Thiết bị đo lường chỉ sử dụng

hệ thống đồng hồ cơ chỉ thị kim Tất cả các công tác vận hành đều phải thực hiện bằng tay…

Chi tiết từng hệ thống trong trạm điện hiện nay như sau:

+ Về hệ thống bảo vệ máy biến áp và máy phát điện: Chưa đầy đủ các bảo vệ theo tiêu chuẩn Sử dụng các rơle cơ khí nên khó đáp ứng được khi nâng cấp hệ thống điện do chiếm diện tích lắp đặt, phải bổ sung thêm các biến dòng, biến áp Không ghi lại được

dữ liệu quá trình, không giao tiếp truyền thông được

+ Về chức năng điều khiển: Chưa có chức năng điều khiển tự động và điều khiển vận hành, mọi thao tác phải thực hiện bằng tay như đóng, cắt, hoà máy phát, máy biến áp Chạy, dừng bơm nhiên liệu Mở và khoá van khí nén của bình khí nén khởi động

+ Về chức năng giám sát: Chưa thực hiện giám sát bằng máy tính từ xa được hay chưa

có chức năng giao diện người máy

+ Về chức năng thu thập dữ liệu: Chưa có chức năng quản lý, lưu trữ các dữ liệu quá trình, các dữ liệu về tình trạng vận hành của hệ thống, các dữ liệu quá khứ, các dữ liệu cảnh báo, do trạm sử dụng các thiết bị cơ khí cũ không có bộ nhớ lưu trữ dữ liệu

1.6 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO, NÂNG CẤP SƠ BỘ

Để trạm điện có chức năng điều khiển và giám sát thì trạm cần cải tạo, nâng cấp lại như sau:

+ Về hệ thống bảo vệ máy biến áp và máy phát điện: Sử dụng các rơle số bảo vệ máy biến áp và máy phát điện thay thế cho các rơle cơ khí

+ Về chức năng điều khiển: Lắp đặt hai PLC (một chính, một dự phòng) để điều khiển

tự động toàn bộ quá trình vận hành hệ thống điện Lắp các bộ điều khiển ngăn lộ máy cắt (BCU) để thực hiện điều khiển thao tác đóng/cắt máy cắt một cách tự động Trang

bị thêm các cảm biến để thực hiện các chức năng điều khiển như: Tự động mở và đóng các van của các bình khí nén Tự động khởi động các tổ máy, tự động hoà khi mất nguồn điện chính Tự động chạy các bơm nhiên liệu khi mức nhiên liệu xuống thấp đến mức giới hạn Tự động chạy các máy nén khí khi áp suất trong các bình khí nén xuống thấp đến mức giới hạn Trang bị các bộ điều khiển điện áp AVR, điều khiển tốc độ PWM số có thể kết nối truyền thông được

+ Về chức năng giám sát: Trang bị máy tính giám sát vận hành (Operation Station), phần cứng, phần mềm giao diện HMI để thực hiện chức năng giám sát và thu thập dữ liệu và một số chức năng điều khiển hệ thống điện trạm tại máy tính Trang bị máy in

để xuất các báo cáo tự động về tình trạng hệ thống điện

+ Về chức năng thu thập dữ liệu: Dưới thiết bị chấp hành sử dụng các rơle số có bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu vận hành để tra cứu khi cần thiết, cùng với việc lắp đặt một máy tính ghi lại các sự kiện vận hành (Historian Server) và phần mềm HMI được trang bị sẽ giúp cho việc quản lý và lưu trữ dữ liệu được dễ dàng

Từ các đề xuất sơ bộ trên tác giả đưa ra sơ đồ kết nối dự kiến các thiết bị như sau:

Hình 10: Sơ đồ đề xuất kết nối thiết bị điều khiển giám sát

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Trong bài toán thiết kế điều khiển tự động cho vận hành hệ thống điện trạm 4,2 này tác giả sử dụng PLC để điều khiển sử dụng ngôn ngữ lập trình SFC Ngôn ngữ lập trình SFC là một trong những ngôn ngữ lập trình được quy định trong chuẩn IEC 61131-3,

nó rất thích hợp cho việc điều khiển trình tự quá trình chuyển đổi đóng cắt máy cắt, hoà máy phát điện và máy biến áp

Trước khi đưa ra phương án thiết kế điều khiển tự động tác giả xin trình bày trạng thái vận hành của các máy cắt, dao cách ly của máy phát, máy biến áp, phụ tải trạm điện 4,2 khi có điện lưới Vũng Tàu (trường hợp vận hành máy biến áp), và khi mất điện lưới Vũng Tàu (trường hợp vận hành các máy phát dự phòng) Các máy cắt đang đóng được ký hiệu bởi màu đỏ, các máy cắt đang mở được ký hiệu bởi màu xanh

Trường hợp vận hành máy biến áp: Máy biến áp 10000kVA của trạm hoạt động cấp

nguồn từ lưới điện Vũng Tàu cho 2 phân đoạn thanh cái của trạm do vậy:

- Tất cả các máy phát điện không làm việc

- DCL đóng Các máy cắt Q14, Q15 đóng Máy cắt liên lạc Q10 đóng Các máy cắt phụ tải Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13 đóng

- Các máy cắt máy phát Q1Q6 ở trạng thái mở

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý cấp điện trường hợp vận hành máy biến áp

Trường hợp vận hành máy phát dự phòng: Máy biến áp ngừng làm việc, thanh cái

trạm được cấp điện từ các máy phát dự phòng, thường 4 máy phát hoạt động còn 2 máy phát ngừng làm việc (Công suất phụ tải của trạm thường vận hành với 4 máy phát là đủ cung cấp nên trong đề tài này tác giả sẽ thiết lập cho bộ điều khiển khởi động 4 tổ máy phát dự phòng khi mất nguồn điện lưới), lúc này:

- Máy biến áp không làm việc

- DCL mở Các máy cắt Q14, Q15 mở 2 trong số 4 máy cắt máy phát mở (Ví dụ ở đây

là Q3, Q6 mở)

- Máy cắt liên lạc Q10 đóng Các máy cắt phụ tải Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13 đóng 4 trong số 6 máy cắt máy phát đóng (Ví dụ ở đây là Q1, Q2, Q4, Q5 đóng)

2.2.1 Các trường hợp thiết kế điều khiển tự động

Hiện nay trạm được vận hành chủ yếu trong 2 trường hợp cơ bản là: Trường hợp

thứ nhất khi đang vận hành ở nguồn chính (Main power – lấy điện từ lưới Vũng Tàu) qua máy biến áp thì mất điện, thì nhân viên vận hành nhanh chóng thực hiện các thao tác chuyển đổi sang chạy máy phát điện dự phòng cung cấp điện trở lại cho các đơn vị Trường hợp thứ hai là khi đang vận hành ở nguồn dự phòng (Backup power – lấy điện

từ máy phát dự phòng) thì lưới Vũng Tàu có điện trở lại, thì nhân viên vận hành nhanh chóng chuyển từ chế độ cung cấp điện từ máy phát sang chế độ cung cấp điện từ lưới Vũng Tàu qua máy biến áp 10.000kVA của trạm

Sau đây ta sẽ đi xem xét trình tự vận hành của 2 trường hợp đã nêu để thiết kế phương án điều khiển tự động cho 2 trường hợp này:

2.2.1.1 Trường hợp đang vận hành máy biến áp thì mất nguồn từ lưới Vũng Tàu

- Lập tức xuất tín hiệu từ bộ điều khiển đi cắt hết các máy cắt phụ tải ở cả 2 phân đoạn thanh cái: Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13

- Tiếp theo cắt tiếp các máy cắt Q14, Q15, DCL

- Tiếp theo xuất tín hiệu đi khởi động 4 tổ máy diesel phát điện trong 6 tổ máy đang dự phòng bằng cách xuất tín hiệu mở van điện từ các bình khí nén khởi động vào 4 tổ máy diesel

- Khi 4 tổ máy khởi động ổn định sẽ tự động xuất tín hiệu hoà 4 tổ máy phát điện lên 2 phân đoạn thanh cái trạm 4,2 (tức là đóng 4 máy cắt đầu cực các máy phát cấp điện lên

2 phân đoạn thanh cái)

- Tiếp theo đóng lại các máy cắt cấp điện cho 6 lộ phụ tải (đóng các máy cắt Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13)

 Trạm làm việc với 4 tổ máy phát điện dự phòng

- Các máy nén, bơm nhiên liệu, nhớt,…tự động làm việc nạp lại khí cho bình khí nén, bơm nhiên liệu, nhớt, nước làm mát nếu thiếu so với định mức

2.2.1.2 Trường hợp đang vận hành máy phát điện thì có điện từ lưới Vũng Tàu

- Lập tức xuất tín hiệu từ SCADA đi cắt hết các máy cắt phụ tải: Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13

- Tiếp theo xuất tín hiệu đi cắt 4 tổ máy diesel phát điện bằng cách điều khiển van điện

từ đóng đường nhiên liệu cấp vào máy

- Tiếp theo cắt tất cả các máy cắt đầu vào máy phát điện: Q1, Q2, Q4, Q5 Lúc này 2 phân đoạn thanh cái trạm 4,2 không có điện

- Tiếp theo xuất tín hiệu đi đóng DCL, máy cắt Q14, máy cắt Q15, lúc này 2 phân đoạn thanh cái trạm 4,2 có điện từ lưới Vũng Tàu

- Tiếp theo đóng lại các máy cắt cấp điện cho 6 lộ phụ tải (đóng các máy cắt Q7, Q8, Q9, Q11, Q12, Q13)

 Trạm làm việc với máy biến áp 10.000kVA lấy điện từ lưới Vũng Tàu

2.2.2 Cách thực hiện chi tiết phương án điều khiển tự động

Dựa trên trình tự vận hành trong 2 trường hợp vận hành cơ bản đã đề xuất ở mục 3.3.1 tác giả đã thiết kế mô hình SFC cho bộ điều khiển thực hiện 2 nhiệm vụ trên như

sau:

Hình 13: Sơ đồ mạch SFC tổng quát

Trường hợp thứ nhất (đang vận hành nguồn chính qua máy biến áp thì bị mất điện

lưới Vũng Tàu) – tương ứng thoả mãn điều kiện T5 theo sơ đồ SFC, lúc đó hoạt động điều khiển của trạm tiếp theo thực hiện theo nhánh Main Power from ON to OFF

Trường hợp thứ hai (đang vận hành nguồn backup từ các máy phát dự phòng thì có

điện lưới Vũng Tàu trở lại) – tương ứng thoả mãn điều kiện T1 theo sơ đồ SFC, lúc đó hoạt động điều khiển của trạm tiếp theo thực hiện theo nhánh Main Power from OFF

to ON Sau đây tác giả xin trình bày chi tiết hơn về các điều kiện chuyển tiếp, các bước

thực hiện, và hành động của các thiết bị theo sơ đồ SFC này

Điều kiện T5: Main Power from ON to OFF

Bộ điều khiển nhận biết điều kiện này qua các thông tin từ điện áp các pha phản hồi

về từ má dưới máy cắt lưới 22kV Vũng Tàu qua máy biến điện áp Nếu trạng thái lưới Vũng Tàu đang là có điện mà bị mất điện hệ thống điều khiển sẽ thực hiên các bước tiếp theo nhánh T5 này

Điều kiện T1: Main Power from OFF to ON

Bộ điều khiển cũng nhận biết điều kiện này qua các thông tin từ điện áp các pha phản hồi về từ má dưới máy cắt lưới 22kV Vũng Tàu qua máy biến điện áp Nếu trạng thái lưới Vũng Tàu đang là không có điện mà có điện trở lại thì hệ thống điều khiển sẽ thực hiện các bước tiếp theo nhánh T1

Bước thực hiện S5: Starting Diesel Engines

Đây là bước thực hiện sau khi điều kiện T5 được thoả mãn Trong bước này lần

lượt thực hiện các hành động: cắt tất cả các máy cắt phụ tải, cắt máy cắt Q14, Q15 và dao cách ly DCL, đồng thời cùng lúc xuất tín hiệu khởi động 4 tổ máy diesel phát điện Quá trình thực hiện này tác giả biểu diễn bằng sơ đồ SFC chi tiết như sau: