Hệ Thống điện Và Vấn đề Tiết Kiệm Năng Lượng

1Tổng quan hệ thống điện

Các nguồn điện năng tại Việt Nam: 3 nguồn phát điện chính là thủy điện, nhiệt điện khí và nhiệt điện than, chiếm tới 95% tổng công suất nguồn điện mỗi năm.

Hệ số phát thải của lưới điện Việt Nam là 0.8154 tấn CO2/MWh (2015), 0.9185 tấn CO2/MWh (2016).

Phát – Truyền tải – Phân phối điện

Các cấp điện áp đang vận hành trên hệ thống điện Việt Nam: 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 10kV, 6kV.

Tần số vận hành lưới điện: 50Hz.

Phân bố tổn thất công suất trong một mạng điện (từ lưới trung áp tới hộ tiêu thụ)

Tổn hao hạ áp do chính các thiết bị tiêu thụ điện như động cơ điện, máy bơm, máy quạt, máy nén khí, các thiết bị điện,…-> Vấn đề này liên quan đến hiệu suất của thiết bị điện và quản lý nhu cầu sử dụng điện.

Do vậy, việc sử dụng điện hiệu quả và tiết kiệm điện năng phải được triển khai mạnh trong các doanh nghiệp.

2Hệ thống điện trong nhà máy

2.1Máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị biến đổi một dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi.

Phân loại máy biến áp

2.2Tủ điện phân phối

Tủ điện phân phối được chia thành 2 loại là Tủ điện phân phối tổng (MSB) và Tủ điện phân phối (DB).

Tủ điện phân phối tổng: là loại tủ điện được lắp đặt ngay sau các trạm hạ thế. Chức năng chính của tủ này là đóng cắt, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện phụ tải.

Tủ điện phân phối: được sử dụng trong các mạng điện hạ thế. Vị trí của tủ thường là sau các tủ phân phối tổng tại các nút. Nó là loại tủ điện nhỏ nhất và dùng để cung cấp điện cho các thiết bị.

2.3 Sơ đồ đơn tuyến hệ thống cung cấp điện

Sơ đồ đơn tuyến là bản thiết kế để phân tích hệ thống điện. Sơ đồ này giúp hiểu rõ hơn về thiết kế và bố trí của hệ thống phân phối điện.

Khi hoàn tất các sửa chữa lớn có thể làm thay đổi sơ đồ hệ thống điện hoặc thay thế thiết bị mới thì kỹ sư phụ trách phải trình trưởng bộ phận kỹ thuật thông qua sơ đồ hệ thống điện điều chỉnh.

Ví dụ về một sơ đồ đơn tuyến hệ thống cung cấp điện:

2.4Đồ thị phụ tải, quản lý phụ tải, giá điện

Đồ thị phụ tải: biểu diễn công suất điện tiêu thụ theo thời gian

Nếu công suất điện tiêu thụ được vẽ cho 24 giờ mỗi ngày, đây là “Đồ thị phụ tải theo giờ”.

Nếu công suất vẽ cho ngày trong một tháng thì đây là “ Đồ thị phụ tải theo ngày”.

Quản lý phụ tải

Mục đích chung:

Giảm điện năng tiêu thụ

Giảm chi phí sản xuất điện, giá điện

San bằng đồ thị phụ tải

Các giải pháp quản lý phụ tải hiệu quả

Sắp xếp lại tổ chức sản xuất, bố trí các phụ tải điện hợp lý

Cắt giảm tổng điện năng tiêu thụ

Chuyển dịch phụ tải

Sa thải các phụ tải không cần thiết vào giờ cao điểm

Sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện ít, các thiết bị hiệu suất cao

Sử dụng máy phát dự phòng, diesel vào giờ cao điểm

Cài đặt các thiết bị điều chỉnh hệ số công suất

Giá điện

Giá điện được cập nhật thường xuyên tại trang web của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN)

Do thời gian hoạt động của các đơn vị là khác nhau, giá điện trung bình của mỗi đơn vị được tính bằng công thức:

Giá điện trung bình=(Tổng chi phí tiền điện)/(Tổng điện năng tiêu thụ)

3.Công suất và chất lượng điện năng

Công suất tác dụng (công suất thực):

P = Uicosφ (kW)

Công suất kháng:

Q = UIsinφ (kVAr)

Công suất biểu kiến (tổng)

S = UI (kVA)

Công suất tác dụng, được đo bằng kilowat (kW), là công suất thực tế (còn có tên gọi là shaft power, true power) được sử dụng bởi một phụ tải nhằm thực hiện một nhiệm vụ nhất định.

Tuy nhiên, có một số thiết bị phụ tải như động cơ lại cần một loại công suất khác gọi là công suất phản kháng (kVAr) để tạo ra từ trường. Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến, đơn vị VA hoặc KVA.

Hệ số công suất: là tỉ số giữa công suất hữu dụng (kW) và sông suất biểu kiến (kVA).

Cosφ=(P (kW))/(S (kVA)) ≤1

Ảnh hưởng của Cosφ thấp:

Các biện pháp nâng cao hệ số công suất (Cosφ)

Giảm tiêu thụ công suất phản kháng

Sử dụng thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng nhỏ

Thay các động cơ không đồng bộ non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn

Giảm điện áp đặt vào đối với động cơ thường xuyên làm việc non tải

Hạn chế động cơ làm việc không tải

Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ có cùng công suất khi quy trình công nghệ cho phép

Thay thế và sắp xếp lại các máy biến áp non tải

Sử dụng các thiết bị bù

Cân bằng pha

Sự không cân bằng pha của hệ thống 3 pha xảy ra khi các tải 1 pha được sử dụng, làm cho một hoặc hai pha điện mang nhiều hoặc ít tải hơn

Ảnh hưởng của việc mất cân bằng 3 pha:

Lệch pha: trôi điểm trung tính -> có dòng trong dây trung tính

Tổn thất điện năng trên dây trung tính khoảng 0.4% điện năng tiêu thụ toàn nhà máy

Sóng hài

Sóng hài là những sóng tuần hoàn, hình sin và là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz). Các thành phần này khi cộng với sóng sin nguyên bản (50Hz) sẽ gây méo mó, biến dạng sin.

Nguyên nhân gây sóng hài

Do các tải phi tuyến như: máy hàn điện, lò hồ quang, đèn phóng điện không khí, lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ)

Các biến tần hiện đang được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp hiện đại phục vụ điều khiển motor, chạy tàu biển, giàn khoan, máy bơm, máy quạt,…và đây chính là nguồn tạo ra sóng hài phổ biến.

Ảnh hưởng của sóng hài

Các thành phần sóng hài cộng thêm công suất ảo vào tổng công suất tiêu thụ của máy biến áp, làm máy biến áp quá tải, phát nóng và cháy mặc dù tải chỉ tiêu thụ trung bình.

Làm phát nóng, cháy dây dẫn, các tổn thất nghiêm trọng trong hệ thống điện

Dây dẫn trung tính trong hệ thống 3 pha bị đốt nóng hoặc cháy

Điện áp N-G (trung tính – đất) quá lớn

Cầu dao nhảy không rõ lý do

Hỏng tụ điện bù công suất phản kháng

Các biện pháp giảm sóng hài

Sử dụng loại biến tần có sóng hài thấp – biến tần sử dụng công nghệ giảm sóng hài mà không cần dùng tới bộ lọc ngoài hay biến áp đa xung với tổng độ méo dạng hài dòng điện (THDi) thấp hơn 5%.

Sử dụng bộ lọc: bộ lọc thụ động, bộ lọc tích cực

Bộ lọc thụ động: bao gồm nhiều cuộn kháng và tụ điện được lắp đặt thành mạch cộng hưởng để loại bỏ tần số của bậc hài

Bộ lọc chủ động: tạo ra sóng hài có cùng biên độ với sóng hài bậc k nhưng ngược pha. Nhờ đó mà các thành phần sóng hài của dòng điện bị triệt tiêu.

4Sử dụng thiết bị điện hiệu quả

4.1Máy biến áp (MBA)

Giản đồ năng lượng của máy biến áp

Hiệu suất: η%= P2/P1 100

Các tổn thất trong MBA:

Tổn thất lõi từ (tổn hao sắt) P0 = PFe, không phụ thuộc công suất tải.

Tổn thất đồng P¬cu thay đổi theo công suất tải

Pcu = β2Pn

Trong đó:

Pn = (Pcu)đm

β=I/Iđm

Tổn thất MBA: Pth = Pcu + PFe

MBA đạt hiệu suất cao nhất khi tổn hao sắt bằng tổn hao đồng. Thường máy biến áp điện lực đạt hiệu suất cực đại khi vận hành ở hệ tải khoảng 40% (β = 0.4)

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng khác đối với máy biến áp

Phân phối tải phù hợp giữa các MBA

Trạm biến áp đặt gần các thiết bị động lực

Không sử dụng ổn áp cho các mạch động lực khi dao động điện áp xảy ra với tần suất không lớn.

Động cơ điện

Phân loại các động cơ điện

Hiệu suất động cơ điện

Nguyên nhân làm giảm hiệu suất

Động cơ quấn lại nhiều lần

Động cơ chạy non tải

Bảo trì không tốt

Động cơ vận hành non tải

Sử dụng động cơ hiệu suất cao

Hiệu quả sử dụng động cơ hiệu suất cao

Ví dụ: Động cơ thường và động cơ hiệu suất cao có cùng công suất 7.5kW có giá chênh lệch khoảng 3.4 – 4.5 triệu VNĐ, tuy nhiên hiệu suất chênh lệch khoảng 5%. Vận hành 7200h/năm,

động cơ hiệu suất cao tiết kiệm được 2700 kWh/năm, tương đương 4.8 triệu VNĐ/năm. Thời gian hoàn vốn < 1 năm nếu đầu tư từ ban đầu.

Giảm thời gian hoạt động non tải

Lựa chọn vận hành từ 65 – 100% công suất định mức

Xem xét thay thế động cơ khi tải < 40% công suất định mức

Phù hợp với đặc điểm tải

Nâng cao chất lượng điện năng

Nâng cao hệ số công suất

4.3Sử dụng động cơ servo cho máy may

Sử dụng động cơ servo cho máy may có thể giúp tiết kiệm 60 – 80% điện năng tiêu thụ cho máy may

Chi phí đầu tư trung bình 1.8 – 3 triệu VNĐ/động cơ. Với giá điện hiện tại của EVN thì thời gian thu hồi vốn thường từ 3 – 5 năm.

Nhiều trường hợp cho thấy ngoài tiết kiệm điện, động cơ servo còn giúp tăng sản lượng do có tốc độ cao hơn.

4.4Sử dụng bộ biến tần

Biến tần được sử dụng phổ biến trong các trường hợp động cơ có phụ tải thay đổi: điều chỉnh lưu lượng của bơm, lưu lượng không khí của máy nén, quạt ly tâm, năng suất máy, năng suất chuyền, băng tải,…

Lợi ích của việc sử dụng biến tần:

Tiết kiệm năng lượng

Hệ thống vận hành liên tục, đáp ứng yêu cầu phụ tải

Độ tin cậy cao

Ít gây tiếng ồn

Có khả năng đảo chiều quay và hãm

Đặc tính khởi động mềm và êm máy

Lưu ý khi lắp biến tần:

Xem xét tính chất tải cơ phù hợp

Đặt biến tần gần động cơ (< 30m)

Môi trường ít bụi, tránh rung và nhiệt độ (< 400C)

Lắp các bộ lọc sóng hài

Lắp các thiết bị chống xung bảo vệ biến tần khỏi bị sốc điện

Nối đất thiết bị

Bảo dưỡng, cuốn lại dây, thay thế