Tài liệu Tìm hiểu và xây dựng hệ thống quản lý năng lượng trong các xí nghiệp công nghiệp. đề ra các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

MỞ ĐẦU Từ xa xưa con người đã sử biết sử dụng năng lượng để phục vụ các hoạt động sản xuất, sinh hoạt của mình. Cùng với lịch sử phát triển của con người, con người ngày càng hoàn thiện hơn về phương pháp khai thác cũng như sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Phương pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là vấn đề chung của toàn thế giới. Trữ lượng các nguồn năng lượng hóa thạch là vô cùng hạn chế, nếu tính như tình hình sử dụng năng lượng cũng như những dự báo về năng lượng thì cuối thế kỉ 21 trữ lượng các dạng năng lượng hóa thạch sẽ không còn nhiều. Để giải quyết bài toán về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả con người đã không ngừng nghiên cứu và học tập để tìm ra các nguồn năng lượng mới, tìm ra các phương pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Trên thế giới đã có hàng loạt các tổ chức về năng lượng được thành lập hướng dẫn các công ty sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Là một sinh viên Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh được học tập trong một môi trường khoa học kĩ thuật tiên tiến. Trong quá trình học tập của mình em đã được học tập rất nhiều về các thiết bị sử dụng năng lượng trong công nghiệp. Nhận thấy vấn đề sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là vấn đề quan tâm của cả thế giới, trong quá trình THỰC TẬP TỐT NGHIỆP nhóm em đã chọn đề tài “ Tìm hiểu và xây dựng hệ thống quản lý năng lượng trong các xí nghiệp công nghiệp. Đề ra các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.” . Nội dung bài tiểu luận được em chia làm 3 chương với nội dung cụ thể như sau : Chương 1 : tổng quan Chương 1: Phân tích các giải pháp sử dụng năng lượng Chương 2: Xây dựng giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Năng lượng được sử dụng trong các lĩnh vực giao thông, nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt… Nhu cầu tiêu thụ năng lượng phụ vào cơ cấu hệ thống kinh tế xã hội của mỗi nước mỗi khu vực. Từ một dạng năng lượng sơ cấp có thể chuyển qua các công nghệ năng lượng khác nhau để tới dạng năng lượng hữu ích khác nhau. Ngược lại, mỗi dạng năng lượng hữu ích đều có thể nhận được từ các dạng năng lượng sơ cấp khác nhau. Hay nói cách khác đi, các công đoạn năng lượng có mỗi quan hệ đa phương nhưng rất chặt chẽ để đảm bảo sự cân bằng giữa nguồn và tiêu thụ, có xét đến hiệu suất của các công đoạn. Như vậy hệ thống năng lượng bao gồm các nguồn năng lượng, các khâu chế biến, truyền tải, phân phối và tiêu thụ năng lượng. Hệ thống năng lượng thường được xây dựng theo địa dư, vùng, một quốc gia hay một khu vực các quốc ra. “Sau đây là sơ đồ hệ thống năng lượng quốc gia :” [11] 2 3 1.1.1. Khái niệm hệ thống quản lý năng lượng Hệ thống quản lý năng lượng gồm có: cơ cấu nhân sự theo một tổ chức nhất định thể hiện rõ chức năng, nhiệm vụ của tổ chức cũng như của từng thành viên; quy trình và các công cụ thực hiện việc theo dõi, thống kê, thiết lập các mục tiêu tiết kiệm năng lượng cho doanh nghiệp và kế hoạch thực hiện mục tiêu, đánh giá kết quả đạt được. 1.1.2. Lợi ích của quản lý năng lượng với doanh nghiệp Sử dụng năng tiết kiệm và hiệu quả mang lại lợi ích không chỉ cho doanh nghiệp như giảm chi phí năng lượng, tăng khả năng cạnh tranh, tăng năng suất sản xuất, cải thiện chất lượng hàng hóa...; cho quốc gia như giảm nhập khẩu năng lượng, tiết kiệm nguồn tài nguyên quốc gia, tiền tiết kiệm được có thể dùng cho các hoạt động xóa đói giảm nghèo, chủ động hơn trong sản xuất và tiêu thụ năng lượng mà còn đối với toàn cầu sẽ giúp giảm phát thải khí nhà kính, duy trì và ổn định môi trường bền vững Doanh nghiệp sẽ có một quy trình quản lý chi phí năng lượng một cách có hệ thống nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất. Giảm chi phí vận hành và bảo trì, nghĩa là giảm được giá thành và tăng khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp. Qua đó sẽ tăng nhận thức của nhân viên về việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, giảm lãng phí. Nâng cao kiến thức của lãnh đạo và nhân viên về quản lý năng lượng. Nhờ vậy doanh nghiệp sẽ có một kế hoạch và mục tiêu rõ ràng về sử dụng năng lượng. Điều quan trọng khác là hệ thống quản lý năng lượng sẽ hỗ trợ tích cực cho những hệ thống quản lý chất lượng khác như ISO 9001, 14001, TQM, v.v... 1.2. Tình hình sử dụng năng lượng tại các doanh nghiệp việt nam Tại Việt Nam, trong những năm qua, với sự tăng trưởng liên tục ở tốc độ cao của nền kinh tế, tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa được đẩy mạnh, mức sống của người dân tăng lên đã làm cho nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn. Trong khi đó, giới hạn về công nghệ và tài chính không cho phép chúng ta phát triển 4 nhanh các nguồn năng lượng mới thay thế các nguồn năng lượng truyền thống cho nên thiếu hụt năng lượng là một thực tế hiển nhiên. Theo dự báo, tốc độ tăng trưởng nhu cầu năng lượng của toàn bộ nền kinh tế giai đoạn 2001-2020 là 8,18,7%. Trong đó, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong công nghiệp tăng nhanh: từ 4,36 triệu tấn TOE (năm 2000) lên đến 16,29 triệu tấn (năm 2010), 23,74 triệu tấn (năm 2015), và 33,12 triệu tấn năm 2020. Mặt khác do trình độ công nghệ của nhiều ngành sản xuất trong nước còn lạc hậu và phương thức quản lý còn yếu kém nên việc sử dụng năng lượng còn lãng phí. Cường độ năng lượng của Việt Nam cao gấp 2 lần so với các nước trong khu vực. Cụ thể là hiệu suất sử dụng trong các nhà máy đốt than, dầu của Việt Nam mới chỉ đạt 28÷32% thấp hơn các nước đang phát triển 10% . Các lò hơi công nghiệp có hiệu suất sử dụng chỉ khoảng 60%, thấp hơn mức trung bình thế giới khoảng 20%. Tính trung bình, để làm ra cùng một giá trị sản xuất công nghiệp của nước ta phải tiêu tốn năng lượng gấp 1,5-1.7 lần các nước phát triển trên thế giới. khoảng 95% các công trình thương mại và nhà ở cao tầng tại việt Nam không tích hợp tính hiệu quả trong sử dụng năng lượng vào khâu thiết kế cơ bản và vận hành công trình. Ở các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đội ngũ chiếm tới 95% số doanh nghiệp cả nước. Không ít doanh nghiệp nhóm này sử dụng máy móc thiết bị cũ kỹ, lạc hậu khiến năng lượng tiêu hao lớn. Đồng thời, tác động rất xấu đến môi trường sống của dân cư xung quanh. Chẳng hạn, doanh nghiệp sản xuất gốm sứ tập trung với mật độ lớn trong một làng nghề và sử dụng nhiên liệu chủ yếu là than và củi đã thải ra khí COx, SOx, NOx tác động trực tiếp đến môi trường sống của người dân. Hay việc sản xuất gạch thủ công cũng dùng than, củi với số lượng lớn làm ô nhiễm không khí, gây ra hiện tượng mưa axit, tác động đến môi trường sản xuất nông nghiệp. Từ đó dẫn đến các tranh chấp, kiện tụng không đáng có giữa người sản xuất gạch và sản xuất nông nghiệp. 5 Phó Vụ trưởng Vụ KH&CN, Bộ Công Thương cho biết: Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong các ngành sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, thép, hàng tiêu dùng như dệt may, giấy, chế biến thực phẩm từ 20-50%, ngành xây dựng dân dụng và giao thông vận tải có thể đến 30%. Tuy nhiên, thực tế lại đang tồn tại khá nhiều rào cản đối với việc sử dụng NL tiết kiệm và hiệu quả. Theo PGS. TS Phạm Hoàng Lương, Viện Tiên tiến KH&CN, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trước hết là rào cản kỹ thuật, đó là sự thiếu hiểu biết về tiết kiệm năng lượng như thiếu đồng hồ đo, thiếu thông tin về công nghệ hiệu quả năng lượng, ý thức của cán bộ quản lý, cán bộ vận hành thiết bị còn yếu... Tiếp đến là rào cản kinh tế như việc phân tích tài chính không phù hợp, thiếu vốn đầu tư. Bên cạnh đó, là rào cản về thể chế, chính sách, thiếu các chính sách thúc đẩy việc sử dụng năng lượng theo hướng tiết kiệm và hiệu quả. Do vậy, cần thực hiện quản lý nội vi tốt, thay thế các thiết bị kém hiệu quả, giảm tình trạng chạy non tải, tái sử dụng các nguồn năng lượng, tài nguyên; Tiến hành xây dựng mô hình quản lý năng lượng đối với cơ sở sản xuất công nghiệp bao gồm các bước thực hiện sau: Nhận thức về tiết kiệm năng lượng, cam kết của các lãnh đạo, kiểm toán năng lượng sơ bộ, kiểm toán năng lượng chi tiết, thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng không chi phí hoặc chi phí thấp sau đó tiến hành nghiên cứu tiền khả thi của các giải pháp cần đầu tư lớn, tìm nguồn tài chính, mua sắm thiết bị, xây dựng và chạy thử nghiệm; Tiếp đến theo dõi, đánh giá kết quả của các giải pháp, và thiết lập các định mức tiêu thụ năng lượng nhờ hệ thống quan trắc... Nhiều chuyên gia cho rằng để việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng thực sự trở thành thói quen của các tổ chức, cá nhân và cộng đồng trước mắt việc ban hành Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc cấp bách cần làm càng sớm càng tốt, bởi vì luật là căn cứ pháp lý cao nhất để các tổ chức và cá nhân chấp hành và thực hiện. Chúng ta phải xây dựng một thị trường tiết kiệm năng lượng, trong đó vai trò lãnh đạo của Nhà nước là yếu tố quyết định. Một loạt chính sách đồng bộ, cụ thể 6 cần được thực thi để bắt buộc và khuyến khích các doanh nghiệp, các nhà chế tạo thiết bị sử dụng năng lượng có kế hoạch cải tiến, đổi mới công nghệ theo hướng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng. Đồng thời tuyên truyền rộng rãi hơn nữa để toàn bộ người dân có ý thức và thói quen hành động vì một xã hội tiêu phí ít năng lượng hơn. Được biết gần đây, Bộ KH&CN triển khai thực hiện dự án “Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các doanh nghiệp nhỏ và vừa Việt Nam” (PECSME) với tổng kinh phí thực hiện là 28,8 triệu USD. Mục tiêu của dự án là đưa ra những giải pháp tiết kiệm năng lượng, giúp doanh nghiệp giảm 10-15% chi phí năng lượng. Đồng thời giảm tốc độ phát thải khí nhà kính từ 5 ngành công nghiệp: gạch, gốm sứ, giấy và bột giấy, dệt may, chế biến thực phẩm.” [16] Chương 2 7 PHÂN TÍCH CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG A. Các giải pháp trong hệ thống điện 2.1. Giải pháp trong sử dụng vận hành máy biến áp 2.1.1. Giới thiệu Điện năng là năng lượng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp . Điện năng được sản xuất ra ở các nhà máy phát điện qua các khâu truyền tải, phân phối đến các phụ tải của các nhà máy xí nghiệp. Ở đây điện năng được chuyển thành các dạng năng lượng khác VD: cơ năng (động cơ), nhiệt năng (điều hòa không khí, lò hơi, lò sấy, lò lung..) quang năng ( chiếu sang..), hóa năng (điện phân..). Các xí nghiệp tiêu thụ khoảng 70% tổng điện năng được sản xuất ra vì thế việc sử dụng hợp lý và tiết kiêm điện năng trong các xí nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng . Sơ đồ truyền tải điện năng từ hệ thống điện đến các phụ tải nhà máy sản xuất. Lưới cung cấp điện Trạm biến áp nhà máy Phụ tải tiêu thụ điện nhà máy Để sử dụng năng lượng hiệu quả trước tiên ta áp dụng các biện pháp nhằm giảm tổn hao trong khâu phân phối điện từ trạm biến áp đến các phụ tải. Điện năng truyền tải từ hệ thống điện đến trạm biến áp hạ áp của nhà máy xí nghiệp qua các máy biến áp được phân phối đến các phụ tải . Vì vậy vấn đề đầu tiên để quản lý việc sử dụng năng lượng hiệu quả là giảm tổn hao trên các máy biến áp và đường dây phân phối . Những tổn hao chủ yếu trong khâu phân phối điện từ trạm biến áp đến các phụ tải . - Tổn hao trên máy biến áp . 8 - Tổn hao trên đường dây truyền tải. Các biện pháp giảm tổn hao trong máy biến áp : Trong quá trình truyền tải công suất qua máy biến áp thì tổn hao chủ yếu là tổn hao đồng pcu trên các điện trở dây quấn sơ cấp, thứ cấp, tổn hao sắt từ p fe trong lõi thép do dòng điện xoáy và do từ trễ. “Hiệu suất máy biến áp sẽ đạt cực đại ở mội tải nhất định ứng với tổn hao không đổi bằng tổn hao biến đổi hay tổn hao sắt bằng tổn hao đồng . Thông thường máy biến áp làm việc ở hệ số tải β = 0,5÷0,7 nên người ta thường thiết kế η max ở giới hạn P0 P0 P đó của β . Muốn vậy ta phải có Pn = 0,25 ÷0,5 vì β = n “ [5] Hệ số tải máy biến áp thường được xác định bằng cách đo dòng tải I 2 ( điện áp tải đo trên các đầu ra của máy biến áp bằng các thiết bị đo đặc :ampe kế, máy biến dòng dùng khi dòng lớn , thiết bị phân tích công suất, đồng hồ vạn năng…): I2 β = I đm Tổn hao trong máy biến áp : P∑ = p0 +β2. pn Với các thông số ghi trên catalog máy biến áp ta tính được tổn hao này . Ngoài ra để đánh giá hiệu suất của máy biến áp khi tải thay đổi , người ta xét hiệu suất máy biến áp trong 1 năm . Đó là tỉ số giữa điện năng đầu ra của máy biến áp tính theo kilooat giờ với điện năng ở đầu vào cũng trong thời gian đó. Vì tải máy biến áp có thể thường xuyên thay đổi theo đồ thị phụ tải nhà máy lên xem xét tải máy biến áp xem xét tại các thời điểm khác nhau trong quá trình sản xuất. 2.1.2. Các giải pháp sử dụng máy biến áp hiệu quả và tiết kiệm năng lượng : 2.1.2.1. Chọn dung lượng máy biến áp hợp lý : 9 Tổn hao sắt gần như không đổi trong suốt thời gian làm việc của máy biến áp trừ khi có sự thay đổi điện áp đầu vào. Tổn hao này tuy nhỏ song lại luôn có khi máy làm việc . Vì vậy chọn dung lượng hợp lý cũng giúp giảm tổn hao trên máy biến áp quá lớn thì tổn hao càng lớn. Mặt khác tổn hao đồng lại biến động theo dòng điện tải . Chọn dung lượng máy biến áp hợp lý sẽ cho ta hệ số tải tối ưu và đưa máy vào vùng làm việc với hiệu suất cao nhất . Tuy nhiên việc lựa chọn chính xác dung lượng máy biến áp phải dựa trên điều kiện sản xuất thực tế, dự án phát triển sắp tới để tính toán cho phù hợp . Việc lựa chọn thay thế máy biến áp phải dựa trên các chỉ tiêu về kinh tế kĩ thuật , đảm bảo máy làm việc ở chế độ tối ưu nhất, giảm các tổn hao trong máy. 2.1.2.2. Phân phối tải phù hợp giữa các máy Thường các nhà máy sử dụng nhiều máy biến áp trong hoạt động phân phối cho các hệ thống tải độc lập nên trong quá trình sử dụng có thể có những máy chạy không tải hoặc quá non tải, trong khi các máy khác lại vận hành tới hạn thậm chí quá tải . Vì vậy việc phân phối tải phù hợp giữa các máy biến áp sẽ giúp các máy làm việc với tải tối ưu nhất giảm tổn hao trên các máy biến áp. Áp dụng một số giải pháp phân phối tải sau : - Ghép phụ tải những máy non tải hoặc ít vận hành sang máy khác còn dung lượng, qua đo đặc tải các máy biến áp để áp dụng. Gỡ bỏ những máy không cần thiết ra khỏi lưới điện đã tính đến các yếu tố về kĩ thuật( khi sảy ra sự cố các máy còn lại vẫn làm việc bình thường..) - Ghép nối các máy biến áp làm việc song song nếu đủ điều kiện và đã tính về hiệu quả kinh tế kĩ thuật .  Điều kiện kĩ thuật để máy có thể ghép song song với nhau :  Điều kiện cùng tổ nối dây  Điều kiện tỉ số biến đổi bằng nhau 10  Điều kiện trị số điện áp ngắn mạch bằng nhau ( theo quy định u n các máy biến áp làm việc song song không được sai khác  10% và tỉ lệ 1 1 : u dung lượng khoảng 3:1) βI : βII = n1 u n 2  Điều kiện về kinh tế : Tổn hao khi máy làm việc song song là nhỏ nhất. 2.1.2.3. Điều chỉnh điện áp ra của máy biếp áp phù hợp với tình trạng làm việc của phụ tải . Tải chủ yếu trong nhà máy là động cơ điện , một phần chiếu sáng (bóng đèn). Với hệ thống chiếu sáng khi điện áp giảm hiệu suất phát sáng giảm khi ở các giờ cao điểm điện áp hệ thống có thể bị giảm xuống ta có thể điều chỉnh tăng lên một it ở máy biến áp nhờ các cấp điều chỉnh ở máy biến áp ( 0, 2,5%, 5%) . Còn khi lưới điện vào ban đêm có thể cao hơn mức bình thường vì thế ta có thể vận hành điều chỉnh giảm điện áp . Vừa giảm tổn hao , vừa giảm hỏng hóc của đèn. Ta có các công thức thể hiện ảnh hưởng của điện áp đến quang thông, tuổi thọ của đèn. “Gọi Ф0, I0, P0, D0 là quang thông, dòng điện, công suất, tuổi thọ của đèn ở điên áp định mức U0, khi ta đặt lên đèn một điện áp U thì có quan hệ: 7 3 27 U U  U   I U P P           0 U0  P0 U0  U 0 P0  U 0  ; I0   ; ; Dễ nhận thấy rằng một đèn tuổi thọ 2000 giờ khi điện áp giảm 10% tuổi thọ là 3700 giờ, còn khi điện áp tăng 5% thì tuổi thọ chỉ còn 500 giờ.” [3] Đối với động cơ, ta biết tổn hao sắt trong thiết bị điện tỉ lệ với bình phương điện áp . pfe = p1/50 . B2.(f/50).β E = 4,44.f.w.B.T Trong đó : 11 pfe : tổn hao sắt B : mật độ từ cảm trong lõi thép f : tần số w : số vòng dây T : tiết diện lõi thép β : hệ số phụ thuộc tính năng của thép E : sức từ động hay điện áp đặt vào thiết bị Nếu động cơ làm việc non tải , nên điều chỉnh điện áp xuống thấp để nâng cao hệ số cosφ . Khi giảm điện áp hợp lý sẽ giảm tổn hao sắt trong các thiết bị điện. Khi điều chỉnh núm điều chỉnh điện áp trên máy biến áp phải kiểm tra thông mạch của tiếp điểm chuyển mạch. 2.1.2.4. Giải pháp trong lắp đặt, vận hành máy biến áp trong nhà máy Khi phân phối công suất từ máy biến áp đến các phụ tải qua các đuờng dây truyền tải . Trong quá trình hoạt động có tổn hao trên đường dây truyền tải p =I2.R . Vì vậy đường dây dài tổn hao lớn , dây không phù hợp tăng tổn hao, những mối nối chưa đúng, đường dây cũ nát cũng là các nguyên nhân gây tăng tổn hao trong khâu này. Do đó khi tính toán thiết kế xem xét vị trí đặt trạm biến áp phù hợp gần trung tâm phụ tải . Vị trí đặt của tủ điện phân phối hợp lý, phương pháp đi dây hợp lý tiết kiệm nhất. Tất nhiên phải xem xét thêm các yếu tố khác như : mặt bằng, an toàn, tiêu chuẩn xây dựng…. Trong vận hành máy biến áp xét thời gian phụ tải nhỏ (ca ba trong sản xuất) nên chuyển bớt tải những máy non tải chuyển sang máy khác, cắt các máy không tải. - Đối với các nhân viên vận hành trạm biến áp phải được đào tạo để sử dụng hợp lý nhất . Thường xuyên kiểm tra các quá trình bảo dưỡng bảo trì máy. - Với mạng lưới dây dẫn điện : - Thay thế các đoạn dây quá tải bằng dây có tiết diện lớn hơn (nếu có) - Thay các đoạn dây cũ nát, rò điện bằng các đoạn dây mới cùng tiết diện 12 - Sửa chữa các mối nối, các chỗ tiếp xúc ở cầu dao, cầu trì, phích cắm bị nóng quá mức - Kiểm tra các mối nối, mối nối nào nóng, tiếp xúc chưa tốt kiểm tra nối lại 2.2. Hệ thống bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosφ 2.2.1. Giới thiệu Hệ số công suất cosφ là một chỉ tiêu để đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không?. Do nhà nước đã ban hành các chính sách để khuyến khích các xí nghiệp phấn đấu nâng cao hệ số công suất cosφ. Hệ số công suất cosφ của các xí nghiệp nước ta hiện nay nói chung còn thấp (khoảng 0,6-0,7), chúng ta phấn đấu nâng cao dần lên (đến trên0,9). Cần thấy rằng việc thực hiện tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số cosφ không phải là các biện pháp tạm thời để đối phó với tình hình thiếu điện, mà phải coi như là một chủ trương lâu dài gắn liền với mục địch phát huy hiệu quả cao nhất của quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện năng. Ý nghĩa của việc nâng cao hiệu suất cosφ không chỉ ở chỗ giảm giá thành sản phẩm, có lợi cho bản thân xí nghiệp mà còn ở chỗ có thêm điện năng để sản xuất ngày càng nhiều, có lợi cho nền kinh tế quốc dân. Tất nhiên khi thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng chúng ta cần chú ý không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng và số lượng sản phẩm hoặc làm ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của công nhận. 2.2.2. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ “Nâng cao hệ số công suất cosφ là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Sau đây chúng ta sẽ phân tích những hiệu quả do việc nâng cao hệ số công suất đem lại. Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Những thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng là : - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65% tổng công suất phản kháng của mạng; - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20-25%; 13 - Đường dây trên không, điện kháng và các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%; “Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất. Công suất tác dụng P được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện; còn công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và hộ tiêu thụ là quá trình dao động. Mỗi chu ki của dòng điện, Q đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong 1/2 chu kì bằng không. Cho nên việc tạo công suất phản kháng Q không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn (máy phát điện). Vì vậy để tránh truyền tải một lượng lớn Q trên đường dây, người ta đặt gần các hộ dùng điện máy sinh ra Q (tụ điện, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có bù công suất và điện áp trong mạch sẽ giảm đi, do đó hệ số cosφ của mạng được nâng cao, giữa P,Q quan hệ như sau: Q φ=arctag P Khi lượng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống, do đó góc φ giảm, kết quả cosφ tăng lên Hệ số công suất cosφ được nâng lên đưa đến những hiệu quả sau đây: Q tb cosφ =arctag Ptb tb Hệ số cosφtb được dùng để đánh giá mức độ sử dụng tiết kiệm và hợp lý của xí nghiệp. Hệ số công suất tự nhiên là hệ số cosφ trung bình tính cho cả năm khi không có thiết bị bù. Hệ số cosφ tự nhiên được dùng làm căn cứ để tính toán nâng cao hệ số công suất và bù công suất phản kháng.” [7] Các công ty hiện nay áp dụng biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ vừa giảm giá điện phải trả do không phải mua phần công suất phản kháng do sử dụng quá 14 quy định cho ngành điện, vừa góp phần mang lại những lợi ích hiệu quả cho hệ thống điện. - Giảm được tổn thất công suất - Giảm được tổn thất điện áp - Tăng khả năng truyền tải 2.2.3. “Sự tiêu thụ công suất phản kháng” [8] 2.2.3.1. Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chính trong lưới điện. Chế độ làm việc của nó ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị tiêu thụ công suất phản kháng, có lúc giá trị nhu cầu công suất phản kháng lớn hơn công suất tác dụng của nó. Công suất phản kháng của động cơ gồm 2 thành phần chính. a. Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp Q 1 = m1.I12.X1 và trong mạch điện thứ cấp Q 2 = m1.I12.X2 với m1 là số pha - Hoặc tính theo catalog thiết bị I P 1 (tg dm  . 0) cos dm I dm Qtt = Q1 + Q2 = Pdm .dm Trong đó : P : công suất tải thực tế của động cơ (đo bằng bộ phân tích công suất); Pđm, cosφđm, Iđm : công suất, hệ số công suất, dòng điện định mức của động cơ; ηđm : hiệu suất của động cơ theo định mức; I0 : dòng điện không tải; b. Phần công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở: Qµ = m1.I1.Xm Hay tính theo catalog của thiết bị : 15 I0 Pdm . Qµ = I dm dm .cosdm Một số lưu ý đối với động cơ không đồng bộ : Khi điện áp tăng, sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng do mức độ từ hóa tăng và tản từ tăng, do vậy khi vận hành ở các máy non tải có thể tiến hành giảm điện áp để giản tổn thất . Đối với những động cơ công suất nhỏ do tăng một cách tương đối khe hở không khí giữa roto và stator làm tăng lượng tản từ, do vậy công suất phản kháng tăng. Động cơ có tốc độ thấp, hiệu suất kém, tiêu thụ công suất phản kháng tăng. 2.2.3.2. Máy biến áp Máy biến áp tiêu thụ công suất phản kháng dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp. Công suất phản kháng tiêu thụ của máy biến áp gồm 2 thành phần : - Công suất phản kháng dùng để từ hóa lõi thép không phụ thuộc vào tải: i0 %.Sdm Q0= 100 Với : Sđm : dung lượng định mức máy biến áp; I0% : dòng điện không tải tính theo % của dòng điện định mức máy biến áp . - Công suất tản từ máy biến áp phụ thuộc vào tải: Qtt=  2. un % .Sdm 100 Với : β : hệ số mang tải của máy biến áp; uN% : điện áp ngắn mạch phần trăm; 2.2.3.3. Đèn huỳnh quang 16 Thông thường đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng điện. Tùy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ 1 của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3÷0,5. Với các đèn ống hiện đại thường có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ1 gần bằng 1 . Do vậy ta không cần hiệu chỉnh hệ số công suất . Tuy nhiên bộ khởi động điện tử này sinh ra các sóng hài . cos  Hệ số công suất của đèn: P1  Pv U dm .I1 Trong đó : I1 : dòng điện qua đèn; PI : công suất tác dụng của đèn; Pv : tổn thất công suất qua chấm lưu Tụ điện mắc song song để hiệu chỉnh hệ số công suất của đèn có dung lượng : Qc = (PI + Pv ).(tgφ1 –tgφ2) C Qc 2 fdm .U 2 17 Việc bù đèn huỳnh quang bằng ghép tụ điện song song không thích hợp cho hệ thống các bộ điều kiển sóng AF, trong trường hợp này người ta dùng chấn lưu điện dung( tụ điện mắc nối tiếp) 2.2.4. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất 2.2.4.1. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên - Thay đổi và cải tiến qui trình công nghệ để thiết bị làm việc ở chế độ hợp lý nhất. Sắp xếp điều chỉnh lịch trình sản xuất trong nhà máy để đảm bảo các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy ném, bơm, quạt, máy hàn..) không thường xuyên bị không tải hoặc non tải trong quá trình làm việc. - Thay thế các động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn. Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng : Q  Q0  (Qdm  Q0 ).k pt2 Trong đó : Q0 - công suất phản kháng lúc động cơ làm việc không tải Qđm - công suất phản kháng lúc động cơ làm việc định mức kpt - hệ số phụ tải Do vậy thay thế động cơ làm việc non tải bằng động cơ công suất nhỏ hơn ta sẽ tăng được kpt , do đó nâng cao được cosφ của động cơ. 18 Khi thay thế động cơ cần cân nhắc đến các vấn đề kinh tế, các tính toán cho kết quả : Nếu kpt < 0,45 thay thế động cơ bao giờ cũng có lợi; Nếu 0,45< kpt < 0,7 thì phải so sánh kinh tế kĩ thuật mới xác định việc thay thế có lợi hay không . Điều kiện kĩ thuật cho phép thay thế động cơ đảm bảo nhiệt độ động cơ nhỏ hơn nhiệt độ cho phép, đảm bảo điều kiện mở máy và làm việc ổn định động cơ . - Giảm điện áp của các động cơ làm việc non tải(khi không có điều kiện thay thế động cơ non tải bằng động cơ công suất nhỏ hơn) Công suất phản kháng động cơ tiêu thụ tính theo U như sau: U2 Q  k. .f .V µ Trong đó : k : hằng số; U : điện áp trên cực động cơ; µ : hệ số dẫn từ; f : tần số dòng diện; V : thể tích mạch từ; Từ công thức trên ta thấy công suất phản kháng Q tỉ lệ với bình phương điện áp U, do vậy nếu ta giảm U thì Q giảm đi rõ rệt, do đó cosφ được nâng lên. - Hạn chế động cơ chạy không tải ( biện pháp để hạn chế động cơ chạy không tải : Hướng dẫn, huấn luyện công nhân có các thao tác hợp lý, đặt các quy định tắt thiết bị khi không sử dụng hoặc thời gian chờ dài; đặt chế độ hạn chế chạy không tải trong sơ đồ khống chế động cơ). - Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ 19 Đối với thiết bị công suất lớn không yêu cầu điều chỉnh tốc độ như máy bơm, quạt gió, máy nén khí,… thì nên dùng động cơ đồng bộ. Vì động cơ đồng bộ có những ưu điểm rõ rệt sau đây so với động cơ không đồng bộ: Hệ số công suất cao, khi cần có thể làm việc ở chế độ quá kích từ để trở thành một máy bù cung cấp công suất phản kháng cho lưới. Mômen quay tỉ lệ bậc nhất với điện áp, vì vậy ít phụ thuộc vào sự dao động của điện áp. Khi tần số nguồn không thay đổi, tốc độ của động cơ phụ thuộc vào phụ tải, do vậy hiệu suất động cơ cao. Tuy nhiên so với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ cũng có một số nhược điểm là cấu tạo phức tạp, giá thành cao do vậy động cơ đồng bộ chi chiếm 20% trong công nghiệp. - Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ : Do chất lượng sửa chữa động cơ không đảm bảo nên một số động cơ sau khi sửa chữa có tính năng kém hơn trước: Tổn thất tăng, cosφ giảm… Do vậy cần nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ góp phần cải thiện cosφ của xí nghiệp. - Thay thế các máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn ( nếu tình trạng non tải kéo dài hệ số tải không vượt quá 0,3) Ngoài ra trong chế độ vận hành cần cắt bớt các máy biến áp làm việc song song khi phụ tải cực tiểu. 2.2.4.2. Nâng cao hệ số công suất cosφ bằng các thiết bị bù - Lắp đặt hệ thống tụ bù cho nhà máy xí nghiệp đã tính toán lắp đặt các điểm bù hợp lý . Bù tại thanh cái máy biến áp, bù trực tiếp tại động cơ… - Lắp các máy bù đồng bộ 2.3. Các giải pháp sử dụng động cơ 2.3.1. Giới thiệu động cơ Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng. Cơ năng này được sử dụng để, chẳng hạn, quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt 20