Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội LỜI CẢM ƠN Trước hết xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Phan Đăng Khải, người tận tình hướng dẫn động viên tơi suốt q trình làm luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo môn Hệ thống điện – Khoa điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ tơi hồn thành tốt khóa học Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè, người ln kề vai sát cánh bên tơi, động viên tơi suốt khóa học trình làm luận văn Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực hiện, chưa cơng bố Các số liệu dùng để tính tốn kết xác thực Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2014 Tác giả Trần Thị Kim Thoa Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 LỜI CAM ĐOAN .2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN CHƯƠNG 37 CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 37 ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN 37 CHƯƠNG 61 CÁC ĐẶC TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA 61 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN .61 CHƯƠNG 82 TÍNH TỐN ÁP DỤNG 82 KẾT LUẬN .95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Giới hạn biến đổi kđ (T), h(T) 19 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Bảng 1.2: Các giá trị thay đổi kđ (T) h(T) giới hạn 20 Bảng 1.3: Đặc tính tổng quát máy phát loại 23 Bảng 2.1: Các thông số đường cáp truyền tải với vật liệu siêu dẫn Nb: 53 Bảng 2.2: Các thơng số trung bình đường dây truyền tải không: 53 Bảng 2.3: Các thông số đường dây truyền tải siêu dẫn có dây dẫn loại Nb3Sn .56 Bảng 2.4: Các thông số đường dây siêu dẫn đường dây truyền tải có dây siêu dẫn Nb3Ge 58 Bảng 2.5: Độ dài tới hạn đường dây siêu dẫn 60 Bảng 3.1: Các giá trị A, B, C cấu trúc pha đồng trục theo pha cáp siêu dẫn .67 Bảng 3.2: Chi phí thành phần vốn đầu tư theo hệ tương đối % 67 Bảng 4.1: Tổn thất công suất tác dụng phụ thuộc vào loại dây dẫn 83 Bảng 4.2: Chi phí vật liệu làm dây dẫn 83 Bảng 4.3: Chi phí quy đổi cho việc làm lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường 85 Bảng 4.5: Chi phí cho vật liệu cách nhiệt 86 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các phương án kết cấu cáp siêu dẫn dòng điện xoay chiều .11 Hình 1.2 Các phương án cấu trúc cáp dẫn điện lạnh .17 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Hình 1.3 Đồ thị phụ tải hệ thống điện .28 Hình 1.4 Các phương án đấu nối TNSD 32 Hình 2.1 Sơ đồ có dịng điện dây dẫn đồng trục có chiều ngược nối với máy biến áp mắc hình 38 Hình 2.2 Sơ đồ (a) đồ thị vec tơ (b) đường dây có pha đồng trục 38 Hình 2.3 Sơ đồ (a) đồ thị vec tơ (b, c) đường dây có pha ghép đơi thiết bị điều chỉnh dọc – ngang .41 Hình 2.4 Sơ đồ đường dây có pha ghép đơi nối với máy biến áp 41 Hình 2.5 Sơ đồ (a) đồ thị vec tơ (b) đường dây chế độ điện áp dòng điện ngược pha 42 Hình 2.6 Các phương án mắc sơ đồ có liên hệ điện dung .43 Hình 2.7 Đường dây bù có chiều dịng điện ngược .44 Hình 2.8 Bố trí thiết bị đóng cắt sơ đồ đường dây có điểm đấu nối trung gian 44 Hình 2.9 Sự phụ thuộc điện kháng x0 điện dẫn phản kháng b0 vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb kU = 51 Hình 2.10 Sự phụ thuộc tổng trở sóng ZS cơng suất tự nhiên PTN vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb kU = .51 Hình 2.11 Sự phụ thuộc cơng suất phản kháng QC vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb .52 Hình 2.12 Mối quan hệ tổng trở điện áp định mức đường dây siêu dẫn Nb cơng suất tính toán khác .53 Hình 2.13 Sự phụ thuộc điện kháng x0 điện dẫn phản kháng b0 vào cơng suất tính toán đường dây siêu dẫn Nb3Sn 54 Hình 2.14 Sự phụ thuộc tổng trở sóng ZS cơng suất tự nhiên PTN vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb3Sn 55 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Hình 2.15 Sự phụ thuộc cơng suất QC vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb2Sn 55 Hình 2.16 Sự phụ thuộc tổng trở sóng công suất tự nhiên vào điện áp định mức đường dây siêu dẫn Nb2Sn 56 Hình 2.17 Sự phụ thuộc điện kháng x0 điện dẫn phản kháng b0 vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb3Ge 58 Hình 2.18 Sự phụ thuộc tổng trở sóng ZS cơng suất tự nhiên PTN vào cơng suất tính tốn đường dây siêu dẫn Nb3Ge 58 Hình 3.1 Sự phụ thuộc suất chi phí quy dẫn vào cơng suất truyền tải vật liệu làm dây dẫn 62 Hình 3.2 Cấu trúc cáp lạnh (a, b) phụ thuộc suất chi phí qui dẫn (c) vào công suất truyền tải điện áp định mức 63 Hình 3.3 Sự phụ thuộc suất chi phí qui dẫn cáp siêu dẫn đồng trục theo pha vào công suất truyền tải điện áp định mức khác nhaU dây siêu dẫn khác 64 Hình 3.4: Sự phụ thuộc suất vốn đầu tư Z0 vào công suất truyền tải S 65 Hình 3.5: Sự phụ thuộc khả tải vào điện áp .65 Hình 3.6: Giá trị trung bình suất chi phí cơng suất 66 Hình 3.7: Giá trị trung bình suất chi phí để vận hành máy lạnh .66 Hình 3.8: Giá trị trung bình suất chi phí cho máy lạnh .66 Hình 3.9: Sự phụ thuộc tổn thất công suất vào chiều dài đường dây .67 Hình 3.11 Các phương án làm việc đồng thời đường dây truyền tải điện thông thường đường dây truyền tải điện lạnh .70 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong thập kỷ qua, nhu cầu điện tăng cao dẫn đến cần phải tăng công suất truyền tải cho mối liên kết nguồn điện với trung tâm tiêu thụ Một giải pháp nâng điện áp danh định Tuy nhiên có khó khăn việc nâng cao điện áp đường dây giới hạn cho phép việc sử dụng đặc tính cách điện khơng khí Hạn chế đường dây truyền tải cao áp chiếm diện tích lớn, tổn thất cơng suất tổn thất điện lớn Điều dẫn đến nhu cầu xây dựng đường dây truyền tải thay dây dẫn dây cơng nghệ có khả mang tải cao công nghệ cũ Một giải pháp xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Lịch sử nghiên cứu: Hiện tượng siêu dẫn nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes khám phá vào năm 1911 Đây khám phá khoa học vĩ đại lịch sử nhân loại Tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ vào truyền tải điện nhiều thách thức với nhà khoa học Nhưng với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật người sớm làm chủ cơng nghệ đưa vào ứng dụng thực tế Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Tôi hy vọng kiến thức trình bày luận văn góp phần hữu ích vào việc đưa cơng nghệ truyền tải vào thực tế nước ta Đối tượng nghiên cứu đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Phạm vi nghiên cứu xem xét đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật đường dây hệ thống điện Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Tóm tắt luận điểm đóng góp phương pháp nghiên cứu: Đưa số khái niệm chung nhìn chung hệ thống truyền tải điện lạnh siêu dẫn Xem xét đánh giá thông số số vật liệu siêu dẫn thông dụng Đưa số phương án truyền tải đường dây điện lạnh siêu dẫn, so sánh với phương án truyền tải đường dây thường Qua đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật đường dây hệ thống điện Bố cục luận văn: Tên đề tài: “Đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật hệ thống truyền tải điện lạnh siêu dẫn.” Bố cục luận văn gồm phần sau: Mở đầu: Chương 1: Tổng quan truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương 2: Các thông số đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương 3: Các đặc tính kinh tế kỹ thuật đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương 4: Tính tốn áp dụng Kết luận Do hiểu biết tơi cịn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Tơi mong nhận đóng góp ý kiến từ phía thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp tất người quan tâm đến lĩnh vực Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN 1.1 Tổng quan Khắp nơi giới, công ty điện lực phải đối phó với thách thức phải truyền tải nhiều điện qua lưới điện đô thị để đáp ứng nhu cầu điện ngày gia tăng khách hàng kỷ 21 Ngồi ra, cơng ty cịn phải bảo vệ người sử dụng điện khỏi tác động dòng điện ngày lớn, tức dòng điện cố Đột phá công nghệ kỹ thuật cáp hứa hẹn giúp công ty điện lực khắc phục hai vấn đề Loại cáp sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có kích cỡ Khi đặt vào cáp, sợi siêu dẫn hoạt động dây dẫn hoàn hảo, có điều phải đáp ứng số điều kiện, đáng lưu ý phải trì nhiệt độ cáp thấp nhiệt độ tới hạn Điều địi hỏi hệ thống cáp làm lạnh liên tục nitơ lỏng, chất khơng đắt an tồn với mơi trường Điều giúp tránh việc sử dụng dầu cách điện nhiều loại cáp công suất lớn thông dụng thành phố Mỹ Cáp siêu dẫn có bốn đặc tính tạo nên khác biệt với cáp đồng truyền thống: Khả truyền dẫn điện cao hơn, trở kháng thấp, bố trí lắp đặt đơn giản, có khả hạn chế dịng điện cố.” Ưu mật độ cơng suất cho phép cáp siêu dẫn cấp điện áp bất kỳ, dẫn điện gấp 10 lần so với cáp đồng truyền thống Còn truyền tải cơng suất định cáp HTS thực cấp điện áp thấp nhiều so với cấp điện áp thường sử dụng Ví dụ cáp siêu dẫn 15 kV truyền tải 100 MVA, mà với mức công suất này, người ta thường sử dụng cáp đồng cấp điện áp 69 kV Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Cáp siêu dẫn có trở kháng thấp nên tổn thất điện thấp nhiều so với loại cáp tương đương Khi sử dụng mạng điện, trở kháng thấp cáp siêu dẫn hút dòng điện từ mạch song song, nhờ giảm tổn thất điện mạch này, hệ thống làm lạnh phục vụ cho hệ thống cáp siêu dẫn làm giảm phần hiệu đem lại Cáp siêu dẫn có hai đặc tính khiến cho u cầu chọn tuyến trở nên đơn giản Thứ cáp siêu dẫn gần không phát từ trường, nhờ mặt iảm yêu cầu hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất cáp chúng bố trí gần đường cáp khác sở hạ tầng ngầm Các lợi ích môi trường quan hệ cộng đồng việc không phát từ trường rõ ràng (khơng có điện trường, điều tất loại cáp) Thứ hai cáp siêu dẫn nằm vỏ bọc nhiệt độc lập có hệ thống làm lạnh, nên khơng cần tính đến việc giảm cơng suất cáp tùy theo phương pháp chơn cáp, độ sâu loại đất Do đó, cáp siêu dẫn lý tưởng để lắp đặt vị trí có hành lang tuyến bị hạn chế, đặc biệt cần phải truyền tải lượng công suất lớn Một ưu điểm khả hạn chế dòng cố bên cáp Cáp siêu dẫn hoạt động dây dẫn có trở kháng cực thấp, dẫn dòng điện cường ộlớn điều kiện vận hành bình thường sau trở thành có điện trở cao xảy cố, hạn chế dòng cố cường độ lớn 1.2 Các đường dây truyền tải siêu dẫn Các đường dây truyền tải siêu dẫn phân loại theo dịng điện chia thành đường dây xoay chiều chiều Vật liệu cách nhiệt dùng cách nhiệt chân khơng, cách nhiệt bột chân không, vật liệu siêu cách nhiệt Chất làm lạnh chủ yếu Hêli, đơi sử dụng Hydro lỏng Các cáp siêu dẫn khơng có màng cách nhiệt trung gian mà có vài chắn trung gian Hydro Nitơ dùng làm chất làm lạnh cho lớp chắn trung gian Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 10 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Ví dụ: chi phí vật liệu làm dây dẫn, cách điện, yếu tố gia công chi tiết phụ kiện, lắp ráp, chi phí vận hành,… Những yếu tố không tránh khỏi phương án cấu trúc khác đem so sánh Chính việc so sánh đường dây truyền tải điện cáp siêu dẫn pha Niobi với phương án truyền tải có: phương án truyền tải dùng cáp lạnh làm nhôm nguyên chất 200K Berilli 770K, cáp pha làm lạnh dầu với thông số (275 kV; 760 MVA; 1,6 kA dùng lõi đồng tiết diện 1935 mm2, tổn thất toàn phần cáp khoảng 32 kW/km) ứng với pha sử dụng phương pháp tính gần Wilkinson Số liệu tổn hao công suất tác dụng phương án cho bảng sau: Bảng 4.1: Tổn thất công suất tác dụng phụ thuộc vào loại dây dẫn Dây dẫn Nhiệt độ, Điện trở K suất, Ω.cm Đường Tổn thất kW/km lõi dây dẫn điện với dịng 1,6 kA kính ngồi lõi, cm Dòng Điện dẫn điện cận Tổn thất toàn phần Berilli 77 2.10-8 6,0 460 160 620 Al 20 3.10-9 6,0 47 121 168 Nb 10,4 0 Tổn thất dây Nb thực tế khoảng 10-3 W/km dòng điện truyền tải 1,6 kA nên bỏ qua Giá thành bao phủ tổn thất công suất đánh giá vào khoảng 100 106 Fr/kW Ngồi so sánh có xét tới chi phí cho trang thiết bị máy lạnh truyền dẫn lạnh cho chúng, giá thành vật liệu làm dây dẫn nêu bảng: Bảng 4.2: Chi phí vật liệu làm dây dẫn Dây dẫn Chất làm lạnh Chi phí 106 Fr/km Phủ Trang thiết bị Vật liệu làm Chi Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 83 - phí Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội tổn Dây đồng Berilli Nhôm Niobi _ N2 lỏng N2 H2 lỏng N2 He lỏng máy lạnh thất 3200 62 17 _ lượng _ 5170 21260 9200 dây dẫn tổng 10000 800 000 7200 31 000 13 200 805 200 28 500 40 200 Việc phân tích kết bảng dù tính gần cho phép dùng để đánh giá chi phí cho cáp có lõi nhơm làm lạnh H lỏng với che cách nhiệt tương tự chi phí chi phí cáp ruột đồng làm lạnh dầu Việc phân tích thành phần tỉ mỉ dự chi phí tồn phần thực Rogers Tất cáp xét tới với điện áp định mức 132 kV, pha, dây dẫn bố trí đỉnh tam giác lồng vỏ làm lạnh Phương án lõi Nb làm lạnh He lỏng phương án đường dây lạnh Al tần số cao, chất làm lạnh N H2 Trong cấu trúc dây siêu dẫn để làm giảm thất thoát nhiệt vùng khí He lỏng dùng thêm lớp N lỏng làm che xạ Màn che khơng có phương án truyền tải điện lạnh Các cấu trúc hệ thống dây siêu dẫn cấu tạo cặp đồng trục, cấu trúc truyền tải điện lạnh dây dẫn lớp ngồi khơng có Trong cấu trúc cáp sau việc phân bố dòng điện đồng đảm bảo sợi bện hốn vị cịn ống bên chất làm lạnh dùng làm che chung Các tổn thất cấu trúc lấy tổn thất dây dẫn đơn Trong hai cấu trúc trên, chất cách điện cấu tạo băng quấn tẩm chất làm lạnh polipropilen (ε = 2,35; tgδ = 4.10 -5 tẩm N2 lỏng; tgδ = 2.10-5 tẩm H2 He lỏng) Việc đánh giá chi phí cho trang bị máy lạnh thực với giả thiết khoảng cách trạm lạnh 10 km, máy lạnh trang bị gấp đơi để đảm bảo độ tin cậy có cố Chi phí vốn đầu tư chi phí vận hành hàng năm máy lạnh lấy 0,75 penny/KWh, công suất đưa vào máy lạnh nhánh rẽ với đầu Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 84 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội W nhiệt nhiệt độ 4,50K; 200K; 800K lấy tương ứng 50, 33 W Đối với phương án truyền tải điện lạnh phụ tải máy lạnh bao gồm tổn hao dây dẫn, cịn thất nhiệt mơi trường bên ngồi tổn hao điện mơi khơng xét tới Chi phí vận hành tính theo giá thành lượng yêu cầu khâu truyền dẫn máy lạnh Đối với phương án đường dây siêu dẫn việc thất nhiệt mơi trường bên ngồi tổn hao điện mơi cần phải tính phụ tải máy lạnh đánh giá tổn thất toàn phần Bảng 4.3: Chi phí quy đổi cho việc làm lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Nhiệt độ, 0K 30 20 15 Kiểu máy lạnh 77 40 C C - 20 C - 20 C - 20 C - 20 0,18 1,2 1,6 3,0 8,0 cuộn cảm 16,0 0,08 0,6 0,8 1,5 4,0 7,4 0,10 0,6 0,8 1,5 4,0 8,6 1,01 1,1 1,5 2,0 1,01 1,1 1,7 2,5 1,01 1,1 1,7 2,5 1,02 1,2 1,9 1,02 1,2 2,6 1,01 1,1 1,7 2,5 Các tiêu Giá thành làm lạnh, kWh Những phần phục vụ tính theo thời gian, t (h) Giá thành lượng Hệ số tăng giá thành làm 4,5 C - 20 có lạnh xét tới khoảng cách làm lạnh (m) 10 100 500 1000 Bảng 4.4: Thơng số quy đổi máy lạnh có tham số nhiệt độ làm việc khác kiểu cáp lạnh Mức nhiệt độ 77 Chi phí công suất cho 1W nhiệt Chất làm lạnh N2 lỏng thoát từ vùng làm lạnh (W) Năng suất máy Lý thuyết Thực tế lạnh, kW 9,4 (6 - 10) 2000 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 85 - Diện tích chiếm chỗ máy lạnh, m2 745 Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội 20 H2 lỏng 14 43,5 (40 - 100) 300 500 He2 lỏng 75 250 (300-1000) 10 225 Bảng 4.5: Chi phí cho vật liệu cách nhiệt Dạng cách nhiệt Bột chân khơng Đặc tính Perlit Microxen T2 Cách nhiệt nhiều lớp Microxen T2 + 50% Si - bột Nhôm Hệ số truyền nhiệt, 106/cm.độ 11,25 6,06 4,33 0,52 Bề dày lớp, cm 22,9 12,03 8,8 1,05 Áp suất, mmHg 10-2 10-2 10-2 10-4 Mật độ, Kg/m3 128 304 240 144 Giá thành vật liệu, rúp/m2 12,7 60,5 162 815 Giá thành lắp đặt, rúp/m3 7,6 18,1 18,9 930 Giá thành tổng, rúp/m3 20,3 78,6 180,9 1745 Giá thành bề mặt, rúp/m3 4,65 9,7 15,9 18,4 Một máy lạnh sản xuất bổ sung khí He 16l/giờ, tiêu tốn kW.h/l Giá thành cách nhiệt nhiều lớp: 900 rúp/m3 Chi phí cho lắp đặt: 1100 rúp/m3 Chi phí cho lớp đệm chân không nhỏ 10 lần Lớp siêu cách nhiệt dày cm: 18 – 19 rúp/m2 – 32 lớp/1cm2 bề mặt mật độ lớp cách điện + nhiệt: 40 – 70 kg/m 3, mật độ chân không 10-4 - 10-6 mm.Hg, độ dẫn nhiệt 4.10-7 W/cm.độ 4.2 Tính tốn áp dụng: Ví dụ 1: Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 86 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Tính chi phí xây dựng đường dây siêu dẫn dài 10 km truyền tải công suất 1000 MW ba trường hợp: cấp điện áp 110 kV, 220 kV 500 kV Giải: Suất chi phí vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn tính theo biểu thức kinh nghiệm sau: H = A + B.P + C.P2 Các giá trị A, B, C cấu trúc pha đồng trục theo pha cáp siêu dẫn cho bảng 3.1 Sử dụng vật liệu siêu dẫn Nb, chất làm lạnh He lỏng Ta có suất chi phí vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn: H110 = (0,1515 + 0,1206.1 + 0,0702.12).106 = 0,3423.106 ($/km) H220 = (0,42 + 0,1206.1 + 0,0204 12).106 = 0,4904.106 ($/km) H500 = (1,7 + 0,033.1 + 0,00383 12).106 = 1,73683.106 ($/km) Vậy vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn: K = H.L K110 = 3,3423.106 ($) K220 = 4,904.106 ($) K500 = 17,3683.106 ($) Kết tính tốn thành phần vốn đầu tư với vật liệu dây siêu dẫn Nb làm lạnh He lỏng sau: Thành phần vốn đầu tư Chi phí ($) Cấp điện áp Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 87 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội 110 kV Dây dẫn ống 0,58191 220 kV 0,83368 Chất điện môi 0,10269 0,14712 0,52105 Lớp vỏ lạnh 0,23961 0,34328 1,21578 Bổ sung chất làm lạnh 0,82152 1,17696 4,16839 Máy lạnh 0,99267 1,42216 5,03681 Máy bù giãn nở 0,13692 0,19616 0,69473 Sản xuất lắp ráp 0,06846 0,09808 0,34737 Xây dựng lắp đặt 0,13692 0,19616 0,69473 Căng, kéo, rải dây 0,27384 0,39232 1,38946 0,04904 0,17368 Các mối nối kết cấu 500 kV 2,95261 mạch vòng 0,03423 Dụng cụ phụ 0,03423 0,04904 0,17368 3,3423.106 4,904.106 17,3683.106 Tổng vốn đầu tư Chi phí vận hành hàng năm: Y = (KD + KCĐ).αĐD + (KML + KMB).αML + (KVL + KBSCL) αCLL + CΔp + CCLL Trong đó: KD: chi phí cho dây siêu dẫn KCĐ: chi phí cho cách điện KVL, KBSCL: chi phí cho lớp vỏ lạnh bổ sung chất làm lạnh KML, KMB: chi phí cho máy lạnh máy bù giãn nở αĐD, αML, αCLL hệ số khấu hao hao mòn sửa chữa thường xuyên phần tử đường dây truyền tải điện lạnh tương ứng αĐD = 0,08; αML = 0,08; αCLL = 0,08 CΔp: chi phí cho tổn thất điện đường dây lạnh CCLL: chi phí điện cho làm việc chất làm lạnh CΔp = ΔAΔp β Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 88 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội β: giá thành KW.h cho tiêu hao điện đường dây β = 0,75 penny/KW.h ΔAΔp = ΔPmax.τ = ΔPmax%.P τ ΔPmax%: tổn thất công suất lớn lấy theo khảo sát thực nghiệm → ΔPmax% = 1% Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax = 5500h →Thời gian tổn thất công suất lớn τ = 4000 h ΔAΔp = 0,01.1000.103.4000 = 4.107 (KW.h) → CΔA = 4.107.0,75 = 3.107 (penny) = 3.105 ($) Một máy lạnh sản xuất bổ sung khí He 16l/giờ, tiêu tốn kW.h/l → CCLL = 16.5.4000.0,75.1 = 240 000 (penny) = 2400 ($) Kết tính chi phí vận hành hàng năm: Y110 = 537902,4 ($) Y220 = 336139,52 ($) Y500 = 421893,92 ($) Tính chi phí tính toán hàng năm: Z = aTC.K + Y Thời hạn thu hồi vốn đầu tư T = năm; aTC = 0,125 Z110 = 0,125 3,3423.106 + 537902,4 = 955689,9 ($) Z220 = 0,125 4,904.106 + 336139,52 = 949193,52 ($) Z500 = 0,125 17,3683.106 + 421893,92 = 2592931,42 ($) So sánh phương án mặt kinh tế: Z110 < Z220 < Z500 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 89 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Vậy phương án truyền tải với cấp điện áp 110 kV tối ưu Ví dụ 2: Tính chi phí xây dựng truyền tải cấp điện áp 220 kV, dài 100 km, công suất 400 MW hai trường hợp: đường dây thường đường dây siêu dẫn Giải: Tính chi phí đầu tư cho đường dây thường: Các thơng số cấu trúc đường dây thường sau: Đường dây phân pha, pha gồm sợi ACSR – 300/39 Hệ số công suất cosφ = 0,9 Khoảng cách cột 200m Kết tính chi phí đầu tư sau: Thành phần vốn đầu tư Đơn vị km Dây dẫn ACSR-300/39 Dây hợp kim nhôm lõi thép km PHLOX116 Chuỗi đỡ lèo đơn dây dẫn Chuỗi ĐL-70 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Thiết kế 600 Đơn giá (VNĐ) 82183200 100 46309200 630 920 000 2994 9038951 27 062 619 892 Trang - 90 - Thành tiền (VNĐ) 49 309 920 000 Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Chuỗi néo kép NK-120 Chuỗi 5988 14761370 Chuỗi néo kép vào Chuỗi 1996 14761370 NTC-120 Chuỗi néo dây chống sét Chuỗi 1498 690049 NSđ Chống rung dây chống sét Bộ 1997 346276 CRs Chống rung dây dẫn CRd Bộ 15968 352534 Ống nối dây dẫn Cái 501 431520 Khung định vị dây dẫn Cái 5988 615,264 Ống vá sửa chữa dây dẫn Cái 1497 385,910 Băng nhơm lót dây chống sét Cái 2994 281,223 Cột néo Cái 499 086 782 829 Móng Cái 499 245 159 102 Tiếp địa Vị trí 499 703 113 Bu long neo Cái 7984 430 436 Nhân công xây dựng móng Cơng 499 206 534 817 Nhân cơng xây dựng tiếp địa Công 499 13 827 283 Nhân công lắp đặt lắp đặt bu Công 7984 901 long neo Nhân công xây dựng cột Công 499 46 588 761 Máy thi cơng móng Cái 499 11 819 193 Máy thi công cột Cái 499 684 207 Đền bù giải phóng mặt m 120000 500 000 Tổng Tổn thất công suất tác dụng mạng: ∆P = 88 391 085 955 29 463 695 318 033 693 102 691 513 172 629 262 912 216 191 520 684 200 832 577 707 270 841 981 773 542 304 631 631 22 334 391 683 344 853 582 19 404 599385 103 060 873 623 899 814 329 63 080 062 23 247 791 950 897 777 286 341 419 221 644 000 000 1039076024503 P2 + Q2 (400 / 0.9) R = 63,09 = 257,484( MW ) U ĐM 220 Tổn thất điện mạng điện: ΔA = ΔP.τ = 257,484.4000 = 1029936 (MWh) Chi phí vận hành hàng năm: Y = aVH.∑Kd + ΔA.C = 0,08 899,565,268,030.85 + 1029936.0,75.0,01.20 840 = 72 126 200 439 (VNĐ) ∑Kd: tổng chi phí đầu tư phần tử đường dây Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 91 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Tính chi phí tính tốn hàng năm: Z = aTC.K + Y Thời hạn thu hồi vốn đầu tư T = năm; aTC = 0,125 Chi phí tính tốn hàng năm: ZT = 0,125 039 076 024 503+ 72 126 200 439 = 202 010 703 502 (VND) Tính chi phí đầu tư cho đường dây siêu dẫn: Suất chi phí vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn tính theo biểu thức kinh nghiệm sau: kĐT = A + BP + C.P2 Các giá trị A, B, C cấu trúc pha đồng trục theo pha cáp siêu dẫn cho bảng 4.1 Sử dụng vật liệu siêu dẫn Nb, chất làm lạnh He lỏng Ta có suất chi phí vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn: kSD = (0,42 + 0,05.0,4 + 0,0204 0,42).106 = 0,443264.106 ($/km) Vậy vốn đầu tư cho đường dây siêu dẫn: KSD = 44,3264.106 ($) Chi phí thành phần vốn đầu tư theo hệ tương đối %: Kết tính tốn thành phần vốn đầu tư với vật liệu dây siêu dẫn Nb làm lạnh He lỏng sau: Chi phí (106$) 7,535488 Thành phần vốn đầu tư Dây dẫn ống Chất điện môi 1,329792 Lớp vỏ lạnh 3,102848 Bổ sung chất làm lạnh 10,6383360 Máy lạnh 12,854656 Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 92 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Máy bù giãn nở 1,773056 Sản xuất lắp ráp 8,86528 Xây dựng lắp đặt 1,773056 Căng, kéo, rải dây 3,546112 Các mối nối kết cấu mạch vòng 44,3264 Dụng cụ phụ 44,3264 Tổng vốn đầu tư 44,3264 Chi phí vận hành hàng năm: Y = (KD + KCĐ).αĐD + (KML + KMB).αML + (KVL + KBSCL) αCLL + CΔp + CCLL αĐD = 0,08; αML = 0,08; αCLL = 0,08 CΔp = ΔAΔp β β = 0,75 penny/KW.h ΔAΔp = ΔPmax.τ = ΔPmax%.P τ ΔPmax%: tổn thất công suất lớn lấy theo khảo sát thực nghiệm → ΔPmax% = 1% τ: thời gian tổn thất công suất lớn τ = 4000 h ΔAΔp = 0,01.400.103.4000 = 16.106 (KW.h) → CΔA = 16.106.0,75 = 6.106 (penny) = 12.104 ($) Một máy lạnh sản xuất bổ sung khí He 16l/giờ, tiêu tốn kW.h/l → CCLL = 16.5.4000.0,75.11 = 640 000 (penny) = 26 400 ($) Kết tính chi phí vận hành hàng năm: YSD = 0,08.38,1207040.106 + 12.104 + 26 400 = 319,6056.104 ($) Tính chi phí tính tốn hàng năm: Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 93 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Z = aTC.K + Y Thời hạn thu hồi vốn đầu tư T = năm; aTC = 0,125 Chi phí tính tốn hàng năm: ZSD = 0,125 44,3264.106 + 319,605632.104 = 736 856, 32 ($) = 182 076 085 700 (VND) So sánh phương án mặt kinh tế: ZT = 202 010 703 502 (VND) > ZSD = 182 076 085 700 (VND) Ví dụ 3: Khảo sát suất chi phí quy dẫn cho đường dây siêu dẫn công suất tải tăng từ 0,1 đến 10 GW cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 330 kV, 500 kV; vật liệu làm dây dẫn Stanid – Niobi Niobi, chất làm lạnh He lỏng, Ni lỏng H2 lỏng Kết tính tốn máy tính: Xem phụ lục đến phụ lục Nhận xét: So sánh phương án kinh tế cho thấy khả cạnh tranh đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn so với đường dây thường Với đường dây truyền tải không vật liệu thông thường, pha phải giãn cách xa nên chiếm diện tích rộng, chi phí cho đền bù giải phóng mặt lớn Với đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn, hành lang tuyến thu hẹp đáng kể, đường dây đặt ống nên tốn diện tích hơn, giảm kích thước đầu trạm biến áp trung gian Các kết tính toán cho thấy khả cạnh tranh đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn mặt giảm vốn đầu tư chi phí cho q trình vận hành Khi phải truyền tải xa công suất truyền tải tăng cao cho thấy ưu đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 94 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội KẾT LUẬN Đánh giá đề tài dựa mục tiêu đề Đề tài giải toán đặt đánh giá thông số kinh tế kỹ thuật đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn sở xem xét phương án truyền tải số cấu trúc cáp đơn giản Tuy lĩnh vực phương pháp thủ tục tính tốn tương đối đơn giản, thời gian nhanh chóng kết hợp với phần mềm máy tính để xét tới trường hợp phức tạp Tính ứng dụng đề tài Đề tài ứng dụng thiết kế hệ thống điện tương lai, tính tốn đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn để truyền tải điện xa với công suất lớn Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 95 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Các hướng phát triển đề tài Như nêu, đề tài đề cập đến phương án đơn giản xem xét mức độ tổng quan Vì cịn nhiều hướng để phát triển thêm đề tài Cụ thể nghiên cứu thêm phương án truyền tải với cấu trúc cáp sơ đồ phức tạp Đây lĩnh vực cịn mẻ khơng nước ta mà giới nên việc nghiên cứu phát triển đề tài vấn đề cấp thiết Tuy việc ứng dụng cơng nghệ cịn nhiều hạn chế việc sâu nghiên cứu tìm tịi góp phần quan trọng để thúc đẩy phát triển ứng dụng rộng rãi tương lai Đặc biệt với hỗ trợ máy vi tính nhiều máy móc đại nay, khả thành công việc ứng dụng công nghệ lớn Kiến nghị Với gia tăng phụ tải điện yêu cầu nghiên cứu phương pháp nâng cao khả truyền tải giảm tổn thất điện cấp thiết Công nghệ truyền tải điện lạnh siêu dẫn đáp ứng nhu cầu Tuy việc nghiên cứu cịn khó khăn lợi ích mang lại khả quan Tôi mong Việt Nam sớm nước tiên phong ứng dụng công nghệ, bắt kịp tiến khoa học giới TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Phan Đăng Khải, (2006), Các toán truyền tải điện lạnh siêu dẫn (Chuyên đề giảng dạy sau đại học), Trường ĐH Bách khoa Hà Nội TS Phan Đăng Khải, (2000), Cấu trúc tối ưu lưới điện, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội I.U.N Astakhov, V.A Venikov, E.H Zyev, (1981), Nhà máy điện, lưới điện hệ thống điện, NXB Maxkva G.E Paspelov, Fedin, (1988), Thiết kế lưới hệ thống điện, NXB Minsk Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 96 - Cao học KTĐ 2012 ... thường Qua đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật đường dây hệ thống điện Bố cục luận văn: Tên đề tài: ? ?Đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật hệ thống truyền tải điện lạnh siêu dẫn. ” Bố cục luận văn gồm phần... 1: Tổng quan truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương 2: Các thông số đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương 3: Các đặc tính kinh tế kỹ thuật đường dây truyền tải điện lạnh siêu dẫn Chương... chung hệ thống truyền tải điện lạnh siêu dẫn Xem xét đánh giá thông số số vật liệu siêu dẫn thông dụng Đưa số phương án truyền tải đường dây điện lạnh siêu dẫn, so sánh với phương án truyền tải