Ứng dụng biến tần trong nhà máy nhiệt điện

152 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 
Nguyễn Việt Cường 
Trưởng Ban Kỹ thuật Tổng công ty Điện lực - TKV 
Tóm tắt: Tổng công ty Điện lực - TKV-CTCP là Công ty con thuộc Tập đoàn Công nghiệp 
Than Khoáng sản Việt Nam, kinh doanh trong lĩnh vực sản xuất điện, với tổng công 
suất đặt đạt 1730 MW gồm 6 nhà máy nhiệt điện đốt than công nghệ tầng sôi tuần 
hoàn CFB và 1 nhà máy thủy điện. 
Nhà máy nhiệt điện đốt than có một vài điểm yếu đó là tỷ lệ điện tự dùng cao và hiệu 
suất lò hơi thấp, nhất là đối với công nghệ lò hơi CFB sử dụng than xấu chất lượng 
thấp. Tỷ lệ điện tự dùng có vai trò quan trọng ảnh hưởng tới kế hoạch sản xuất kinh 
doanh, trong bối cảnh giá nhiên liệu than ngày càng tăng ảnh hưởng trực tiếp đến chi 
phí vận hành của các nhà máy điện. Trước tình hình đó các hãng công nghệ về thiết bị 
điện không ngừng tiến hành cải tiến nâng cao hiệu suất của thiết bị/hệ thống góp phần 
tăng hiệu quả trong vận hành. Vừa qua Tổng công ty Điện lực - TKV đã nghiên cứu và 
đưa vào ứng dụng các thiết bị tiết kiệm năng lượng như biến tần và khớp nối thủy lực 
tại nhà máy điện Sơn Động và Đông Triều cho các động cơ công suất lớn nhằm tiết 
kiệm năng lượng. 
I. BIẾN TẦN LÀ GÌ VÀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN CÓ TIẾT KIỆM ĐIỆN KHÔNG 
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện 
xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. 
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần: 
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành 
nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu Diode 
và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất Cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ 
thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch 
lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, công đoạn này hiện nay được thực hiện 
thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế 
độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực 
hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn 
cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. 
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần 
số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật 
nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mômen không đổi, tỉ số điện áp - 
tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp 
là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù 
PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 153 
hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mômen cũng lại là hàm bậc hai của 
điện áp. 
Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù 
hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và 
thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và 
giám sát trong hệ thống SCADA. 
Tiết kiệm điện khi sử dụng biến tần: 
Mặc dù hiệu suất là khá cao nhưng bản thân biến tần là thiết bị điện tử nên nó 
cũng phải tiêu hao điện năng và do tổn thất của các thiết bị biến đổi bán dẫn nên hiệu 
suất của biến tần không thể đạt tới 100% được. Hơn nữa khi lắp đặt biến tần ta sẽ phải 
tiêu hao năng lượng cho các thiết bị phụ trợ của nó như điều hòa, quạt thông gió... Biến 
tần được sử dụng hiệu quả trong các trường hợp sau: 
 Đối với các ứng dụng mà yêu cầu công nghệ cần điều khiển tốc độ hoặc mômen 
động cơ điện thì việc sử dụng biến tần sẽ hiệu quả hơn các phương pháp điều 
khiển khác như điều khiển điện áp, điều khiển điện trở rôto,... và nó sẽ tiết kiệm 
năng lượng hơn. 
 Đối với các ứng dụng sử dụng động cơ quay với tốc độ định mức còn điều khiển 
sử dụng bằng phương pháp dùng các cửa chắn (dampers), van chặn, van tuần 
hoàn,... thì có thể xem xét ứng dụng biến tần phối hợp điều khiển tốc độ và các 
phương pháp điều khiển trên để tiết kiệm điện năng. 
 Còn đối với các trường hợp không có yêu cầu điều khiển, điều chỉnh gì (động cơ 
quay với một tốc độ định mức) thì nói chung sử dụng biến tần sẽ không có 
hiệu quả. 
II. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN CHO QUẠT KHÓI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 
SƠN ĐỘNG 
Một trong những thiết bị tiêu thụ điện năng lớn là động cơ quạt khói lò hơi với 
công suất là 1250 kW và hoạt động với điện áp 6.6 kV, đây là loại động cơ không đồng 
bộ 3 pha với rô to lồng sóc và được khởi động trực tiếp. 
Hiện tại, áp suất buồng đốt của lò hơi được điều chỉnh thông qua góc mở các van 
cánh hướng đặt tại đầu hút của mỗi quạt khói. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI, tín 
154 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
hiệu phản hồi từ cảm biến đo áp lực, tín hiệu đặt cho bộ điều khiển do hệ thống DCS 
được tính toán từ giá trị đặt và từ nhiều thông số khác nhau. 
Với cách điều khiển này thì mỗi lần khởi động, động cơ sẽ gây sụt áp lớn trên lưới 
tự dùng của nhà máy, gây sốc cơ khí cho quạt đồng thời ảnh hưởng tới các phụ tải khác 
trên cùng thanh cái nguồn. Cách điều khiển này cũng tương đương với việc động cơ các 
quạt làm việc liên tục ở chế độ đầy tải, dẫn đến tổn hao công suất trên các 
động cơ. 
Mặt khác, do điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh van cánh hướng 
(Damper) nên hiệu suất sử dụng điện thấp, gây lãng phí điện năng, chi phí vận hành và 
bảo dưỡng lớn.Với chế độ làm việc như vậy, động cơ luôn làm việc gần hết công suất 
gây lãng phí một lượng lớn điện năng. 
Hệ thống quạt khói là khâu rất quan trọng vì nếu một trong các quạt này dừng thì 
buộc cả tổ máy phát phải giảm tải hoặc ngừng hoạt động. 
Với công suất hệ thống quạt lớn như vậy, việc ứng dụng công nghệ biến tần để 
điều khiển áp lực, lưu lượng các quạt sẽ giảm đáng kể công suất tiêu thụ các động cơ 
quạt mà vẫn đáp ứng đầy đủ các tham số áp lực cần thiết và sẽ đáp ứng được các mục 
tiêu sau đây: 
 Giảm mức tiêu thụ điện năng của hệ thống quạt lò hơi nói riêng và của cả Công ty 
nói chung. 
 Giảm ảnh hưởng tiêu cực đến lưới diện dùng chung và các phụ tải trên cùng một 
thanh cái nguồn cung cấp do sụt áp mỗi khi quạt khởi động theo phương pháp 
trực tiếp. 
 Cải thiện đặc tính khởi động cũng như vận hành, nâng cao tuổi thọ các động cơ 
quạt lò hơi dẫn tới nâng cao hiệu quả sử dụng của thiết bị trong dây chuyền công 
nghệ của Công ty. 
 Tăng độ tin cậy của toàn bộ hệ thống, điều khiển quá trình công nghệ một cách 
linh hoạt, dễ dàng tự động hoá quá trình, bảo vệ hữu hiệu các động cơ quạt. 
 Giảm chi phí đầu vào, giảm chi phí sản xuất cho một đơn vị sản phẩm, tăng lợi 
nhuận của Công ty, nhanh chóng thu hồi vốn. 
Khi thay thế điều khiển góc mở van cánh hướng bằng điều khiển tốc độ, biến tần 
cần đảm bảo các yếu tố sau: 
PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 155 
 Đặc tính điều khiển phải được giữ nguyên và không làm ảnh hưởng đến hiệu suất 
làm việc của nhà máy. 
 Khi bổ sung thiết bị mới vẫn phải duy trì thiết bị cũ. Khi biến tần (thiết bị mới bổ 
sung) bị lỗi và cắt khỏi hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống phải đảm bảo 
chuyển về hoạt động với thiết bị cũ theo đúng quy trình khởi động nóng của nhà 
máy. 
 Trong chế độ hoạt động bình thường, việc vận hành cũng có thể chuyển về hoạt 
động thiết bị cũ khi cần thiết. 
 Chế độ điều khiển mới tương thích với các chế độ điều khiển chung của nhà máy. 
Kết quả sau khi lắp đặt biến tần cho quạt khói: 
 Năm 2016, Công ty đã triển khai dự án “Xây dựng, cung cấp, lắp đặt, hiệu chỉnh 
chạy thử biến tần động cơ 6 kV Công ty Nhiệt điện Sơn Động”. 
 Ngày 16/09/2016, bắt đầu chính thức tiến hành chạy quạt khói tổ 1 thông qua máy 
biến tần. 
1. Đánh giá các thông số vận hành 
 Theo dõi trong quá trình khởi động quạt thì thấy rằng thiết bị khởi động nhẹ 
nhàng, giảm bớt hiện tượng sụt áp trên thanh cái và mức độ rung động khi bắt đầu 
vận hành. 
 Theo dõi các thông số vận hành của các quạt khói tổ 1 như nhiệt độ cuộn dây 
động cơ, nhiệt độ các gối trục, độ rung trục và so sánh với các giá trị trước khi 
lắp đặt biến tần thấy rằng các giá trị đều nằm trong phạm vi cho phép, giá trị độ 
rung, nhiệt độ đều giảm xuống, cụ thể: 
Đối với quạt khói 1A: 
Ở mức tải 80 MW: Dòng điện giảm từ khoảng 92 ± 2 A xuống chỉ còn 20 ± 2 A; 
Nhiệt độ gối trục động cơ (gối 1/gối 2) từ 55/42 giảm xuống còn 40/32; Nhiệt độ gối 
trục quạt (gối 1/gối 2) từ 53/52 giảm còn 39/36; Độ rung gối 1/gối 2 từ 2/0.8 mm/s giảm 
còn 0.9/0.5 mm/s; Nhiệt độ cuộn dây giảm trung bình khoảng 10 độ (từ 70 xuống 50). 
Ở mức tải 100 MW: Dòng điện giảm từ khoảng 99 ± 2 A xuống còn 42 ± 2 A; 
Nhiệt độ gối trục động cơ (gối 1/gối 2) từ 56/47 giảm còn 48/38; Nhiệt độ gối trục quạt 
(gối 1/gối 2) từ 54/50 giảm còn 43/42; Độ rung gối 1/gối 2 từ 2.5/1.2 mm/s giảm còn 
0.4/0.2 mm/s; Nhiệt độ cuộn dây giảm trung bình khoảng 10 độ (từ 74 xuống 64). 
Đối với quạt khói 1B: 
Ở mức tải 80 MW: Dòng điện giảm từ khoảng 90 ± 2 A xuống còn 21 ± 2 A; 
Nhiệt độ gối trục động cơ (gối 1/gối 2) từ 65/55 giảm còn 46/37; Nhiệt độ gối trục quạt 
(gối 1/gối 2) từ 53/50 giảm còn 41/37; Độ rung gối 1/gối 2 từ 2.4/0.8 mm/s giảm còn 
0.7/0.3 mm/s; Nhiệt độ cuộn dây giảm trung bình khoảng 25 độ (từ 80 xuống 55). 
156 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Ở mức tải 100 MW: Dòng điện giảm từ khoảng 99 ± 2 A xuống còn 42 ± 2 A; 
Nhiệt độ gối trục động cơ (gối 1/gối 2) từ 62/56 giảm còn 47/37; Nhiệt độ gối trục quạt 
(gối 1/gối 2) từ 52/47 giảm còn 42/38; Độ rung gối 1/gối 2 từ 2.5/0.7 mm/s giảm còn 
1.5/0.3 mm/s; Nhiệt độ cuộn dây giảm trung bình khoảng 10 độ. 
 Về cơ bản thiết bị sau khi lắp đặt biến tần đã vận hành với thông số ổn định hơn, 
tuy nhiên còn một số khiếm khuyết như sau: 
Khi vận hành quạt khói qua biến tần thì rơle bảo vệ so lệch của động cơ phải tách 
ra nếu không sẽ tác động nhầm do tín hiệu gửi về không chính xác. Mặt khác, khi sự cố 
biến tần hoặc chuyển phương thức vận hành về chế độ như cũ bắt buộc phải đưa lại bảo 
vệ so lệch gây khó khăn trong quá trình chuyển đổi. 
Riêng đối với thiết bị biến tần đặt tại phòng biến tần thì thỉnh thoảng vẫn còn cảnh 
báo nhiệt độ cao do điều hòa phòng biến tần không đủ công suất, hệ thống cách nhiệt 
chưa tốt. 
2. Đánh giá tiết kiệm điện năng 
 Theo dõi điện năng tiêu thụ của các quạt khói tổ 1 ở các mức tải điển hình và so 
sánh với điện năng tiêu thụ trước khi lắp đặt biến tần ta thấy rằng mức điện năng 
tiết kiệm được là tương đối lớn (giảm từ 25 - 75% lượng điện năng tiêu thụ của 
thiết bị tùy từng mức tải). 
STT Công suất tổ máy (MW) 
Điện năng tiêu thụ của cả hai quạt khói
(kWh) 
Lượng điện năng 
tiết kiệm 
(kWh) Không qua biến tần Qua biến tần 
1 80 1,718 422 1,296 
2 85 1,760 482 1,278 
3 90 1,790 622 1,168 
4 95 1,849 731 1,118 
5 100 1,897 813 1,084 
6 105 1,950 874 1,076 
 Theo dõi lượng điện tự dùng thực tế tại nhà máy hàng ngày khi vận hành riêng tổ 
1 trong tháng 9,10 và so sánh với số liệu thống kê thời điểm khi chưa chạy biến 
tần cũng thấy hiệu quả rõ rệt. 
STT 
Công 
suất tổ 
máy 
(MW) 
Lượng điện tự dùng của riêng 
tổ 1 trong ngày (MWh) 
Tỉ lệ điện tự dùng 
(%) 
Không qua 
biến tần Qua biến tần 
Không qua 
biến tần Qua biến tần 
1 80 - 85 270 230 13.2 11.7 
2 85 - 90 277 234 12.7 11.5 
3 90 - 95 285 242 12.2 11.2 
4 95 - 100 290 263 12 10.9 
5 100 - 105 292 270 11.5 10.8 
PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 157 
3. Tính toán giá trị tiết kiệm khi sử dụng biến tần 
Khi sử dụng biến tần qua theo dõi thực tế dòng điện quạt khói giảm từ 25% - 75% 
tùy theo từng mức tải cho thấy lượng điện năng tiết kiệm được tương đối lớn nếu tổ máy 
chạy ổn định liên tục như thời gian tính toán. 
Mức tải 
tổ máy 70% (~77 MW) 80% (~88 MW) 90% (~100 MW)
100% 
(~105 MW) 
Thời 
điểm 
đo đạt 
Trước 
khi lắp 
biến 
tần 
Sau khi 
lắp 
biến 
tần 
Trước 
khi lắp 
biến 
tần 
Sau khi 
lắp 
biến 
tần 
Trước 
khi lắp 
biến 
tần 
Sau khi 
lắp 
biến 
tần 
Trước 
khi lắp 
biến 
tần 
Sau khi 
lắp 
biến 
tần 
Dòng 
điện 
quạt 
khói 
86 26 89 36 94 42 96 46 
3.1. So sánh với tính toán hiệu quả kinh tế trong báo cáo KT - KT 
Thời gian vận hành của tổ máy theo các mức tải trong báo cáo KT - KT là: 
Mức tải tổ 
máy 
70% 
(~77 MW) 80% (~88 MW) 90% (~100 MW) 
100% 
(~105 MW) 
Thời gian vận 
hành trong 
năm 
1450 giờ 2400 giờ 2300 giờ 168 giờ 
Giá điện năng tiết kiệm theo báo cáo KT-KT: 1329 đ/kWh. 
→ Vậy lượng điện năng tiết kiệm hàng năm là: 
Etk = (Po70% - Pbt70%)*t70% + (Po80% - Pbt80%)*t80% + (Po90% - Pbt90%)*t90% + 
(Po100% - Pbt100%)*t100% = 6.667.474 kWh. 
Giá trị tiết kiệm hàng năm = Etk*1329 = 8.863.739.468 đồng. 
So sánh với giá trị tiết kiệm tính toán trong Báo cáo KTKT dự án: “Biến tần động 
cơ 6.6 kV Công ty Nhiệt điện Sơn Động” do CTCP tư vấn điện PACIFIC lập là 
2.970.000 kWh/năm tương đương với 4 tỷ VNĐ/năm thì dự án hoàn toàn khả thi và có 
hiệu quả kinh tế cao. 
3.2. So sánh với thời gian vận hành thực tế của nhà máy ở các mức tải trong các 
năm gần đây 
Thống kê thời gian vận hành thực tế của tổ máy số 1 trong các năm 2014, 2015 
cho ta thấy: 
158 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Mức tải 80 - 85 MW 
85 - 90 
MW 
90 - 95 
MW 
95 - 100 
MW 
100 - 105 
MW 
Thời gian vận hành 
năm 2014 (h) 2016 552 432 720 2328 
Lượng điện năng tiết 
kiệm (kWh) 1.216.792 288.747 217.284 362.140 1.124.084 
Thời gian vận hành 
năm 2015 (h) 648 648 840 672 1800 
Lượng điện năng tiết 
kiệm (kWh) 391.112 338.963 422.497 337.998 869.137 
Lượng điện năng tiết kiệm nếu nhà máy vận hành với thời gian và mức tải như 
năm 2014: 6.418.094 kWh. 
→ Giá trị tiết kiệm: 6.418.094 * 1280 = 8.215.160.165 đồng (giá điện lấy bằng 
giá bán điện trung bình 9 tháng năm 2016). 
Lượng điện năng tiết kiệm nếu nhà máy vận hành với thời gian vào mức tải như 
năm 2015: 4.719.414 kWh. 
→ Giá trị tiết kiệm: 4.719.414 * 1280 = 6.040.849.794 đồng (giá điện lấy bằng 
giá bán điện trung bình 9 tháng năm 2016). 
4. KẾT LUẬN 
 Việc đầu tư biến tần cho quạt khói nhà máy nhiệt điện Sơn Động có hiệu quả về 
cả kinh tế và kỹ thuật: Thiết bị vận hành ổn định, dòng điện tiêu thụ của động cơ 
giảm nhiều từ 25% ÷ 75% tùy theo các mức tải. 
 Qua số liệu thực tế về dòng điện của động cơ cho thấy công suất của động cơ quạt 
khói được thiết kế dư thừa nhiều (tại mức tải 100 ÷ 105 MW dòng điện tiêu thụ 
giảm ≈ 50%). 
 Giá trị tiết kiệm phụ thuộc lớn vào thời gian vận hành tại các mức tải. Tổ máy 
càng vận hành ổn định, thời gian vận hành càng nhiều thì giá trị tiết kiệm càng 
lớn. Nếu tổ máy số 1 vận hành với thời gian và mức tải tương tự như các năm 
trước thì sẽ tiết kiệm được hơn 6 tỷ VNĐ/năm. 
 Với giá trị tiết kiệm hàng năm như trên thì sau khoảng 3 năm sẽ thu hồi được vốn 
đầu tư.