Tổng quan nghiên cứu

Trong các nhà máy nhiệt điện đốt than hiện đại, lò hơi là tổ hợp thiết bị trung tâm đóng vai trò quyết định đến hiệu suất nhiệt và tính liên tục của chu trình sinh điện. Lò hơi tầng sôi tuần hoàn mã hiệu NG-230/9.8/540-M tại Nhà máy Nhiệt điện An Khánh có sản lượng sinh hơi định mức 230 tấn hơi/giờ, áp suất hơi chính 9.81 MPa và nhiệt độ làm việc lên tới 540 °C. Trong cấu trúc vận hành phức tạp này, bao hơi với áp lực thiết kế 11 MPa giữ nhiệm vụ phân ly hơi - nước và duy trì thể tích nước làm mát cho toàn bộ hệ thống ống sinh hơi trong buồng đốt nhiệt độ 864 °C đến 887 °C.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là mức nước bao hơi luôn chịu tác động liên tục từ các dao động phụ tải nhiệt, áp suất buồng lửa và lưu lượng hơi tiêu thụ của tuabin. Đây là đối tượng điều khiển tích phân không có tính tự cân bằng, mang đặc tính phi tuyến sâu sắc và xuất hiện hiện tượng mức nước giả do bọt khí giãn nở. Nếu mức nước dao động vượt quá ngưỡng dung sai cho phép là 50 mm so với tâm hình học, sự cố nghiêm trọng sẽ xảy ra: nước tràn cuốn theo hơi ẩm gây xói mòn cánh tuabin, hoặc mức nước cạn kiệt làm nổ giàn ống trao đổi nhiệt.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi tại Nhà máy Nhiệt điện An Khánh. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học chuẩn xác của hệ thống, khảo sát toàn diện những giới hạn của bộ điều khiển PID kinh điển, từ đó phát triển và ứng dụng cấu trúc điều khiển mờ lai (Fuzzy-PID) thông minh. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi nâng cao độ ổn định hệ thống, triệt tiêu sai số xác lập về dưới mức 2 mm và cải thiện chỉ số tin cậy vận hành cho tổ máy phát điện công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển quá trình hiện đại kết hợp giữa giải thuật điều khiển kinh điển và kỹ thuật trí tuệ nhân tạo mờ. Đối tượng bao hơi được xác lập theo mô hình hàm truyền tích phân có trễ bậc nhất, phản ánh tương quan giữa mức nước biến thiên $H(s)$ với độ lệch lưu lượng nước cấp $D_c(s)$ và lưu lượng hơi ra $D_r(s)$. Hệ số khuếch đại thực nghiệm của đối tượng được xác định ở mức $K = 0.08$ mm/(tấn/giờ), đi kèm hằng số thời gian trễ quán tính nhiệt $\tau = 15$ giây.

Khung lý thuyết điều khiển gồm hai trụ cột chính:

  1. Quy luật điều khiển PID tối ưu đối xứng: Được ứng dụng để xác định bộ tham số khuếch đại tỷ lệ $K_p$, thời gian tích phân $T_i$ và thời gian vi phân $T_d$, nhằm tạo ra độ dự trữ ổn định pha và biên độ ở tần số cắt trung bình của hệ hở.
  2. Lý thuyết điều khiển mờ lai (Hybrid Fuzzy-PID): Sử dụng cơ chế suy luận mờ Mamdani với 49 luật điều khiển kết hợp thuật toán giải mờ theo phương pháp trọng tâm (Center of Gravity). Cấu trúc này liên tục tự động chỉnh định các hệ số $K_p, K_i, K_d$ thích nghi trực tuyến theo biến thiên của sai lệch $e(t)$ và tốc độ biến thiên sai lệch $de(t)/dt$.

Mô hình thiết bị đo lường tích hợp cảm biến chênh áp Yokogawa EJA 210A với dải đo 0 đến 1000 mm, chuẩn tín hiệu 4 đến 20 mA, cùng bộ chuyển đổi dòng điện - khí nén PK200 có hệ số khuếch đại $K_{IP} = 0.05$ kg/cm²·mA và van điều khiển khí nén có thời gian trễ đáp ứng 0.01 giây.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa giải tích kết hợp phân tích dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng số học trên máy tính.

  • Dữ liệu nghiên cứu: Thu thập tập mẫu gồm 1.200 điểm đo thông số vận hành thời gian thực từ hệ thống điều khiển phân tán DCS của Nhà máy Nhiệt điện An Khánh.
  • Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo chuỗi thời gian (Stratified Time-series Sampling) với chu kỳ quét tín hiệu 0.1 giây trong 24 giờ vận hành liên tục, trải đều trên 3 dải phụ tải điển hình gồm 50%, 75% và 100% công suất tải cực đại BMCR (230 tấn hơi/giờ).
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng MATLAB/Simulink kết hợp công cụ Fuzzy Logic Toolbox cho phép khảo sát chính xác tính động học phi tuyến và đánh giá khách quan các tiêu chuẩn chất lượng như độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ và sai số tích phân IAE. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rủi ro kỹ thuật, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tổ máy phát điện đang vận hành thương mại mà vẫn đem lại kết luận khoa học có độ tin cậy trên 95%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình lò hơi NG-230/9.8/540-M đã chỉ ra các phát hiện định lượng vượt trội của giải pháp điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID truyền thống:

  1. Triệt tiêu độ quá điều chỉnh (Overshoot): Khi hệ thống chịu tác động của tín hiệu đặt mức nước nhảy bậc 50 mm, bộ điều khiển PID kinh điển tạo ra độ quá điều chỉnh lên tới 26.8%. Trong khi đó, bộ điều khiển mờ lai kiểm soát biên độ vọt lố ở mức dưới 4.2%, tương đương mức cải thiện chất lượng quá độ đạt 84.3%.
  2. Tối ưu hóa thời gian xác lập (Settling Time): Thời gian để mức nước ổn định hoàn toàn trong dải sai số cho phép ±2% giảm mạnh từ 115 giây ở bộ điều khiển PID xuống còn 58 giây khi kích hoạt thuật toán mờ lai, rút ngắn 49.5% thời gian quá độ của hệ thống.
  3. Khả năng kháng nhiễu phụ tải hơi: Khi xuất hiện nhiễu đột biến phụ tải hơi với biên độ 20 tấn hơi/giờ (tương đương 8.7% công suất định mức), hệ thống mờ lai chỉ làm mức nước dao động cục bộ trong phạm vi ±12 mm và tự phục hồi về điểm đặt sau 32 giây, trong khi bộ điều khiển PID bị trôi mức nước tới ±38 mm và mất hơn 85 giây để cân bằng.
  4. Triệt tiêu sai số tĩnh: Sai số xác lập ở trạng thái ổn định với bộ điều khiển thông minh tiến về 0 mm, bảo đảm kiểm soát mức nước nghiêm ngặt quanh điểm cân bằng tối ưu thấp hơn tâm bao hơi 76 mm.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của cấu trúc điều khiển mờ lai bắt nguồn từ khả năng thay đổi linh hoạt các trọng số điều khiển theo thời gian thực. Khi sai lệch mức nước $e(t)$ lớn, khối logic mờ tự động tăng hệ số tỷ lệ $K_p$ và giảm thành phần tích phân $K_i$ để tăng tốc độ tác động mà không gây hiện tượng bão hòa tích phân. Ngược lại, khi mức nước tiệm cận giá trị đặt, hệ thống tự động tăng $K_i$ và tối ưu $K_d$ để dập tắt nhanh các dao động sóng nước trong bao hơi.

Trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu so sánh có thể được trực quan hóa thông qua bảng đối sánh 5 chỉ số động học (độ vọt lố, thời gian quá độ, thời gian trễ, sai số IAE và năng lượng tác động van) cùng biểu đồ đáp ứng thời gian (Step Response Chart). Trên đồ thị quá độ, đường đặc tính của bộ điều khiển mờ lai duy trì biên độ mượt mà, loại bỏ hoàn toàn các đỉnh dao động nhọn thường thấy ở bộ điều khiển PID đơn vòng. So với các công trình điều khiển mức nước tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 1 và Nhiệt điện Cao Ngạn, giải pháp mờ lai cho thấy tính tương thích vượt trội với công nghệ đốt than tầng sôi, vốn có độ trễ quán tính nhiệt lớn hơn 1.5 lần so với lò phun truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao chất lượng vận hành bao hơi:

  1. Nâng cấp thuật toán điều khiển trên hệ thống DCS trung tâm:
  • Hành động: Lập trình tích hợp khối chức năng Fuzzy-PID thích nghi vào phần mềm điều khiển phân tán DCS hiện hữu của nhà máy.
  • Mục tiêu: Giữ độ lệch mức nước trong giới hạn ±15 mm khi phụ tải thay đổi với tốc độ 5 tấn hơi/phút.
  • Thời gian: Hoàn thành trong vòng 6 tháng.
  • Chủ thể: Phòng Kỹ thuật và Tự động hóa Nhà máy Nhiệt điện An Khánh.
  1. Hiệu chuẩn và chuẩn hóa định kỳ thiết bị đo mức chênh áp:
  • Hành động: Triển khai quy trình bảo dưỡng, kiểm định tuyến tính định kỳ đối với cảm biến Yokogawa EJA 210A và hệ thống ống xung thủy tĩnh.
  • Mục tiêu: Đảm bảo sai số đo lường tín hiệu dòng 4 - 20 mA không vượt quá 0.1% toàn thang đo.
  • Thời gian: Định kỳ 3 tháng một lần.
  • Chủ thể: Đội ngũ kỹ sư đo lường và thiết bị phụ trợ.
  1. Triển khai cấu trúc điều khiển tầng kết hợp bù nhiễu đón đầu (Feedforward):
  • Hành động: Kết nối tín hiệu đo lưu lượng hơi chính $D_r$ làm tín hiệu bù đón đầu trực tiếp cho van cấp nước trước khi mức nước bao hơi bị biến động.
  • Mục tiêu: Giảm thiểu 70% biên độ hiện tượng mức nước giả khi tăng giảm phụ tải tuabin đột ngột.
  • Thời gian: Thực hiện trong quý 3 của năm vận hành tiếp theo.
  • Chủ thể: Kỹ sư trưởng vận hành phối hợp cùng chuyên gia điều khiển quá trình.
  1. Xây dựng chương trình đào tạo mô phỏng thời gian thực cho vận hành viên:
  • Hành động: Đưa mô hình toán học và giao diện mô phỏng MATLAB/Simulink vào giáo trình huấn luyện định kỳ của nhà máy.
  • Mục tiêu: 100% kỹ sư vận hành xử lý chuẩn xác các tình huống sự cố lệch mức nước nghiêm trọng trong thời gian dưới 30 giây.
  • Thời gian: Triển khai liên tục trong chu kỳ 12 tháng.
  • Chủ thể: Trung tâm Đào tạo và Ban An toàn Nhà máy Nhiệt điện An Khánh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  1. Kỹ sư vận hành và bảo dưỡng nhà máy nhiệt điện: Cung cấp tài liệu tra cứu trực tiếp về cấu tạo lò hơi NG-230/9.8/540-M, các biến quá trình công nghệ và phương pháp hiệu chỉnh van cấp nước khí nén để xử lý hiện tượng dao động mức nước trong ca trực.
  2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận khoa học về mô hình hóa toán học cho đối tượng phi tự cân bằng, kỹ thuật tổng hợp bộ điều khiển tối ưu đối xứng và thuật toán thiết kế hệ mờ lai Mamdani.
  3. Chuyên gia thiết kế và tích hợp hệ thống SCADA/DCS: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc khối điều khiển, hàm truyền đạt thiết bị đo chuẩn Yokogawa và giải pháp ghép nối tín hiệu I/P trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
  4. Cán bộ quản lý kỹ thuật và tối ưu hóa năng lượng: Giúp xây dựng các định mức an toàn vận hành lò hơi, giảm thiểu suất tiêu hao nhiệt và hạn chế tối đa các sự cố dừng lò ngoài kế hoạch gây thiệt hại hàng tỷ đồng mỗi năm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mức nước bao hơi là thông số được kiểm soát nghiêm ngặt nhất trong lò hơi tầng sôi? Mức nước bao hơi giữ vai trò sống còn đối với sự an toàn của toàn bộ tổ máy phát điện. Nếu mức nước tăng vượt quá 50 mm, hơi bão hòa mang theo nước vào bộ quá nhiệt làm giảm nhiệt độ hơi và gây xói mòn nghiêm trọng cánh tuabin. Ngược lại, nếu mức nước tụt sâu quá 50 mm, các giàn ống sinh hơi trong buồng đốt 864 °C sẽ bị cạn nước, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt gây nổ vỡ ống lò.

  2. Nhược điểm căn bản của bộ điều khiển PID kinh điển trong bài toán này là gì? Bộ điều khiển PID kinh điển chỉ được tính toán tối ưu tại một điểm làm việc tĩnh cố định. Khi phụ tải nhiệt thay đổi từ 50% đến 100% công suất định mức 230 tấn hơi/giờ, các tham số quán tính và độ trễ 15 giây của bao hơi biến đổi mạnh, khiến PID bị suy giảm chất lượng, sinh ra độ vọt lố lớn 26.8% và phản ứng chậm chạp với các dao động áp suất.

  3. Bộ điều khiển mờ lai (Fuzzy-PID) cải thiện chất lượng hệ thống dựa trên cơ chế nào? Hệ thống mờ lai kết hợp ưu điểm dập tắt sai số xác lập của PID với khả năng tư duy thích nghi phi tuyến của logic mờ. Dựa trên 49 luật hợp thành mờ, hệ thống liên tục tính toán lại bộ ba hệ số khuếch đại theo thời gian thực, giúp giảm 84.3% độ vọt lố và rút ngắn thời gian xác lập xuống còn 58 giây.

  4. Mô hình toán học của bao hơi nhà máy An Khánh được biểu diễn như thế nào? Bao hơi được mô tả chuẩn xác dưới dạng khâu tích phân có trễ bậc nhất với hàm truyền đạt $G(s) = \frac{0.08 e^{-15s}}{s}$. Trong đó, hệ số tích phân $K = 0.08$ mm/(tấn/giờ) thể hiện tốc độ quá độ của dung tích bao hơi và thời gian trễ $\tau = 15$ giây phản ánh quán tính nhiệt của chu trình sinh hơi.

  5. Giải pháp điều khiển trong luận văn có thể áp dụng cho các nhà máy khác không? Hoàn toàn khả thi. Cấu trúc điều khiển mờ lai có tính tổng quát cao, có thể tùy biến ứng dụng trực tiếp cho các hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn hoặc lò than phun công suất 100 MW đến 300 MW tại các nhà máy nhiệt điện như Cao Ngạn, Phả Lại, Mông Dương hay Cẩm Phả.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích dạng tích phân có trễ $G(s) = \frac{0.08 e^{-15s}}{s}$ phản ánh chân thực động học mức nước bao hơi lò NG-230/9.8/540-M công suất 230 tấn hơi/giờ.
  • Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển mờ lai thích nghi Mamdani 49 luật kết hợp PID tối ưu đối xứng, khắc phục triệt để tính phi tuyến và quán tính nhiệt của hệ thống.
  • Đạt hiệu quả kiểm soát vượt trội khi giảm độ quá điều chỉnh từ 26.8% xuống 4.2% và rút ngắn 49.5% thời gian quá độ so với phương pháp PID truyền thống.
  • Khống chế an toàn tuyệt đối dao động mức nước trong dải an toàn ±12 mm quanh điểm đặt chuẩn, loại trừ hoàn toàn nguy cơ xói mòn tuabin và nổ ống sinh hơi.
  • Đề xuất lộ trình kỹ thuật 4 bước với khung thời gian 6 đến 12 tháng để tích hợp trực tiếp giải thuật vào hệ thống phân tán DCS thực tế tại nhà máy.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp một giải pháp tự động hóa thông minh, khả thi và có độ tin cậy cao, giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển mức nước bao hơi trong ngành nhiệt điện Việt Nam. Để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất tổ máy, các đơn vị quản lý kỹ thuật nhà máy nhiệt điện nên sớm triển khai thử nghiệm cấu trúc điều khiển mờ lai vào hệ thống vận hành thực tế.