Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, nhà máy nhiệt điện đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng cho nền kinh tế. Nhà máy nhiệt điện An Khánh với lò hơi tầng sôi tuần hoàn NG – 230/9.8/540-M có công suất 230 tấn hơi/giờ, nhiệt độ hơi chính 540°C và áp lực hơi chính 9,81 MPa, là một trong những thiết bị quan trọng đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả của nhà máy. Tuy nhiên, việc điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi là một thách thức lớn do mức nước luôn biến động và dao động lớn trong quá trình vận hành, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bao hơi bằng cách thiết kế bộ điều khiển thông minh dựa trên logic mờ, thay thế cho bộ điều khiển PID kinh điển hiện đang được sử dụng. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho đối tượng điều khiển, khảo sát hiệu quả của bộ điều khiển PID và đề xuất bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhà máy nhiệt điện An Khánh trong giai đoạn vận hành hiện tại, với các số liệu kỹ thuật và đặc tính vận hành được thu thập trực tiếp từ nhà máy.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển mức nước bao hơi, giảm thiểu rủi ro vận hành, tăng tuổi thọ thiết bị và tối ưu hóa hiệu suất nhiệt của lò hơi. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy nhiệt điện sử dụng lò hơi tầng sôi tuần hoàn, góp phần thúc đẩy phát triển công nghiệp năng lượng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tự động và mô hình toán học hệ thống nhiệt điện.

  1. Lý thuyết điều khiển PID: Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển phổ biến trong công nghiệp, bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). Bộ điều khiển này có ưu điểm về cấu trúc đơn giản, dễ hiểu và khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, tuy nhiên việc hiệu chỉnh các tham số PID (Kp, Ti, Td) gặp khó khăn khi hệ thống có nhiều biến đổi và nhiễu.

  2. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control): Bộ điều khiển mờ sử dụng các luật suy luận dựa trên logic mờ để xử lý các tín hiệu không chính xác hoặc không rõ ràng, giúp cải thiện khả năng thích ứng và ổn định của hệ thống điều khiển trong môi trường biến động. Bộ điều khiển mờ lai kết hợp ưu điểm của PID và logic mờ, cho phép chỉnh định tham số PID một cách tự động và linh hoạt hơn.

  3. Mô hình toán học hệ thống lò hơi: Mô hình toán học được xây dựng dựa trên phương trình quá độ mức nước trong bao hơi, mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi ra và mức nước bao hơi. Đối tượng điều khiển được mô tả bằng hàm truyền khâu tích phân có trễ với hệ số khuếch đại K = 0,08 mm/(t/h) và hằng số thời gian trễ τ = 15 giây. Hàm truyền của hệ thống kết hợp với hàm truyền của van điều khiển được xác định để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: mức nước bao hơi, lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ lai, hàm truyền khâu tích phân có trễ, và logic mờ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng máy tính và phân tích thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và vận hành được thu thập trực tiếp từ nhà máy nhiệt điện An Khánh, bao gồm thông số lò hơi, đặc tính van điều khiển, dữ liệu đo mức nước bao hơi và lưu lượng nước cấp.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển mức nước bao hơi dựa trên phương trình quá độ và hàm truyền khâu tích phân có trễ. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tối ưu đối xứng và khảo sát hiệu quả điều khiển bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink. Tiếp đó, thiết kế bộ điều khiển mờ lai để chỉnh định tham số PID, kiểm nghiệm và so sánh hiệu quả điều khiển với bộ PID kinh điển.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng một năm, bao gồm các giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng ứng dụng cao trong điều khiển tự động nhà máy nhiệt điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển của bộ PID kinh điển: Qua mô phỏng, bộ điều khiển PID với các tham số hiệu chỉnh theo phương pháp tối ưu đối xứng đã duy trì mức nước bao hơi ổn định trong phạm vi dao động cho phép 50 mm. Tuy nhiên, khi có sự thay đổi đột ngột về lưu lượng hơi hoặc nước cấp, hệ thống phản ứng chậm và có hiện tượng dao động vượt mức cho phép, ảnh hưởng đến độ ổn định vận hành.

  2. Khả năng thích ứng của bộ điều khiển mờ lai: Bộ điều khiển mờ lai cho phép chỉnh định tham số PID tự động dựa trên các luật mờ, giúp hệ thống điều khiển thích ứng nhanh với các biến đổi phụ tải và nhiễu. Mô phỏng cho thấy mức nước bao hơi được duy trì ổn định hơn, giảm dao động xuống dưới 30 mm, cải thiện khoảng 40% so với bộ PID kinh điển.

  3. Tác động của thời gian trễ và đặc tính van điều khiển: Thời gian trễ τ = 15 giây và đặc tính khâu quán tính bậc nhất của van điều khiển ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điều khiển. Việc mô hình hóa chính xác các đặc tính này giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp, giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định.

  4. So sánh với các nghiên cứu trong ngành: Kết quả nghiên cứu phù hợp với báo cáo của ngành về việc sử dụng bộ điều khiển mờ trong các hệ thống điều khiển mức nước bao hơi, cho thấy khả năng cải thiện chất lượng điều khiển và giảm thiểu thời gian phản ứng so với bộ PID truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng dao động và phản ứng chậm trong bộ điều khiển PID kinh điển là do các tham số PID được hiệu chỉnh cho một chế độ làm việc cố định, không linh hoạt khi hệ thống có sự thay đổi về phụ tải hoặc nhiễu. Bộ điều khiển mờ lai khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng các luật mờ để điều chỉnh tham số PID theo thời gian thực, giúp hệ thống thích ứng nhanh và duy trì mức nước ổn định hơn.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động mức nước bao hơi theo thời gian, so sánh giữa bộ PID và bộ điều khiển mờ lai, thể hiện rõ sự giảm thiểu dao động và tăng độ ổn định. Bảng tổng hợp các chỉ số hiệu quả điều khiển như thời gian ổn định, biên độ dao động và sai số trung bình cũng minh họa sự vượt trội của bộ điều khiển mờ lai.

Kết quả nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu quả vận hành của nhà máy nhiệt điện An Khánh mà còn góp phần phát triển các giải pháp điều khiển tự động tiên tiến trong ngành công nghiệp năng lượng, đặc biệt trong điều kiện biến động phụ tải và yêu cầu an toàn cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển mờ lai trong hệ thống điều khiển mức nước bao hơi: Áp dụng bộ điều khiển mờ lai để thay thế bộ PID hiện tại nhằm nâng cao độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật tự động hóa nhà máy chủ trì.

  2. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nguyên lý và vận hành bộ điều khiển mờ lai cho đội ngũ kỹ thuật và vận hành nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian đào tạo trong 3 tháng, phối hợp với các chuyên gia từ trường đại học kỹ thuật.

  3. Nâng cấp hệ thống đo lường và thiết bị chấp hành: Cải tiến các thiết bị đo mức nước và van điều khiển để giảm thiểu thời gian trễ và tăng độ chính xác, hỗ trợ tối đa cho bộ điều khiển mới hoạt động hiệu quả. Thời gian thực hiện trong 9 tháng, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và phân tích dữ liệu tự động: Phát triển phần mềm giám sát liên tục các thông số vận hành, phân tích dữ liệu để phát hiện sớm các bất thường và điều chỉnh tham số điều khiển kịp thời. Thời gian triển khai trong 12 tháng, do phòng công nghệ thông tin và tự động hóa phối hợp thực hiện.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu giảm dao động mức nước bao hơi xuống dưới 20 mm, tăng độ ổn định hệ thống lên trên 95%, và giảm thiểu thời gian phản ứng khi có biến động phụ tải trong vòng 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển quá trình: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và tối ưu bộ điều khiển PID và mờ lai, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển trong các nhà máy nhiệt điện và công nghiệp năng lượng.

  2. Nhân viên vận hành nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ về nguyên lý vận hành lò hơi tầng sôi tuần hoàn và hệ thống điều khiển mức nước bao hơi, từ đó vận hành hiệu quả, xử lý sự cố nhanh chóng và đảm bảo an toàn.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy và thực hành về điều khiển tự động trong công nghiệp, đặc biệt là ứng dụng logic mờ và mô hình toán học trong điều khiển quá trình.

  4. Chuyên gia phát triển công nghệ năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển PID là gì và tại sao được sử dụng phổ biến trong công nghiệp?
    Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và vi phân, giúp điều chỉnh hệ thống nhanh và chính xác. Nó được sử dụng phổ biến do cấu trúc đơn giản, dễ hiệu chỉnh và phù hợp với nhiều loại quá trình công nghiệp.

  2. Tại sao cần thay thế bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển mờ lai?
    Bộ PID hiệu quả trong điều kiện ổn định nhưng kém linh hoạt khi hệ thống biến đổi hoặc có nhiễu. Bộ điều khiển mờ lai tự động chỉnh tham số PID theo điều kiện thực tế, giúp hệ thống thích ứng nhanh và ổn định hơn.

  3. Mô hình toán học của mức nước bao hơi được xây dựng như thế nào?
    Mô hình dựa trên phương trình quá độ mức nước, mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi ra và mức nước. Đối tượng được mô tả bằng hàm truyền khâu tích phân có trễ với các tham số xác định từ thực nghiệm.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống điều khiển?
    Phần mềm Matlab – Simulink được sử dụng để mô phỏng và kiểm nghiệm các bộ điều khiển PID và mờ lai, giúp đánh giá hiệu quả và tối ưu tham số điều khiển.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành nhà máy?
    Cần triển khai bộ điều khiển mờ lai trên hệ thống điều khiển hiện có, nâng cấp thiết bị đo và van điều khiển, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành để đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học chính xác cho đối tượng điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn của nhà máy nhiệt điện An Khánh.
  • Bộ điều khiển PID kinh điển dù phổ biến nhưng có hạn chế về khả năng thích ứng và ổn định khi hệ thống biến đổi.
  • Bộ điều khiển mờ lai được thiết kế và mô phỏng cho thấy cải thiện rõ rệt về độ ổn định và giảm dao động mức nước bao hơi.
  • Đề xuất triển khai bộ điều khiển mờ lai cùng với nâng cấp thiết bị đo và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện hệ thống giám sát và mở rộng ứng dụng cho các nhà máy nhiệt điện khác.

Hành động tiếp theo là phối hợp với phòng kỹ thuật và vận hành nhà máy để triển khai thử nghiệm bộ điều khiển mờ lai, đồng thời tổ chức đào tạo và nâng cấp thiết bị nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn vận hành.