Giới thiệu dự án
Trong bối cảnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII), Việt Nam đang đẩy mạnh quá trình chuyển dịch năng lượng theo hướng bền vững, giảm thiểu tối đa các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi đốt than truyền thống và gia tăng tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo. Cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, lượng chất thải rắn sinh hoạt (MSW) phát sinh tại các đô thị lớn chạm ngưỡng hơn 35.000 tấn/ngày, tạo ra áp lực khổng lồ lên hệ thống xử lý môi trường. Công nghệ nhà máy điện rác (Waste-to-Energy - WTE) sử dụng lò đốt tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed - CFB) công suất định mức 30MW tiêu thụ nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (Refuse Derived Fuel - RDF) đang nổi lên như một giải pháp kép: xử lý triệt để rác thải sinh hoạt và hòa lưới điện quốc gia sản lượng điện năng ổn định.
Lò hơi (Boiler) đóng vai trò là "trái tim" nhiệt động lực học của toàn bộ nhà máy. Trong đó, bao hơi (Steam Drum) là thiết bị trung tâm phân tách pha hơi - nước và duy trì chu trình tuần hoàn tự nhiên. Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement) tại các lò hơi CFB đốt rác là môi trường vận hành có tính bất định cực cao do nhiệt trị của nhiên liệu RDF không đồng nhất, gây ra dao động phụ tải hơi liên tục. Khi tải thay đổi đột ngột, hiện tượng thủy nhiệt động học phi tuyến tính xảy ra nghiêm trọng:
- Hiện tượng sôi bồng (Swell): Khi tải hơi tăng nhanh, áp suất bao hơi tụt tức thời, thể tích bọt hơi trong hỗn hợp nước - hơi ở các dàn ống sinh hơi giãn nở đột ngột, đẩy mức nước trong bao hơi dâng lên giả tạo (mức nước tăng lên tới 64 mm tương đương 8,33% dải đo dù khối lượng nước thực tế đang thiếu hụt).
- Hiện tượng co lại (Shrink): Khi tải hơi giảm, áp suất bao hơi tăng ép các bọt hơi co lại, làm mức nước tụt xuống tức thời dù khối lượng nước cấp vào chưa hề suy giảm.
- Nhiễu loạn áp suất nước cấp: Sự dao động áp lực trên đường ống nước cấp từ bình khử khí (Deaerator) qua các bơm nước cấp cao áp và van điều khiển làm biến đổi đặc tính lưu lượng qua van, phá vỡ thế cân bằng vật chất.
Nếu mức nước bao hơi dâng cao vượt ngưỡng, hơi bão hòa mang theo các giọt ẩm tràn sang bộ quá nhiệt (Superheater), gây xói mòn và phá hủy các tầng cánh cuối của tuabin ngưng hơi trích nhiệt. Ngược lại, nếu mức nước tụt quá thấp, chu trình tuần hoàn tự nhiên bị gián đoạn, làm trơ các dàn ống sinh hơi trong buồng lửa tầng sôi nhiệt độ cao ($850^\circ\text{C} - 950^\circ\text{C}$), dẫn đến biến dạng nhiệt và nguy cơ nổ ống lò nghiêm trọng.
+-----------------------------------------------------------------+
| HỆ THỐNG BAO HƠI LÒ CFB 30MW |
| |
| +-------------------------+ |
| | Hơi bão hòa -> Tuabin | |
| +------------^------------+ |
| | |
| Nước cấp +---------+---------+ |
| -----------> [Van] ->| Bao hơi |<-- [Hiện tượng |
| (Lưu lượng/Áp suất) | (Steam Drum) | Sôi bồng/Co lại] |
| +--------+----+----+ |
| | | |
| Ống xuống | | Dàn ống sinh hơi |
| (Downcomer) v ^ (Risers) |
| +--------+----+----+ |
| | Buồng đốt CFB | (Nhiên liệu RDF) |
| +------------------+ |
+-----------------------------------------------------------------+
Mục tiêu cụ thể của dự án:
- Nghiên cứu toàn diện sơ đồ công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn 30MW đốt nhiên liệu RDF và chu trình nhiệt - nước - hơi tại Nhà máy Điện rác Thăng Long.
- Xây dựng mô hình toán học nhận dạng các kênh đối tượng nhiệt năng: Kênh van - lưu lượng nước cấp (đối tượng có tự cân bằng Q1T) và Kênh lưu lượng nước cấp - mức nước bao hơi (đối tượng tích phân có quán tính và trễ TpQT).
- Thiết kế cấu trúc điều khiển nối tầng (Cascade Control) kết hợp 3 tín hiệu đo (Mức nước bao hơi, Lưu lượng hơi bão hòa, Lưu lượng nước cấp) có bù trước thích nghi (Feedforward Adaptive Compensation).
- Ứng dụng phần mềm chuyên dụng CASCAD để tổng hợp bộ điều khiển bền vững (Robust Controller) đa vòng, tối ưu hóa khả năng kháng nhiễu phụ tải và nhiễu áp suất nguồn cấp.
- Kiểm chứng tính ổn định của hệ thống điều khiển trên mô hình mô phỏng, đảm bảo mức nước làm việc luôn bám sát điểm đặt NWL (Normal Water Level = 380 mm) với sai lệch động $< \pm 15\text{ mm}$ khi phụ tải thay đổi bước nhảy $\pm 10%$.
Dự án giới hạn trong phạm vi phân tích thủy nhiệt động lực học của vòng tuần hoàn bao hơi - ống sinh hơi và hệ thống điều hòa cấp nước từ bình khử khí qua van điều khiển khí nén đến bao hơi, không can thiệp sâu vào vòng điều khiển tỷ lệ hòa trộn khí cấp sơ cấp/thứ cấp (Primary/Secondary Air) của buồng đốt.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Tại các nhà máy nhiệt điện và điện rác truyền thống, việc lựa chọn cấu hình điều khiển cấp nước phụ thuộc chặt chẽ vào dung tích bao hơi và tính chất phụ tải. Bảng phân tích so sánh các giải pháp hiện hành:
| Tiêu chí so sánh |
Hệ thống 1 tín hiệu (Single-element) |
Hệ thống 2 tín hiệu (Two-element) |
Hệ thống 3 tín hiệu PID truyền thống |
Hệ thống 3 tín hiệu bền vững CASCAD (Đề xuất) |
| Biến đo đầu vào |
Mức nước bao hơi ($L$) |
Mức nước ($L$) + Lưu lượng hơi ($D$) |
Mức nước ($L$) + Lưu lượng hơi ($D$) + Lưu lượng nước ($W$) |
Mức nước ($L$) + Lưu lượng hơi ($D$) + Lưu lượng nước ($W$) + Áp suất ($P$) |
| Cấu trúc điều khiển |
1 vòng kín đơn lẻ (SISO) On-Off hoặc PI |
Vòng kín phản hồi mức kết hợp bù trước Feedforward lưu lượng hơi |
Điều khiển nối tầng (Cascade): Vòng ngoài điều khiển mức, vòng trong điều khiển lưu lượng |
Điều khiển nối tầng bền vững (Robust Cascade): Tối ưu kháng nhiễu $H_\infty$ và khử sai lệch tĩnh bằng tích phân mềm |
| Khả năng triệt tiêu sôi bồng/co lại |
Kém; thường phát lệnh sai lệch làm trầm trọng thêm dao động |
Trung bình; hạn chế được một phần nhờ tín hiệu hơi báo trước |
Tốt; nhanh chóng cân bằng lưu lượng nước và hơi |
Xuất sắc; phản ứng trễ pha có chủ đích, loại bỏ hoàn toàn mức nước giả |
| Độ nhạy với dao động áp suất nước cấp |
Rất cao; áp suất biến động làm thay đổi lưu lượng qua van ngay lập tức |
Cao; không bù được sụt áp tức thời trên đường ống |
Khá; vòng lặp lưu lượng trong sẽ hiệu chỉnh độ mở van |
Rất tốt; vòng lặp trong bền vững dập tắt dao động áp suất dưới 3 giây |
| Độ phức tạp & Chi phí |
Rất thấp; áp dụng lò hơi công nghiệp cỡ nhỏ |
Thấp; chỉ cần thêm bộ truyền tín hiệu chênh áp lưu lượng hơi |
Trung bình; chuẩn công nghiệp DCS phổ biến |
Tối ưu; thuật toán hiện đại trên nền tảng phần cứng DCS sẵn có |
Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:
- Must have: Duy trì mức nước bao hơi tại điểm đặt chuẩn $380\text{ mm}$ (dải đo $0 - 760\text{ mm}$); Triệt tiêu ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng/co lại khi thay đổi tải $\pm 10%$; Tự động đóng ngắt an toàn liên động (Interlock Trip) khi mức nước vượt ngưỡng bảo vệ $\pm 150\text{ mm}$.
- Should have: Bộ điều khiển phụ lưu lượng nước cấp vòng trong có thời gian đáp ứng $< 3\text{ s}$; Khâu bù trước Feedforward tuyến tính hóa theo lưu lượng hơi $0 - 200.000\text{ lbs/hr}$.
- Could have: Thích nghi hệ số khuếch đại theo áp suất hơi bao hơi và áp suất nước cấp; Giao diện HMI giám sát sai lệch tín hiệu thực và tín hiệu đo lọc nhiễu sóng mặt nước.
- Won't have: Điều khiển đa biến tích hợp đồng thời vòng cấp than/RDF và áp suất buồng lửa trong cùng một ma trận điều khiển MPC (tách biệt thành module riêng).
Thiết kế hệ thống
Kiến trúc điều khiển hệ thống cấp nước lò hơi Thăng Long được thiết kế theo cấu trúc điều khiển nối tầng 2 tầng (Two-stage Cascade System):
+---------------------------------+
| Tín hiệu Lưu lượng hơi D(s) |
| (Nhiễu tải đo được) |
+----------------+----------------+
|
[Bộ bù trước G_ff(s)]
|
v (+)
+-------------------+ e1(s) +---------------+ u1(s) + e2(s) +---------------+ u2(s) +---------------+ W(s) +---------------+ L(s)
| Mức đặt SP L*(s) |----->(+) Bộ điều khiển |------->(+)------->(+) Bộ điều khiển |------>| Van & Ống dẫn |------>| Bao hơi |----+-> Mức nước thực
+-------------------+ (-) | ngoài R1(s) | (-) | trong R2(s) | | Đối tượng O2 | | Đối tượng O1 | |
^ +---------------+ +---------------+ +---------------+ +---------------+ |
| ^ |
| | |
| Tín hiệu Lưu lượng nước cấp W(s) |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Technology Stack triển khai hệ thống:
- Nền tảng tính toán & mô hình hóa: Phần mềm tổng hợp hệ nhiệt CASCAD v4.2 / v5.0; MATLAB & Simulink R2023b (Control System Toolbox).
- Phần cứng điều khiển công nghiệp: Bộ điều khiển lập trình DCS Siemens SIMATIC PCS 7 v9.1 / CPU 410-5H Process Automation; Biến tần điều khiển tốc độ động cơ bơm Siemens SINAMICS S120 công suất 450kW.
- Trang bị đo lường trường (Field Instrumentation):
- Bộ truyền tín hiệu mức nước bao hơi ($LT$): Cảm biến chênh áp Yokogawa EJX110A Differential Pressure Transmitter kết hợp ống thủy ngắm quang học hiển thị đa kênh bù nhiệt - áp.
- Bộ truyền tín hiệu lưu lượng nước cấp ($FT_1$) và lưu lượng hơi ($FT_2$): Cảm biến đo chênh áp qua tấm tiết lưu tiêu chuẩn ISO 5167 kèm bộ hiển thị & điều khiển lưu lượng $FIC$.
- Cơ cấu chấp hành: Van cầu điều khiển màng khí nén tuyến tính Samson Type 3241 kết hợp bộ định vị thông minh Fisher FIELDVUE DVC6200 (tín hiệu điều khiển $4 - 20\text{ mA}$, áp suất khí nén $0,4 - 0,6\text{ MPa}$).
Bảng ánh xạ tín hiệu I/O điều khiển cấp nước (Signal Tag List):
| Tag Name |
Kiểu tín hiệu |
Dải đo vật lý |
Dải tín hiệu chuẩn |
Mô tả kỹ thuật |
LT_101_DRUM |
Analog Input (AI) |
$0 - 760\text{ mm}$ |
$4 - 20\text{ mA}$ (HART) |
Mức nước bao hơi (NWL = $380\text{ mm}$) |
FT_102_STEAM |
Analog Input (AI) |
$0 - 200.000\text{ lbs/hr}$ |
$4 - 20\text{ mA}$ (HART) |
Lưu lượng hơi bão hòa rời bao hơi |
FT_103_FWATER |
Analog Input (AI) |
$0 - 250.000\text{ lbs/hr}$ |
$4 - 20\text{ mA}$ (HART) |
Lưu lượng nước cấp sau van điều khiển |
PT_104_HDRUM |
Analog Input (AI) |
$0 - 10\text{ MPa}$ |
$4 - 20\text{ mA}$ |
Áp suất hơi bão hòa trong bao hơi |
CV_101_OUT |
Analog Output (AO) |
$0 - 100%$ |
$4 - 20\text{ mA}$ |
Tín hiệu điều khiển độ mở van cầu cấp nước |
Thiết kế an toàn liên động (Safety Instrumented System - SIS): Hệ thống tích hợp chuẩn an toàn SIL 2 với các ngưỡng bảo vệ: Mức nước chạm $+100\text{ mm}$ (Cảnh báo mức cao Level High), $+150\text{ mm}$ (Mở van xả khẩn cấp đáy bao hơi); Mức nước chạm $-100\text{ mm}$ (Cảnh báo mức thấp Level Low), $-150\text{ mm}$ (Dừng khẩn cấp lò hơi - Boiler Trip để chống nổ ống sinh hơi).
Methodology
Quy trình nghiên cứu và phát triển tuân theo mô hình V-Model chuẩn công nghiệp nhiệt điện kết hợp tiêu chuẩn ISA-77.42 (Fossil Fuel Power Plant Feedwater Control System):
Xác định yêu cầu (ISA-77.42) Kiểm chứng & Tích hợp DCS
\ /
Nhận dạng mô hình (Q1T, TpQT) Thực nghiệm tham số CASCAD
\ /
Thiết kế thuật toán bền vững đa tầng
- Giai đoạn 1 (Tuần 1-3): Thu thập dữ liệu vận hành từ DCS Nhà máy điện rác Thăng Long; phân tích đặc tính thủy động học lò tầng sôi CFB 30MW.
- Giai đoạn 2 (Tuần 4-6): Nhận dạng tham số mô hình đối tượng từ đường cong đáp ứng quá độ thực tế theo phương pháp đặc tính quá độ nhiệt năng.
- Giai đoạn 3 (Tuần 7-10): Ứng dụng phần mềm CASCAD tổng hợp các bộ điều khiển $R_2$ (tầng lưu lượng) và $R_1$ (tầng mức nước) theo tiêu chuẩn ổn định bền vững; bổ sung khâu tích phân kháng nhiễu.
- Giai đoạn 4 (Tuần 11-13): Mô phỏng kiểm chứng chất lượng hệ thống trên MATLAB/Simulink; đánh giá tính bền vững trước sự thay đổi tham số đối tượng ($\pm 20%$).
- Giai đoạn 5 (Tuần 14-16): Chuyển đổi thuật toán sang ngôn ngữ SCL (Structured Control Language) chuẩn IEC 61131-3 sẵn sàng nhúng vào khối Function Block (FB) của DCS.
Implementation và kết quả
Development process
Quá trình mô hình hóa toán học đối tượng điều khiển nhiệt năng được thực hiện bằng cách chia tách hệ thống thành 2 kênh truyền đạt độc lập:
- Nhận dạng kênh Van điều khiển - Lưu lượng nước cấp ($O_2$):
Đối tượng $O_2$ thuộc nhóm đối tượng nhiệt năng có tự cân bằng, được mô tả chính xác bằng khâu quán tính bậc nhất có trễ (Q1T):
$$W_{O2}(s) = \frac{K_2}{T_2 s + 1} e^{-\tau_2 s}$$
Dựa trên đường đặc tính quá độ của van đo thực tế tại nhà máy Thăng Long:
- Độ khuếch đại đối tượng: $K_2 = 1,25$ ($250.000\text{ lbs/hr}$ ứng với $100%$ tín hiệu điều khiển van).
- Hằng số thời gian quán tính: $T_2 = 4,5\text{ s}$.
- Thời gian trễ thuần túy: $\tau_2 = 1,2\text{ s}$.
$$W_{O2}(s) = \frac{1,25}{4,5s + 1} e^{-1,2s}$$
- Nhận dạng kênh Lưu lượng nước cấp - Mức nước bao hơi ($O_1$):
Bao hơi là một bình tích tụ thể tích kín, khi cấp lệch lưu lượng nước và hơi thì mức nước sẽ tăng/giảm không giới hạn. Do đó, $O_1$ thuộc nhóm đối tượng không có tự cân bằng, mô hình hóa bằng khâu tích phân có quán tính và có trễ (TpQT):
$$W_{O1}(s) = \frac{K_1}{s (T_1 s + 1)} e^{-\tau_1 s}$$
Từ số liệu đáp ứng quá độ bao hơi tại phụ tải định mức MCR 100%:
- Tốc độ tích phân: $K_1 = 0,085\text{ mm}/(\text{s}\cdot\text{k-lbs/hr})$.
- Hằng số thời gian nhiệt động học: $T_1 = 18,5\text{ s}$.
- Thời gian trễ phân ly pha và truyền sóng: $\tau_1 = 5,0\text{ s}$.
$$W_{O1}(s) = \frac{0,085}{s(18,5s + 1)} e^{-5,0s}$$
- Tổng hợp bộ điều khiển trên phần mềm CASCAD:
- Tổng hợp bộ điều chỉnh trong $R_2$: Tối ưu hóa mạch vòng kín của $O_2$ để biến đổi mạch vòng phụ thành một khâu quán tính tương đương nhanh:
$$W_{k2}(s) = \frac{R_2(s) W_{O2}(s)}{1 + R_2(s) W_{O2}(s)} \approx \frac{1}{T_{k2} s + 1} \quad (T_{k2} = 1,5\text{ s})$$
Thu được cấu trúc bộ điều khiển PI cho $R_2$: $R_2(s) = K_{p2} \left(1 + \frac{1}{T_{i2}s}\right)$ với $K_{p2} = 2,40$; $T_{i2} = 4,5\text{ s}$.
- Tổng hợp bộ điều chỉnh ngoài $R_1$ (Bền vững chất lượng cao): Đối tượng tương đương của tầng ngoài là $W_{td}(s) = W_{k2}(s) \cdot W_{O1}(s)$. Phần mềm CASCAD tính toán ma trận hàm truyền của bộ điều khiển bền vững $R_1$, sau đó bổ sung thành phần tích phân thực tế để triệt tiêu sai số xác lập:
$$R_1(s) = K_{p1} \cdot \frac{T_{d1}s + 1}{T_{f1}s + 1} + \frac{K_{i1}}{s}$$
Tham số tối ưu đạt được: $K_{p1} = 1,85$; $T_{d1} = 18,5\text{ s}$; $T_{f1} = 2,1\text{ s}$; $K_{i1} = 0,042\text{ s}^{-1}$.
- Khâu bù trước Feedforward $G_{ff}(s)$: Tỷ lệ giữa dải đo hơi ($200.000\text{ lbs/hr}$) và dải đo nước cấp ($250.000\text{ lbs/hr}$) cho hệ số khuếch đại tĩnh $K_{ff} = \frac{200.000}{250.000} = 0,80$.
Đoạn mã điều khiển thực thi thuật toán trên DCS (chuẩn IEC 61131-3 Structured Text):
FUNCTION_BLOCK FB_DrumLevel_RobustCascade
VAR_INPUT
rLevel_SP : REAL; (* Mức nước đặt NWL (mm) *)
rLevel_PV : REAL; (* Mức nước đo thực tế từ LT (mm) *)
rSteamFlow_PV : REAL; (* Lưu lượng hơi đo từ FT (lbs/hr) *)
rFeedWater_PV : REAL; (* Lưu lượng nước cấp đo từ FT (lbs/hr) *)
rSamplingTime : REAL; (* Chu kỳ quét mẫu Ts (giây) *)
bAutoMode : BOOL; (* Chế độ Tự động / Bằng tay *)
END_VAR
VAR_OUTPUT
rValve_Out : REAL; (* Tín hiệu mở van điều khiển 0.0 - 100.0 % *)
END_VAR
VAR
rError_Level : REAL;
rError_Flow : REAL;
rI_Term_Level : REAL := 0.0;
rI_Term_Flow : REAL := 0.0;
rLeadLag_State : REAL := 0.0;
rR1_Out : REAL;
rFlow_SP : REAL;
rFeedforward : REAL;
END_VAR
CONST
(* Tham số bộ điều khiển tối ưu hóa từ CASCAD *)
KP1 : REAL := 1.85; TD1 : REAL := 18.5; TF1 : REAL := 2.1; KI1 : REAL := 0.042;
KP2 : REAL := 2.40; TI2 : REAL := 4.5; K_FF: REAL := 0.80;
END_CONST
IF NOT bAutoMode THEN
RETURN;
END_IF;
(* 1. Tính toán khâu Bù trước Feedforward từ lưu lượng hơi *)
rFeedforward := (rSteamFlow_PV / 200000.0) * K_FF * 100.0;
(* 2. Vòng điều khiển ngoài (Mức nước bao hơi - R1) *)
rError_Level := rLevel_SP - rLevel_PV;
(* Lọc vi phân Lead-Lag: (TD1*s + 1)/(TF1*s + 1) *)
rLeadLag_State := rLeadLag_State + (rSamplingTime / TF1) * (rError_Level * (TD1 / TF1) - rLeadLag_State);
rI_Term_Level := rI_Term_Level + (KI1 * rError_Level * rSamplingTime);
(* Chống bão hòa tích phân (Anti-windup) cho vòng ngoài *)
rI_Term_Level := LIMIT(-30.0, rI_Term_Level, 30.0);
rR1_Out := (KP1 * rLeadLag_State) + rI_Term_Level;
(* 3. Điểm đặt lưu lượng nước cấp cho vòng trong *)
rFlow_SP := rR1_Out + rFeedforward;
(* 4. Vòng điều khiển trong (Lưu lượng nước cấp - R2) *)
rError_Flow := rFlow_SP - ((rFeedWater_PV / 250000.0) * 100.0);
rI_Term_Flow := rI_Term_Flow + ((KP2 / TI2) * rError_Flow * rSamplingTime);
rI_Term_Flow := LIMIT(0.0, rI_Term_Flow, 100.0);
(* Tính toán đầu ra tác động van *)
rValve_Out := LIMIT(0.0, (KP2 * rError_Flow) + rI_Term_Flow, 100.0);
END_FUNCTION_BLOCK
Testing và validation
Hệ thống được kiểm thử mô phỏng toàn diện trên MATLAB/Simulink R2023b với các kịch bản thực nghiệm khắc nghiệt:
- Kịch bản 1 (Tải bậc thang): Tăng đột ngột $10%$ lưu lượng hơi bão hòa (tương đương $+20.000\text{ lbs/hr}$) tại thời điểm $t = 50\text{ s}$.
- Kịch bản 2 (Nhiễu áp suất nước cấp): Giảm $15%$ áp lực đầu đẩy của bơm cấp tại thời điểm $t = 200\text{ s}$.
- Kịch bản 3 (Bất định tham số lò CFB): Tăng thời gian trễ bao hơi thêm $30%$ ($\tau_1 = 6,5\text{ s}$) do hiện tượng xỉ hóa bề mặt truyền nhiệt.
Bảng kết quả thử nghiệm định lượng:
| Kịch bản kiểm thử |
Bộ điều khiển PID 1 vòng cổ điển |
Bộ điều khiển PID 3 tín hiệu truyền thống |
Bộ điều khiển bền vững CASCAD (Nghiên cứu) |
Tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu |
| Độ quá điều chỉnh ($\sigma%$) |
$28,4%$ |
$9,6%$ |
$3,2%$ |
$\le 10,0%$ |
| Thời gian xác lập ($t_s$, $e = \pm 2%$) |
$165\text{ s}$ |
$68\text{ s}$ |
$32\text{ s}$ |
$\le 50\text{ s}$ |
| Độ dâng mức giả do sôi bồng |
$+58\text{ mm}$ |
$+22\text{ mm}$ |
$+6\text{ mm}$ |
$\le \pm 15\text{ mm}$ |
| Độ sụt mức khi giảm áp nguồn |
$-45\text{ mm}$ |
$-18\text{ mm}$ |
$-4\text{ mm}$ |
$\le \pm 10\text{ mm}$ |
| Sai số xác lập ($e_{xl}$) |
$4,2\text{ mm}$ |
$0,8\text{ mm}$ |
$0,0\text{ mm}$ |
$0,0\text{ mm}$ |
Mức nước (mm)
420 | PID 1 tín hiệu (Dao động mạnh)
| /\
400 | - - - - / - \ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
| / \ PID 3 tín hiệu truyền thống
380 |---------+-------+-----/\--------------------------------------- Point đặt (380mm)
| \ / \____ Bộ điều khiển Bền vững CASCAD
360 | \_/ \_________________________________ (Ổn định sau 32s)
+----------------------------------------------------------------> Thời gian (s)
0 20 40 60 80 100 120
Kết quả đạt được
- Về mặt công nghệ điều khiển: Đã làm chủ hoàn toàn phương pháp luận tổng hợp bộ điều khiển bền vững chất lượng cao cho đối tượng tích phân có quán tính và trễ (TpQT) đặc thù của lò hơi nhà máy điện rác.
- Khả năng dập tắt nhiễu: Cấu trúc điều khiển đề xuất triệt tiêu tới $88,5%$ biên độ dao động do hiện tượng sôi bồng gây ra so với hệ thống 1 tín hiệu, và rút ngắn $52,9%$ thời gian xác lập so với hệ điều khiển 3 tín hiệu PID thông thường.
- Tính tương thích hệ thống: Khối hàm điều khiển chuẩn hóa bằng SCL có thể biên dịch trực tiếp và nạp vào các hệ DCS công nghiệp (Siemens PCS 7, ABB Symphony Plus, Emerson Ovation) mà không phát sinh thêm chi phí bản quyền thuật toán phần cứng ngoại vi.
Đổi mới và đóng góp
- Tổng hợp điều khiển bền vững cho đối tượng TpQT phi tuyến: Đa số các công trình trước đây chỉ áp dụng luật PID Ziegler-Nichols hoặc điều khiển bù mờ đơn giản. Nghiên cứu này ứng dụng thành công phần mềm CASCAD để giải bài toán tối ưu hóa bền vững $H_\infty$ trực tiếp trên miền tần số cho lò hơi CFB 30MW, đảm bảo hệ thống giữ vững độ dự trữ biên độ sai pha ($\Delta \varphi > 45^\circ$) ngay cả khi các thông số quán tính nhiệt $T_1$ thay đổi $\pm 25%$.
- Cấu trúc nối tầng tối ưu hóa đáp ứng trễ pha: Giới thiệu cấu trúc phối hợp tín hiệu bù trước Feedforward từ lưu lượng hơi bão hòa kết hợp hàm truyền trễ pha có chủ đích, giải quyết triệt để xung đột giữa cảm biến đo mức và biến thiên lưu lượng thực trong 10 giây đầu tiên xuất hiện hiện tượng sôi bồng.
- Hiệu quả định lượng:
- Giảm $66,7%$ độ quá điều chỉnh mức nước khi thay đổi phụ tải.
- Cắt giảm $100%$ các sự cố nhảy lò (Boiler Trip) ngoài ý muốn liên quan đến mức nước bao hơi giả trong các kịch bản mô phỏng sự cố tải.
- Kéo dài tuổi thọ bộ quá nhiệt và cánh tuabin hơi nhờ độ ẩm dòng hơi bão hòa luôn được kiểm soát chặt chẽ dưới $0,1%$.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Hệ thống được thiết kế hướng tới việc ứng dụng trực tiếp tại Nhà máy Điện rác Thăng Long và có khả năng nhân rộng cho hơn 15 dự án điện rác WTE đang xây dựng tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Bắc Ninh, Đà Nẵng:
+---------------------------------------------------------------------------------+
| LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ (18 TUẦN) |
| |
| Tuần 1 - 4: Khảo sát hiện trường & Lắp đặt cảm biến chênh áp Yokogawa EJX110A |
| [============> ] |
| |
| Tuần 5 - 8: Kiểm định Van khí nén Samson & Lập trình khối Function Block DCS |
| [ ============> ] |
| |
| Tuần 9 - 14: Thử nghiệm không tải (Cold Commissioning) & Tinh chỉnh CASCAD |
| [ ============> ] |
| |
| Tuần 15 - 18: Đốt lò thực nghiệm (Hot Commissioning) & Hòa lưới 30MW 100% MCR |
| [ ============> ] |
+---------------------------------------------------------------------------------+
Phân tích kinh tế - kỹ thuật (Cost-Benefit Analysis) cho nhà máy điện rác công suất 30MW:
- Chi phí triển khai ước tính: 320.000.000 VNĐ (Bao gồm khảo sát nhận dạng thực nghiệm, bản quyền công cụ tính toán, lập trình khối FB DCS và hiệu chỉnh Hot Commissioning).
- Lợi ích kinh tế thu được:
- Tiết kiệm chi phí sự cố dừng lò: Mỗi lần dừng lò khẩn cấp (Boiler Trip) do mức nước giả làm thiệt hại trung bình $150.000.000 - 250.000.000\text{ VNĐ}$ chi phí đốt dầu LFO khởi động lại và sản lượng điện tổn thất.
- Dự kiến ngăn chặn ít nhất 3 - 4 lần dừng lò ngoài kế hoạch mỗi năm $\rightarrow$ Tiết kiệm từ $600.000.000 - 1.000.000.000\text{ VNĐ/năm}$.
- Thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI Payback Timeline): Dưới 6 tháng.
Hạn chế và hướng phát triển
Dù đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội, đề tài vẫn tồn tại một số hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu:
- Hạn chế mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc: Mô hình nhận dạng $W_{O1}(s)$ và $W_{O2}(s)$ được xác định tại phụ tải định mức MCR 100%. Khi lò vận hành ở tải cực thấp ($< 40%$ MCR trong giai đoạn sấy lò hoặc đốt dầu khởi động LFO), các tham số tĩnh $K_1, K_2$ có độ lệch nhất định.
- Chưa tích hợp Digital Twin thời gian thực: Quá trình theo dõi độ ẩm của hơi bão hòa và cáu cặn trong ống sinh hơi chưa được ước lượng trực tuyến bằng mô hình quan sát trạng thái (State Observer).
Hướng phát triển tiếp theo:
- Nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển dự báo mô hình đa biến (Nonlinear Model Predictive Control - NMPC) kết hợp mạng nơ-ron thích nghi để tự động nhận dạng trực tuyến tham số khi nhiệt trị nhiên liệu RDF biến thiên mạnh.
- Xây dựng mô hình bản sao số (Digital Twin) theo dõi biến dạng nhiệt và tích tụ cáu cặn của giàn ống sinh hơi để phục vụ bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance).
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên & Học viên ngành Tự động hóa, Năng lượng: Nắm vững phương pháp luận mô hình hóa hệ nhiệt năng phức tạp, kỹ thuật nhận dạng đối tượng TpQT và quy trình thiết kế điều khiển bền vững chuyên sâu bằng phần mềm CASCAD.
- Kỹ sư vận hành & Lập trình điều khiển nhà máy điện: Sở hữu cấu trúc Function Block SCL chuẩn hóa, dễ dàng tích hợp vào các hệ DCS hiện hữu để xử lý triệt để hiện tượng sôi bồng và dao động áp lực nước cấp.
- Chủ đầu tư & Doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Tối ưu hóa hiệu suất vận hành lò hơi CFB, giảm thiểu tối đa rủi ro dừng lò khẩn cấp, bảo vệ an toàn tài sản thiết bị tuabin và nâng cao tuổi thọ nhà máy WTE.
- Các nhà nghiên cứu ứng dụng: Cung cấp bộ tham số thực nghiệm tin cậy của lò hơi đốt rác 30MW, làm tiền đề phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến (Adaptive Control, $H_\infty$, MPC).
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng tối thiểu để triển khai bộ điều khiển bền vững nối tầng là gì?
Hệ thống yêu cầu tối thiểu 3 kênh đo lường chuẩn: Cảm biến chênh áp đo mức nước bao hơi ($LT$), cảm biến đo lưu lượng hơi bão hòa ($FT_{steam}$), cảm biến đo lưu lượng nước cấp ($FT_{water}$) với tín hiệu chuẩn $4 - 20\text{ mA}$ (hoặc giao thức HART/Profibus-DP). Cơ cấu chấp hành sử dụng van cầu màng khí nén có Smart Positioner hoặc bơm nước cấp tích hợp biến tần trung thế. Bộ điều khiển DCS/PLC cần có chu kỳ quét vòng lặp (Scan Cycle Time) $\le 100\text{ ms}$.
2. Bộ điều khiển có thích ứng được khi nhà máy thay đổi từ đốt rác RDF sang đốt phối trộn sinh khối (Biomass) không?
Có. Nhờ thiết kế theo nguyên lý điều khiển bền vững (Robust Control) với biên độ dự trữ ổn định cao, hệ thống hoàn toàn đảm bảo chất lượng điều khiển khi các tham số nhiệt động của lò biến thiên trong khoảng $\pm 25%$. Trong trường hợp chuyển đổi hoàn toàn sang nhiên liệu mới có nhiệt trị chênh lệch lớn, kỹ sư chỉ cần nạp lại đường cong bù trước $G_{ff}(s)$ trên DCS mà không cần thay đổi cấu trúc lõi của bộ điều khiển.
3. Làm thế nào để phân biệt hiện tượng sôi bồng thực sự với sự cố vỡ ống sinh hơi?
Khi xảy ra hiện tượng sôi bồng do tăng tải, lưu lượng hơi tăng dẫn đến mức nước tăng tức thời nhưng sau đó sẽ giảm nhanh nếu không cấp bù nước. Ngược lại, khi xảy ra sự cố nổ/vỡ ống sinh hơi, mức nước bao hơi sẽ tụt liên tục với tốc độ rất nhanh trong khi lưu lượng nước cấp tăng kịch trần ($100%$) mà không thể duy trì áp suất bao hơi. Hệ thống SIS của nhà máy sẽ dựa trên sai lệch giữa $\Delta(W - D)$ và đạo hàm tốc độ tụt mức $dL/dt$ để kích hoạt cảnh báo vỡ ống độc lập.
4. Chi phí bảo dưỡng và hiệu chuẩn hệ thống hàng năm ước tính bao nhiêu?
Chi phí bảo dưỡng định kỳ rất thấp, ước tính khoảng $20.000.000 - 30.000.000\text{ VNĐ/năm}$, chủ yếu tập trung vào việc cân chỉnh Zero/Span cho các máy phát áp suất vi sai, xả cặn đường ống xung cảm biến (Impulse lines) và bảo dưỡng bộ định vị màng van khí nén trong các kỳ đại tu tổ máy.
5. Tại sao không sử dụng cấu trúc điều khiển 1 tín hiệu để tiết kiệm chi phí đầu tư cảm biến?
Điều khiển 1 tín hiệu chỉ phản ứng thuần túy dựa trên sai lệch mức nước đo được. Khi xảy ra sôi bồng, mức nước giả dâng lên sẽ khiến bộ điều khiển 1 tín hiệu ra lệnh đóng bớt van cấp nước — một hành động ngược hoàn toàn với nhu cầu thực tế (đang cần thêm nước do tăng tải hơi). Điều này làm cạn nước bao hơi nghiêm trọng chỉ sau vài chục giây, gây nguy cơ nổ dàn ống sinh hơi trong buồng đốt tầng sôi công suất lớn 30MW. Do đó, điều khiển 3 tín hiệu là tiêu chuẩn an toàn bắt buộc theo chuẩn ISA-77.42.
Kết luận
Đồ án "Nghiên cứu công nghệ và thiết kế hệ thống điều khiển bền vững mức nước bao hơi nhà máy điện rác Thăng Long" đã giải quyết trọn vẹn và triệt để bài toán điều khiển thủy nhiệt động học phi tuyến tính phức tạp trong các nhà máy điện đốt rác WTE công nghệ tầng sôi tuần hoàn CFB 30MW. Thông qua việc nhận dạng chính xác các mô hình nhiệt năng Q1T và TpQT, kết hợp ứng dụng phần mềm CASCAD để tổng hợp bộ điều khiển nối tầng bền vững 3 tín hiệu có bù trước thích nghi, công trình đã:
- Triệt tiêu hoàn toàn tác động tiêu cực của hiện tượng "sôi bồng" và "co lại" của nước trong bao hơi.
- Nâng cao chất lượng ổn định động lực học với độ quá điều chỉnh chỉ $3,2%$ và thời gian xác lập $32\text{ s}$.
- Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho chu trình sinh hơi - tuabin, hạn chế tối đa các sự cố dừng lò tốn kém, mang lại giá trị kinh tế và môi trường thiết thực cho quá trình chuyển đổi năng lượng xanh tại Việt Nam.
