Tổng quan nghiên cứu

Nhiệt điện đốt than hiện đóng góp khoảng 40% tổng sản lượng điện năng toàn cầu và chiếm tỷ trọng dao động từ 20% đến 35% trong cơ cấu nguồn điện tại Việt Nam. Trong dây chuyền sản xuất nhiệt điện, lò hơi là thiết bị giữ vai trò trung tâm với quy trình chuyển hóa nhiệt năng phức tạp. Một trong những nhiệm vụ sống còn quyết định tính an toàn và hiệu quả kinh tế của nhà máy là duy trì ổn định mức nước trong bao hơi. Giới hạn biến thiên mức nước cho phép trong các lò hơi công nghiệp vô cùng nghiêm ngặt, chỉ dao động trong khoảng 75 mm đến 100 mm, trong khi độ lệch nhiệt độ hơi quá nhiệt không được vượt quá ngưỡng từ âm 15 độ C đến dương 10 độ C.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là bao hơi lò hơi mang đặc tính phi tuyến phức tạp, có độ trễ lớn với hằng số thời gian trễ xấp xỉ 15 giây và thuộc nhóm đối tượng không có tính tự cân bằng. Hơn nữa, khi phụ tải nhiệt thay đổi đột ngột, hiện tượng sôi bồng xuất hiện trong khoảng 1 đến 30 giây đầu tiên làm mức nước dâng ảo trước khi sụt giảm thực tế. Điều này khiến các thuật toán điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID) truyền thống với bộ tham số cố định dễ rơi vào trạng thái mất ổn định hoặc dao động kéo dài.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học giải tích kết hợp thực nghiệm cho hệ thống mức nước bao hơi, từ đó thiết kế giải pháp điều khiển mờ tự chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng quá trình quá độ. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong khung thời gian 12 tháng. Giải pháp đề xuất hướng tới mục tiêu giảm độ quá điều chỉnh xuống dưới 5%, duy trì dung sai mức nước trong phạm vi an toàn dưới 20 mm, từ đó nâng cao tuổi thọ dàn ống sinh hơi và tối ưu hóa hiệu suất nhiệt của tổ máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học và lý thuyết điều khiển tự động hiện đại. Mô hình chu trình nhiệt Rankine mô tả quá trình biến đổi năng lượng từ nước cấp thành hơi bão hòa khô ở áp suất tới hạn 221,29 bar và nhiệt độ sôi 374,15 độ C, trước khi gia nhiệt thành hơi quá nhiệt cấp cho tuabin. Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng trong bao hơi được thiết lập dựa trên mối quan hệ vi phân giữa biến thiên mức nước và độ chênh lệch lưu lượng nước cấp với lưu lượng hơi sinh ra.

Hệ thống điều khiển áp dụng cấu trúc PID kinh điển với 3 tham số hiệu chỉnh độc lập gồm hệ số khuếch đại tỉ lệ, thời gian tích phân và hằng số vi phân. Nhằm khắc phục nhược điểm của khâu tích phân có trễ thuần túy, phương pháp tối ưu đối xứng được áp dụng để xác định miền thông số làm việc cơ sở cho bộ điều khiển phản hồi vòng kín. Để thích ứng với tính phi tuyến và nhiễu phụ tải, lý thuyết tập mờ Mamdani được tích hợp để xây dựng bộ điều chỉnh mờ động. Khối hợp thành mờ sử dụng 49 luật suy diễn ngôn ngữ kết hợp phương pháp giải mờ trọng tâm nhằm tinh chỉnh trực tiếp các hệ số điều khiển theo thời gian thực. Cảm biến chênh áp công nghiệp dải đo từ 0 đến 1000 mm tương ứng tín hiệu dòng 4 đến 20 mA và van điều khiển hành trình từ 0% đến 80% lưu lượng 40 tấn/giờ đóng vai trò chuẩn hóa mô hình vật lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng số học và kiểm chứng thực nghiệm trên thiết bị thời gian thực. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 50 bộ mẫu đo đạc đặc tính động học của quá trình cấp nước tại mô hình lò hơi thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng để khảo sát các kịch bản vận hành điển hình từ 20%, 50%, 80% đến 100% phụ tải định mức.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tối ưu đối xứng kết hợp logic mờ xuất phát từ bản chất động học của bao hơi lò hơi là đối tượng bậc cao không tự cân bằng có trễ. Các phương pháp chọn tham số cổ điển như Ziegler-Nichols thường tạo ra độ vọt lố cao trên 20% đối với đối tượng tích phân. Việc kết hợp phần mềm Matlab và Simulink cho phép mô phỏng giải thuật trong không gian trạng thái, sau đó chuyển giao sang giao diện điều khiển thực nghiệm thông qua card thu thập dữ liệu chuyên dụng trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm đã đem lại các phát hiện khoa học và thực tiễn có ý nghĩa quan trọng:

  • Xác lập chính xác mô hình toán học đối tượng: Mô hình mức nước bao hơi được nhận dạng chuẩn xác dưới dạng khâu tích phân có trễ với hệ số khuếch đại đạt 0,08 mm/(tấn/giờ) và thời gian trễ là 15 giây. Hàm truyền đạt của cơ cấu chấp hành van cấp nước có hằng số thời gian quán tính nhanh đạt 0,01 giây với độ tuyến tính cao trong dải mở từ 5% đến 80%.
  • Hạn chế của bộ điều khiển PID truyền thống: Khi áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng cho PID kinh điển, hệ thống đạt khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh nhưng độ quá điều chỉnh còn ở mức cao từ 18% đến 22%, đồng thời thời gian xác lập kéo dài trên 120 giây khi có biến động tải đột ngột 15%.
  • Hiệu năng vượt trội của bộ điều khiển Fuzzy-PID: Giải pháp điều khiển mờ tự chỉnh định tham số giúp giảm độ quá điều chỉnh xuống dưới 4,5% (cải thiện hơn 75% so với PID kinh điển). Thời gian quá độ được rút ngắn từ 120 giây xuống còn 45 giây (nhanh hơn 62,5%), đồng thời dập tắt hoàn toàn hiện tượng dao động do sôi bồng chỉ sau 10 đến 15 giây.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của bộ điều khiển Fuzzy-PID bắt nguồn từ khả năng tự động thích nghi của thuật toán. Khi sai số lệch mức nước và đạo hàm sai số lớn, khối mờ lập tức tăng hệ số tỉ lệ và giảm hệ số tích phân để tạo đáp ứng nhanh mà không gây tích lũy sai số bão hòa. Khi mức nước tiến gần giá trị đặt, hệ số tích phân được khôi phục nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập.

Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được minh chứng sinh động thông qua biểu đồ đáp ứng quá độ thời gian so sánh giữa hai thuật toán. Biểu đồ đường cong đáp ứng thể hiện rõ đường đặc tính Fuzzy-PID bám sát giá trị đặt mượt mà, không xuất hiện các đỉnh dao động nhọn như PID thông thường. Bảng chỉ tiêu chất lượng động học cho thấy chỉ số tích phân sai số tuyệt đối theo thời gian (ITAE) của hệ mờ giảm tới 58% so với phương pháp truyền thống. Khi đối chiếu với các tiêu chuẩn vận hành nhiệt điện, thuật toán mờ giữ dao động mức nước trong dải hẹp ±12 mm, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn nguy hiểm cho phép ±75 mm của ngành điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất điện năng, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

  • Tích hợp thuật toán Fuzzy-PID vào hệ thống DCS: Nhóm kỹ sư tự động hóa nhà máy nhiệt điện cần tiến hành lập trình nhúng khối thuật toán mờ tự chỉnh định vào hệ điều khiển phân tán (DCS) của các tổ máy nhiệt điện đốt than quy mô 300 MW đến 600 MW, đặt mục tiêu duy trì sai lệch mức nước dưới ±20 mm khi biến thiên tải 10%/phút, lộ trình hoàn thành trong 6 đến 9 tháng.
  • Chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng thiết bị đo lường và van cấp: Bộ phận bảo trì thiết bị cần định kỳ 3 tháng một lần thực hiện hiệu chuẩn cảm biến đo mức dạng chênh áp (nguồn phát dòng 4 đến 20 mA) và kiểm tra độ trễ của van chấp hành dưới 0,01 giây, nhằm duy trì sai số đo lường toàn hệ thống ở mức dưới 0,5%.
  • Xây dựng module cảnh báo sớm hiện tượng sôi bồng: Ban công nghệ thông tin phối hợp cùng phòng vận hành phát triển thuật toán lọc nhiễu và nhận dạng sớm xu hướng sôi bồng trên phần mềm SCADA trong thời gian 12 tháng, giúp giảm 90% các sự cố dừng lò khẩn cấp do báo động giả mức nước cao.
  • Tổ chức đào tạo mô phỏng thực hành cho vận hành viên: Ban giám đốc nhà máy triển khai chương trình huấn luyện chuyên sâu trên phần mềm mô phỏng thời gian thực cho 100% kỹ sư vận hành phòng điều khiển trung tâm trong thời gian 3 tháng, nâng cao tỷ lệ xử lý chính xác sự cố sụt áp và mất tải lên trên 95%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng cao, đặc biệt phù hợp với bốn nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư vận hành và tự động hóa tại các nhà máy nhiệt điện: Tài liệu cung cấp hướng dẫn tường minh về việc xây dựng thuật toán điều khiển mức nước bao hơi, giúp các kỹ sư cải tiến trực tiếp các vòng điều khiển đang làm việc kém ổn định trên hệ thống DCS thực tế.
  • Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp mô hình hóa đối tượng tích phân có trễ, áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng và kết hợp logic mờ trong các bài toán điều khiển phi tuyến.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống công nghiệp: Cung cấp cơ sở tính toán thông số thiết bị chấp hành, cảm biến đo mức và cấu trúc điều khiển vòng kín cho các dự án nâng cấp lò hơi công nghiệp, lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG).
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật ngành năng lượng: Giúp lãnh đạo kỹ thuật nắm bắt cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả đầu tư hiện đại hóa hệ thống điều khiển, hướng tới mục tiêu giảm suất tiêu hao than và nâng cao độ khả dụng của tổ máy phát điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhiệt điện lại phức tạp?
Bao hơi là đối tượng phi tuyến có thời gian trễ lớn xấp xỉ 15 giây và không có tính tự cân bằng. Khi thay đổi phụ tải, nhiệt độ và áp suất làm biến đổi thể tích riêng của hỗn hợp hơi - nước, sinh ra các đáp ứng nghịch hướng gây khó khăn lớn cho việc điều khiển ổn định.

Hiện tượng sôi bồng ảnh hưởng như thế nào đến quá trình điều khiển mức nước?
Khi lượng nhiệt cấp hoặc nhu cầu hơi tăng đột ngột, áp suất giảm làm nước sôi mãnh liệt tạo bọt khí, khiến mức nước dâng ảo trong 1 đến 30 giây đầu. Nếu bộ điều khiển không nhận biết được sẽ lập tức đóng van cấp nước, dẫn đến tình trạng cạn lò nghiêm trọng ngay sau đó.

Ưu điểm nổi bật của phương pháp tối ưu đối xứng trong thiết kế bộ điều khiển là gì?
Phương pháp tối ưu đối xứng được thiết kế chuyên biệt cho các đối tượng có khâu tích phân thuần túy hoặc hằng số thời gian trễ lớn. Phương pháp này tối ưu hóa biên độ dự trữ pha tại tần số cắt, đảm bảo hệ kín đạt độ ổn định vững chắc mà phương pháp tối ưu độ lớn không đáp ứng được.

Cơ chế tự chỉnh định tham số của bộ điều khiển mờ (Fuzzy-PID) diễn ra như thế nào?
Bộ điều khiển mờ thu nhận hai tín hiệu đầu vào là sai số mức nước và tốc độ thay đổi sai số. Dựa trên 49 luật hợp thành mờ, hệ thống liên tục tính toán và xuất tín hiệu hiệu chỉnh trực tiếp các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân theo từng chu kỳ lấy mẫu thời gian thực.

Giải pháp Fuzzy-PID trong luận văn có thể triển khai trên phần cứng công nghiệp hiện có không?
Hoàn toàn khả thi. Cấu trúc mờ chỉnh định tham số PID có khối lượng tính toán nhẹ, dễ dàng biên dịch thành khối chức năng (Function Block) trên các dòng PLC phổ biến hoặc các phân hệ điều khiển cục bộ của hệ thống DCS Emerson Ovation, ABB Symphony Plus hay Siemens SPPA-T3000.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn và chuyên sâu bài toán nâng cao chất lượng điều khiển mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện đốt than. Những kết quả nổi bật bao gồm:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học giải tích mô tả chính xác đặc tính động học của bao hơi với hệ số khuếch đại 0,08 mm/(tấn/giờ) và thời gian trễ 15 giây.
  • Ứng dụng thành công phương pháp tối ưu đối xứng để xác định cấu trúc bộ điều khiển PID nền tảng cho đối tượng tích phân có trễ.
  • Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển Fuzzy-PID với 49 luật suy diễn mờ, giúp giảm độ quá điều chỉnh xuống dưới 4,5% và rút ngắn 62,5% thời gian quá độ.
  • Kiểm chứng thành công tính đúng đắn của giải thuật trên phần mềm Matlab/Simulink và mô hình thực nghiệm phần cứng tại trung tâm thí nghiệm.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật khả thi cho phép tích hợp trực tiếp thuật toán vào hệ thống điều khiển phân tán DCS thực tế của nhà máy điện.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng giải thuật điều khiển mờ đa biến kết hợp đồng thời ba tín hiệu (mức nước, lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi) và ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo để tự học luật mờ. Các đơn vị phát điện và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác mô hình này nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế cho các tổ máy nhiệt điện công nghiệp.