Tổng quan nghiên cứu

Nhiệt điện đốt than hiện nay vẫn giữ vai trò xương sống trong hệ thống năng lượng toàn cầu khi cung cấp trên 40% tổng sản lượng điện thương phẩm trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, nguồn điện từ các nhà máy nhiệt điện than đóng góp tỷ trọng ổn định trong cơ cấu phụ tải lưới điện quốc gia với mức dao động từ 20% đến 35%. Trong toàn bộ dây chuyền sản xuất nhiệt điện, lò hơi là tổ hợp thiết bị lớn nhất, giữ vai trò quyết định hiệu suất vận hành nhưng cũng là đối tượng kỹ thuật sở hữu độ phức tạp và tính phi tuyến cao nhất. Một trong những nhiệm vụ cốt lõi hàng đầu để đảm bảo lò hơi vận hành an toàn là phải kiểm soát chặt chẽ mức nước trong bao hơi trong dải dung sai nghiêm ngặt từ 75 mm đến 100 mm.

Nếu mức nước bao hơi dâng cao vượt ngưỡng, độ ẩm hơi sẽ tăng cao gây suy giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt và cuốn bọt nước vào làm hỏng cánh tuabin; ngược lại, nếu mức nước cạn quá giới hạn, hệ thống dàn ống sinh hơi sẽ đối mặt với nguy cơ nổ vỡ tức thì do áp suất làm việc thông thường lên tới 221 bar. Tuy nhiên, các tác động biến thiên phụ tải đột ngột cùng hiện tượng sôi bồng diễn ra mạnh mẽ trong khoảng thời gian từ 1 đến 30 giây khiến các bộ điều khiển kinh điển khó lòng duy trì độ ổn định. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa của tác giả Nguyễn Quý Lâm, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Như Hiển tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, đã tập trung giải quyết bài toán cấp bách này thông qua việc thiết kế bộ điều khiển mờ tự chỉnh định tham số PID. Nghiên cứu hướng tới các chỉ số mục tiêu: cắt giảm độ quá điều chỉnh xuống dưới 5%, rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ dưới 40 giây và duy trì sai số xác lập tiệm cận 0 mm trên cả mô hình mô phỏng lẫn bàn thử nghiệm thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng tích hợp của hai hệ lý thuyết chính: Lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển với bộ điều khiển Tỷ lệ - Vi tích phân (PID) và Lý thuyết tập mờ cùng suy diễn mờ (Fuzzy Logic Control). Sự kết hợp này nhằm khai thác ưu điểm đáp ứng nhanh của thuật toán PID truyền thống và bù trừ hoàn hảo nhược điểm khi đối tượng thay đổi điểm làm việc nhờ cơ chế thích nghi mờ thông minh.

Khung lý thuyết vận dụng bốn khái niệm chuyên ngành cốt lõi:

  1. Hiện tượng sôi bồng (shrink and swell): Trạng thái động học mức nước ảo dâng lên hoặc tụt xuống ngược với chiều thay đổi thực tế của lưu lượng nước cấp khi phụ tải nhiệt biến thiên đột ngột.
  2. Tín hiệu sai số mức nước e(t) và tốc độ biến thiên sai số de(t)/dt: Cặp thông số động lực học đầu vào cho khối tính toán logic mờ.
  3. Ma trận luật hợp thành mờ: Hệ thống gồm 49 quy tắc suy diễn ngôn ngữ được xây dựng dựa trên tri thức chuyên gia nhằm điều chỉnh linh hoạt các hệ số khuếch đại.
  4. Thuật toán giải mờ theo phương pháp trọng tâm (Center of Gravity): Cơ chế tính toán chuẩn xác giá trị ngõ ra để biến đổi các giá trị ngôn ngữ mờ thành tín hiệu số thực phục vụ việc tái cấu hình ba tham số Kp, Ki, Kd của bộ PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của công trình được thiết lập dựa trên các thông số phần cứng công nghiệp tiêu chuẩn, sử dụng thiết bị đo chênh áp Yokogawa EJA210A có dải đo từ 0 đến 1000 mm với tín hiệu ra 4 - 20 mA và hằng số thời gian quán tính 0,005 giây, kết hợp bộ chuyển đổi điện - khí nén Yokogawa PK200 có hệ số khuếch đại chuẩn K = 0,05.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua chu trình ba bước khép kín: mô hình hóa toán học giải tích đối tượng nhiệt động lực học, mô phỏng kiểm chứng thuật toán trên phần mềm MATLAB/Simulink và thí nghiệm thời gian thực trên mô hình điều khiển quá trình. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 120 điểm dữ liệu đáp ứng quá độ tại 3 mức phụ tải vận hành tiêu biểu là 50%, 75% và 100% công suất lò. Kỹ thuật chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm bao quát toàn diện các kịch bản làm việc từ trạng thái tĩnh ổn định đến các pha đột biến phụ tải nghiêm trọng nhất. Phương pháp phân tích miền thời gian được lựa chọn vì đây là công cụ tiêu chuẩn, phản ánh trực quan và chính xác nhất các tiêu chí kỹ thuật quá độ bao gồm độ vọt lố, thời gian quá độ và độ nhạy kháng nhiễu trong suốt quá trình nghiên cứu kéo dài 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, bộ điều khiển PID truyền thống với bộ tham số cố định bộc lộ rõ sự bất lực trước hiện tượng sôi bồng ở dải áp suất trên 34 bar, dẫn đến độ quá điều chỉnh dao động lên tới 18,5% và thời gian ổn định kéo dài trên 85 giây.

Thứ hai, cấu trúc điều khiển mờ tự chỉnh định tham số PID mang lại bước tiến vượt trội khi dập tắt nhanh các xung động mức nước, kéo giảm độ quá điều chỉnh xuống mức 4,2%, tức đạt mức cải thiện hơn 77% so với giải pháp PID kinh điển.

Thứ ba, thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống Fuzzy-PID được rút ngắn ngoạn mục xuống còn 38 giây (giảm 55,3% thời gian xác lập), triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trồi sụt mức nước kéo dài quanh điểm đặt định mức 500 mm.

Thứ tư, khi chịu tác động của nhiễu phụ tải hơi biến động đột ngột từ 15% đến 20%, hệ thống mờ tự chỉnh định giúp biên độ dạt mức nước chỉ dao động trong khoảng hẹp từ 12 mm đến 18 mm, hoàn toàn tuân thủ giới hạn an toàn kỹ thuật nghiêm ngặt 75 - 100 mm của bao hơi nhà máy nhiệt điện.

Thảo luận kết quả

Khả năng đáp ứng xuất sắc của bộ điều khiển mờ tự chỉnh định tham số PID xuất phát từ cơ chế thích nghi phi tuyến theo thời gian thực. Khi sai lệch mức nước ở mức lớn, bộ luật mờ tự động tăng mạnh hệ số tỷ lệ Kp và điều chỉnh hệ số vi phân Kd để tăng tốc độ phản hồi; khi mức nước dần tiệm cận giá trị đặt, hệ số tích phân Ki được tối ưu hóa chuẩn xác nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số tĩnh mà không gây ra hiện tượng tích lũy năng lượng làm vọt lố. Khi đặt cạnh các công trình sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols (với độ quá điều chỉnh thường vượt mức 25%), thuật toán Fuzzy-PID trong luận văn chứng minh tính thích ứng vượt bậc tại mọi điểm làm việc của chu trình nhiệt.

Đặc tính vận hành này được thể hiện trực quan qua đồ thị so sánh đáp ứng bước quá độ theo thời gian, nơi đường cong đặc tính của Fuzzy-PID nhanh chóng đi vào dải cân bằng phẳng mà không xuất hiện các đỉnh sóng dao động nhấp nhô như đường đặc tính của bộ PID truyền thống. Đồng thời, bảng tổng hợp thông số động học thể hiện rõ phạm vi tự điều chỉnh của Kp từ 1,2 đến 3,8, Ki từ 0,02 đến 0,08 và Kd từ 0,15 đến 0,65, khẳng định cơ sở khoa học vững chắc của giải pháp điều khiển thích nghi mờ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả giải thuật điều khiển vào thực tế sản xuất tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, bốn nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất:

Thứ nhất, tích hợp trực tiếp giải thuật mờ tự chỉnh định tham số PID vào các hệ thống điều khiển phân tán DCS tại các tổ máy nhiệt điện than công suất từ 300 MW đến 600 MW. Mục tiêu hướng tới là giảm 35% tần suất dừng lò khẩn cấp do sự cố quá nhiệt hoặc cạn nước bao hơi. Thời gian triển khai thực hiện trong 6 tháng đầu năm 2027, do Đội ngũ Kỹ sư Tự động hóa nhà máy chủ trì.

Thứ hai, chuẩn hóa và nâng cấp hệ thống đo lường chênh áp bằng các dòng cảm biến kỹ thuật số Yokogawa EJA210A thế hệ mới, đảm bảo độ chính xác đo lường đạt trên 99,8% và giảm thời gian trễ quán tính dưới 0,01 giây. Thời gian hoàn thành trong quý 3 năm 2027, do Phòng Thiết bị - Đo lường phụ trách.

Thứ ba, hoàn thiện cấu trúc điều khiển mức nước tích hợp 3 tín hiệu (mức nước bao hơi, lưu lượng hơi quá nhiệt và lưu lượng nước cấp) phối hợp nền tảng logic mờ, đặt mục tiêu duy trì sai số mức nước dưới 20 mm khi phụ tải điện dao động 30%. Lộ trình thực hiện liên tục trong giai đoạn 2027 - 2028, do Ban Quản lý Kỹ thuật vận hành giám sát.

Thứ tư, triển khai 4 đợt tập huấn chuyên sâu về kỹ thuật mô phỏng trên MATLAB/Simulink và vận hành hệ thống điều khiển phi tuyến cho 100% cán bộ vận hành phòng điều khiển trung tâm. Mục tiêu đào tạo tối thiểu 40 kỹ sư vận hành đạt chứng chỉ làm chủ công nghệ điều khiển tối ưu hóa trước tháng 12 năm 2027, do Phòng Đào tạo & Phát triển nguồn nhân lực thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư tự động hóa và kỹ thuật viên điều khiển quá trình tại các nhà máy nhiệt điện: Cung cấp phương pháp luận chi tiết và mã thuật toán cụ thể để trực tiếp lập trình, nâng cấp các vòng điều khiển mức nước trên hệ thống DCS và PLC thực tế.
  2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tài liệu chuyên khảo giá trị cao về kỹ thuật nhận dạng mô hình toán học lò hơi, mô phỏng giải tích và thiết kế bộ điều khiển mờ lai ghép.
  3. Cán bộ quản lý kỹ thuật và chuyên gia an toàn năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học định lượng về các chỉ số an toàn dao động 75 - 100 mm, giúp xây dựng quy trình kiểm định rủi ro và tối ưu hóa chi phí tiêu hao nhiên liệu than.
  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Đóng vai trò là học liệu giảng dạy chuyên sâu, liên kết hoàn hảo giữa lý thuyết điều khiển tự động kinh điển, điều khiển thông minh và thực nghiệm phần cứng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao việc điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện lại đặc biệt phức tạp? Bao hơi là đối tượng điều khiển nhiệt động phi tuyến cao với độ trễ lớn và thường xuyên chịu hiện tượng sôi bồng trong 1 đến 30 giây. Khi phụ tải biến động ở mức áp suất từ 34 bar đến 221 bar, bọt hơi giãn nở tạo ra mức nước ảo, dễ khiến các bộ điều khiển thông thường đưa ra quyết định sai lệch.

Hiện tượng sôi bồng gây ra những nguy hiểm kỹ thuật cụ thể nào cho lò hơi? Khi phụ tải hơi tăng, áp suất giảm làm nước sôi bùng lên và mức nước dâng ảo. Nếu hệ thống ngắt nước cấp, chỉ sau 20 đến 30 giây lò sẽ cạn nước thực tế, gây nổ dàn ống sinh hơi. Ngược lại, nếu nước cấp quá nhiều, bọt ẩm tràn vào tuabin gây hư hại nghiêm trọng cánh quạt.

Bộ điều khiển Fuzzy-PID mang lại ưu thế vượt trội nào so với PID truyền thống? Bộ điều khiển PID truyền thống bị cố định thông số nên chỉ tối ưu tại một điểm tải. Trong khi đó, bộ Fuzzy-PID sử dụng 49 luật hợp thành để tự động điều chỉnh Kp, Ki, Kd theo thời gian thực, giúp giảm độ vọt lố từ 18,5% xuống 4,2% và rút ngắn hơn 55% thời gian xác lập.

Dữ liệu mô hình toán học trong luận văn được xây dựng từ các thiết bị nào? Hệ thống sử dụng cảm biến chênh áp Yokogawa EJA210A dải đo 0 - 1000 mm, dòng 4 - 20 mA với hằng số thời gian quán tính 0,005 giây, kết hợp bộ chuyển đổi điện - khí nén Yokogawa PK200 có hệ số khuếch đại 0,05 để điều khiển độ mở van cấp nước chính xác.

Thuật toán Fuzzy-PID có dễ dàng triển khai trên các hệ thống DCS hiện nay không? Thuật toán hoàn toàn tương thích với các hệ thống điều khiển công nghiệp như Siemens PCS7 hay ABB Symphony Plus. Nhờ phương pháp giải mờ trọng tâm tinh gọn, thuật toán chiếm dụng rất ít bộ nhớ vi xử lý và chu kỳ quét đáp ứng đạt dưới 50 ms.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích phản ánh chính xác động học mức nước bao hơi lò hơi nhiệt điện đốt than.
  • Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển mờ tự chỉnh định tham số PID với ma trận 49 luật suy diễn tối ưu hóa.
  • Giảm độ quá điều chỉnh từ 18,5% xuống 4,2% và rút ngắn 55,3% thời gian quá độ so với phương pháp PID kinh điển.
  • Kiểm chứng toàn diện tính đúng đắn của thuật toán trên môi trường MATLAB/Simulink và bàn thử nghiệm thực tế.
  • Đảm bảo mức nước luôn ổn định trong ngưỡng dung sai kỹ thuật nghiêm ngặt 75 - 100 mm dưới mọi tác động thay đổi tải.

Đóng góp then chốt của luận văn là đã làm chủ trọn vẹn giải pháp điều khiển thích nghi thông minh cho đối tượng công nghiệp phức tạp bậc nhất trong ngành năng lượng. Kế hoạch tiếp theo cần tập trung chuyển giao công nghệ lên các tổ máy nhiệt điện thương phẩm trong giai đoạn 2027 - 2028. Các đơn vị vận hành nhà máy nhiệt điện và kỹ sư tự động hóa hãy nghiên cứu áp dụng ngay giải thuật Fuzzy-PID để tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống lò hơi.