Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện năng toàn cầu ngày càng tăng, việc phát triển các tổ máy phát điện có công suất lớn trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và ổn định hệ thống điện. Tại Việt Nam, đặc biệt khu vực miền Tây, sự phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu điện năng tăng nhanh, đòi hỏi các nhà máy điện phải nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy. Luận văn tập trung khảo sát máy phát điện 330 MW làm mát bằng khí Hydro tại Nhà máy nhiệt điện Ô Môn, một trong những tổ máy trọng điểm của Công ty Nhiệt điện Cần Thơ, nhằm hiểu rõ các chế độ vận hành bình thường và bất thường, từ đó nâng cao tính chủ động trong quản lý, vận hành và bảo trì.

Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2012, tại Nhà máy điện Ô Môn, với mục tiêu mô phỏng các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ 3 pha sử dụng phần mềm Matlab Simulink. Việc mô phỏng này giúp đánh giá các thông số kỹ thuật như điện áp, dòng điện stator, công suất hữu công và vô công, điện áp kích từ, cũng như góc công suất trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả nghiên cứu góp phần ổn định hệ thống điện khu vực miền Tây, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mô hình máy phát điện đồng bộ 3 pha và lý thuyết điều khiển tự động điện áp (AVR). Mô hình máy phát điện đồng bộ được xây dựng dựa trên các phương trình toán học mô tả quá trình chuyển hóa năng lượng từ trường giữa stator và rotor, bao gồm các phương trình mạch stator, rotor, và phép biến đổi dq0. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Máy phát điện đồng bộ 3 pha: thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng xoay chiều, với rotor và stator có cấu trúc đặc thù.
  • Chế độ làm mát bằng khí Hydro: sử dụng khí Hydro có tỷ trọng thấp, độ dẫn nhiệt cao để làm mát máy phát, giúp tăng hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm tổn thất.
  • Bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR): hệ thống điều chỉnh điện áp máy phát nhằm duy trì ổn định điện áp đầu ra trong các điều kiện vận hành khác nhau.
  • Đặt tuyến P-Q: biểu diễn giới hạn công suất tác dụng và phản kháng của máy phát theo các điều kiện làm mát và dòng điện định mức.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ Nhà máy nhiệt điện Ô Môn, bao gồm thông số kỹ thuật máy phát điện 330 MW, dữ liệu vận hành thực tế và các thông số điều khiển từ hệ thống DCS (Distribution Control System) và phần mềm Diasys Netmation. Cỡ mẫu nghiên cứu là một tổ máy phát điện 330 MW, được lựa chọn do tính đại diện và tầm quan trọng trong hệ thống điện miền Tây.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng toán học và kỹ thuật mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. Các bước nghiên cứu gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học máy phát điện đồng bộ 3 pha dựa trên các phương trình cơ sở.
  • Viết chương trình mô phỏng các chế độ vận hành bình thường và bất thường (thiếu kích từ, quá kích từ, mất kích từ, điện áp lưới thấp/cao, mất công suất thực, mất điện áp).
  • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế thu thập được từ nhà máy.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 12 năm 2012.

Phương pháp chọn mẫu và phân tích mô phỏng giúp đánh giá chính xác các thông số vận hành, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả và an toàn cho máy phát điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng vận hành bình thường: Máy phát điện 330 MW vận hành ổn định với các thông số định mức, điện áp stator duy trì ở 16 kV, dòng điện định mức khoảng 14.795 A, công suất hữu công đạt 348,5 MW với hệ số công suất 0,85. Các đồ thị mô phỏng cho thấy góc công suất và mô men cơ khí ổn định theo thời gian.

  2. Chế độ thiếu kích từ: Khi dòng kích từ giảm, điện áp stator giảm khoảng 5-10%, công suất phản kháng chuyển sang trạng thái tiêu thụ, gây ảnh hưởng đến ổn định điện áp. Mô phỏng cho thấy dòng điện stator tăng nhẹ, góc công suất thay đổi, phù hợp với các thử nghiệm thực tế tại nhà máy.

  3. Chế độ quá kích từ: Dòng kích từ tăng vượt mức định mức làm điện áp stator tăng khoảng 7-12%, công suất phản kháng phát ra tăng, có nguy cơ quá nhiệt vùng biên lõi từ. Kết quả mô phỏng tương đồng với các sự cố điện áp cao đã ghi nhận tại nhà máy vào ngày 26/04/2011.

  4. Mất kích từ và điện áp lưới thấp/cao: Mất kích từ dẫn đến sụt giảm điện áp stator hơn 15%, công suất hữu công giảm mạnh, mô phỏng cho thấy sự mất ổn định rõ rệt trong góc công suất và mô men. Tương tự, điện áp lưới thấp làm giảm điện áp đầu ra máy phát khoảng 10%, trong khi điện áp lưới cao làm tăng điện áp đầu ra tương ứng.

  5. Mất công suất thực và mất điện áp: Mô phỏng các trường hợp mất công suất thực và mất điện áp cho thấy sự thay đổi đột ngột trong dòng điện stator và công suất, ảnh hưởng đến an toàn vận hành. Các đồ thị mô phỏng biểu diễn rõ ràng sự biến động này theo thời gian.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các biến động trong các chế độ vận hành bất thường chủ yếu do sự thay đổi dòng kích từ và điện áp lưới, ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp và công suất máy phát. So sánh với các nghiên cứu trong ngành và dữ liệu thực tế tại nhà máy, kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao, phản ánh đúng đặc tính vật lý và kỹ thuật của máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro.

Việc sử dụng khí Hydro làm mát giúp tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, giảm tổn thất điện trở và nâng cao khả năng chịu tải của máy phát. Tuy nhiên, các giới hạn nhiệt do dòng kích từ, dòng phần ứng và nhiệt vùng biên vẫn là các yếu tố cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh quá nhiệt và hư hỏng thiết bị.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp, dòng điện, công suất và góc công suất theo thời gian, giúp trực quan hóa các biến động và hỗ trợ công tác vận hành, bảo trì. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao tính chủ động trong quản lý vận hành, giảm thiểu rủi ro sự cố và tăng độ tin cậy của hệ thống điện miền Tây.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và điều khiển dòng kích từ: Áp dụng hệ thống điều khiển tự động AVR với khả năng phản ứng nhanh nhằm duy trì dòng kích từ trong giới hạn an toàn, giảm thiểu các sự cố do quá kích từ hoặc thiếu kích từ. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, chủ thể là phòng kỹ thuật vận hành nhà máy.

  2. Nâng cấp hệ thống giám sát nhiệt độ vùng biên và cuộn dây: Lắp đặt cảm biến nhiệt độ hiện đại, kết nối với hệ thống DCS để cảnh báo sớm khi nhiệt độ vượt ngưỡng, đảm bảo giới hạn nhiệt độ không bị vượt quá trong quá trình vận hành. Thời gian triển khai 9 tháng, do phòng bảo trì phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng và phân tích các chế độ vận hành máy phát điện, giúp nhân viên hiểu rõ các tình huống bất thường và xử lý kịp thời. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự và đào tạo thực hiện.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp trong hệ thống điều khiển: Tích hợp mô phỏng Matlab Simulink vào hệ thống điều khiển phân tán DCS để dự báo và mô phỏng các tình huống vận hành, hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng và chính xác. Thời gian phát triển 12 tháng, do phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy điện: Nâng cao hiểu biết về các chế độ vận hành máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và xử lý sự cố kịp thời.

  2. Chuyên gia bảo trì và sửa chữa thiết bị điện: Tham khảo các giới hạn kỹ thuật và đặc tính vận hành để lập kế hoạch bảo trì phù hợp, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình toán học, mô phỏng và phân tích vận hành máy phát điện đồng bộ, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

  4. Quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ vai trò và hiệu quả của công nghệ làm mát bằng Hydro trong máy phát điện công suất lớn, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và phát triển hệ thống điện phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao khí Hydro được sử dụng làm mát máy phát điện?
    Khí Hydro có tỷ trọng thấp, độ dẫn nhiệt cao và hiệu suất trao đổi nhiệt bề mặt tốt, giúp làm mát hiệu quả các cuộn dây stator và rotor, giảm tổn thất nhiệt và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Mô phỏng bằng Matlab Simulink có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Matlab Simulink cho phép mô phỏng chính xác các chế độ vận hành máy phát điện với các tham số đầu vào đa dạng, giúp dự báo và phân tích các tình huống vận hành bình thường và bất thường một cách trực quan.

  3. Các giới hạn nhiệt của máy phát điện được xác định như thế nào?
    Giới hạn nhiệt dựa trên dòng kích từ, dòng phần ứng và nhiệt vùng biên lõi từ, được biểu diễn qua các đặt tuyến P-Q và đặt tuyến hình V, giúp đảm bảo máy phát không bị quá nhiệt trong quá trình vận hành.

  4. Làm thế nào để xử lý khi máy phát điện gặp sự cố mất kích từ?
    Cần nhanh chóng điều chỉnh dòng kích từ hoặc chuyển sang chế độ vận hành dự phòng, đồng thời giám sát các thông số điện áp và dòng điện để tránh hư hỏng thiết bị, sử dụng hệ thống bảo vệ và điều khiển tự động.

  5. Tác động của điện áp lưới thấp hoặc cao đến máy phát điện là gì?
    Điện áp lưới thấp làm giảm điện áp đầu ra máy phát, ảnh hưởng đến công suất và ổn định hệ thống; điện áp lưới cao có thể gây quá tải và quá nhiệt, do đó cần điều chỉnh dòng kích từ và công suất phản kháng phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng các chế độ vận hành của máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro bằng phần mềm Matlab Simulink.
  • Kết quả mô phỏng phản ánh chính xác các đặc tính vận hành bình thường và bất thường, phù hợp với dữ liệu thực tế tại Nhà máy nhiệt điện Ô Môn.
  • Nghiên cứu làm rõ các giới hạn kỹ thuật về dòng kích từ, dòng phần ứng và nhiệt vùng biên, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành máy phát.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm tăng cường quản lý vận hành, giảm thiểu rủi ro sự cố và nâng cao độ tin cậy hệ thống điện miền Tây.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, tích hợp mô phỏng vào hệ thống điều khiển và mở rộng nghiên cứu cho các tổ máy công suất lớn khác.

Mời các chuyên gia, kỹ sư và nhà quản lý trong ngành điện tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm phát triển bền vững hệ thống điện quốc gia.