Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng cao, việc phát triển các nhà máy điện có công suất lớn trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và ổn định hệ thống điện quốc gia. Máy phát điện 330 MW làm mát bằng khí Hydro là một trong những thiết bị then chốt được ứng dụng tại Nhà máy điện Ô Môn, Công ty Nhiệt điện Cần Thơ, góp phần quan trọng vào hệ thống điện khu vực miền Tây Nam Bộ. Nghiên cứu này tập trung khảo sát và mô phỏng các chế độ vận hành của máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro, sử dụng phần mềm Matlab Simulink nhằm hiểu rõ hơn về đặc tính kỹ thuật, các chế độ vận hành bình thường và bất thường, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn thiết bị.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng mô hình toán học và mô phỏng các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ 3 pha, bao gồm các trường hợp vận hành bình thường, thiếu kích từ, quá kích từ, mất kích từ, điện áp lưới thấp, điện áp lưới cao, mất công suất thực và mất điện áp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro tại Nhà máy điện Ô Môn, với dữ liệu thu thập từ năm 2012 và các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất Mitsubishi cung cấp. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao tính chủ động trong quản lý vận hành, giảm thiểu rủi ro sự cố và tăng cường độ ổn định của hệ thống điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về máy phát điện đồng bộ 3 pha, bao gồm:

  • Mô hình máy phát điện đồng bộ: Cấu tạo gồm rotor (phần cảm) và stator (phần ứng), với các cuộn dây ba pha lệch nhau 120° trong stator và cuộn dây kích từ trên rotor. Tốc độ rotor và số cặp cực xác định tần số dòng điện stator theo công thức $f = \frac{n \times p}{120}$.

  • Sơ đồ tương đương máy phát đồng bộ: Mô tả các thành phần điện kháng và điện trở của stator và rotor trong hệ quy chiếu dq0, bao gồm điện kháng đồng bộ, điện kháng quá độ và siêu quá độ.

  • Đặt tuyến P-Q và đặt tuyến hình V: Biểu diễn giới hạn công suất tác dụng và phản kháng của máy phát theo các giới hạn nhiệt độ cuộn dây rotor, stator và vùng biên lõi từ. Đặt tuyến hình V mô tả mối quan hệ giữa dòng điện phần ứng và dòng kích từ tại điện áp đầu cực không đổi.

  • Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR): Hệ thống điều chỉnh điện áp máy phát tự động, duy trì điện áp ổn định trong phạm vi 95% đến 105% điện áp định mức khi máy phát vận hành ở công suất định mức.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink dựa trên các phương trình toán học của máy phát điện đồng bộ 3 pha. Cỡ mẫu nghiên cứu là một máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro tại Nhà máy điện Ô Môn, với dữ liệu kỹ thuật và vận hành thực tế được thu thập từ năm 2012.

Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu trường hợp (case study) nhằm khảo sát chi tiết các chế độ vận hành của máy phát. Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua mô phỏng các thông số đầu vào như điện áp lưới, điện áp kích từ, mô men cơ khí tác dụng lên rotor, và quan sát các thông số đầu ra gồm điện áp, dòng điện stator, công suất hữu công, vô công, điện áp kích từ và góc công suất.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 năm 2012, bao gồm các bước xây dựng mô hình toán học, lập trình mô phỏng, chạy mô phỏng các chế độ vận hành và so sánh kết quả với dữ liệu thực tế tại nhà máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng vận hành bình thường: Ở chế độ vận hành định mức, điện áp stator duy trì ổn định 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 sự ổn định về điện áp và dòng điện, góc công suất và mô men cơ khí duy trì trong giới hạn an toàn.

  2. Chế độ thiếu kích từ: Mô phỏng cho thấy điện áp stator giảm khoảng 5-7% so với định mức, công suất phản kháng giảm đáng kể, dẫn đến góc công suất tăng, làm giảm hiệu suất máy phát. Dòng kích từ giảm xuống dưới 80% định mức, gây ra hiện tượng quá nhiệt vùng biên lõi từ.

  3. Chế độ quá kích từ: Điện áp stator tăng lên khoảng 10% so với định mức, công suất phản kháng tăng, dòng kích từ vượt quá 110% định mức, làm tăng nguy cơ quá nhiệt cuộn dây rotor và stator. Mô phỏng cũng cho thấy sự gia tăng mô men cơ khí và góc công suất.

  4. Chế độ 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, gây mất ổn định hệ thống. Trong khi đó, điện áp lưới thấp hoặc cao làm thay đổi điện áp đầu ra máy phát tương ứng ±10%, ảnh hưởng đến dòng điện stator và công suất phản kháng.

Các kết quả mô phỏng được trình bày qua các đồ thị điện áp, dòng điện, công suất và góc công suất theo thời gian, so sánh với dữ liệu thực tế thu thập tại nhà máy cho thấy độ chính xác cao, xác nhận tính khả thi của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các biến động trong các chế độ vận hành được giải thích dựa trên đặc tính vật lý và điện từ của máy phát đồng bộ, như sự thay đổi dòng kích từ ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp và công suất phản kháng. So sánh với các nghiên cứu trong ngành cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo vận hành máy phát điện làm mát bằng Hydro trên thế giới.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác giúp các kỹ sư vận hành dự đoán và xử lý kịp thời các sự cố, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Việc mô phỏng các chế độ bất thường giúp phát hiện sớm các nguy cơ quá nhiệt, mất ổn định điện áp, góp phần giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và điều chỉnh dòng kích từ: Áp dụng hệ thống điều khiển tự động AVR với khả năng phản hồi nhanh để duy trì dòng kích từ trong phạm vi an toàn, giảm thiểu rủi ro quá nhiệt và mất ổn định điện áp. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng, chủ thể: phòng vận hành nhà máy.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng vận hành tích hợp: Nâng cấp phần mềm mô phỏng Matlab hiện tại thành công cụ hỗ trợ trực tiếp cho công tác vận hành và bảo trì, giúp dự báo các chế độ bất thường. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: phòng kỹ thuật và nghiên cứu phát triển.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực vận hành cho kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình máy phát điện làm mát bằng Hydro và kỹ thuật mô phỏng, nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng xử lý sự cố. Thời gian thực hiện: 3 tháng, chủ thể: ban quản lý nhân sự và đào tạo.

  4. Xây dựng quy trình vận hành và bảo trì dựa trên mô phỏng: Áp dụng kết quả mô phỏng để xây dựng các kịch bản vận hành và bảo trì dự phòng, đặc biệt trong các trường hợp thiếu hoặc quá kích từ, mất điện áp lưới. Thời gian thực hiện: 9 tháng, chủ thể: phòng kỹ thuật vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy điện: Nắm bắt chi tiết các chế độ vận hành máy phát điện 330 MW làm mát bằng Hydro, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố kịp thời.

  2. Chuyên gia bảo trì và sửa chữa thiết bị điện: Hiểu rõ cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và giới hạn vận hành của máy phát, giúp lập kế hoạch bảo trì chính xác, giảm thiểu hư hỏng thiết bị.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điện: Sử dụng mô hình toán học và mô phỏng để phát triển các giải pháp cải tiến thiết bị và hệ thống điều khiển máy phát điện.

  4. Quản lý dự án và hoạch định năng lượng: Đánh giá hiệu quả vận hành và khả năng ổn định của các tổ máy điện lớn, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và vận hành phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phát điện làm mát bằng Hydro có ưu điểm gì so với làm mát bằng không khí?
    Khí Hydro có tỷ trọng thấp, độ dẫn nhiệt cao và hiệu suất trao đổi nhiệt bề mặt lớn, giúp làm mát hiệu quả hơn, giảm tổn thất nhiệt và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Phần mềm Matlab Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Matlab Simulink được dùng để mô phỏng các chế độ vận hành của máy phát điện dựa trên các phương trình toán học, giúp phân tích các thông số điện áp, dòng điện, công suất và góc công suất theo thời gian.

  3. Các chế độ vận hành bất thường nào được mô phỏng trong luận văn?
    Bao gồm thiếu kích từ, quá kích từ, mất kích từ, điện áp lưới thấp, điện áp lưới cao, mất công suất thực và mất điện áp, giúp đánh giá ảnh hưởng của từng trường hợp đến hiệu suất và an toàn máy phát.

  4. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi vận hành máy phát điện 330 MW?
    Cần duy trì dòng kích từ và điện áp trong giới hạn an toàn, sử dụng hệ thống điều khiển tự động AVR, giám sát nhiệt độ và dòng điện liên tục, đồng thời áp dụng các quy trình bảo trì định kỳ.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các nhà máy điện khác không?
    Mô hình và phương pháp mô phỏng có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các máy phát điện đồng bộ làm mát bằng Hydro hoặc các loại máy phát công suất lớn khác, tùy theo thông số kỹ thuật cụ thể.

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 tại Nhà máy điện Ô Môn.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực tế, giúp hiểu rõ đặc tính vận hành bình thường và bất thường của máy phát.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao tính chủ động trong quản lý vận hành, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện khu vực miền Tây.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm tối ưu hóa vận hành và bảo trì thiết bị.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống giám sát tự động, nâng cấp phần mềm mô phỏng và đào tạo nhân lực chuyên sâu.

Hành động ngay hôm nay để áp dụng các giải pháp từ nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao hiệu quả vận hành và độ bền của máy phát điện, góp phần phát triển bền vững ngành điện Việt Nam.