Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt phục vụ vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn" do nghiên cứu sinh Phạm Thị Lý thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Bùi Quốc Khánh tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (bảo vệ năm 2021). Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, tập trung giải quyết bài toán điều khiển tự động trong lĩnh vực sản xuất điện năng từ nhiên liệu hóa thạch.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII điều chỉnh tại Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016), nhiệt điện đốt than đóng vai trò trụ cột trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia. Theo dự báo được tác giả trích dẫn, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam tăng trưởng bình quân 10%/năm giai đoạn 2010 - 2030. Nhiệt điện than chiếm tỷ trọng 34% sản lượng điện trong giai đoạn 2015 - 2016, tăng lên 49,3% vào năm 2020 và được quy hoạch đạt 42,6% tổng công suất, đóng góp 53,2% tổng sản lượng điện toàn quốc vào năm 2030.

Tuy nhiên, toàn bộ hệ thống điều khiển và thiết bị công nghệ tại các nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam đều do các nhà thầu nước ngoài thiết kế và lắp đặt. Tình trạng phụ thuộc kỹ thuật khiến công tác chẩn đoán sự cố, bảo trì, hiệu chỉnh và nâng cấp phụ thuộc vào chuyên gia ngoại, dẫn đến giá thành sản xuất điện trên mỗi megawatt tăng cao, giảm sức cạnh tranh và tính tự chủ trong vận hành hệ thống năng lượng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ: Các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ tiếp cận nhỏ lẻ ở từng cụm thiết bị độc lập (điều khiển mức nước bao hơi, điều khiển hệ thống máy nghiền than) hoặc dừng lại ở các mô hình toán học giải tích lý thuyết chưa gắn với bản chất vật lý của các quá trình nhiệt động. Chưa có công trình nào giải quyết toàn diện bài toán điều khiển phối hợp giữa lò hơi và tuabin - máy phát nhằm tối ưu hóa chế độ vận hành và giảm thiểu suất tiêu hao nhiên liệu than cho các tổ máy cận tới hạn thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn để đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm nhiên liệu.

Các định hướng nghiên cứu cụ thể được đánh số trong luận án gồm:

  1. Xây dựng mô hình điều khiển phụ tải nhiệt theo phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp (DEB - Direct Energy Balance) bám sát cấu trúc điều khiển của nhà máy thực tế, bao quát được các quá trình biến đổi cơ bản trong lò hơi và xét được các nhiễu chính tác động đến quá trình.
  2. Dựa trên mô hình điều khiển phụ tải nhiệt, nghiên cứu cải thiện cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt (đề xuất cấu trúc phối hợp cải tiến từ cấu trúc của Flynn).
  3. Áp dụng mạng Nơron - Fuzzy nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo hướng vận hành tối ưu và bù nhiễu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện đốt than phun (Pulverized Coal - PC), tổ hợp tuabin ngưng hơi và thông số hơi cận tới hạn.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hợp (Coordinated Control); thông số làm việc cận tới hạn gồm áp suất hơi quá nhiệt $16,7\text{ MPa}$, nhiệt độ hơi quá nhiệt trong dải $538^\circ\text{C} \div 541^\circ\text{C}$; dải công suất vận hành khảo sát từ $70%$ đến $100%$ công suất định mức; cơ sở dữ liệu thực nghiệm và thông số công nghệ được thu thập trực tiếp tại Tổ máy số 2 của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Tác giả đã hệ thống hóa lịch sử nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt từ thập niên 1960 đến thời điểm thực hiện luận án thông qua các nhánh tiếp cận chính:

  1. Hướng tiếp cận mô hình vật lý chi tiết: Các công trình của các tác giả quốc tế [12-14, 35, 36] tập trung mô hình hóa đầy đủ các quá trình nghiền than, phản ứng cháy trong buồng lửa, truyền nhiệt bức xạ - đối lưu, cấp nước và biến đổi pha. Mô hình này rất phức tạp, cồng kềnh, chi phí tính toán cao, chủ yếu phục vụ khâu thiết kế lò hơi hoặc phần mềm huấn luyện đào tạo của các hãng chế tạo [8], không phù hợp cho việc thiết kế và chỉnh định trực tiếp thuật toán điều khiển phụ tải nhiệt.
  2. Hướng tiếp cận mô hình điều khiển phi tuyến và phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp (DEB):
    • Nghiên cứu của các tác giả Trung Quốc [33, 45] xây dựng mô hình không gian trạng thái 6 biến: lưu lượng nhiên liệu $q_f$, lưu lượng hơi bão hòa $D_b$, lưu lượng hơi quá nhiệt $D_T$, áp suất bao hơi $P_b$, áp suất đầu vào tuabin $P_T$ và áp suất tầng cánh điều chỉnh $P_1$. Biến điều khiển gồm độ mở van nhiên liệu $u_B$ và van hơi $\mu_h$; biến đầu ra gồm $P_T$ và công suất phát $N_e$. Nhóm tác giả này sử dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng (ESO) để bù nhiễu. Nhược điểm của hướng này là tập trung quá nhiều vào khâu hơi quá nhiệt mà bỏ qua động học quá trình cháy, truyền nhiệt sinh hơi và quá trình biến đổi cơ năng của cụm tuabin - máy phát.
    • Nghiên cứu điển hình của Liu và cộng sự [31] đưa ra mô hình động học phi tuyến 3 biến trạng thái: áp suất bao hơi $P_b$, công suất điện $N_e$ và khối lượng riêng của hơi $\rho_h$; 3 biến điều khiển gồm góc mở van nhiên liệu $u_b$, góc mở van hơi $u_t$ và góc mở van nước cấp $u_w$. Nhược điểm mô hình này là đặt bài toán thay đổi lượng đặt mức nước bao hơi không đúng thực tế vận hành (mức nước bao hơi luôn phải duy trì cố định quanh điểm cân bằng) và hoàn toàn bỏ qua các yếu tố nhiễu của quá trình cháy.
  3. Hướng tiếp cận cấu trúc điều khiển phối hợp thực tế:
    • Cấu trúc của Flynn [12]: Đề xuất sơ đồ phối hợp sử dụng một lượng đặt công suất $N^*$ duy nhất cấp cho cả hệ điều khiển công suất điện và lò hơi, kết hợp khâu bù feedforward phi tuyến tĩnh $g(\Delta P)$ để ngăn ngừa hiện tượng dao động khi áp suất suy giảm quá ngưỡng. Tuy nhiên, Flynn mới chỉ dừng lại ở ý tưởng cấu trúc, chưa chứng minh định lượng hiệu quả và chưa đưa ra phương pháp thiết kế tham số cụ thể.
    • Cấu trúc thực tế tại các nhà máy nhiệt điện Việt Nam [4, 5, 8, 10]: Sử dụng tín hiệu tỷ lệ giữa áp suất thực tế và áp suất đặt $(P_h / P_h^*)$ nhân trực tiếp với đầu ra của bộ điều khiển công suất $G_{CN}$. Cấu trúc này gây ra hiện tượng dao động áp suất và công suất phát khi tốc độ thay đổi tải lớn hoặc khi xuất hiện nhiễu nhiệt trị than.
  4. Các nghiên cứu trong nước: Các công trình tại Đại học Bách Khoa Hà Nội [2, 3, 37, 73] chủ yếu tiếp cận theo hệ điều khiển đơn biến (SISO), tuyến tính hóa quanh điểm làm việc hoặc dùng mô hình trạng thái phi tuyến trừu tượng mà chưa bao quát được đầy đủ các quá trình công nghệ thực tế và tác động của nhiễu.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án lựa chọn giải quyết tồn tại của cấu trúc Flynn và cấu trúc thực tế tại Việt Nam: Xây dựng một mô hình điều khiển phụ tải nhiệt đa biến theo phương pháp DEB bám sát thông số của tổ máy $300\text{ MW}$ cận tới hạn (Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng); đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới; áp dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa đồng thời chỉ tiêu bám tải và giảm thiểu suất tiêu hao than; tích hợp mạng Nơron - Fuzzy làm mô hình mẫu và khâu bù nhiễu thích nghi; kiểm chứng trực tiếp trên phần cứng mô phỏng thời gian thực (Hardware-in-the-Loop - HIL).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

Luận án sử dụng các nguyên lý nhiệt động học kỹ thuật và lý thuyết điều khiển tự động:

  • Phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp (DEB): Mô tả quan hệ giữa năng lượng hóa thạch cấp vào buồng lửa với công suất nhiệt của lò hơi và công suất cơ - điện sinh ra tại tuabin.
  • Phương trình Antoine: Tính toán áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ: $$\log P = A - \frac{B}{C + T}$$
  • Phương trình cân bằng nhiệt lò hơi: $$Q_f = W_f H_f$$ $$Q_m = F(H) W_f - Q_{TL} - Q_{hh} - Q_{tt}$$ Trong đó hàm $F(H)$ đại diện cho hiệu ứng entanpy tổng hợp của dòng nhiên liệu, không khí, khói và xỉ than.
  • Phương trình động học truyền nhiệt dàn ống sinh hơi: $$m_m C_m \frac{dT_m}{dt} = Q_{tn} - Q_{sh}$$ Với nhiệt lượng nhận từ buồng lửa gồm bức xạ và đối lưu: $$Q_{tn} = Q_{bx} + Q_{dl} = k_{bx} T_{NL}^4 + k_{dl} (T_{NL} - T_m)$$ Và nhiệt lượng truyền cho dòng nước xuống: $$Q_{sh} = k_T A (T_m - T_{nx})$$
  • Cân bằng khối lượng và năng lượng bao hơi: $$\frac{dm_n}{dt} = W_{nc} - W_{nx} + W_{nl}$$ $$\frac{dh_{bh}}{dt} \approx \frac{1}{V} (W_{nc} - W_h)$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp lý thuyết phân tích động học, mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng thời gian thực:

  • Phân tích động học kết hợp nhận dạng: Sử dụng các định luật bảo toàn kết hợp dữ liệu vận hành từ DCS để xác định hàm truyền đạt của các quá trình: cấp than $G_{pf}(s)$, quá trình cháy $G_{pch}(s)$, nồng độ oxy dư, áp suất âm buồng đốt, mức nước bao hơi, nhiệt độ hơi quá nhiệt và tổ hợp tuabin - máy phát.
  • Thuật toán tối ưu hóa di truyền (GA): Thiết lập bài toán tối ưu đa mục tiêu để tìm bộ tham số $K_P, K_I, K_D$ cho các bộ điều khiển công suất ($G_{CN}$) và áp suất ($G_{CP}$). Hàm mục tiêu kết hợp gồm chỉ tiêu bám lượng đặt công suất $J_N$ (%) và chỉ tiêu suất tiêu hao nhiên liệu than $J_f$ ($\text{kg/kWh}$).
  • Mạng Nơron - Fuzzy (Neural-Fuzzy): Mạng nơron nhân tạo nhiều lớp (MLP) được huấn luyện làm mô hình mẫu (Reference Model) để tính toán sai lệch động; bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) với luật hợp thành Max-Min và giải mờ trọng tâm đóng vai trò khâu bù nhiễu cho van tuabin $\Delta U_t$ và van cấp nhiên liệu $\Delta W_f$.
  • Mô phỏng thời gian thực HIL (Hardware-in-the-Loop): Sử dụng card DSP DS1104 của dSPACE kết hợp với bộ điều khiển công nghiệp PLC ABB AC 800M. Card DS1104 đóng vai trò mô phỏng thời gian thực đối tượng công nghệ nhà máy nhiệt điện; PLC AC 800M đóng vai trò bộ điều khiển thực thi các thuật toán điều khiển phối hợp.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực tế

Toàn bộ số liệu công nghệ, đường cong vận hành và sơ đồ P&ID được thu thập từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng:

  • Than cám đốt lò: Nhiệt trị $H_f = 4995 \div 5370\text{ kcal/kg}$, độ ẩm $6,3% \div 10,63%$, kích thước hạt bột than nghiền qua bộ phân ly $\le 4,\mu\text{m}$, sấy nóng sơ bộ bằng gió cấp 1 ở nhiệt độ $350^\circ\text{C} \div 400^\circ\text{C}$.
  • Áp suất hơi quá nhiệt định mức: $16,7\text{ MPa}$; nhiệt độ hơi quá nhiệt: $538^\circ\text{C} \div 541^\circ\text{C}$; dải áp suất âm buồng đốt: $-50\text{ Pa} \div -100\text{ Pa}$; tỷ lệ không khí/nhiên liệu $k_a \approx 10 \div 11$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than

Chương 1 trình bày tổng quan công nghệ nhiệt điện, phân loại nhà máy và nguyên lý vận hành của chu trình nhiệt điện đốt than phun cận tới hạn. Tác giả phân tích cấu trúc tổ máy gồm lò hơi, bao hơi, các bộ quá nhiệt (quá nhiệt trần, quá nhiệt hộp, quá nhiệt tường phân chia, quá nhiệt cấp 1, 2, 3), bộ tái nhiệt, tuabin cao áp (HP), tuabin trung áp (IP), tuabin hạ áp (LP), bình ngưng, các bộ gia nhiệt hạ áp, cao áp và bộ khử khí.

Chương này tập trung mổ xẻ đặc tính động học của 3 cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt:

  1. Cấu trúc điều khiển đơn biến theo tuabin (TFC): Bộ điều khiển công suất $G_{CN}$ tác động van hơi tuabin $\mu_h$, bộ điều khiển áp suất $G_{CP}$ tác động van nhiên liệu $V_f$. Ưu điểm là đáp ứng công suất phát nhanh; nhược điểm là áp suất hơi bị sụt giảm nghiêm trọng khi tăng tải do quán tính nhiệt của lò hơi lớn, dẫn đến dao động xen kênh mạnh.
  2. Cấu trúc điều khiển đơn biến theo lò hơi (BFC): $G_{CN}$ điều khiển nhiên liệu lò hơi, $G_{CP}$ điều khiển van tuabin. Áp suất hơi được duy trì ổn định, bảo vệ an toàn cho lò nhưng tốc độ đáp ứng công suất điện phát lên lưới rất chậm, không đáp ứng được yêu cầu điều độ hệ thống điện.
  3. Cấu trúc điều khiển phối hợp (Coordinated Control - CC): Tác động đồng thời lên cả van nhiên liệu và van tuabin. Cấu trúc này giải quyết được mâu thuẫn giữa tốc độ đáp ứng công suất và độ ổn định áp suất.

Từ việc phân tích cấu trúc phối hợp của Flynn và cấu trúc nhân tỷ lệ áp suất thực tế đang dùng tại các nhà máy Việt Nam, tác giả xác lập định hướng nghiên cứu: thiết kế cấu trúc phối hợp mới nhằm khắc phục dao động xen kênh và tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu.

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt

Chương 2 là chương trọng tâm về mặt mô hình hóa và thiết kế giải thuật điều khiển. Tác giả xây dựng mô hình hệ phụ tải nhiệt dựa trên thông số cụ thể của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng, phân chia thành hệ thống cấp trên (điều khiển phụ tải nhiệt) và 4 mạch vòng cấp dưới:

  • Mạch vòng điều khiển cấp liệu: Điều khiển lưu lượng than $W_f$ theo công suất nhiệt yêu cầu.
  • Mạch vòng điều khiển khói gió: Gồm mạch vòng duy trì nồng độ oxy dư trong dải $2% \div 5%$ (ở tải $70% \div 100%$ định mức) thông qua quạt gió FDF, và mạch vòng duy trì áp suất âm buồng đốt trong dải $-50\text{ Pa} \div -100\text{ Pa}$ thông qua quạt hút IDF để ổn định ngọn lửa chữ "W".
  • Mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi: Đảm bảo cân bằng khối lượng giữa nước cấp $W_{nc}$ và lưu lượng hơi sinh ra $W_h$ theo nguyên lý ba thành phần.
  • Mạch vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt: Kết hợp quá trình gia nhiệt và phun nước giảm ôn điều chỉnh nhiệt độ hơi chính ở mức $541^\circ\text{C}$.

Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất Cấu trúc điều khiển phối hợp mới phát triển từ cấu trúc Flynn:

  • Thay vì sử dụng phép nhân tỷ lệ áp suất $(P_h / P_h^*)$ gây mất ổn định như cấu trúc thực tế tại Việt Nam, cấu trúc mới sử dụng kênh feedforward lượng đặt kết hợp hàm phi tuyến tĩnh bù áp suất $g(\Delta P)$ cải tiến nhằm khống chế độ mở van tuabin khi độ lệch áp suất vượt ngưỡng an toàn.
  • Thiết lập giải thuật di truyền (GA) với kích thước quần thể và trải qua 30 thế hệ tính toán để tìm bộ tham số tối ưu cho hai bộ điều khiển PID ($G_{CN}$ và $G_{CP}$).

Hàm mục tiêu được xây dựng nhằm tối thiểu hóa sai lệch bám công suất $J_N$ (%) và suất tiêu hao than $J_f$ ($\text{kg/kWh}$). Kết quả mô phỏng trên Matlab & Simulink chứng minh cấu trúc phối hợp mới tối ưu bằng GA vượt trội so với cấu trúc truyền thống và cấu trúc thực tế về tốc độ bám tải, biên độ dao động áp suất và lượng than tiêu thụ.

Chương 3: Ứng dụng mạng Nơron - Fuzzy để bù nhiễu cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt

Chương 3 giải quyết bài toán suy giảm chất lượng điều khiển do các yếu tố nhiễu ngẫu nhiên trong vận hành thực tế: sự biến thiên nhiệt trị than ($H_f$), độ ẩm than, nhiễu quá trình cháy và nhiễu áp suất đường hơi.

Tác giả thiết kế hệ thống điều khiển bù nhiễu kết hợp mạng Nơron và Logic mờ (Neural-Fuzzy):

  • Khối mạng Nơron nhân tạo làm mô hình mẫu (Reference Model): Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp được huấn luyện offline trên Matlab bằng tập dữ liệu vận hành chuẩn của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng. Mạng nơron nhận các tín hiệu lượng đặt và phản hồi thực tế để ước lượng đáp ứng công suất phát và áp suất hơi lý tưởng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
  • Khối bù mờ (Fuzzy Logic Controller): Sử dụng các biến ngôn ngữ đầu vào gồm sai lệch công suất, tốc độ thay đổi sai lệch công suất, sai lệch áp suất và tốc độ thay đổi sai lệch áp suất. Các biến ngôn ngữ đầu ra là tín hiệu bù góc mở van tuabin ($\Delta U_t$) và tín hiệu bù lưu lượng nhiên liệu ($\Delta W_f$). Bảng luật điều khiển mờ (Fuzzy Rules) được thiết kế dựa trên chuyên gia vận hành và động học vật lý của lò hơi - tuabin.

Kết quả mô phỏng khi đưa vào các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên (nhiễu truyền nhiệt, nhiễu van hơi, thay đổi nhiệt trị than) cho thấy: Hệ thống có khâu bù Nơron - Fuzzy triệt tiêu nhanh các dao động, giữ cho sai lệch công suất và áp suất hơi nằm trong phạm vi cho phép, bảo đảm quá trình sinh công diễn ra ổn định.

Chương 4: Xây dựng thiết bị mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng, đánh giá chất lượng điều khiển hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện

Chương 4 thực hiện việc kiểm chứng các kết quả nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm thời gian thực theo cấu hình Hardware-in-the-Loop (HIL):

  • Phần cứng đối tượng mô phỏng: Card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104 đóng vai trò mô phỏng thời gian thực toàn bộ động lực học của tổ máy nhiệt điện (lò hơi, tuabin, máy phát và 4 mạch vòng phụ trợ) với chu kỳ trích mẫu nhỏ, phản ánh chính xác các quá trình động học liên tục.
  • Phần cứng bộ điều khiển: Bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp ABB AC 800M (gồm các khối module chuẩn I/O: AI810 cho đầu vào tương tự, AO810 cho đầu ra tương tự, DI810 cho đầu vào số, DO810 cho đầu ra số). Thuật toán điều khiển phối hợp mới được lập trình trên phần mềm Control Builder M Professional bằng ngôn ngữ Control Module, kết nối giám sát qua Plant Explorer Workplace và giao diện Control Desk của dSPACE.

Tác giả tiến hành các kịch bản thử nghiệm thực nghiệm:

  1. Thử nghiệm thay đổi lượng đặt công suất với tốc độ tăng tải chuẩn $3\text{ MW/phút}$.
  2. Thử nghiệm đáp ứng hệ thống khi có nhiễu nhiệt trị than và nhiễu quá trình cháy.
  3. So sánh dữ liệu thực nghiệm thu được từ card DS1104 và PLC AC 800M với kết quả mô phỏng lý thuyết trên Matlab & Simulink.

Dữ liệu thực nghiệm xác nhận tính tương đồng cao giữa mô phỏng và phần cứng thời gian thực, chứng minh thuật toán có khả năng thực thi trực tiếp trên các bộ điều khiển công nghiệp hiện hữu mà không gây quá tải tài nguyên tính toán.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

Theo tuyên bố của luận án, công trình có 3 đóng góp khoa học và thực tiễn cốt lõi:

  1. Về cấu trúc điều khiển: Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới cho hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than cận tới hạn dựa trên việc cải tiến cấu trúc Flynn, loại bỏ khâu nhân tỷ lệ $(P_h / P_h^*)$ của các nhà máy hiện hành tại Việt Nam, kết hợp hàm phi tuyến tĩnh $g(\Delta P)$ cải tiến giúp giảm triệt để dao động xen kênh giữa áp suất hơi và công suất điện.
  2. Về phương pháp tối ưu hóa tham số: Ứng dụng thành công giải thuật di truyền (GA) để xác định bộ thông số PID tối ưu cho các bộ điều khiển công suất ($G_{CN}$) và áp suất ($G_{CP}$) theo tiêu chuẩn đa mục tiêu: vừa bảo đảm độ bám lượng đặt công suất $J_N$, vừa giảm thiểu chỉ tiêu chi phí nhiên liệu than $J_f$ ($\text{kg than/kWh}$).
  3. Về giải pháp bù nhiễu và kiểm chứng thực nghiệm: Thiết kế cấu trúc điều khiển bù nhiễu thích nghi sử dụng mạng Nơron - Fuzzy; xây dựng thành công thiết bị mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (kết hợp DSP DS1104 và PLC công nghiệp ABB AC 800M) để đánh giá và kiểm chứng các thuật toán điều khiển trong điều kiện vận hành tương đương thực tế.

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu chất lượng và vận hành tối ưu

Chỉ tiêu đánh giá Ký hiệu / Đơn vị Cấu trúc đơn biến theo lò (BFC) Cấu trúc đơn biến theo tuabin (TFC) Cấu trúc phối hợp thực tế tại VN Cấu trúc phối hợp mới tối ưu bằng GA (Luận án)
Độ quá điều chỉnh công suất $\sigma_N$ (%) Thấp Lớn Trung bình Tối thiểu
Thời gian quá độ công suất $T_{qd}$ (s) Rất dài Ngắn Trung bình Ngắn và ổn định
Độ sụt áp suất hơi cực đại $e_{max}$ (%) Rất nhỏ Rất lớn Lớn (do nhân tỷ lệ) Nhỏ (được khống chế bởi $g(\Delta P)$)
Chỉ tiêu bám lượng đặt $J_N$ (%) Kém Khá Tốt Tối ưu
Suất tiêu hao than $J_f$ ($\text{kg/kWh}$) Cao Cao Trung bình Thấp nhất
Khả năng triệt tiêu nhiễu cháy - Kém Kém Trung bình Nhanh (khi có khâu Neural-Fuzzy)

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng cấu trúc phối hợp mới vào việc cải tạo, nâng cấp phần mềm điều khiển trong hệ thống DCS của các nhà máy nhiệt điện than đang vận hành tại Việt Nam (như Nhiệt điện Hải Phòng, Quảng Ninh, Nghi Sơn 1...).
  • Đưa thuật toán tối ưu hóa thông số bằng GA và khối bù thích nghi Nơron - Fuzzy vào các chương trình điều khiển cấp trên (Supervisory Control) để tự động hiệu chỉnh tham số khi chất lượng than đầu vào biến động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng tiếp theo được xác định như sau:

Hạn chế của luận án

  • Giới hạn dải công suất vận hành: Luận án chỉ khảo sát hệ thống trong dải phát công suất ổn định từ $70%$ đến $100%$ công suất định mức (chế độ phụ tải đáy/phụ tải trung gian phát lên lưới). Chưa nghiên cứu quá trình khởi động, dừng lò hoặc chế độ phụ tải thấp dưới $70%$ khi phải đốt kèm nhiên liệu dầu phụ trợ.
  • Giả thiết lý tưởng hóa các hệ thống phụ trợ: Để giảm khối lượng tính toán, luận án giả thiết các mạch vòng ngưng hơi, hâm nước, khử khí và hệ thống kích từ máy phát (điều khiển công suất phản kháng và điện áp) vận hành hoàn toàn ổn định và đáp ứng kịp thời yêu cầu công nghệ.
  • Phạm vi chủng loại nhiên liệu: Các tham số động học và thực nghiệm được xác lập trên cơ sở than antraxit nội địa theo tiêu chuẩn thiết kế của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng; chưa khảo sát đối với các loại than nhập khẩu có hàm lượng chất bốc và tro xỉ biến thiên lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng mô hình toán học và cấu trúc điều khiển cho toàn bộ dải công suất từ $0%$ đến $100%$, bao gồm cả quá trình chuyển đổi nhiên liệu từ dầu sang than trong giai đoạn khởi động tổ máy.
  • Nghiên cứu tích hợp toàn diện động học của hệ thống khử khí, bình ngưng và hệ thống kích từ máy phát vào bài toán tối ưu hóa đa biến tổng thể.
  • Phát triển và thử nghiệm các giải pháp điều khiển thích nghi cho các tổ máy nhiệt điện than sử dụng thông số hơi siêu tới hạn (Supercritical, $24,2\text{ MPa}$) và trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical, $31\text{ MPa}$).

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển và Công nghệ Năng lượng:
    • Cung cấp phương pháp luận chi tiết về mô hình hóa quá trình nhiệt động phức tạp theo phương pháp DEB kết hợp dữ liệu thực nghiệm (Chương 2 và Phụ lục I).
    • Minh họa quy trình áp dụng giải thuật di truyền (GA) vào bài toán chỉnh định tham số điều khiển công nghiệp đa mục tiêu có xét đến ràng buộc kinh tế kỹ thuật ($J_N$ và $J_f$).
  2. Kỹ sư vận hành, chuyên gia tự động hóa tại các nhà máy nhiệt điện đốt than:
    • Tài liệu tham khảo trực tiếp sơ đồ công nghệ P&ID, các phương trình cân bằng nhiệt - vật chất và cấu trúc 4 mạch vòng điều khiển cơ bản của lò hơi cận tới hạn $300\text{ MW}$.
    • Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để khắc phục hiện tượng dao động xen kênh công suất - áp suất đang tồn tại trên hệ thống DCS thực tế.
  3. Các nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị mô phỏng đào tạo và thử nghiệm phần cứng:
    • Toàn bộ nội dung Chương 4 và Phụ lục III hướng dẫn chi tiết cách thức cấu hình, ghép nối tín hiệu tương tự/số giữa card DSP DS1104 (dSPACE) và bộ điều khiển công nghiệp PLC ABB AC 800M thông qua các phần mềm Control Builder M và Control Desk, làm cơ sở xây dựng các hệ thống thử nghiệm HIL công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn đối tượng nghiên cứu là nhà máy nhiệt điện có thông số hơi cận tới hạn thay vì siêu tới hạn?

Theo số liệu thống kê được tác giả nêu trong luận án, mặc dù xu hướng thế giới đang chuyển dịch sang thông số siêu tới hạn ($24,2\text{ MPa}$) và trên siêu tới hạn ($31\text{ MPa}$), nhưng tại thời điểm nghiên cứu, các nhà máy nhiệt điện đốt than đang vận hành tại Việt Nam chủ yếu là các tổ máy có dải công suất $300\text{ MW} \div 600\text{ MW}$ với thông số hơi cận tới hạn (áp suất $16,7\text{ MPa}$, nhiệt độ hơi $538^\circ\text{C} \div 541^\circ\text{C}$). Việc chọn đối tượng này bảo đảm tính cấp thiết, khả năng tiếp cận dữ liệu thực tế tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng và khả năng ứng dụng trực tiếp kết quả nghiên cứu vào hệ thống các nhà máy hiện hữu.

2. Điểm khác biệt cốt lõi giữa cấu trúc điều khiển phối hợp đề xuất trong luận án và cấu trúc đang vận hành thực tế tại các nhà máy nhiệt điện Việt Nam là gì?

Cấu trúc thực tế tại các nhà máy nhiệt điện Việt Nam sử dụng tín hiệu tỷ lệ giữa áp suất thực tế và áp suất đặt $(P_h / P_h^*)$ nhân trực tiếp với đầu ra của bộ điều khiển công suất $G_{CN}$. Khi tốc độ tăng tải lớn hoặc khi có nhiễu than, phép nhân này làm biến thiên mạnh độ mở van tuabin, gây dao động áp suất và công suất phát. Cấu trúc phối hợp mới của luận án loại bỏ phép nhân này, thay thế bằng kênh feedforward lượng đặt và bổ sung khâu bù phi tuyến tĩnh $g(\Delta P)$ cải tiến từ Flynn. Khâu này chỉ can thiệp hạn chế lưu lượng hơi khi áp suất sụt giảm vượt ngưỡng an toàn, giúp triệt tiêu dao động xen kênh.

3. Hai chỉ tiêu $J_N$ và $J_f$ trong bài toán tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền (GA) biểu diễn điều gì?

  • $J_N$ (%) là chỉ tiêu đánh giá độ bám lượng đặt công suất phát của tổ máy, đo lường mức độ sai lệch giữa công suất điện thực tế $N_e$ so với công suất đặt $N^*$ trong quá trình quá độ.
  • $J_f$ ($\text{kg than/kWh}$) là chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật phản ánh suất tiêu hao nhiên liệu, tức khối lượng than tiêu thụ tính bằng kilôgam để sản xuất ra một kilôwatt-giờ điện năng. Thuật toán GA tìm kiếm bộ tham số PID nhằm cực tiểu hóa đồng thời cả hai chỉ tiêu này qua 30 thế hệ tính toán.

4. Hệ thống mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL) trong luận án được cấu hình từ các thiết bị cụ thể nào?

Hệ thống HIL gồm hai thành phần phần cứng chính kết nối trực tiếp với nhau qua đường truyền tín hiệu I/O tương tự và số:

  • Card dSPACE DS1104: Nhúng mô hình toán học đối tượng nhà máy nhiệt điện (lò hơi, tuabin, máy phát, khói gió, nước cấp) lập trình từ Matlab/Simulink, chạy mô phỏng thời gian thực và giao tiếp qua Control Desk.
  • Bộ điều khiển công nghiệp ABB AC 800M: Thực thi thuật toán điều khiển phối hợp mới, sử dụng các module mở rộng gồm AI810 (đầu vào tương tự), AO810 (đầu ra tương tự), DI810 (đầu vào số) và DO810 (đầu ra số), được lập trình trên phần mềm Control Builder M Professional và giám sát qua Plant Explorer Workplace.

5. Dải áp suất âm buồng đốt và nồng độ oxy dư được duy trì ở mức bao nhiêu trong quá trình vận hành?

Theo các dữ liệu công nghệ được tác giả trình bày tại Chương 2, áp suất buồng đốt luôn được mạch vòng quạt hút IDF duy trì ở trạng thái áp suất âm trong dải $-50\text{ Pa} \div -100\text{ Pa}$ nhằm giữ ngọn lửa chữ "W" ở độ cao tiêu chuẩn, bảo đảm an toàn và thời gian cháy của than. Đồng thời, trong vùng tải từ $70%$ đến $100%$ công suất định mức, nồng độ oxy dư trong khói thải được mạch vòng quạt gió FDF duy trì ổn định trong khoảng $2% \div 5%$ (lượng đặt cài đặt $3% \div 5%$) nhằm bảo đảm than cháy kiệt và khống chế nồng độ khí CO phát thải dưới ngưỡng $400\text{ ppm}$.

Kết luận

Bản luận án của nghiên cứu sinh Phạm Thị Lý đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than phun áp suất cận tới hạn ($16,7\text{ MPa}$) dựa trên dữ liệu thực tế tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng. Công trình đã mô hình hóa thành công hệ thống đa biến theo phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp (DEB), tích hợp đầy đủ 4 mạch vòng điều khiển cơ bản của lò hơi và cụm tuabin - máy phát. Tác giả đã đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới, ứng dụng giải thuật di truyền GA để tối ưu hóa đồng thời độ bám tải và suất tiêu hao than, kết hợp mạng Nơron - Fuzzy nhằm bù trừ các nguồn nhiễu công nghệ. Toàn bộ các giải thuật và cấu trúc điều khiển đề xuất đã được kiểm chứng độc lập trên thiết bị mô phỏng phần cứng thời gian thực HIL (kết hợp DSP DS1104 và PLC công nghiệp ABB AC 800M), khẳng định tính đúng đắn về mặt lý thuyết và khả năng ứng dụng thực tế trong công nghiệp sản xuất điện năng.