Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy nhiệt điện than đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu nguồn điện quốc gia, chiếm khoảng 70% tổng công suất phát điện tại nhiều quốc gia đang phát triển. Tuy nhiên, vận hành hiệu quả và an toàn các bình gia nhiệt nước cấp trong nhà máy nhiệt điện vẫn là thách thức lớn do tính phức tạp của hệ thống và yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện làm việc. Bình gia nhiệt nước cấp là thiết bị trung gian giúp nâng nhiệt độ nước cấp lên mức phù hợp trước khi đưa vào lò hơi, góp phần nâng cao hiệu suất nhiệt và bảo vệ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, thiết kế và ứng dụng hệ thống điều khiển các bình gia nhiệt nước cấp nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, đảm bảo an toàn và ổn định cho nhà máy nhiệt điện than.

Nghiên cứu tập trung vào hệ thống các bình gia nhiệt cao áp và hạ áp tại nhà máy nhiệt điện Thái Bình 2, với phạm vi khảo sát và mô phỏng trong giai đoạn 2015-2017. Việc ứng dụng phần mềm CASCAD trong thiết kế và tính toán điều khiển bình gia nhiệt được triển khai nhằm tối ưu hóa các tham số điều khiển PID, nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu tổn thất nhiệt, tăng hiệu suất nhiệt của chu trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro vận hành do các biến động áp suất và nhiệt độ trong bình gia nhiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý cân bằng nhiệt trong bình gia nhiệt: Phân tích sự cân bằng giữa nhiệt lượng vào và ra, bao gồm nhiệt lượng truyền từ hơi nước và nhiệt lượng mất mát qua thành bình, nhằm xác định nhiệt độ và áp suất làm việc ổn định.
  • Mô hình điều khiển PID: Áp dụng thuật toán điều khiển tỷ lệ - tích phân - đạo hàm để điều chỉnh các van khí và van nước nhằm duy trì mức nước và áp suất trong bình gia nhiệt ở trạng thái ổn định.
  • Mô hình truyền nhiệt và thủy lực trong bình gia nhiệt: Xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt qua thành bình và dòng chảy nước bên trong, bao gồm hiện tượng sôi và thủy kích.
  • Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm CASCAD: Sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tối ưu hóa các tham số điều khiển, đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả và an toàn.

Các khái niệm chính bao gồm: bình gia nhiệt cao áp, bình gia nhiệt hạ áp, cân bằng nhiệt, điều khiển PID, thủy kích, truyền nhiệt, và mô phỏng điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành thực tế từ nhà máy nhiệt điện Thái Bình 2, bao gồm áp suất, nhiệt độ, lưu lượng hơi và nước cấp tại các bình gia nhiệt cao áp và hạ áp.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các bình gia nhiệt tiêu biểu trong hệ thống để phân tích chi tiết, tập trung vào các bình có công suất khoảng 300 MW.
  • Phương pháp phân tích: Áp dụng mô hình toán học cân bằng nhiệt và thủy lực, kết hợp với thuật toán điều khiển PID được mô phỏng trên phần mềm CASCAD để đánh giá hiệu quả điều khiển.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ khảo sát thực tế, xây dựng mô hình, mô phỏng điều khiển đến đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 6 bình gia nhiệt cao áp và 4 bình gia nhiệt hạ áp, được lựa chọn dựa trên tiêu chí đại diện cho các điều kiện vận hành khác nhau trong nhà máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển mức nước bình gia nhiệt: Hệ thống điều khiển PID được tối ưu hóa trên phần mềm CASCAD giúp duy trì mức nước ổn định trong bình gia nhiệt với sai số dưới 2%, giảm 15% thời gian phản hồi so với hệ thống điều khiển truyền thống.

  2. Giảm thiểu hiện tượng thủy kích và rung động: Qua mô phỏng và phân tích, việc điều chỉnh chính xác lưu lượng hơi và nước cấp giúp giảm 30% tần suất xuất hiện thủy kích trong bình gia nhiệt cao áp, góp phần nâng cao tuổi thọ thiết bị.

  3. Tăng hiệu suất nhiệt chu trình: Ứng dụng hệ thống điều khiển mới giúp nâng nhiệt độ nước cấp lên bình gia nhiệt cao áp trung bình 5-7°C, tương đương tăng hiệu suất nhiệt của chu trình khoảng 1.5%, góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải.

  4. Ổn định áp suất và nhiệt độ trong bình gia nhiệt: Áp suất hơi trong bình được duy trì ở mức 130-240 bar với độ lệch không quá 3%, nhiệt độ hơi ổn định trong khoảng 350-400°C, đảm bảo an toàn vận hành và giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải tiến là do việc áp dụng mô hình điều khiển PID thích nghi, kết hợp với mô phỏng chính xác trên phần mềm CASCAD, cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số van khí và van nước trong bình gia nhiệt. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào điều khiển tuyến tính, nghiên cứu này đã nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng với biến động vận hành thực tế.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động mức nước và áp suất trong bình gia nhiệt, thể hiện sự ổn định và giảm thiểu dao động so với hệ thống cũ. Bảng so sánh hiệu suất nhiệt trước và sau khi áp dụng hệ thống điều khiển cũng minh họa rõ ràng đóng góp của nghiên cứu.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy nhiệt điện than mà còn góp phần giảm thiểu tổn thất năng lượng và phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững ngành năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển PID thích nghi cho toàn bộ bình gia nhiệt: Mục tiêu giảm sai số mức nước xuống dưới 2%, hoàn thành trong vòng 12 tháng, do phòng kỹ thuật vận hành nhà máy thực hiện.

  2. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và điều khiển CASCAD: Tăng cường khả năng mô phỏng các tình huống vận hành phức tạp, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do bộ phận nghiên cứu và phát triển công nghệ đảm nhiệm.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật điều khiển hiện đại: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển PID và vận hành bình gia nhiệt, nhằm nâng cao năng lực xử lý sự cố, thực hiện liên tục trong 1 năm, do phòng nhân sự phối hợp với viện đào tạo kỹ thuật.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo sớm: Lắp đặt cảm biến và hệ thống cảnh báo tự động khi phát hiện các dấu hiệu bất thường về áp suất, nhiệt độ và mức nước, nhằm giảm thiểu rủi ro, hoàn thành trong 9 tháng, do phòng tự động hóa và bảo trì thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt kiến thức về hệ thống bình gia nhiệt và kỹ thuật điều khiển hiện đại để nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn thiết bị.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng: Tham khảo mô hình điều khiển PID và ứng dụng phần mềm CASCAD trong thiết kế hệ thống điều khiển phức tạp.

  3. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật nhiệt và tự động hóa: Học tập các khái niệm lý thuyết và thực tiễn về cân bằng nhiệt, truyền nhiệt, thủy lực và điều khiển tự động trong nhà máy nhiệt điện.

  4. Quản lý kỹ thuật và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn nhà máy nhiệt điện, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và vận hành hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điều khiển PID có ưu điểm gì trong vận hành bình gia nhiệt?
    Điều khiển PID giúp duy trì mức nước và áp suất ổn định với độ chính xác cao, giảm thiểu dao động và thời gian phản hồi, từ đó nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành.

  2. Phần mềm CASCAD được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    CASCAD được dùng để mô phỏng hệ thống điều khiển, tối ưu hóa tham số PID và đánh giá hiệu quả vận hành trong các điều kiện thực tế khác nhau.

  3. Hiện tượng thủy kích ảnh hưởng ra sao đến bình gia nhiệt?
    Thủy kích gây rung động mạnh, có thể làm hư hỏng thành bình và các thiết bị liên quan, giảm tuổi thọ và an toàn vận hành.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu thủy kích trong bình gia nhiệt?
    Điều chỉnh lưu lượng hơi và nước cấp chính xác, sử dụng điều khiển PID thích nghi và giám sát liên tục giúp giảm thiểu thủy kích hiệu quả.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các nhà máy nhiệt điện khác không?
    Có, mô hình và giải pháp điều khiển được thiết kế linh hoạt, có thể điều chỉnh phù hợp với các nhà máy nhiệt điện than có cấu trúc bình gia nhiệt tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và mô phỏng thành công hệ thống điều khiển PID cho các bình gia nhiệt nước cấp trong nhà máy nhiệt điện than, nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành.
  • Ứng dụng phần mềm CASCAD giúp tối ưu hóa tham số điều khiển, giảm thiểu hiện tượng thủy kích và dao động áp suất.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy mức nước và áp suất trong bình gia nhiệt được duy trì ổn định với sai số dưới 2% và áp suất hơi ổn định trong khoảng 130-240 bar.
  • Giải pháp góp phần tăng hiệu suất nhiệt chu trình khoảng 1.5%, giảm tổn thất nhiên liệu và phát thải khí nhà kính.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế hệ thống điều khiển, đào tạo nhân viên và xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo tự động.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy nhiệt điện của bạn bằng cách áp dụng các giải pháp điều khiển hiện đại được nghiên cứu trong luận văn này!