Tổng quan nghiên cứu

Ngành năng lượng điện tại Việt Nam đang trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020. Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) năm 2015, tỷ trọng nhiệt điện than chiếm 33,74% trong tổng cơ cấu nguồn điện, dự kiến tăng lên 44,7% vào năm 2020. Điều này cho thấy sự mở rộng và xây dựng thêm các nhà máy nhiệt điện than là rất cần thiết. Nhà máy nhiệt điện than đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng ổn định, với các tổ máy công suất phổ biến từ 300 MW đến 1000 MW, áp dụng công nghệ đốt than phun và tầng sôi tuần hoàn.

Một trong những thiết bị quan trọng trong nhà máy nhiệt điện là bình ngưng, có nhiệm vụ ngưng tụ hơi thoát từ tuabin hạ áp thành nước ngưng, tạo chân không để nâng cao hiệu suất tuabin. Việc duy trì độ chân không ổn định trong bình ngưng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất điện và an toàn vận hành. Tuy nhiên, các yếu tố như biến động nhiệt độ nước làm mát, sự thay đổi mực nước sông, và sự xâm nhập không khí vào hệ thống chân không gây khó khăn trong việc điều khiển và duy trì chế độ chân không tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chân không bình ngưng và thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhằm duy trì áp suất và mức nước bình ngưng trong điều kiện vận hành thực tế của nhà máy nhiệt điện than. Nghiên cứu tập trung vào các nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng tuabin ngưng hơi với bình ngưng kiểu ống có nước làm lạnh bên trong, trong phạm vi thời gian từ năm 2015 đến 2018 tại các nhà máy như Phả Lại 1, Ninh Bình, Uông Bí.

Việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển chân không bình ngưng tối ưu không chỉ nâng cao hiệu suất phát điện mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và tăng độ bền thiết bị, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và an toàn cho nhà máy nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết nhiệt động lực học chu trình Rankine: Giải thích quá trình giãn nở hơi trong tuabin và vai trò của bình ngưng trong việc tạo chân không để nâng cao hiệu suất chu trình nhiệt.

  • Mô hình truyền nhiệt trong bình ngưng: Phân tích quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi bão hòa và nước làm lạnh qua các ống truyền nhiệt, bao gồm các khái niệm về suất phụ tải nhiệt, suất phụ tải hơi, bội số làm lạnh, số chặng đường nước và độ hâm nước.

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng các phương pháp điều khiển truyền thống và tối ưu bền vững để thiết kế bộ điều chỉnh áp suất và mức nước bình ngưng, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trong điều kiện biến động môi trường và phụ tải.

Các khái niệm chuyên ngành chính bao gồm: áp suất hơi thoát (P2), áp suất bình ngưng (P), độ chân không bình ngưng, suất phụ tải nhiệt (qk), suất phụ tải hơi (dk), bội số làm lạnh (m), và độ kín hệ thống chân không.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam, đặc biệt là nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1, với số liệu vận hành thực tế về nhiệt độ nước sông, áp suất hơi thoát, mức nước bình ngưng và các thông số kỹ thuật thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích số liệu thực nghiệm: Thu thập và xử lý số liệu vận hành bình ngưng, áp suất chân không, nhiệt độ nước làm lạnh, và lưu lượng nước tuần hoàn.

  • Mô hình hóa toán học: Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống điều khiển áp suất chân không và mức nước bình ngưng dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt và động lực học dòng chảy.

  • Thiết kế bộ điều khiển: Sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa đối tượng điều khiển và tính toán tham số bộ điều chỉnh theo phương pháp truyền thống và phương pháp tối ưu bền vững.

  • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2018, với các bước thu thập số liệu, mô hình hóa, thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm dữ liệu vận hành của ít nhất 2 tổ máy nhiệt điện than có công suất từ 300 MW đến 500 MW, được chọn mẫu ngẫu nhiên từ các nhà máy có điều kiện vận hành tương tự nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng kết quả.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp phân tích thống kê mô tả, mô phỏng hệ thống điều khiển và đánh giá hiệu quả qua các chỉ số áp suất chân không, mức nước bình ngưng và hiệu suất nhiệt của tổ máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm lạnh đến áp suất chân không bình ngưng: Số liệu tại nhà máy Phả Lại 1 cho thấy nhiệt độ nước sông thay đổi từ 15°C vào mùa đông đến 32°C vào mùa hè, làm suất phụ tải nhiệt bình ngưng dao động trong khoảng 50-90 W/m². Áp suất bình ngưng tăng lên khi nhiệt độ nước làm lạnh tăng, làm giảm độ chân không và hiệu suất tuabin.

  2. Tác động của mức nước sông và lưu lượng nước tuần hoàn: Mực nước sông thay đổi từ 0,6 m đến 6,5 m theo mùa, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước làm lạnh và điều chỉnh lưu lượng bơm tuần hoàn. Việc điều chỉnh góc quay cánh bơm giúp duy trì lưu lượng nước làm lạnh ổn định, đảm bảo suất phụ tải hơi bình ngưng trong khoảng 0,1-0,3 kg/(m².s).

  3. Ảnh hưởng của không khí lọt vào hệ thống chân không: Lượng không khí lọt vào bình ngưng qua các khe hở và rò rỉ làm giảm độ kín hệ thống, tăng áp suất hỗn hợp hơi-không khí trong bình ngưng lên khoảng 5-10% so với áp suất hơi bão hòa, gây giảm hiệu suất sản xuất điện.

  4. Hiệu quả của bộ điều khiển áp suất chân không thiết kế bằng phần mềm CASCAD: Việc áp dụng phương pháp tối ưu bền vững trong thiết kế bộ điều chỉnh giúp giảm sai số áp suất bình ngưng xuống dưới 2%, tăng độ ổn định hệ thống và giảm thời gian đáp ứng điều khiển từ 15 giây xuống còn khoảng 8 giây so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động áp suất chân không bình ngưng là do điều kiện môi trường thay đổi theo mùa, đặc biệt là nhiệt độ và mực nước sông. Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và lưu lượng nước làm lạnh, từ đó làm thay đổi áp suất và mức nước trong bình ngưng. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu tương tự trong khu vực, khẳng định tầm quan trọng của việc điều khiển tự động để duy trì chế độ vận hành ổn định.

Việc không khí lọt vào hệ thống chân không làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và tăng áp suất bình ngưng, do đó cần thiết phải có hệ thống hút chân không hiệu quả và đảm bảo độ kín của hệ thống. Các biểu đồ áp suất chân không và mức nước bình ngưng có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian để minh họa sự ổn định và hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế.

So với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững trong thiết kế bộ điều khiển là bước tiến mới, giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong nhà máy nhiệt điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển tự động áp suất và mức nước bình ngưng: Áp dụng bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tối ưu bền vững sử dụng phần mềm CASCAD nhằm duy trì áp suất chân không ổn định trong phạm vi ±2% so với giá trị thiết kế. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành nhà máy nhiệt điện.

  2. Nâng cao độ kín hệ thống chân không: Kiểm tra, bảo dưỡng và cải tiến các mối nối, van và thiết bị hút chân không để giảm lượng không khí lọt vào bình ngưng xuống dưới 5% tổng lượng hơi thoát. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Đội bảo trì và kỹ thuật.

  3. Tối ưu hóa vận hành bơm tuần hoàn nước làm lạnh: Điều chỉnh góc quay cánh bơm và phân chia các chế độ vận hành phù hợp với biến động mực nước sông nhằm duy trì lưu lượng nước làm lạnh ổn định, đảm bảo suất phụ tải nhiệt bình ngưng trong khoảng 50-90 W/m². Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Phòng vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý hoạt động bình ngưng, hệ thống chân không và kỹ thuật điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến bình ngưng, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điều khiển tự động: Tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không sử dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững, áp dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp tương tự.

  3. Nhà quản lý kỹ thuật và bảo trì: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ kín hệ thống chân không và các biện pháp bảo dưỡng, nâng cấp thiết bị nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành nhà máy.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật nhiệt và tự động hóa: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu về kỹ thuật nhiệt, truyền nhiệt, điều khiển tự động và ứng dụng trong ngành năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải duy trì độ chân không trong bình ngưng?
    Độ chân không trong bình ngưng giúp giảm áp suất hơi thoát khỏi tuabin, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Ví dụ, áp suất thấp hơn làm giảm nhiệt độ ngưng tụ, giúp tuabin hoạt động hiệu quả hơn.

  2. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến áp suất chân không bình ngưng?
    Nhiệt độ nước làm lạnh và lượng không khí lọt vào hệ thống chân không là hai yếu tố chính. Nước làm lạnh có nhiệt độ cao làm giảm khả năng ngưng tụ, còn không khí lọt vào làm tăng áp suất hỗn hợp hơi-không khí.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không?
    Phương pháp truyền thống kết hợp với phương pháp tối ưu bền vững được áp dụng, sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa và tính toán tham số bộ điều chỉnh nhằm đạt hiệu quả điều khiển cao nhất.

  4. Làm thế nào để giảm lượng không khí lọt vào bình ngưng?
    Bảo dưỡng định kỳ các mối nối, van, và sử dụng hệ thống hút chân không hiệu quả giúp giảm rò rỉ không khí. Ngoài ra, thiết kế hệ thống kín và kiểm tra thường xuyên cũng rất quan trọng.

  5. Tại sao phải điều chỉnh lưu lượng bơm tuần hoàn nước làm lạnh?
    Lưu lượng nước làm lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến suất phụ tải nhiệt và áp suất chân không bình ngưng. Điều chỉnh lưu lượng giúp duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định, đảm bảo hiệu suất và an toàn vận hành.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ chân không bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện than, đặc biệt là nhiệt độ nước làm lạnh, mực nước sông và lượng không khí lọt vào hệ thống.

  • Việc thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không sử dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững giúp nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm sai số và thời gian đáp ứng.

  • Ứng dụng hệ thống điều khiển tự động và cải tiến độ kín hệ thống chân không góp phần tăng hiệu suất phát điện và đảm bảo an toàn vận hành.

  • Đề xuất các giải pháp thực tiễn bao gồm triển khai hệ thống điều khiển, bảo dưỡng thiết bị, tối ưu vận hành bơm tuần hoàn và đào tạo nhân viên.

  • Các bước tiếp theo là triển khai thử nghiệm hệ thống điều khiển tại nhà máy, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng ứng dụng cho các nhà máy nhiệt điện khác.

Khuyến nghị: Các nhà máy nhiệt điện và đơn vị quản lý kỹ thuật nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất điện và đảm bảo an toàn vận hành trong bối cảnh phát triển ngành năng lượng Việt Nam.