Giới thiệu dự án

Hệ thống năng lượng quốc gia đóng vai trò xương sống trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Tại Việt Nam, nhiệt điện than chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu nguồn điện phụ tải nền (chiếm từ 40% đến 50% tổng sản lượng điện quốc gia trong giai đoạn cao điểm). Dự án Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng với tổng công suất thiết kế 1.200 MW (gồm 4 tổ máy $4 \times 300\text{ MW}$, chia làm 2 giai đoạn: Hải Phòng 1 và Hải Phòng 2) là một trong những trung tâm năng lượng trọng điểm cung cấp điện cho vùng kinh tế duyên hải Bắc Bộ.

Trong chu trình nhiệt điện khép kín (Lò hơi – Tua bin – Máy phát), máy phát điện đồng bộ 3 pha công suất 300 MW/353 MVA đóng vai trò chuyển đổi toàn bộ cơ năng từ trục tua bin thành điện năng thương dụng. Quá trình vận hành một tổ máy phát điện siêu trường, siêu trọng ở tốc độ định mức $3.000\text{ vòng/phút}$ luôn đối mặt với các rủi ro kỹ thuật nghiêm trọng:

  • Quá nhiệt cục bộ cuộn dây và lõi thép stator do tổn hao đồng ($I^2R$) và tổn hao từ thông rò trục.
  • Nguy cơ bốc cháy, nổ hỗn hợp khí Hydro - Không khí nếu hệ thống dầu chèn trục và kiểm soát độ tinh khiết khí $H_2$ gặp sự cố.
  • Rung động cơ khí cưỡng bức trên hệ thống gối đỡ và ổ bạc khi xuất hiện lệch tâm hoặc mất cân bằng động.

Nghiên cứu quy trình vận hành và hệ thống bảo vệ liên động của tổ máy phát điện 300 MW tại Công ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp các bài toán an toàn vận hành, chuẩn hóa thao tác và tối ưu hóa hiệu suất phát điện.

Mục tiêu dự án

  1. Hệ thống hóa toàn diện chu trình nhiệt động học: Phân tích dòng năng lượng từ khâu nạp nhiên liệu than cám (tiêu chuẩn thiết kế $448\text{ g/kWh}$) qua các cấp tua bin đến máy phát điện.
  2. Giải mã kiến trúc cơ - điện của máy phát điện Fuji 300 MW: Đi sâu vào công nghệ cách điện toàn phần tẩm chân không GVPI (Global Vacuum Pressure Impregnation) cấp F và cơ chế tản nhiệt cưỡng bức bằng khí $H_2$ áp suất $3{,}0\text{ barG}$.
  3. Xây dựng quy trình vận hành chuẩn (SOP): Thiết lập quy trình khởi động, hòa đồng bộ, giám sát thời gian thực và xử lý sự cố ngừng máy khẩn cấp (Trip).
  4. Chuẩn hóa hệ số an toàn thiết bị phụ trợ: Xác lập bộ thông số vận hành chuẩn cho hệ thống dầu chèn trục, hệ thống giám sát lõi GCM-X và hệ thống đo lường độ rung theo 2 trục X-Y.

Phương pháp tiếp cận và Phạm vi

  • Phương pháp tiếp cận: Kết hợp lý thuyết máy điện đồng bộ công suất lớn với dữ liệu vận hành thực tế tại phòng điều khiển trung tâm (DCS), hồ sơ kỹ thuật EPC của nhà thầu Fuji Electric và quy chuẩn kỹ thuật an toàn điện lực Việt Nam.
  • Phạm vi áp dụng: Áp dụng trực tiếp cho 4 tổ máy phát điện đồng bộ $300\text{ MW}$ làm mát bằng khí $H_2$ kết hợp dầu chèn trục tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi áp dụng công nghệ máy phát điện làm mát bằng khí Hydro áp suất cao kết hợp bọc cách điện GVPI, các nhà máy nhiệt điện thế hệ cũ thường sử dụng công nghệ làm mát bằng không khí hở hoặc Hydro áp suất thấp với lớp cách điện mica truyền thống.

Tiêu chí kỹ thuật Làm mát bằng Không khí (Cũ) Làm mát bằng Hydro thường ($1{,}5\text{ barG}$) Làm mát bằng $H_2$ áp suất cao ($3{,}0\text{ barG}$) + GVPI
Hệ số truyền nhiệt ($W/m^2\cdot K$) Thấp (1.0x baseline) Trung bình (~2.5x so với không khí) Cực cao (~3.8x - 4.2x so với không khí)
Tổn thất ma sát gió (Windage loss) $100%$ (Cao) Giảm $\sim 85%$ Giảm $\sim 90%$ nhờ khối lượng riêng $H_2$ nhỏ
Cấp cách điện Stator Cấp B ($130^\circ\text{C}$) / Cấp F ($155^\circ\text{C}$) Cấp F quét keo thủ công Cấp F với công nghệ thẩm thấu chân không GVPI
Độ bền điện môi & Chống phóng điện vầng Trung bình, dễ bị ẩm mốc xâm nhập Tốt, yêu cầu bảo trì định kỳ Rất cao, loại bỏ hoàn toàn bọt khí trong rãnh stator
Độ tin cậy vận hành (Availability) $92{,}0% - 94{,}5%$ $95{,}0% - 96{,}5%$ $\mathbf{\ge 98{,}8%}$

Yêu cầu người dùng và Phân loại theo MoSCoW

  • Must-have: Duy trì áp lực $H_2$ trong thân máy phát ở mức định mức $3{,}0\text{ barG}$; chênh áp dầu chèn/khí $H_2$ đạt $\Delta P \ge 1{,}2\text{ barG}$; độ sạch $H_2 \ge 97%$; bảo vệ ngắt khẩn cấp khi độ rung trục $\ge 250\ \mu\text{m}$.
  • Should-have: Khả năng thay chổi than kích từ online trực tiếp khi tổ máy đang mang tải đầy ở tốc độ $3.000\text{ vòng/phút}$; hệ thống sấy vành góp tự động khi ngừng máy để chống đọng sương.
  • Could-have: Tích hợp bộ giám sát phóng điện cục bộ và ion hóa lõi stator GCM-X xuất tín hiệu chuẩn $4 - 20\text{ mA}$ về hệ thống DCS.
  • Won't-have (giai đoạn này): Tự động hóa toàn phần quá trình chuyển đổi xả khí $H_2 \to CO_2 \to \text{Không khí}$ không cần can thiệp van cơ khí cục bộ.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc máy phát điện và các hệ thống phụ trợ bao gồm 4 phân hệ chính liên kết chặt chẽ:

Chi tiết thông số công nghệ (Technology Specifications)

  • Máy phát chính: Đồng bộ 3 pha công suất định mức $300\text{ MW}$, điện áp đầu cực $20\text{ kV}$, làm mát stator và rotor bằng khí $H_2$ áp lực cao $3{,}0\text{ barG}$, chế tạo bởi Fuji Electric.
  • Cuộn dây Stator: Cấp cách điện F, sử dụng công nghệ GVPI (thẩm thấu cách điện mica-epoxy trong môi trường chân không sâu), cấu trúc chuyển vị Roebel nhằm triệt tiêu dòng xoáy mặt ngoài.
  • Hệ thống cảm biến đo lường (Okazaki - Nhật Bản):
    • Nhiệt độ cuộn dây stator: 6 phần tử nhiệt điện trở $Pt100$/pha (dải đo $0 - 200^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt độ lõi và rãnh stator: 12 cặp nhiệt điện Type K (dải đo $0 - 200^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt độ bạc lót gối trục: 6 cặp nhiệt điện Type K lắp trực tiếp trong lớp kim loại trắng.
    • Cảm biến độ rung: 6 cảm biến kiểu từ tính $FL\text{-}202$ (dải đo $0 - 400\ \mu\text{m}$) bố trí vuông góc theo 2 trục X - Y tại mỗi gối trục.

Implementation và kết quả

Quy trình triển khai và Thuật toán điều khiển

Hệ thống điều khiển phân tán DCS quản lý các liên động bảo vệ nghiêm ngặt đối với hệ thống dầu chèn và hệ thống giám sát nhiệt. Dưới đây là cấu trúc logic bảo vệ tự động của máy phát điện được lập trình trên hệ thống điều khiển:

// Thuật toán kiểm soát an toàn hệ thống Dầu chèn - Khí Hydro và Bảo vệ Trip Máy phát
PROGRAM Generator_Protection_Interlock;
VAR
    P_H2_Generator   : REAL; (* Ap suat khi H2 trong than MF, dinh muc 3.0 barG *)
    P_Seal_Oil       : REAL; (* Ap suat dau chen truc, dinh muc 6.2 barG *)
    Delta_P_Oil_H2   : REAL; (* Do chenh ap dau chen va H2, dinh muc 1.2 barG *)
    T_Stator_Winding : REAL; (* Nhiet do cuon day Stator tu Pt100, max 90-110 C *)
    Vib_Bearing_XY   : REAL; (* Do rung truc tu FL-202, dinh muc < 125 um *)
    H2_Purity        : REAL; (* Do sach H2, dinh muc >= 97% *)
    Emergency_DC_Pump: BOOL; (* Lenh khoi dong bom dau chen su co DC *)
    Generator_Trip   : BOOL; (* Lenh ngat may phat khoi luoi *)
END_VAR

BEGIN
    // 1. Tinh toan chech lech ap suat thoi gian thuc
    Delta_P_Oil_H2 := P_Seal_Oil - P_H2_Generator;

    // 2. Kiem tra lien dong bom dau chen khan cap (DC)
    IF (P_Seal_Oil <= 7.2) OR (Delta_P_Oil_H2 <= 0.8) THEN
        Emergency_DC_Pump := TRUE;
        Trigger_Alarm('CANH BAO: Khoi dong bom dau chen su co DC do tut ap!');
    ELSE
        Emergency_DC_Pump := FALSE;
    END_IF;

    // 3. Logic bao ve Trip cat may phat dien
    IF (T_Stator_Winding >= 120.0) THEN
        Generator_Trip := TRUE;
        Trip_Action('TRIP: Qua nhiet cuon day Stator tren 120 do C!');
    ELSIF (Vib_Bearing_XY >= 250.0) THEN
        Generator_Trip := TRUE;
        Trip_Action('TRIP: Do rung gối truc vuot nguong 250 micromet!');
    ELSIF (H2_Purity < 90.0) THEN
        Generator_Trip := TRUE;
        Trip_Action('TRIP: Do sach Hydro thap duoi 90% - Nguy co chay no!');
    ELSE
        Generator_Trip := FALSE;
    END_IF;
END_PROGRAM;

Quy trình điền nước và xả khí bộ làm mát Hydro

Để đảm bảo hiệu quả làm mát của 4 bộ trao đổi nhiệt $H_2$ đặt dọc thân Stator (lưu lượng nước làm mát tuần hoàn $420\text{ m}^3/\text{h}$), quy trình thao tác van cơ khí chuẩn được thực hiện theo bảng sau:

[Bắt đầu] 
[Đóng toàn bộ van cấp/hồi và xả khí/xả đọng]
[Mở hoàn toàn các van xả khí PGB22-501..504]
[Quan sát miệng xả khí: Đến khi nước chảy liên tục không còn bọt khí]
[Đóng chặt các van xả khí PGB22-501..504]

Dữ liệu kiểm nghiệm và Kết quả đo đạc thực tế

Tất cả các thông số vận hành đã được kiểm chuẩn qua các chế độ kiểm thử nghiêm ngặt tại công trường:

  • Kiểm tra chịu áp lực thủy lực khung Stator: Thử nghiệm tại áp suất $8{,}0\text{ bar}$ duy trì trong 30 phút, không phát hiện rò rỉ hay biến dạng dư.
  • Kiểm tra vượt tốc Rotor: Thử nghiệm tại $120%$ tốc độ định mức ($3.600\text{ vòng/phút}$) trong 2 phút; độ đảo trục nằm trong giới hạn sai số cho phép $\le 0{,}02\text{ mm}$.
Hạng mục kiểm chuẩn Giá trị vận hành bình thường Ngưỡng báo động (Alarm) Ngưỡng tác động ngắt (Trip) Kết quả thực tế đạt được
Nhiệt độ cuộn dây Stator $85^\circ\text{C} - 95^\circ\text{C}$ $\ge 110^\circ\text{C}$ $120^\circ\text{C}$ $88{,}5^\circ\text{C}$ (An toàn)
Nhiệt độ kim loại gối trục 1, 2 $80^\circ\text{C} - 90^\circ\text{C}$ $\ge 105^\circ\text{C}$ $120^\circ\text{C}$ $86{,}2^\circ\text{C}$ (Tối ưu)
Nhiệt độ kim loại gối trục 3 $70^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}$ $\ge 90^\circ\text{C}$ $120^\circ\text{C}$ $78{,}0^\circ\text{C}$ (Tối ưu)
Độ rung trục tại $3.000\text{ rpm}$ $35 - 65\ \mu\text{m}$ $\ge 125\ \mu\text{m}$ $\ge 250\ \mu\text{m}$ $48\ \mu\text{m}$ (Rất êm)
Độ tinh khiết khí $H_2$ $97{,}5% - 99{,}0%$ $\le 90{,}0%$ $< 88{,}0%$ $98{,}2%$ (Đạt chuẩn)
Chênh áp Dầu chèn - Khí $H_2$ $1{,}15 - 1{,}25\text{ barG}$ $\le 0{,}8\text{ barG}$ $\le 0{,}5\text{ barG}$ $1{,}21\text{ barG}$ (Ổn định)

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng công nghệ cách điện toàn phần GVPI đầu tiên tại Việt Nam: Việc áp dụng công nghệ hút chân không bão hòa nhựa Epoxy chất lượng cao giúp triệt tiêu hoàn toàn các khe hở vi mô trong rãnh lõi stator. Cải tiến này giúp nâng khả năng chịu quá điện áp đột biến lên $150%$ và kéo dài tuổi thọ cách điện stator từ 20 năm lên trên 35 năm.
  2. Cơ chế thay thế chổi than Online không gián đoạn vận hành: Giá đỡ chổi than dạng hộp trượt lò xo cho phép công nhân vận hành rút và thay thế chổi than mòn ngay khi máy phát đang quay $3.000\text{ vòng/phút}$ và phát công suất $300\text{ MW}$, giúp giảm thời gian dừng máy bảo dưỡng định kỳ tới $72\text{ giờ/năm/tổ máy}$.
  3. Cải tiến dẫn hướng khí làm mát và khử dòng rò trục: Thiết kế cánh dẫn hướng khí đầu vào (IGV) bằng hợp kim nhôm chịu lực phủ lớp chống ăn mòn Alumite kết hợp đĩa cách điện Teflon đã triệt tiêu dòng điện xoáy cảm ứng sinh ra do từ thông tản đầu cuộn dây stator.
  4. Hệ thống giám sát ion hóa hạt siêu nhỏ GCM-X: Ứng dụng nguyên lý phòng điện ion hóa đo lường các hạt phân hủy nhiệt từ lớp cách điện giúp phát hiện điểm phát nhiệt cục bộ (Hotspot) trước khi xảy ra sự cố chạm chập cuộn dây từ 4 đến 8 tuần.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng

  • Chế độ phát đáy nền liên tục (Base-load): Tổ máy hoạt động liên tục ở dải công suất $250 - 300\text{ MW}$, cấp điện ổn định cho trạm biến áp phân phối $220\text{ kV}$ và $500\text{ kV}$.
  • Quy trình xả khí an toàn khi đại tu tổ máy: Thực hiện chu trình xả đuổi 2 giai đoạn: $$\text{Khí } H_2 \xrightarrow{\text{Nạp đẩy bằng } CO_2 \text{ lỏng hóa hơi}} CO_2 \xrightarrow{\text{Nạp đẩy bằng khí nén}} \text{Không khí sạch}$$ Quy trình này loại bỏ hoàn toàn khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa $H_2$ và oxy không khí, đảm bảo an toàn tuyệt đối chống cháy nổ.

Đánh giá hiệu quả kinh tế và ROI

  • Giảm tổn thất điện năng: Nhờ tổn thất ma sát gió của khí Hydro thấp hơn $90%$ so với không khí, mỗi tổ máy $300\text{ MW}$ tiết kiệm được khoảng $2{,}4\text{ MW}$ công suất tự dùng, tương đương tiết kiệm hơn $18\text{ tỷ VNĐ/năm/tổ máy}$.
  • Ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng: Hệ thống bảo vệ tự động ngăn ngừa rủi ro cháy nổ và chạm chập stator, loại bỏ nguy cơ thiệt hại sửa chữa lớn ước tính lên tới hơn $100\text{ tỷ VNĐ}$ cho mỗi sự cố đại tu đột xuất.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Sự mài mòn cơ học của chổi than: Vành trượt và chổi than cổ góp vẫn tạo ra bụi than mịn trong hộp gom, đòi hỏi phải vệ sinh phin lọc khí định kỳ và giám sát hiện tượng đánh lửa tia điện.
  • Tiếng gõ giãn nở nhiệt: Sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa nắp nhôm cuối cuộn dây stator và khung thép máy phát đôi khi phát sinh âm thanh va đập nhẹ khi tổ máy thay đổi tải đột ngột.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Chuyển đổi sang hệ thống kích từ không chổi than (Brushless Excitation): Loại bỏ hoàn toàn vành trượt, chổi than và bộ chỉnh lưu cơ khí tiếp xúc, tăng mức độ tự động hóa lên $100%$.
  • Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong bảo trì dự đoán (PdM): Phân tích phổ rung động trục thời gian thực (FFT) bằng mạng nơ-ron học sâu để phát hiện sớm các hư hỏng cơ học như nứt trục, lệch tâm gối trục trước khi biên độ rung vượt mức $125\ \mu\text{m}$.
  • Tối ưu hóa chu trình nhiệt độ thông minh: Điều khiển lưu lượng nước làm mát tuần hoàn bằng van biến tần số để duy trì nhiệt độ khí $H_2$ luôn ở mức tối ưu $45^\circ\text{C} - 48^\circ\text{C}$ theo nhiệt độ môi trường.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Điện lực/Tự động hóa: Tài liệu học tập chuyên sâu, cung cấp dữ liệu thực nghiệm thực tế từ nhà máy nhiệt điện $1.200\text{ MW}$, thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết máy điện và thực tiễn công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành Nhà máy điện: Cẩm nang tra cứu nhanh các thông số vận hành tới hạn, quy trình thao tác van làm mát và thuật toán xử lý sự cố hệ thống dầu chèn trục.
  • Doanh nghiệp quản lý nhà máy nhiệt điện: Khung tiêu chuẩn để xây dựng tài liệu đào tạo nội bộ, tối ưu hóa chi phí bảo dưỡng ($O&M$), giảm tỷ lệ dừng máy sự cố (Forced Outage Rate).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy phát điện 300 MW phải làm mát bằng khí Hydro mà không dùng không khí thông thường?

Khí Hydro có khối lượng riêng chỉ bằng khoảng $7%$ và hệ số truyền dẫn nhiệt cao gấp $7$ lần so với không khí. Sử dụng Hydro ở áp suất $3{,}0\text{ barG}$ giúp tăng khả năng hấp thụ nhiệt lên gấp nhiều lần, giảm kích thước tổng thể của máy phát và giảm tổn thất ma sát gió của rotor tới $90%$, từ đó tăng đáng kể hiệu suất của tổ máy phát.

2. Sự cố tụt chênh áp giữa Dầu chèn và khí Hydro ($\Delta P \le 0{,}8\text{ barG}$) nguy hiểm như thế nào?

Nếu $\Delta P$ tụt xuống dưới $0{,}8\text{ barG}$ (định mức là $1{,}2\text{ barG}$), áp suất khí $H_2$ ($3{,}0\text{ barG}$) bên trong stator sẽ thắng áp lực màng dầu chèn, đẩy khí Hydro rò rỉ ra ngoài khoang gối đỡ và thoát ra môi trường không khí bên ngoài, tạo thành hỗn hợp khí cực kỳ nguy hiểm có nguy cơ bắt lửa và phát nổ khi tiếp xúc với nguồn nhiệt.

3. Công nghệ tẩm chân không toàn phần GVPI có ưu điểm gì vượt trội so với cách điện truyền thống?

GVPI (Global Vacuum Pressure Impregnation) đưa toàn bộ stator đã quấn dây vào buồng chân không cực sâu để rút hết không khí và hơi ẩm, sau đó bơm nhựa Epoxy cách điện thẩm thấu sâu vào từng lớp băng Mica. Quá trình này giúp triệt tiêu $100%$ túi khí vi mô, loại bỏ hiện tượng phóng điện cục bộ (Partial Discharge) và ngăn chặn sự lão hóa nhiệt của lớp cách điện.

4. Vì sao phải sử dụng khí $CO_2$ làm môi chất trung gian khi nạp hoặc xả khí Hydro?

Khí Hydro phản ứng gây nổ với Oxy trong không khí ở dải nồng độ rộng ($4% - 75%$). Khí $CO_2$ là khí trơ, không cháy. Việc nạp $CO_2$ làm chất đệm trung gian ($H_2 \leftrightarrow CO_2 \leftrightarrow \text{Không khí}$) đảm bảo $H_2$ và Oxy không bao giờ tiếp xúc trực tiếp với nhau, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ.

5. Bộ giám sát lõi máy phát GCM-X hoạt động dựa trên nguyên lý nào?

GCM-X hoạt động dựa trên nguyên lý ion hóa dòng khí $H_2$. Khi cuộn dây hoặc lõi stator bị quá nhiệt cục bộ, các lớp sơn phủ và vật liệu cách điện sẽ bị phân hủy nhiệt tạo ra các vi hạt hạt có kích thước nanomet ($0{,}001 - 0{,}1\ \mu\text{m}$). Các vi hạt này khi đi qua buồng ion hóa của GCM-X sẽ làm giảm dòng điện tích ion hóa, phát tín hiệu cảnh báo sớm sự cố trước khi khói hoặc lửa bùng phát.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tìm hiểu quy trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện, đi sâu nghiên cứu quy trình vận hành Máy Phát Điện Công ty cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng" đã giải quyết một cách khoa học, chuẩn xác và toàn diện các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của tổ máy phát điện 300 MW.

Bằng việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ sở lý thuyết máy điện đồng bộ, công nghệ cách điện tiên tiến GVPI, hệ thống làm mát bằng khí Hydro áp suất cao $3{,}0\text{ barG}$ cùng với các thuật toán bảo vệ liên động hiện đại trên nền tảng DCS, nghiên cứu không chỉ đóng góp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho đội ngũ kỹ sư vận hành tại Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng mà còn là tài liệu tham khảo mẫu mực cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện - Tự động hóa công nghiệp trên cả nước.