Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng quốc gia, các nhà máy nhiệt điện đốt than đóng góp trên 35% tổng sản lượng điện thương phẩm, đòi hỏi mức độ ổn định và tính liên tục vận hành đạt từ 98% đến 99%. Nhà máy Nhiệt điện Na Dương tại tỉnh Lạng Sơn sở hữu tổng công suất 110 MW với 2 tổ máy 55 MW, sử dụng nguồn than địa phương có đặc tính nhiệt trị thấp, hàm lượng lưu huỳnh và độ ẩm cao. Thực tế vận hành cho thấy các quá trình công nghệ nhiệt trong lò hơi luôn xuất hiện thời gian trễ vận chuyển lớn từ 15 đến 30 giây, kết hợp quán tính nhiệt cao khiến việc điều khiển thủ công hoặc dùng các bộ điều chỉnh đơn lẻ dễ gây dao động áp suất buồng đốt, làm tổn hao từ 3% đến 5% hiệu suất nhiệt. Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế, cấu hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển phân tán DCS trên nền tảng công nghệ Centum CS 3000 của hãng Yokogawa, tập trung tối ưu hóa các vòng điều khiển then chốt của nhà máy như hệ thống khói gió, chu trình cấp nhiên liệu và cân bằng nhiệt độ hơi quá nhiệt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ dây chuyền công nghệ nhiệt điện tại Nhà máy Nhiệt điện Na Dương với cơ sở dữ liệu thực nghiệm được xử lý trong giai đoạn năm 2016 đến năm 2017. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn to lớn: nâng cao độ tin cậy kiểm soát thông số lò hơi lên trên 95%, giảm sai số điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt xuống dưới mức 1.5%, đồng thời tiết giảm lượng điện tự dùng cho hệ thống quạt gió và máy nghiền từ 8% đến 12%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết cốt lõi bao gồm Lý thuyết điều khiển quá trình công nghiệp đa biến và Lý thuyết tự động hóa hệ thống điều khiển phân tán. Mô hình nghiên cứu xây dựng dựa trên cấu trúc phân cấp chuẩn hóa 3 tầng của kiến trúc DCS công nghiệp: Cấp đo lường - chấp hành tại hiện trường, Cấp điều khiển quá trình cục bộ thông qua các trạm xử lý trường FCS và Cấp giám sát - chỉ huy dành cho người vận hành thông qua các trạm giao diện HIS kết nối qua mạng thời gian thực V net với độ trễ dưới 1 mili-giây.

Hệ thống khái niệm kỹ thuật trọng tâm bao gồm:

  • Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng: cấu trúc phối hợp triệt tiêu lập tức các nhiễu tác động từ phía phụ tải nhiệt trước khi làm sai lệch biến quá trình.
  • Điều khiển tầng: cấu trúc mạch vòng kép nối tiếp hoặc song song nhằm xử lý triệt để thời gian trễ và dung tích nhiệt của buồng đốt và bộ hâm nước.
  • Khối chức năng thuật toán Function Block: các khối chuẩn hóa như PID, INTEG, DELAY trong phần mềm Centum CS 3000 để mô hình hóa toàn bộ cơ cấu chấp hành và đường ống truyền dẫn.
  • Mô hình đối tượng quán tính bậc 1 có trễ đại diện cho các kênh truyền nhiệt và áp suất trong lò hơi đốt than.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ 10 bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị tua bin, máy phát điện, các quạt gió sơ cấp, quạt gió thứ cấp và quạt khói tại Nhà máy Nhiệt điện Na Dương. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 4 khối vòng lặp điều khiển trọng yếu cùng chuỗi dữ liệu phản hồi quá trình liên tục qua 4 giai đoạn thử nghiệm phụ tải biến thiên từ 50% đến 100% công suất định mức. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích kỹ thuật, tập trung trực tiếp vào các mắt xích công nghệ có mức độ phi tuyến cao nhất là hệ thống cung cấp hỗn hợp gió - than và kiểm soát áp suất âm buồng đốt.

Về phương pháp phân tích, nghiên cứu áp dụng phương pháp đáp ứng bậc thang kết hợp phương pháp dao động tới hạn theo chuẩn Ziegler - Nichols để nhận dạng mô hình động học và xác định chính xác bộ tham số Kp, Ti, Td của các bộ điều khiển PID. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là tính chuẩn xác cao, khả năng tương thích hoàn hảo với môi trường khối hàm của Yokogawa mà không đòi hỏi làm gián đoạn an toàn vận hành thực tế của lò hơi. Toàn bộ giải pháp được thiết lập, lập trình cấu hình thông qua các công cụ System View, Control Drawing và Graphics Builder trong năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc áp dụng giải pháp điều khiển phối hợp giữa độ mở cánh hướng và biến tần thay đổi tốc độ quạt gió cấp 1 cho phép mở rộng dải điều chỉnh lưu lượng gió từ 0% đến 100% một cách êm thuận, giúp giảm tiêu hao điện năng của động cơ quạt gió khoảng 15% so với phương pháp chỉnh tiết lưu thuần túy bằng cánh hướng.

Thứ hai, cấu hình khối điều khiển tỷ lệ than - gió theo thuật toán truyền thẳng duy trì tỷ lệ hỗn hợp cháy luôn bám sát dải hệ số không khí thừa tối ưu từ 1.15 đến 1.25, nâng cao hiệu suất cháy của lò hơi thêm 2.8% và giảm thiểu triệt để nồng độ khí cháy không kiệt thoát ra ống khói.

Thứ ba, vòng điều khiển nhiệt độ gió cấp 1 sử dụng cấu trúc điều khiển tầng đã triệt tiêu hiệu quả dao động nhiệt độ, khống chế độ vọt lố dưới mức 3% và rút ngắn thời gian đáp ứng xác lập trạng thái cân bằng khoảng 35% so với mạch điều khiển vòng đơn truyền thống.

Thứ tư, quá trình mô phỏng kiểm chứng áp suất buồng đốt qua 4 giai đoạn biến động phụ tải cho thấy độ dao động áp suất chân không luôn duy trì ổn định trong ngưỡng an toàn từ -50 Pa đến -30 Pa, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho kết cấu tường lò và ngăn ngừa khí nóng rò rỉ ra khu vực xung quanh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự ổn định vượt trội là khả năng xử lý song song và tính năng dự phòng phần cứng kép của trạm FCS trong hệ thống DCS Centum CS 3000, giúp thời gian quét chu kỳ điều khiển đạt mức 50 mili-giây đến 100 mili-giây. Khi so sánh với một nghiên cứu gần đây sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC đơn lẻ cho các lò hơi công suất 100 MW, kiến trúc DCS phân tán chứng minh tính vượt trội nhờ giảm thiểu 40% dây dẫn vật lý và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nghẽn mạng truyền thông.

Về mặt trực quan hóa dữ liệu, các biểu đồ xu hướng thời gian thực trên giao diện trạm HIS phản ánh rõ nét sự đáp ứng nhanh chóng của nhiệt độ hỗn hợp khí và lưu lượng nhiên liệu qua 4 giai đoạn thử nghiệm. Bảng thông số tín hiệu vòng điều chỉnh cho thấy thời gian quá độ của hệ thống chỉ kéo dài khoảng 45 giây trước khi đạt trạng thái xác lập, qua đó chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy cao của phương pháp chỉnh định tham số điều khiển đã lựa chọn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, triển khai tích hợp thuật toán điều khiển phối hợp quạt gió và cánh hướng vào hệ thống DCS thực tế của Nhà máy Nhiệt điện Na Dương nhằm đạt mục tiêu giảm 10% điện năng tự dùng cho khối lò hơi trong vòng 6 tháng tới, do Đội ngũ Kỹ sư Tự động hóa nhà máy trực tiếp phụ trách.

Thứ hai, nâng cấp và chuẩn hóa toàn bộ các khối thuật toán PID trong phần mềm System View sang dạng thuật toán thích nghi cho hơn 20 vòng lặp nhiệt độ và mức nước bao hơi, phấn đấu hoàn thành trong thời hạn 12 tháng dưới sự chủ trì của Phòng Kỹ thuật Công nghệ.

Thứ ba, lắp đặt bổ sung hệ thống cảm biến đo nồng độ oxy dư và nhiệt độ khói thải có độ chính xác cao tại các cửa trích khí để cung cấp tín hiệu phản hồi chuẩn xác cho vòng điều khiển tỷ lệ than - gió, hoàn thành trong kỳ đại tu 18 tháng với mục tiêu nâng hiệu suất nhiệt thêm 1.5% do Ban Quản lý Dự án điều hành.

Thứ tư, định kỳ 3 tháng một lần thực hiện công tác kiểm chuẩn và tối ưu hóa lại tham số bộ điều khiển PID theo phương pháp đáp ứng quá độ, nhằm bù trừ các sai lệch cơ khí sau thời gian dài thiết bị vận hành, do Phân xưởng Đo lường và Điều khiển số liệu chịu trách nhiệm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1: Kỹ sư vận hành và chuyên viên tự động hóa tại các nhà máy nhiệt điện đốt than. Nhóm này có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ khối Function Block, cấu hình giao diện vận hành HIS và phương pháp điều khiển khói gió vào việc nâng cao an toàn cho tổ máy công suất từ 50 MW đến 300 MW.

Nhóm 2: Chuyên gia thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển công nghiệp. Nhóm này sẽ khai thác được kiến trúc kết nối mạng V net, giải pháp cấu hình phần cứng trạm FCS và quy trình lập trình mô phỏng trên phần mềm DCS Centum CS 3000 của Yokogawa cho các dự án điều khiển quá trình phức tạp.

Nhóm 3: Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Đây là nguồn tài liệu tham khảo học thuật giá trị về lý thuyết điều khiển đa biến, phương pháp nhận dạng hệ thống quán tính có trễ và kỹ thuật chỉnh định PID thực nghiệm.

Nhóm 4: Các nhà quản lý kỹ thuật và chuyên gia kiểm toán năng lượng trong ngành điện lực. Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu xác thực để xây dựng dự án chuyển đổi tự động hóa, ước tính hiệu quả kinh tế thông qua việc cắt giảm từ 8% đến 15% năng lượng tự dùng trong các tổ máy phát điện.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống DCS Yokogawa Centum CS 3000 mang lại ưu thế gì vượt trội cho lò hơi nhiệt điện? Hệ thống DCS Centum CS 3000 sở hữu độ khả dụng lên tới 99.99999% nhờ cấu trúc dự phòng kép toàn diện từ nguồn nuôi, CPU xử lý đến mạng truyền thông V net tốc độ 128 Mbps. Hệ thống quản lý đồng thời hơn 10.000 tín hiệu I/O, thực thi các thuật toán điều khiển tầng và truyền thẳng với độ tin cậy tuyệt đối trong môi trường nhiệt độ cao.

Tại sao cần kết hợp cả cánh hướng damper và thay đổi tốc độ quạt gió? Sự phối hợp này khai thác triệt để ưu thế đáp ứng nhanh trong 1 đến 3 giây của cánh hướng damper khi phụ tải dao động đột ngột, đồng thời tận dụng hiệu quả tiết kiệm điện của biến tần khi phụ tải ổn định. Kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp kép này tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ và giảm hao mòn cơ khí cho quạt gió.

Phương pháp chỉnh định PID nào mang lại độ chính xác cao nhất cho hệ thống khói gió? Phương pháp đáp ứng bậc thang kết hợp kỹ thuật dao động tới hạn Ziegler - Nichols mang lại hiệu quả tối ưu nhất. Phương pháp này nhận dạng chính xác hằng số quán tính và thời gian trễ của đường ống, giúp rút ngắn thời gian điều chỉnh nhiệt độ gió cấp 1 từ 120 giây xuống 45 giây với độ vọt lố duy trì dưới mức 3%.

Cấu trúc phân tán của hệ thống DCS Na Dương được tổ chức như thế nào? Hệ thống được phân bổ thành 3 cấp hoàn chỉnh: cấp thiết bị đo lường và van chấp hành tại hiện trường, cấp điều khiển quá trình gồm các trạm FCS thực thi logic thuật toán theo chu kỳ 50 mili-giây, và cấp giám sát HIS cho phép kỹ sư theo dõi 100% sơ đồ công nghệ, quản lý báo động và lưu trữ lịch sử vận hành.

Các thuật toán điều khiển trong luận văn có thể áp dụng cho các loại lò hơi công nghiệp khác không? Toàn bộ thuật toán điều khiển tỷ lệ than - gió, áp suất chân không buồng đốt và mức nước bao hơi hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn CFB, lò hơi ghi xích hoặc lò thu hồi nhiệt HRSG công suất từ 20 đến 150 tấn hơi mỗi giờ trong các ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim.

Kết luận

  • Hoàn thiện nghiên cứu và thiết kế cấu hình tổng thể hệ thống DCS Yokogawa Centum CS 3000 cho tổ máy phát điện 110 MW tại Nhà máy Nhiệt điện Na Dương.
  • Thiết lập thành công các cấu trúc điều khiển nâng cao bao gồm điều khiển tầng, điều khiển truyền thẳng và giải pháp phối hợp quạt gió - cánh hướng cho hệ thống khói gió lò hơi.
  • Nâng cao chất lượng đáp ứng động học với thời gian quá độ rút ngắn xuống 45 giây, khống chế độ vọt lố dưới 3% và tiết giảm 15% điện năng tiêu thụ của quạt gió.
  • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện đồ họa giám sát HIS và bộ cơ sở dữ liệu Function Block chuẩn hóa, bảo đảm tính khả thi ứng dụng thực tế cao.
  • Đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật và phương pháp luận chuyên sâu cho ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa trong lĩnh vực năng lượng nhiệt điện.

Kế hoạch chuyển giao công nghệ và triển khai thử nghiệm toàn diện trên phần cứng thực tế của nhà máy được định hướng thực hiện trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tới. Quý bạn đọc và các đơn vị quan tâm hãy kết nối trực tiếp với tác giả hoặc truy cập kho dữ liệu học thuật của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để tham khảo trọn vẹn công trình nghiên cứu và thúc đẩy ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.