Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp và nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng tại Việt Nam, việc xây dựng và vận hành các nhà máy nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Nhà máy nhiệt điện Na Dương, với công suất phát thô 55,6 MW cho mỗi tổ máy, là một trong những nhà máy nhiệt điện trọng điểm, sử dụng công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn và than khai thác tại mỏ Na Dương. Nhà máy đã chính thức vận hành thương mại từ năm 2005, góp phần cung cấp điện cho lưới điện quốc gia qua các tuyến Lạng Sơn 1, Lạng Sơn 2 và Tiên Yên.

Tuy nhiên, với sự phức tạp của quá trình sản xuất nhiệt điện và yêu cầu về độ tin cậy, hiệu quả vận hành, hệ thống điều khiển phân tán (DCS) đóng vai trò then chốt trong việc giám sát và điều khiển các quá trình công nghệ. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ thống DCS phù hợp cho nhà máy nhiệt điện Na Dương, nhằm mô phỏng, huấn luyện và nâng cao hiệu quả vận hành, bảo dưỡng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích đặc trưng công nghệ của nhà máy, lựa chọn giải pháp DCS, xây dựng chương trình điều khiển và thiết kế giao diện vận hành.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao mức độ tự động hóa, đảm bảo hoạt động ổn định và tối ưu hóa hiệu suất nhà máy, đồng thời hỗ trợ đào tạo đội ngũ kỹ thuật vận hành. Các chỉ số kỹ thuật như áp suất hơi đầu vào 126 kg/cm², nhiệt độ hơi 535°C, lưu lượng hơi chính 205,67 tấn/giờ và các thông số về quạt gió sơ cấp, thứ cấp được sử dụng làm cơ sở thiết kế hệ thống điều khiển. Qua đó, nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại trong ngành nhiệt điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết điều khiển phản hồi (Feedback Control): Áp dụng trong việc duy trì các biến quá trình như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng ở mức ổn định thông qua các vòng điều khiển tự động. Ví dụ, điều khiển áp suất hơi chính sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ tích phân (PI) để phản hồi sai lệch giữa giá trị đo và điểm đặt.

  • Lý thuyết điều khiển bù trừ (Feedforward Control): Được sử dụng để dự đoán và bù trừ các nhiễu loạn trước khi ảnh hưởng đến quá trình, như trong điều khiển lưu lượng gió và nhiên liệu, giúp tăng độ ổn định và giảm thời gian đáp ứng.

  • Mô hình điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS): Mô hình phân cấp gồm các cấp chấp hành - cảm biến, điều khiển, giám sát - chỉ huy và quản lý thông tin, cho phép điều khiển đồng thời nhiều vòng và tích hợp các thuật toán phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: vòng điều khiển PID, điều khiển tuần tự, điều khiển liên động, hệ thống mạng truyền thông công nghiệp (Ethernet, Vnet), và phần mềm CS3000 của Yokogawa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên số liệu thực tế thu thập từ nhà máy nhiệt điện Na Dương. Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm các thông số kỹ thuật, tín hiệu đo lường và điều khiển từ hệ thống hiện tại, được lấy từ tài liệu kỹ thuật và hệ thống DCS đang vận hành.

Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ các biến quá trình quan trọng trong nhà máy như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng nhiên liệu và gió, áp dụng phân tích kỹ thuật để xây dựng mô hình điều khiển phù hợp. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm CS3000, bao gồm mô phỏng chương trình điều khiển, xây dựng giao diện đồ họa và kiểm thử ảo (Virtual Test).

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát hiện trạng, phân tích yêu cầu, thiết kế cấu hình DCS, lập trình mô phỏng, và đánh giá kết quả. Việc sử dụng phần mềm CS3000 giúp mô phỏng chính xác các vòng điều khiển và giao diện vận hành, hỗ trợ huấn luyện kỹ thuật viên vận hành nhà máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế hệ thống DCS phù hợp với đặc thù nhà máy: Hệ thống DCS CS3000 của Yokogawa được lựa chọn với cấu trúc 4 cấp, đáp ứng khả năng quản lý hơn 10.000 điểm vào/ra, phù hợp với quy mô và yêu cầu điều khiển phức tạp của nhà máy Na Dương.

  2. Hiệu quả điều khiển các vòng phản hồi và bù trừ: Các vòng điều khiển áp suất hơi chính, lưu lượng nhiên liệu và gió sơ cấp được thiết kế với bộ điều khiển PID kết hợp feedforward, giúp duy trì áp suất hơi ổn định trong dải 126 ± 5 kg/cm² và lưu lượng nhiên liệu ổn định ở khoảng 36,6 tấn/giờ, giảm sai số điều khiển xuống dưới 3%.

  3. Mô phỏng giao diện vận hành trực quan: Giao diện đồ họa trên trạm HIS cho phép giám sát và điều chỉnh các thông số vận hành như nhiệt độ đầu ra máy nghiền PF, áp suất buồng đốt, lưu lượng gió và nhiên liệu, giúp tăng hiệu quả vận hành và giảm thời gian phản ứng sự cố.

  4. Tăng cường độ tin cậy đo lường: Việc sử dụng các cảm biến đo lường theo cặp và giám sát độ lệch giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy của dữ liệu, giảm thiểu rủi ro do sai số đo lường, đặc biệt trong các vòng điều khiển áp suất và nhiệt độ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng hệ thống DCS CS3000 với các thuật toán điều khiển phản hồi và bù trừ phù hợp đã nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy nhiệt điện Na Dương. So với các nghiên cứu trong ngành, việc tích hợp feedforward giúp giảm thời gian đáp ứng và sai số điều khiển, đồng thời tăng tính ổn định của quá trình.

Việc mô phỏng giao diện vận hành trực quan trên HIS không chỉ hỗ trợ vận hành mà còn là công cụ huấn luyện hiệu quả cho đội ngũ kỹ thuật viên. Các số liệu đo lường được nhân đôi và giám sát độ lệch là giải pháp thực tiễn nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong môi trường công nghiệp phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ xu hướng (Trend) về áp suất hơi, lưu lượng nhiên liệu và nhiệt độ đầu ra máy nghiền, giúp phân tích hiệu suất vận hành theo thời gian thực. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả điều khiển cũng hỗ trợ đánh giá chi tiết hiệu quả hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống DCS CS3000 đồng bộ cho toàn bộ nhà máy: Đề xuất hoàn thiện cấu hình và tích hợp các trạm FCS, HIS để quản lý toàn diện các quá trình công nghệ, nâng cao độ tin cậy và khả năng mở rộng. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do Ban kỹ thuật nhà máy phối hợp với nhà cung cấp.

  2. Đào tạo chuyên sâu cho đội ngũ vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa huấn luyện sử dụng phần mềm CS3000 và vận hành hệ thống DCS, tập trung vào kỹ năng giám sát, điều chỉnh và xử lý sự cố. Mục tiêu nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu lỗi vận hành trong vòng 6 tháng.

  3. Cải tiến hệ thống đo lường và giám sát: Lắp đặt thêm các cảm biến đo lường dự phòng, áp dụng giám sát độ lệch và cảnh báo sớm để tăng độ chính xác và an toàn vận hành. Thực hiện trong 9 tháng, do phòng kỹ thuật phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  4. Phát triển giao diện vận hành trực quan và thân thiện: Cập nhật và tối ưu hóa các màn hình đồ họa trên HIS, tích hợp các cảnh báo và báo động thông minh để hỗ trợ vận hành nhanh chóng và chính xác. Thời gian thực hiện 6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm nội bộ đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chi tiết về thiết kế và vận hành hệ thống DCS, giúp nâng cao kỹ năng giám sát và điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp.

  2. Chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng hệ thống điều khiển phân tán trong ngành nhiệt điện, từ lý thuyết đến thực tiễn triển khai và mô phỏng.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và ví dụ thực tế về thiết kế hệ thống điều khiển trong môi trường công nghiệp thực tế.

  4. Nhà quản lý kỹ thuật và bảo trì: Giúp hiểu rõ cấu trúc hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì và nâng cấp phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống DCS là gì và tại sao cần thiết cho nhà máy nhiệt điện?
    Hệ thống DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển phân tán, cho phép giám sát và điều khiển đồng thời nhiều quá trình công nghệ phức tạp. Trong nhà máy nhiệt điện, DCS giúp duy trì ổn định các biến quá trình như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.

  2. Phần mềm CS3000 của Yokogawa có những ưu điểm gì?
    CS3000 hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và vận hành hệ thống DCS với giao diện đồ họa trực quan, khả năng quản lý dữ liệu lớn, tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại và hỗ trợ kết nối mạng linh hoạt, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và bảo trì.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy của các cảm biến trong hệ thống?
    Độ tin cậy được nâng cao bằng cách sử dụng các cảm biến đo lường theo cặp, giám sát độ lệch giữa các tín hiệu, thiết lập cảnh báo sớm và có hệ thống đo dự phòng, giúp phát hiện và xử lý kịp thời các sai số hoặc hỏng hóc.

  4. Điều khiển phản hồi và bù trừ khác nhau như thế nào?
    Điều khiển phản hồi dựa trên sai lệch giữa giá trị đo và điểm đặt để điều chỉnh quá trình, trong khi điều khiển bù trừ dự đoán các nhiễu loạn trước khi ảnh hưởng đến quá trình, giúp cải thiện độ ổn định và giảm thời gian đáp ứng.

  5. Làm sao để mô phỏng và huấn luyện vận hành hệ thống DCS hiệu quả?
    Sử dụng phần mềm CS3000 với chức năng Virtual Test cho phép mô phỏng các vòng điều khiển và giao diện vận hành, giúp kỹ thuật viên thực hành trong môi trường ảo, nâng cao kỹ năng và giảm rủi ro khi vận hành thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống điều khiển phân tán DCS phù hợp với đặc thù công nghệ và quy mô nhà máy nhiệt điện Na Dương.
  • Áp dụng các thuật toán điều khiển phản hồi và bù trừ giúp duy trì ổn định các biến quá trình quan trọng như áp suất hơi, lưu lượng nhiên liệu và gió.
  • Mô phỏng giao diện vận hành trực quan trên phần mềm CS3000 hỗ trợ hiệu quả công tác vận hành và đào tạo kỹ thuật viên.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy đo lường và cải tiến hệ thống điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất nhà máy.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế hệ thống DCS, đào tạo nhân sự và phát triển giao diện vận hành, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì nhà máy.

Hãy áp dụng các giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển phân tán hiện đại để nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong vận hành nhà máy nhiệt điện, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng quốc gia.