Tổng quan nghiên cứu

Theo Quyết định số 1208/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, đến năm 2020 tổng công suất nguồn nhiệt điện chu trình hỗn hợp sử dụng khí tự nhiên tại Việt Nam đạt khoảng 10.400 MW, sản xuất xấp xỉ 66 tỷ kWh điện và chiếm tỷ trọng gần 20% tổng sản lượng điện toàn hệ thống. Riêng tại khu vực phía Nam, cụm nhiệt điện Phú Mỹ với tổng công suất đạt gần 4.000 MW giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cung ứng năng lượng phục vụ phát triển kinh tế xã hội.

Bài toán điều độ kinh tế cho các nhà máy điện chu trình hỗn hợp đặt ra thách thức kỹ thuật lớn do sự phối hợp vận hành phức tạp giữa các tổ máy turbine khí và turbine hơi. Quá trình này làm cho hàm chi phí sản xuất điện trở nên phi tuyến, không lồi và không phải là hàm tăng đơn điệu. Các phương pháp tối ưu hóa truyền thống thường gặp khó khăn trong việc đảm bảo tính hội tụ hoặc dễ bị kẹt tại các điểm cực trị cục bộ khi xử lý các ràng buộc an ninh lưới điện và vùng cấm vận hành.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng và ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến để giải quyết bài toán phân bố công suất tối ưu, đồng thời xác định chính xác chi phí vận hành và chi phí khởi động cho từng cấu hình tổ máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn số liệu thiết kế và dữ liệu vận hành thực tế của Nhà máy điện Phú Mỹ 2.1 (công suất 450 MW) và Phú Mỹ 2.1MR (công suất 440 MW) thuộc Tổng công ty Phát điện 3. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật vượt trội khi hỗ trợ cắt giảm chi phí khởi động từ mức 26.850,78 USD cho cấu hình tổ hợp, tối ưu hóa suất tiêu hao nhiệt ở mức 11.127 BTU/kWh và giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều độ kinh tế hệ thống điện kết hợp chu trình hỗn hợp và bài toán phân bố công suất tối ưu có xét đến các ràng buộc an ninh hệ thống điện. Trong các nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp, hệ thống thiết bị bao gồm turbine khí, lò thu hồi nhiệt và turbine hơi được kết hợp theo nhiều cấu hình linh hoạt. Đặc điểm này khiến hàm mục tiêu chi phí nhiên liệu không thể biểu diễn bằng các hàm bậc hai đơn giản thông thường mà phải được xấp xỉ hóa thành dạng đa thức bậc 4 phi tuyến.

Về mặt giải thuật, nghiên cứu phát triển phương pháp tối ưu bầy đàn cải tiến dựa trên thuật toán bầy đàn nguyên bản do Kennedy và Eberhart đề xuất năm 1995. Thuật toán cải tiến tích hợp hai kỹ thuật then chốt: hệ số co của Clerc và Kennedy với tổng hệ số gia tốc đạt giá trị 4,10 để kiểm soát độ ổn định hội tụ, kết hợp cùng kỹ thuật gradient giả do D. Pham giới thiệu nhằm định hướng chính xác quỹ đạo di chuyển của các cá thể trong không gian tìm kiếm. Ba khái niệm trung tâm chi phối mô hình bao gồm: vùng cấm vận hành liên tục do rung động cơ học từ 70 MW đến 85 MW, ba chế độ khởi động nhiệt đặc trưng gồm khởi động nóng 90 phút, khởi động ấm 120 phút, khởi động lạnh 180 phút, và hệ số phạt vi phạm giới hạn kỹ thuật được thiết lập ở mức 10^6.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được trích xuất trực tiếp từ các thông số vận hành thực nghiệm và hồ sơ kỹ thuật của 2 tổ máy ABB-Alstom GT13E2 công suất 145 MWe tại Phú Mỹ 2.1 cùng 2 tổ máy Siemens V94.2 công suất 140 MWe tại Phú Mỹ 2.1MR. Nguồn nhiên liệu khí đầu vào được cấp từ mỏ Nam Côn Sơn qua hệ thống đường ống dẫn khí ngầm dài khoảng 370 km về trạm Dinh Cố và tiếp tục chuyển tải qua tuyến ống 30 km đến trung tâm điện lực.

Quá trình mô phỏng thiết lập cỡ mẫu quần thể gồm 20 cá thể tìm kiếm với số vòng lặp tối đa 250 thế hệ. Mẫu khảo sát bao quát 8 trạng thái ghép nối cấu hình tổ máy với dải công suất biến thiên từ 20 MW đến 450 MW. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật khởi tạo ngẫu nhiên có kiểm soát trong không gian biến điều khiển để đảm bảo tính bao phủ toàn diện của các trạng thái vận hành. Nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến hai giai đoạn kết hợp với phương pháp giải trào lưu công suất Newton-Raphson. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ khả năng xử lý xuất sắc các hàm mục tiêu không khả vi, tốc độ hội tụ nhanh và khả năng tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục ổn định hơn hẳn các giải pháp quy hoạch tuyến tính cổ điển. Toàn bộ quá trình tính toán và hiệu chỉnh mô hình được hoàn thành trong giai đoạn 2013-2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết sự khác biệt về chi phí khởi động nóng giữa các nhà máy. Tại Phú Mỹ 2.1MR, chi phí khởi động tổ hợp chu trình hỗn hợp 1GT + 1ST là 17.794,39 USD, tiết kiệm khoảng 1,45% so với mức 18.056,24 USD của Nhà máy điện Phú Mỹ 2.1. Lợi thế này xuất phát từ việc tổ máy Siemens của Phú Mỹ 2.1MR có tốc độ quay trục trở đạt 90 vòng/phút, giúp rút ngắn thời gian chuẩn bị khởi động và giảm lượng tiêu hao khí đốt ban đầu.

Thứ hai, đối với chế độ chu trình đơn 1GT, chi phí nhiên liệu khởi động của Phú Mỹ 2.1MR đạt mức 8.072,73 USD cho mỗi lần khởi động, giảm 8,21% so với chi phí 8.794,54 USD của Phú Mỹ 2.1. Khi mở rộng sang vận hành chu trình đơn 2GT, tổng chi phí khởi động của Phú Mỹ 2.1MR được xác định chính xác ở mức 16.145,46 USD.

Thứ ba, thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến đã giải quyết thành công bài toán kinh tế cho cấu hình tổ hợp đầy đủ 2-2-1 với công suất cực đại 450 MW. Quá trình tính toán đã khấu trừ chuẩn xác phần điện năng thương phẩm sinh ra trong giai đoạn lò thu hồi nhiệt tạo hơi đạt 32,94 MWh, tương đương giá trị bán điện 2.437,50 USD, đưa tổng chi phí khởi động thực tế của cấu hình 2GT + 1ST tại Phú Mỹ 2.1 về mức tối ưu 26.850,78 USD.

Thứ tư, giải thuật cải tiến đã phân bổ công suất tối ưu cho các tổ máy, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng vận hành rơi vào vùng cấm từ 70 MW đến 85 MW, đồng thời duy trì dải làm việc hiệu suất cao từ 90 MW đến 145 MW cho các turbine khí và kiểm soát chặt chẽ tổn hao truyền tải trên thanh cái 220 kV.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về chi phí sản xuất giữa hai nhà máy phản ánh trực tiếp hiệu quả công nghệ của từng dòng thiết bị. Phú Mỹ 2.1 có suất tiêu hao nhiệt định mức đạt 11.127 BTU/kWh và hiệu suất 34,2%, trong khi Phú Mỹ 2.1MR có suất tiêu hao nhiệt là 11.521 BTU/kWh cùng hiệu suất 33%. Sự can thiệp của kỹ thuật gradient giả đã tạo ra lực đẩy định hướng giúp bầy đàn cá thể nhanh chóng di chuyển về vùng cực tiểu chi phí mà không bị phân tán. Hệ số co ổn định hóa biên độ dao động, cho phép thuật toán đạt trạng thái hội tụ tối ưu chỉ sau khoảng 120 đến 150 chu kỳ lặp.

Khi so sánh với phương pháp Lambda Dispatch truyền thống vốn thường gặp hiện tượng không hội tụ khi mở rộng số lượng ràng buộc an ninh, hoặc phương pháp di truyền trong miền số thực dễ gặp sai số do biến đổi không gian liên tục, thuật toán bầy đàn cải tiến cho thấy độ chính xác cao hơn khoảng 2,3% về tổng chi phí vận hành. Về mặt trình bày học thuật, toàn bộ quy luật biến thiên chi phí được thể hiện trực quan qua đồ thị đường cong chi phí phi tuyến dạng đa thức bậc 4 và các bảng đối sánh chi phí vận hành thực tế tại từng mốc công suất từ 40 MW đến 450 MW, minh chứng rõ nét cho tính ưu việt của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp mô-đun tính toán điều độ kinh tế bằng thuật toán bầy đàn cải tiến vào hệ thống quản lý năng lượng tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và Trung tâm Điều độ miền Nam trong khung thời gian từ 6 đến 12 tháng tới, nhằm mục tiêu cắt giảm từ 1,5% đến 2,5% tổng chi phí nhiên liệu khí đốt tiêu thụ hàng năm.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình khởi động và hòa đồng bộ lò thu hồi nhiệt tại Tổng công ty Phát điện 3, quy định rõ điểm hòa lò tại mức tải trên 60 MW hoặc điểm chuyển tiếp 90 MW, giúp rút ngắn thời gian khởi động chu trình hỗn hợp từ 180 phút xuống 90 phút trong quý 2 tới.

Thứ ba, thiết lập các ngưỡng cảnh báo tự động trên hệ thống điều khiển phân tán DCS tại Nhà máy điện Phú Mỹ 2.1 và Phú Mỹ 2.1MR do đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy thực hiện ngay trong kỳ bảo dưỡng định kỳ 3 tháng tới, nhằm ngăn chặn hoàn toàn việc vận hành kéo dài trong vùng cấm 70 MW đến 85 MW, đảm bảo an toàn cơ khí và kiểm soát phát thải khí độc hại.

Thứ tư, mở rộng phạm vi áp dụng mô hình phân bố tối ưu công suất có xét ràng buộc an ninh cho toàn bộ cụm 4.000 MW Phú Mỹ và các nhà máy chu trình hỗn hợp khu vực lân cận, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam chủ trì nghiên cứu trong giai đoạn 2025-2030, tối ưu hóa tổng thể việc phân bổ dòng khí tự nhiên từ bồn trũng Nam Côn Sơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư vận hành và trưởng ca tại các nhà máy điện chu trình hỗn hợp: Nắm bắt sâu sắc các kịch bản ghép cấu hình máy phát 1-1-1 và 2-2-1, tính toán chính xác chi phí nhiên liệu khởi động và thiết lập chế độ vận hành tối ưu nhằm nâng cao tuổi thọ thiết bị.

Nhóm kỹ sư điều độ hệ thống điện tại các cấp điều độ: Ứng dụng mô hình toán học và thuật toán bầy đàn cải tiến làm công cụ hỗ trợ ra quyết định phân bổ công suất thời gian thực, đảm bảo cân bằng kinh tế và an ninh lưới điện 220 kV.

Nhóm nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Khảo sát phương pháp luận nâng cao về tối ưu hóa ngẫu nhiên, kỹ thuật xử lý hàm mục tiêu phi lồi và cách tiếp cận liên kết giữa lý thuyết điều khiển hiện đại với bài toán năng lượng thực tế.

Nhóm chuyên viên phát triển phần mềm và tự động hóa hệ thống điện: Tham khảo cấu trúc thuật toán, phương pháp cài đặt hệ số phạt và mô hình trào lưu công suất Newton-Raphson để xây dựng các gói giải pháp điều độ tự động cho thị trường điện cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

Hàm chi phí của nhà máy điện chu trình hỗn hợp có đặc tính gì khác biệt so với nhà máy nhiệt điện truyền thống? Đặc tính chi phí của chu trình hỗn hợp không phải là hàm tăng đơn điệu mà có dạng đường cong phi lồi với nhiều đoạn gấp khúc. Nguyên nhân là do sự biến thiên linh hoạt khi ghép nối giữa turbine khí và turbine hơi qua lò thu hồi nhiệt, tạo ra các bước nhảy chi phí rõ rệt khi chuyển đổi giữa các trạng thái vận hành.

Kỹ thuật gradient giả mang lại lợi ích cụ thể nào cho thuật toán bầy đàn? Kỹ thuật gradient giả cung cấp hướng dịch chuyển tối ưu cho các cá thể bầy đàn trong không gian tìm kiếm đa chiều mà không yêu cầu hàm mục tiêu phải khả vi liên tục. Nhờ đó, thuật toán dễ dàng vượt qua các điểm gián đoạn và vùng cấm vận hành trên dải công suất 20 MW đến 450 MW mà không bị kẹt ở cực trị cục bộ.

Vì sao chi phí khởi động của Phú Mỹ 2.1MR lại thấp hơn Phú Mỹ 2.1? Nhà máy điện Phú Mỹ 2.1MR sử dụng turbine khí Siemens có hệ thống động cơ quay trục đạt tốc độ 90 vòng/phút, cao hơn so với tốc độ quay trục của tổ máy ABB-Alstom tại Phú Mỹ 2.1. Thời gian khởi động chu trình đơn của Phú Mỹ 2.1MR chỉ mất 13 phút so với 30 phút của Phú Mỹ 2.1, giúp tiết kiệm đáng kể lượng khí tiêu thụ.

Vùng cấm vận hành từ 70 MW đến 85 MW được xử lý như thế nào trong mô hình tối ưu? Vùng công suất từ 70 MW đến 85 MW là khu vực phát sinh độ rung cơ học lớn và nồng độ phát thải cao. Trong mô hình toán học, khu vực này được xử lý bằng các hàm phạt với hệ số phạt cực lớn 10^6, buộc thuật toán phải tự động điều hướng công suất phát của tổ máy ra ngoài dải nguy hiểm này.

Lợi ích của việc tận dụng điện năng sinh hơi trong quá trình khởi động là gì? Trong 90 phút khởi động nóng của chu trình hỗn hợp, turbine khí đã hòa lưới và sản sinh ra sản lượng điện đạt khoảng 32,94 MWh. Doanh thu bán điện trị giá 2.437,50 USD thu được từ sản lượng này được khấu trừ trực tiếp vào tiền khí tiêu thụ, giúp tối ưu hóa đáng kể chi phí khởi động ròng của toàn nhà máy.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến kết hợp hệ số co 4,10 và kỹ thuật gradient giả, giải quyết triệt để bài toán điều độ kinh tế phi lồi cho nhà máy điện chu trình hỗn hợp.
  • Xây dựng mô hình tính toán chi tiết chi phí khởi động và hàm chi phí vận hành cho 8 trạng thái cấu hình của Nhà máy điện Phú Mỹ 2.1 (450 MW) và Phú Mỹ 2.1MR (440 MW).
  • Đảm bảo an toàn kỹ thuật tuyệt đối cho hệ thống thông qua việc loại bỏ hoàn toàn các điểm làm việc trong vùng cấm 70 MW đến 85 MW và thỏa mãn các ràng buộc an ninh lưới điện 220 kV.
  • Tối ưu hóa hiệu quả kinh tế thông qua việc bù trừ chính xác doanh thu bán điện sinh hơi 2.437,50 USD trong quá trình khởi động nóng chu trình hỗn hợp.
  • Định hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc tích hợp thuật toán vào hệ thống SCADA thời gian thực và mở rộng cho bài toán điều độ liên vùng trong giai đoạn 2025-2030.

Hãy đưa ngay giải pháp điều độ tối ưu bầy đàn cải tiến vào thực tiễn quản lý và vận hành hệ thống điện để nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm bảo vững chắc an ninh năng lượng quốc gia.