Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng quốc gia, Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại giữ vai trò then chốt với tổng công suất phát điện qua hai giai đoạn đạt 1.040 MW. Cụ thể, Phả Lại 1 gồm 4 tổ máy có công suất thiết kế 440 MW cung cấp sản lượng 2,86 tỷ kWh/năm, tiêu thụ khoảng 1,6 triệu tấn than/năm. Tiếp nối thành công đó, Phả Lại 2 với công suất 600 MW bổ sung 3,68 tỷ kWh/năm vào lưới điện quốc gia, nâng tổng lượng than tiêu thụ toàn nhà máy lên 3,2 triệu tấn than mỗi năm. Để duy trì sự vận hành ổn định và liên tục của các tổ máy nhiệt điện công suất lớn, khâu cấp nhiên liệu đòi hỏi độ chính xác và tính sẵn sàng kỹ thuật đặc biệt nghiêm ngặt.

Vấn đề cốt lõi đặt ra trong công tác vận hành là dây chuyền cấp than bao gồm chuỗi liên động phức tạp giữa nhiều tổ hợp máy: máy nghiền than công suất 1.600 kW, quạt tải bột 1.600 kW, máy cấp than nguyên công suất 9 kW và hệ thống 8 động cơ cấp than cám 1,9 kW. Việc điều khiển các thiết bị này theo phương pháp rơ-le truyền thống hoặc PLC thông thường gặp nhiều trở ngại trong việc tối ưu hóa đồng thời thuật toán liên động logic và mạch vòng điều khiển tương tự.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, thiết lập mô hình toán học và ứng dụng ngôn ngữ lập trình trực quan Stateflow trong môi trường MATLAB & Simulink để mô phỏng, điều khiển và giám sát toàn diện hệ thống truyền động cấp than. Nghiên cứu được triển khai tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại trong giai đoạn 2006 – 2008. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao khi nâng cao chất lượng điều tốc máy cấp than nguyên trong dải từ 300 đến 1.500 vòng/phút, đảm bảo lưu lượng cấp than đạt định mức 80 tấn/giờ, đồng thời góp phần hạn chế tổn thất nhiệt buồng đốt từ mức tổn thất cơ giới 8% và tổn thất khói thoát 5,4%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động truyền động điện và lý thuyết máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM):

  1. Lý thuyết máy trạng thái hữu hạn và ngôn ngữ Stateflow: Stateflow là công cụ mô hình hóa dựa trên lý thuyết FSM, cho phép biểu diễn các trạng thái sự kiện rời rạc thông qua sơ đồ đồ họa trực quan. Khung lý thuyết phân chia trạng thái thành hai dạng cấu trúc cốt lõi:

    • Phân ly trạng thái loại trừ (Exclusive OR): Đảm bảo tại một thời điểm chỉ có duy nhất một trạng thái con được kích hoạt trong cùng một cấp mẹ, áp dụng cho các chế độ làm việc luân phiên của động cơ.
    • Phân ly trạng thái song song (Parallel AND): Cho phép các trạng thái con cùng hoạt động đồng thời và độc lập, áp dụng để điều khiển đồng bộ giữa quạt tải bột và máy nghiền than.
    • Các phần tử liên kết: Sử dụng các điểm nối chuyển tiếp (Connective Junctions), nút lược sử (History Junctions) nhằm lưu vết trạng thái trước sự cố, chuyển mặc định (Default Transitions) và bảng chân lý (Truth Table) để quản lý ma trận logic điều khiển.

  2. Lý thuyết tổng hợp mạch vòng điều khiển truyền động điện DC: Áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu (Modulus Optimum Criterion) để thiết kế cấu trúc điều khiển tầng (Cascade Control) cho động cơ một chiều kích từ song song của máy cấp than nguyên. Phương pháp này tối ưu hóa tham số bộ điều chỉnh dòng điện (Current Controller) và bộ điều chỉnh tốc độ (Speed Controller), đảm bảo hệ thống có độ dự trữ ổn định cao và triệt tiêu sai lệch tĩnh khi phụ tải thay đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa mô hình hóa toán học giải tích và mô phỏng số thời gian thực:

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 đối tượng thiết bị truyền động cốt lõi của dây chuyền cấp than (gồm 1 máy cấp than nguyên 9 kW, 1 máy nghiền than 1.600 kW, 1 quạt tải bột 1.600 kW, 1 quạt máy nghiền 395 kW và 8 động cơ máy cấp than cám 1,9 kW). Phương pháp chọn mẫu định chuẩn toàn diện (exhaustive purposive sampling) được lựa chọn nhằm bao quát đầy đủ toàn bộ các mắt xích công nghệ tác động trực tiếp đến lưu lượng than đưa vào buồng đốt lò hơi.
  • Nguồn dữ liệu và thông số thu thập: Thu thập trực tiếp từ hồ sơ kỹ thuật vận hành của 2.264 cán bộ kỹ thuật tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại, bao gồm thông số hình học phễu than nguyên 360 m³, phễu than mịn 230 m³, các ngưỡng áp suất phân ly thô - mịn và áp lực gió cấp đạt 210 kg/m³.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc phân tích thông qua công cụ Stateflow Target Builder và Stateflow Debugger trong MATLAB & Simulink được lựa chọn vì công cụ này giải quyết triệt để bài toán hệ thống lai (Hybrid Systems) – kết hợp giữa tín hiệu liên tục (dòng điện, điện áp, tốc độ quay) và tín hiệu sự kiện logic rời rạc (sự cố mất xung, quá tải, chạm đất 1 pha, mất kích từ). Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô hình hóa và kiểm thử thực nghiệm trên mô hình được hoàn thành trong chu kỳ 24 tháng (2006 – 2008).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm chứng thuật toán điều khiển trên phần mềm đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Tổng hợp thành công mạch vòng điều khiển động cơ máy cấp than nguyên: Động cơ DC kích từ song song (công suất $P_{đm} = 9\text{ kW}$, điện áp $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện $I_{đm} = 50\text{ A}$, tốc độ $n_{đm} = 1.500\text{ vòng/phút}$, hiệu suất $\eta = 80%$) đạt đặc tính bám tốc độ chính xác trong dải điều chỉnh từ 300 đến 1.500 vòng/phút. Sai số xác lập tốc độ đạt dưới 1,2%, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu cấp than ổn định 80 tấn/giờ theo độ chênh áp $\Delta P$ của máy nghiền.
  2. Khóa liên động logic chính xác tuyệt đối (100%): Sơ đồ Stateflow đã xử lý đồng bộ 100% các điều kiện liên động phức tạp giữa quạt tải bột (1.600 kW, 1.500 vòng/phút), máy nghiền than (1.600 kW, 100 vòng/phút, dòng điện 120 A) và hệ thống máy cấp than. Khi xảy ra sự cố ngừng quạt tải bột hoặc mất mức dầu bôi trơn máy nghiền, hệ thống tự động khóa dừng máy cấp than nguyên trong thời gian dưới 0,1 giây, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nghẽn than cục bộ.
  3. Phân nhóm điều khiển linh hoạt 8 động cơ cấp than cám: Hệ thống phân tách thành công 8 động cơ cấp than cám (công suất 1,9 kW/động cơ) thành 2 nhóm chẵn và lẻ (4 động cơ/nhóm). Tốc độ của mỗi nhóm được điều khiển độc lập thông qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, đảm bảo lưu lượng cấp than bột từ 1,5 đến 7 tấn/giờ cho mỗi nhánh vòi phun, tương thích với lưu lượng gió 160 m³/giờ và áp lực 210 kg/m³.
  4. Tối ưu hóa khả năng xử lý điểm ngắt sự cố: Thiết lập 5 điểm ngắt logic chính trong Stateflow Debugger, giúp nhận diện và cô lập tức thời các sự cố nguy hiểm như: mất kích từ động cơ, chạm đất 1 pha máy nghiền, mất áp nguồn 6 kV hoặc quá nhiệt ổ trục.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu phản hồi động học của hệ thống được minh chứng rõ nét khi biểu diễn trên đồ thị thời gian thực (Simulink Scope) và bảng quản lý biến dữ liệu (Model Explorer):

Đặc tính quá độ mạch vòng điều khiển động cơ cấp than:
Tốc độ (v/p)
1500 |               /------------------- (Thời gian quá độ < 0,15s)
     |              /
 300 |             /  (Độ quá điều chỉnh dòng điện < 4,3%)
     |____________/
     0-----------------------------------> Thời gian (s)

Khi thảo luận về cấu trúc điều khiển, việc áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu cho mạch vòng dòng điện giúp hệ số suy giảm dao động đạt giá trị tối ưu, độ quá điều chỉnh dòng điện khi khởi động được hãm ở mức dưới 4,3%, thời gian quá độ đạt dưới 0,15 giây. Điều này bảo vệ an toàn tuyệt đối cho cổ góp và chổi than của động cơ 9 kW trong môi trường nhiệt độ cao và nhiều bụi than.

So sánh với các giải pháp lập trình bậc thang (Ladder Diagram) trên PLC truyền thống, việc sử dụng các khối đồ họa Stateflow giúp giảm thiểu 40% dung lượng dòng lệnh mã hóa, đồng thời loại bỏ hoàn toàn hiện tượng xung đột trạng thái (race condition) nhờ cơ chế định thứ tự ưu tiên của các nhánh chuyển tiếp (Transition Priority). Việc ứng dụng nút lược sử (History Junction) cho phép hệ thống tự động khôi phục chính xác trạng thái vận hành trước đó ngay sau khi xóa tín hiệu cảnh báo sự cố tạm thời, rút ngắn thời gian khởi động lại dây chuyền xuống dưới 2 giây.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ mô hình mô phỏng Stateflow, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành thực tế:

  1. Tích hợp module Stateflow vào hệ thống điều khiển phân tán (DCS): Ban lãnh đạo và Phòng Kỹ thuật Tự động hóa Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại cần tiến hành nhúng mã nguồn C được sinh tự động từ Stateflow (thông qua Stateflow Coder) vào các bộ điều khiển khả trình của tổ máy 440 MW và 600 MW, đặt mục tiêu hoàn thành thử nghiệm trong vòng 6 tháng.
  2. Tự động hóa hiệu chỉnh cấp than theo độ chênh áp lò hơi: Nhóm kỹ sư vận hành dây chuyền nhiên liệu cần chuẩn hóa thuật toán điều tốc động cơ cấp than cám bám sát biến thiên độ chênh áp $\Delta P$ của máy nghiền than và nhiệt độ sấy, duy trì lưu lượng ổn định từ 1,5 đến 7 tấn/giờ cho từng vòi phun, triển khai đồng bộ trong thời gian 9 tháng.
  3. Nâng cấp hệ thống cảm biến đo lường và van chấp hành: Đơn vị bảo trì thiết bị cần thay thế định kỳ hệ thống van khí G16, G17, G18, G19, G20 và khóa khí than bột, bổ sung cảm biến giám sát độ ồn và độ rung máy nghiền (công suất 1.600 kW, điện áp 6 kV) với mục tiêu hoàn thiện trước quý 4 năm 2009.
  4. Ứng dụng mô hình vào công tác đào tạo và nghiên cứu: Bộ môn Tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật (như Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Đại học Bách Khoa Hà Nội) cần đưa mô hình mô phỏng cấp than bằng Stateflow vào chương trình thực hành cho 100% sinh viên chuyên ngành trong năm học 2008 – 2009 nhằm nâng cao kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp phức tạp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại nguồn tài liệu giá trị cao cho các nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư vận hành và tự động hóa tại các nhà máy nhiệt điện đốt than: Nắm bắt chi tiết sơ đồ công nghệ, quy trình liên động máy nghiền 1.600 kW, quạt tải bột và phương pháp bảo vệ chống sự cố mất kích từ, quá dòng trên động cơ cấp than 9 kW.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển: Khai thác phương pháp luận kết hợp giữa MATLAB, Simulink và Stateflow để làm học liệu giảng dạy các môn học Điều khiển logic, Hệ thống điều khiển nhúng và Truyền động điện.
  • Sinh viên, học viên cao học ngành Tự động hóa: Sử dụng luận văn như một tài liệu mẫu chuẩn mực về phương pháp tổng hợp mạch vòng theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu và kỹ thuật lập trình máy trạng thái FSM.
  • Chuyên gia thiết kế và tích hợp hệ thống công nghiệp: Tham khảo giải pháp xây dựng giao diện điều khiển - giám sát SCADA/DCS và thuật toán điều phối luồng nhiên liệu quy mô lớn đạt năng suất 80 tấn/giờ.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm vượt trội của ngôn ngữ Stateflow so với PLC truyền thống trong hệ thống cấp than là gì?
Stateflow cho phép mô hình hóa trực quan các hệ thống lai kết hợp giữa điều khiển logic sự kiện và điều khiển tương tự liên tục trên cùng một sơ đồ. Thay vì viết hàng nghìn dòng lệnh bậc thang dễ xung đột, Stateflow sử dụng máy trạng thái hữu hạn, giúp giảm 40% độ phức tạp và hỗ trợ mô phỏng động học trước khi nạp vào phần cứng.

Tại sao tiêu chuẩn mô đun tối ưu được chọn để tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ DC 9 kW?
Tiêu chuẩn mô đun tối ưu giúp tối ưu hóa đặc tính biên độ tần số của hệ kín, đảm bảo thời gian quá độ dòng điện nhanh nhất (dưới 0,15 giây) với độ quá điều chỉnh nhỏ (khoảng 4,3%). Điều này hạn chế tối đa sốc cơ khí và tia lửa điện trên cổ góp động cơ trong dải tốc độ từ 300 đến 1.500 vòng/phút.

Trạng thái song song (Parallel AND) được ứng dụng như thế nào trong dây chuyền?
Trạng thái song song cho phép quạt tải bột (1.600 kW) và máy nghiền than (1.600 kW) vận hành đồng thời nhưng vẫn duy trì các chu trình kiểm tra điều kiện liên động độc lập. Khi một thiết bị gặp sự cố, luồng trạng thái song song lập tức gửi tín hiệu ngắt an toàn sang nhánh còn lại mà không làm treo hệ thống.

Nút lược sử (History Junction) giải quyết bài toán vận hành nào trong thực tế?
Khi hệ thống gặp sự cố thoáng qua và phải chuyển về trạng thái dừng khẩn cấp, nút lược sử sẽ ghi nhớ chính xác chế độ vận hành ngay trước thời điểm dừng. Khi khởi động lại, Stateflow đưa hệ thống trở lại đúng trạng thái đó mà không cần thực hiện lại chu trình thiết lập ban đầu từ đầu.

Hệ thống máy cấp than cám được phân nhóm và điều khiển độc lập ra sao?
Tám động cơ cấp than cám công suất 1,9 kW được chia thành nhóm chẵn và nhóm lẻ (4 động cơ/nhóm). Mỗi nhóm được cấp nguồn qua một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha độc lập, cho phép điều chỉnh linh hoạt dải lưu lượng cấp bột than từ 1,5 đến 7 tấn/giờ theo nhu cầu phụ tải của lò hơi.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công toàn bộ dây chuyền cấp than Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại với sự tham gia của các tổ hợp máy công suất lớn từ 1,9 kW đến 1.600 kW.
  • Ứng dụng xuất sắc ngôn ngữ Stateflow để giải quyết triệt để 100% các bài toán liên động logic, phân ly trạng thái AND/OR và kiểm soát 5 điểm ngắt sự cố.
  • Tổng hợp hoàn chỉnh mạch vòng điều tốc động cơ DC 9 kW theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu, đạt dải điều chỉnh 300 – 1.500 vòng/phút với sai số dưới 1,2%.
  • Đóng góp giải pháp khoa học thực tiễn giúp nâng cao năng suất cấp than 80 tấn/giờ, giảm tổn thất cơ giới 8% và tổn thất khói thoát 5,4% của lò hơi.
  • Đề xuất lộ trình tích hợp hệ thống vào thực tế và ứng dụng giảng dạy trong giai đoạn tiếp theo; các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp mô hình Stateflow này vào các dự án hiện đại hóa hệ thống tự động hóa công nghiệp.