Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển hệ phụ tải nhiệt tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than

Nhà máy nhiệt điện cận tới hạn hoạt động theo chu trình Rankine cải tiến. Nhiên liệu than cám được phun vào buồng lửa để sinh nhiệt. Nhiệt lượng truyền qua các bề mặt sinh hơi tạo thành hơi nước áp suất cao. Hơi quá nhiệt tiếp tục giãn nở trong tuabin để quay máy phát điện. Hệ điều khiển phụ tải nhiệt tiếp nhận tín hiệu công suất yêu cầu từ trung tâm điều độ. Hệ thống tính toán lưu lượng than, gió cấp và nước cấp tương ứng. Tốc độ đáp ứng của lò hơi thường chậm hơn nhiều so với tuabin. Sự chênh lệch quán tính nhiệt này tạo ra độ trễ lớn. Giải pháp điều khiển phải giải quyết triệt để vấn đề ghép kênh giữa áp suất hơi và công suất điện.

Hệ thống điều khiển phân tán DCS nhà máy điện quản lý nhiều mạch vòng độc lập và liên kết. Mạch vòng cấp liệu kiểm soát chính xác lưu lượng than vào máy nghiền. Mạch vòng khói gió duy trì áp suất buồng lửa âm và tỷ lệ hòa khí tối ưu. Mạch vòng nước cấp đảm bảo mức nước bao hơi luôn nằm trong giới hạn an toàn. Mạch vòng hơi quá nhiệt sử dụng nước phun giảm nhiệt để kiểm soát nhiệt độ đầu ra. Mỗi mạch vòng đều chịu ảnh hưởng bởi nhiễu tải và biến động đặc tính than. Việc phối hợp nhịp nhàng các vòng lặp trong hệ thống DCS giúp tổ máy vận hành ổn định. Các thuật toán phản hồi kết hợp truyền thẳng loại bỏ nhanh các sai lệch động.

Mô hình hệ thống đồng phát nhiệt điện CHP cung cấp đồng thời điện năng và nhiệt năng. Dạng tổ máy này đòi hỏi tính linh hoạt cao hơn các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi truyền thống. Phụ tải nhiệt công nghiệp thường biến động không đồng pha với phụ tải điện lưới. Điều này gây khó khăn lớn cho việc cân bằng nhiệt trị trong lò hơi. Áp suất trích hơi tuabin phải duy trì ổn định để phục vụ các hộ tiêu thụ nhiệt. Nếu phân bổ tải không hợp lý, hiệu suất nhiệt toàn nhà máy sẽ giảm mạnh. Việc tích hợp các giải pháp điều khiển tự động hóa hiện đại là yêu cầu cấp thiết. Bài toán điều khiển cần đảm bảo đáp ứng nhanh cả hai nhu cầu năng lượng độc lập.

Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng được ứng dụng để lập phương trình trạng thái. Mô hình hóa động học tổ máy lò hơi bao gồm các phương trình vi phân phi tuyến bậc cao. Các khối chức năng chính gồm buồng lửa, dàn ống sinh hơi, bao hơi và bộ quá nhiệt. Quá trình tích tụ nhiệt và thay đổi pha của môi chất được mô tả chi tiết. Độ trễ của hệ thống cấp than và máy nghiền được xấp xỉ qua các khâu quán tính. Mô hình toán học thể hiện rõ sự tương tác qua lại giữa các đại lượng vào ra. Áp suất hơi và mức nước bao hơi là hai biến trạng thái nhạy cảm nhất. Việc chuẩn hóa mô hình giúp tối ưu hóa thuật toán điều khiển sau này.

Cân bằng nhiệt tổng quát trong buồng lửa quyết định lưu lượng hơi sinh ra. Nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng cháy phụ thuộc vào chất lượng than và lượng không khí thừa. Dòng nhiệt truyền qua vách ống sinh hơi tạo ra dòng bọt khí hai pha. Khối lượng riêng của hỗn hợp nước và hơi thay đổi liên tục dọc theo chiều dài ống. Hiện tượng phồng xẹp mức nước bao hơi gây ra đáp ứng pha không cực tiểu rất khó điều khiển. Khi van điều khiển tuabin mở nhanh, áp suất giảm đột ngột làm sôi bùng môi chất. Mô hình động lực học truyền nhiệt phải phản ánh chính xác hiệu ứng này. Đây là cơ sở cốt lõi để xây dựng các thuật toán điều khiển mức nước bền vững.

Hệ thống tuabin hơi nước được mô tả qua các tầng cao áp, trung áp và hạ áp. Phương trình động lực học van điều áp thể hiện mối quan hệ giữa độ mở van và lưu lượng hơi. Quá trình tích trữ hơi trong các bình góp và đường ống quá nhiệt tạo ra hằng số thời gian nhỏ. Máy phát điện đồng bộ được mô tả qua phương trình dao động góc quay rotor và cân bằng công suất điện từ. Tốc độ quay của trục tuabin liên hệ chặt chẽ với tần số lưới điện quốc gia. Sự thay đổi tải điện tác động ngược trở lại áp suất trước van tuabin. Mô hình ghép nối lò hơi tuabin máy phát tạo nên bức tranh toàn diện về hệ thống phát điện.

Hệ thống coordinated control system CCS nhiệt điện phát triển dựa trên việc phối hợp đa biến. Cấu trúc cải tiến từ sơ đồ Flynn tích hợp các bộ bù tương tác chéo. Khi có yêu cầu tăng tải, van tuabin mở sớm để huy động quán tính hơi sẵn có. Đồng thời, bộ điều khiển lò hơi tăng lưu lượng than cấp để bù đắp năng lượng thiếu hụt. Bộ điều phối tín hiệu trung tâm tính toán sai lệch giữa công suất phát và áp suất hơi chính. Tín hiệu điều khiển được gán trọng số thích hợp theo từng chế độ vận hành. Giải pháp này hạn chế tối đa hiện tượng trễ nhiệt của buồng lửa. Độ ổn định của tổ máy tăng lên đáng kể trong các giai đoạn chuyển tiếp tải.

Phương pháp điều khiển dự báo mô hình MPC lò hơi mang lại khả năng xử lý đa biến vượt trội. Thuật toán MPC sử dụng mô hình trạng thái để dự đoán đáp ứng tương lai của tổ máy. Bài toán tối ưu hóa có ràng buộc được giải quyết liên tục tại mỗi chu kỳ trích mẫu. Các giới hạn vật lý về tốc độ đóng mở van và nhiệt độ kim loại được đảm bảo nghiêm ngặt. Bộ điều khiển MPC tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển tối ưu cho lưu lượng than và van hơi. Sai số giữa giá trị dự đoán và thực tế được hiệu chỉnh qua khâu phản hồi trạng thái. Nhờ tính toán trước hành vi động học, MPC triệt tiêu hiệu quả các dao động áp suất khi thay đổi công suất phát.

Các thông số nhiệt động của lò hơi thay đổi đáng kể theo thời gian vận hành và mức độ đóng xỉ. Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững phụ tải nhiệt giúp duy trì chất lượng điều khiển ổn định. Bộ điều khiển tự động cập nhật ma trận hệ số khi điểm làm việc của tổ máy thay đổi. Kỹ thuật điều khiển bền vững H-vô-cùng hoặc trượt được tích hợp để triệt tiêu nhiễu không mô hình hóa. Sai lệch do chất lượng than biến đổi được bù trừ nhanh chóng. Hệ thống duy trì độ ổn định tiệm cận trong toàn bộ dải công suất từ tải kỹ thuật đến tải định mức. Khả năng tự thích nghi giảm bớt nhu cầu chỉnh định tham số thủ công của kỹ sư vận hành.

Thuật toán tối ưu bầy đàn PSO trong điều khiển nhiệt khởi tạo một quần thể các hạt ngẫu nhiên. Mỗi hạt đại diện cho một bộ tham số điều khiển trong không gian tìm kiếm nhiều chiều. Vị trí và vận tốc của từng hạt được cập nhật liên tục qua từng thế hệ lặp. Sự dịch chuyển của hạt chịu ảnh hưởng bởi kinh nghiệm cá nhân tốt nhất và kinh nghiệm toàn bầy. Hàm mục tiêu đánh giá kết hợp giữa tích phân sai số bình phương và độ biến thiên năng lượng điều khiển. Thuật toán tránh được nguy cơ rơi vào cực trị địa phương nhờ cơ chế cập nhật ngẫu nhiên có trọng số quán tính. Quá trình tối ưu hóa kết thúc khi sai số hội tụ về ngưỡng cho phép.

Nhiệm vụ tối ưu hóa phân bổ phụ tải nhiệt điện giữa các tổ máy có ý nghĩa kinh tế to lớn. Tổng công suất yêu cầu của hệ thống điện được phân chia chi tiết cho từng tổ máy độc lập. Mục tiêu chính là giảm thiểu tối đa tổng chi phí nhiên liệu than tiêu thụ trong toàn nhà máy. Thuật toán tối ưu tính toán điểm làm việc tối ưu dựa trên đường cong chi phí gia tăng. Các ràng buộc kỹ thuật về công suất cực tiểu, công suất cực đại và tốc độ tăng tải được kiểm soát chặt chẽ. Kết quả phân bổ tải tối ưu giúp nhà máy tiết kiệm hàng nghìn tấn than mỗi năm. Đồng thời, lượng khí thải phát thải ra môi trường cũng được cắt giảm đáng kể.

Đường cong đặc tính suất hao nhiệt Heat Rate phản ánh hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng. Suất hao nhiệt thường tăng cao khi tổ máy vận hành ở dải phụ tải thấp. Ngược lại, khi vận hành gần công suất định mức, suất hao nhiệt đạt giá trị tối ưu nhỏ nhất. Việc xác định chính xác hàm đặc tính Heat Rate cho phép lập kế hoạch huy động tổ máy hợp lý. Dữ liệu đo đạc thực tế từ các cảm biến nhiệt và lưu lượng than được xử lý để làm mịn đường cong. Dựa vào chỉ số này, hệ thống tự động điều chỉnh phân bổ tải về các vùng có hiệu suất cao. Đây là thước đo then chốt để đánh giá tính kinh tế của giải pháp điều khiển mới.

Mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng thể hiện đáp ứng động học của tổ máy 300 MW Nhiệt điện Hải Phòng. Khi tải yêu cầu thay đổi đột ngột 10% công suất định mức, hệ thống mới thích ứng nhanh chóng. Áp suất bao hơi chỉ dao động trong phạm vi hẹp dưới 0.3 MPa trước khi xác lập lại trạng thái cân bằng. Thời gian đáp ứng công suất điện nhanh hơn 35% so với cấu trúc điều khiển cơ sở. Độ lệch nhiệt độ hơi quá nhiệt không vượt quá 2 độ C, bảo vệ an toàn cho cánh tuabin. Các kết quả này khẳng định tính đúng đắn của phương pháp mô hình hóa và thuật toán tối ưu. Cấu trúc mới hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn vận hành lưới điện khắt khe.

Chất lượng điều khiển được định lượng thông qua các chỉ số tích phân sai số tích lũy IAE và ISE. So với hệ thống điều khiển truyền thống, chỉ số IAE của áp suất hơi giảm hơn 40%. Hiệu suất sinh hơi của lò cải thiện rõ rệt nhờ việc phân bổ nhiên liệu và gió tối ưu. Độ ổn định nhiệt độ kim loại giúp kéo dài tuổi thọ vận hành của ống sinh hơi và bao hơi. Mức tiêu hao điện tự dùng cho quạt gió và máy nghiền than giảm đáng kể. Toàn bộ giải pháp có khả năng tích hợp trực tiếp vào phần cứng hệ thống DCS sẵn có của nhà máy. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành năng lượng nhiệt điện Việt Nam.